光学设计高级讲习班-徐文东.ppt

1、光学设计上海光学精密机械研究所,出发点： 依赖于软件进行设计，从利用软件解决具体问题时寻求理论的支持。缺点理论知识不系统和不深入，所以当你工作一段时间后，你需要进行系统的和深入的理论学习来提高自己的设计水平，最后你还要扩大自己的视野，研究历史和现实中的种种问题，它们会给你更多的启示。 大多数人都不是为了研究像差理论而来的，而是为了解决现在或将来可能遇到的具体问题而来的。所以从应用像差理论的角度来讲容易使人接受，特别是对初学者。,设计过程（从中看出理论在设计过程中的作用）： 与客户讨论系统的要求，确定设计的目标（把不可能实现的要求去掉，并尽可能从客户角度帮助提出合理要求）（应用、理论、实现） 挑

2、选初始结构，确定设计的方向 针对光学设计软件设计补偿方案，确定最佳优化路径 样板匹配，公差计算和制图,1,目录 第一章、引言 第二章、光学设计基础（上）像差理论 第三章、光学设计基础（下）各类光学系统像差和结构特点 第四章、ZEMAX和LensVIEW的使用 第五章、光学设计实例,1,光学设计所涉及的知识结构 成像的理论和软