光学设计与光学工艺

光学设计与光学工艺（第一讲)

光学设计过程中需注意的问题目录引言一光学设计过程二光学设计过程中考虑问题三六倍放大镜的加工四客户提出需求

系统总体装调及检验光学设计光学零件加工机械零件加工光学机械设计光学零件检验机械零件检验光学系统实现过程光学设计宗旨:满足技术要求便于制造节省成本一、引言观察目标特性(可见光,红外)或应用领域(激光)观察范围成像要求(点扩散函数传递函数透过波前分辨率)能量视场探测器口径波谱范围焦距成像质量要求大设计难度要求小探测器能量响应要求

合适视场口径焦距成像要求镜头设计(LensDesign)光学系统设计(OpticalSystemDesign)二、光学设计过程客户需求设计过程像质评价像差校正与平衡样板匹配公差分析初始结构计算与选择出设计图纸123456二、光学设计过程二、光学设计过程一个不好的初始结构,再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功1.初始结构的计算和选择

根据初级象差理论求解初始结构

从已有的资料中选择初始结构二、光学设计过程2.象差校正和平衡

用光学计算程序进行光路计算,算出全部象差及各种象差曲线;

找出影响光学系统成象质量的主要象差是哪些;

找出改进办法,进行象差校正;

反复进行象差分析、校正及平衡,直到满足成

象质量要求为止。

二、光学设计过程3.象质评价光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允许值和象差公差有所了解,以便根据剩余象差的大小判断光学系统的成象质量。

二、光学设计过程适用于小象差系统如:望远物镜、显微物镜等。实际波面与理想波面之间的最大波象差不超过1/4波长用于评价大象差系统客观、可靠、便于计算和测量,不仅能用于光学设计结果的评价,还能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学总体设计等各方面。

象质评价的方法瑞利判断分辨率点列图光学传递函数二、光学设计过程对于球面元件,一般根据厂家样板库来进行曲率半径选择。

4.样板匹配手工匹配原则:先输入曲率半径小的，再输入曲率半径大的，每输入一次要进行一次自动优化。

自动匹配

利用软件自带的样板匹配功能进行自动匹配;手工匹配手工输入样板库中有的样板。HENGYI.TPD就是恒益公司的样板库厂家样板库Zemax>>Tools>>TestPlates>>TestPlateFitting>>选择样板库(FileName)>>选择匹配方式(MethodofFit)>>进行匹配二、光学设计过程5.公差分析

公差分析的目的:给出合理的加工要求,合理的加工要求既能保证加工的可行性,同时又能降低加工难度和加工成本,因此公差分析工作至关重要。

公差分析宗旨:使最差情况下的传递函数由于工艺因素的总下降量不大于0.15,以便探测器仍能分辨它对应的空间频率。

二、光学设计过程

性能合理镜头的首选公差参数公差参数公差半径±0.001mm

样板的测量精度倾斜0.05mmTIR对样板的光焦匹配3个光圈偏心±0.05mm表面不规则度1个光圈（0.3）折射率±0.001厚度±0.05mm阿贝数±0.8%空气间隔±0.05mm玻璃不均匀性±0.0001楔角/同心度0.025mmTIR二、光学设计过程包括光学元件的厚度和机械元件支撑的间隔。

在使用ZEMAX软件模拟公差时,公差操作数TTHI有两个参数,int1是用来定义公差的表面编号,而int2是作为补偿的表面编号,最小值和最大值是以镜头长度单位表示的极值偏差。

实际上,有楔角的元件

与

光轴相对于其机械轴倾斜

的元件完全相同,当旋转元件时,元件具有边缘厚度差。

偏心包括两种，一种是简单的横向偏心（上、下），另一种是使元件始终保持与机架座接触的“滚动”。两种偏心模型实际上完全不同。在滚动的情况下，与机架座接触良好的左侧半径被良好地校准，表面倾斜只发生的右侧表面上。

在ZEMAX里TSDX、TSDY用来模拟一个标准表面的偏心公差，单位为镜头长度（mm）,而TEDX、TEDY是用来模拟一个元件的偏心公差，可以是标准面也可以是非标准面，2定义了一个镜头组的边界面。

Radius（半径)Fringes（光圈)Irregular（表面不规则度)Decenter（偏心)楔角/同心度/倾斜Thickness（厚度/间隔)样板的检测精度,光学设计师应该与光学加工师沟通N=λ/2,普通的光学加工一般控制在5个光圈,较好的精度应该控制在3个光圈以内。

表面不规则度可以通过局部光圈（△N)来考察，工艺上可以做到0.3个光圈。

二、光学设计过程

性能合理镜头的首选公差6、出设计图纸设计图纸是指导加工的依据,图纸必须要规范,避免引起误解二、光学设计过程光学系统实例:二、光学设计过程注意问题标准零件图纸零件技术指标加工工艺及成本检验方案材料选择加工超差补救三、光学设计注意问题123456三、光学设计注意问题

材料选择的问题1零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题4检验方案的问题5加工超差补救的问题61.光学设计中的材料选择材料选择的宗旨:

既能满足设计要求,同时有利于加工,价格合理

在绘制图纸阶段须对材料提出严格要求,材料本身问题引发的后续问题在后续阶段很难发现。

材料性能、加工成本及加工难度相差很大,有些大口径光学材料是很难购得的。

注意常用光学材料光学玻璃牌号分类国际玻璃码的表示1.光学设计中的材料选择1.光学设计中的材料选择常用的光学材料：光学玻璃（包括无色光学玻璃、有色光学玻璃和特种光学玻璃)微晶玻璃光学晶体塑料金属材料（例如：铜，铝等，做反射镜)光学玻璃的牌号分类冕牌玻璃——"K”火石玻璃——"F”"轻”——"Q”"重”——"Z”钡冕——BaK钡火石——BaF镧冕——LaK镧火石——LaF特殊玻璃在玻璃表中不占专门的区域——TK和TF.阿贝数的不同折射率的高低化学成分的不同1.光学设计中的材料选择肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线,将阿贝图分成许多区,将光学玻璃分类。

阿贝数折射率1.光学设计中的材料选择折射率≤1.6,V≥50:冕牌玻璃;V<50:火石玻璃

折射率≥1.6，V≥55:冕牌玻璃;V<55:火石玻璃国际玻璃码的表示:

用九位数字表示，形式为:xxxxxx.xxx例如K10玻璃,nd=1.50137小数点后头三位数=501;Vd=56.41头三位数，不计小数点=564;密度=2.52;不计小数点=252;

K10的国际玻璃码是501564.252折射率nd小数点后头三位数阿贝数Vd头三位数,不计小数点玻璃的密度,不计小数点1.光学设计中的材料选择条纹度折射率、色散系数允差及一致性气泡度应力双折射光吸收系数光学均匀性光学玻璃的质量指标1.光学设计中的材料选择abcdefa.折射率、色散系数的允差及一致性nd——光学玻璃对钠光d谱线的折射率；nF——对F谱线（波长等于0.486um的蓝光)的折射率；nC——对C谱线（波长等于0.656um的红光)的折射率；nF-nC——中部色散；Vd——阿贝数：Vd=（nd-1)/（nF-nC)；Vd值越大，色散作用愈小。

1.光学设计中的材料选择折射率nd和阿贝数Vd与标准值的允许偏差分为3级级别折射率允许偏差Δnd级别阿贝数允许偏差ΔVd％1±30×10-51±0.52±50×10-52±0.83±100×10-53±1.01.光学设计中的材料选择b.光学均匀性

光学均匀性是指同一块玻璃中，各部分折射

率变化的不均匀程度。

光学不均匀性产生原因:退火温度不均匀或

内部残余应力。

对于大尺寸光学零件,如果光学不均匀性存在的面积较大,将降低光学系统的分辨率及成像质量。

1.光学设计中的材料选择

该方法是根据放在平行光管光束中的玻璃试样引起该装置分辨率的变化规定的。如果平行光管给出具有理论分辨率α0的像,而当玻璃试样放入后,分辨率倍增至α,那么玻璃的不均匀性可用其比值α/α0来表示尺寸小于150mm的玻璃毛坯的光学均匀性的测量方法:根据《GB/T7962.1-1987》规定测量。

级别α/α0星点图像11.0中央是一个明亮的圆斑，外面是些同心圆的圆环，这些圆环无断裂，尾翘、畸角及扁圆变形现象21.0中间是明亮的圆斑，外面是一些变形的圆环，圆环同样无断裂，尾翘、畸角等现象31.141.2光学均匀性分为四级1.光学设计中的材料选择c.应力双折射中部应力按《GB/T7962.5-1987》规定的方法进行测量。玻璃毛坯中部应力双折射以最长边中部单位长度上的光程差δ表示。中部应力分为5级级别玻璃中部光程差δ（nm/cm）121a426310440（粗退火条料）60（粗退火板料）玻璃的导热系数小,在熔炼降温过程中,内部温度总比外层温度高,难以均衡,故产生内部应力。

1.光学设计中的材料选择边缘应力

按《GB/T7962.6-1987》规定的方法进行测量。玻璃毛坯边缘应力双折射以距边缘5%直径或边长处单位厚度上的最大光程差Δδmax表示。边缘应力分为5级级别玻璃边缘光程差Δδmax（nm/cm）S13S25S310S420S5801.光学设计中的材料选择d.光吸收系数

级别光吸收系数不大于级别光吸收系数不大于000.00130.00800.00240.01010.00450.01520.00660.030光学系统成像的亮度与玻璃的透明度成比例关系。用球形光度计按《GB/T7962.9-1987》规定进行测量。玻璃光吸收系数等于1cm光路上被玻璃吸收的白光光通量与开始进入该光路前入射光光通量之比。光吸收系数分为8级1.光学设计中的材料选择e.条纹度级别条纹程度A在规定检测条件下无肉眼可见的条纹B在规定检测条件下有细而分散的条纹C在规定检测条件下有轻微的平行条纹D在规定检测条件下有明显的平行条纹

由于玻璃内部的化学成分不均匀所产生的局部缺陷,缺陷处的折射率不同于主体的折射率。

用点光源和透镜组成的条纹仪,从最容易看见条纹的方向上,与标准试样作比较检查。条纹度分为4级1.光学设计中的材料选择f.气泡级别直径Φ≥0.05mm气泡总截面积（mm/100cm3）A00≤0.003～0.03A0>0.03～0.10A>0.10～0.25B>0.25～0.5C>0.5～1.00D>1.00～2.00E>2.00～4.00

玻璃中的气泡是玻璃在熔炼过程中,气体来不及逸出所致。

玻璃中允许气泡含量等级是由100cm3玻璃中所含气泡

（直径Φ≥0.05mm～2mm)的总截面积来确定的。气泡度分为7级1.光学设计中的材料选择光学玻璃的物理、化学特性相对研磨硬度显微硬度耐潮稳定性耐酸稳定性玻璃抵抗硬物压入的能力,用克氏显微硬度HK表示。

采用pH2.9的醋酸、pH4.6的标准醋酸盐、pH6的水作为测定介质，抛光玻璃表面被介质侵蚀后，在白光灯下观察玻璃表面出现紫蓝干涉色的时间（此时侵蚀破坏层的光学厚度为135nm)或表面呈现杂光或脱落现象的时间，据此可对光学玻璃耐酸性进行递减式分类定级。

影响光学加工难度和光学系统的使用寿命同等研磨条件下，被测玻璃相对标准玻璃（K9)的研磨硬度，用A表示A＝V0/V，A越大表明玻璃硬度越大。

双面抛光的玻璃样品置于70±1℃的饱和水蒸气条件下，七昼夜后，测定玻璃表面散射率TB，再和标准白板时的散射率TA相比，H＝TB/TA×100％，H值即表示玻璃表面"生雾率”。

1.光学设计中的材料选择国内生产光学玻璃材料的厂家成都光明光电有限公司上海新沪玻璃厂国外生产光学玻璃材料的厂家

德国肖特日本保谷（HOYA)日本小原（OHARA)等1.光学设计中的材料选择三、光学设计注意问题材料选择的问题1零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题4检验方案的问题5加工超差补救的问题6即通常所说的光学表面疵病,表面疵病是指麻点,擦痕,开口气泡,破点及破边,和表面粗糙度是完全不同的概念。

2.零件技术指标问题面形偏差表面光洁度表面粗糙度最基本的零件指标光圈数N,被检光学表面的曲率半径相对于参考光学表面曲率半径的偏差对应的光圈数象散偏差Δ1N局部偏差Δ2N2.零件技术指标问题平面的主要技术指标光圈和局部误差平行度和楔度外形尺寸国家标准GB2831-81

对于高精度的平行平板,其面形和平行度是相关的,当面形不好的时候,平行度也无法达到要求。

画图标注时应注意区分平行平板与楔板。

对于反射元件外径厚度比最好小于10:1，可以尽量减少变形。

球面的主要技术指标面形N,ΔN中心偏差N对应的是球面半径误差。ΔN对应的是表面不规则程度,通常所说的PV值对应的是ΔN的大小。

透镜外圆的几何轴与光轴在透镜曲率中心处的偏离程度，用C表示。国标GB7242-87中提出新的定义:用光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角来度量中心偏差，夹角称为面倾角，用χ表示。定心顶点:光学表面与基准轴的交点。基准轴:用来标注、检验和校正中心误差的一条确定的直线，该直线应体现系统的光轴。

2.零件技术指标问题中心厚度和边缘厚度要求标准:《GB1205-75》本标准适用于玻璃材料的球面的双凸透镜、平凸透镜、正弯月透镜的边缘最小厚度及双凹透镜、平凹透镜、负弯月透镜的中心最小厚度。

2.零件技术指标问题最小中心厚度和边缘厚度标准:《GB1205-75》透镜边缘及中心最小厚度见下表。

透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)透镜直径D（mm)2.零件技术指标问题棱镜的主要技术指标光圈和局部光圈光学平行差（角度差、塔差)外形尺寸光线从反射棱镜的入射面垂直入射后，在出射前对出射面法线的偏差称做反射棱镜的光学平行差。在实用中，反射棱镜的光学平行差以其相互垂直的两个分量表示：在入射光轴截面方向的光学平行差分且称做"第一光学平行差”，以θ1表示；在垂直于入射光轴截面方向上的光学平行差分量称做"第二光学平行差”，以θ2表示。第一光学平行差是由反射按镜在光轴截面上的角度误差引起的，也就是棱镜的角度差；第二光学平行差是由反射棱镜的棱的位置误差引起的，这些棱的

位置误差称做塔差。

2.零件技术指标问题非球面的主要技术指标非球面单独使用时非球面作为系统的单个元件使用时弥散圆透过波前焦距实际加工曲线与理想的非球面曲线的偏差2.零件技术指标问题三、光学设计注意问题材料选择的问题1零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题4检验方案的问题5加工超差补救的问题63.标准零件图纸问题标准零件图纸根据国家标准GB13323-91《光学制图》绘制新老标准的对比：表面疵病（老标准用指标P，现行标准《GB1185-89》用指标B)图纸外形公差应与机械件的公差配合,便于装配厚度与外圆比标准：透过的一般大于1：10;

反射的一般大于1：8。

3.标准零件图纸问题平面元件标准图纸实例对零件的要求对材料的要求3.标准零件图纸问题球面元件标准图纸实例对零件的要求非球面元件标准图纸实例3.标准零件图纸问题三、光学设计注意问题材料选择的问题1零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题4检验方案的问题5加工超差补救的问题6材料成本加工工艺成本加工难度成本加工数量成本工装夹具及检

验工具的成本加工需考虑特殊形状元件

的加工成本加工精度成本特殊检验方案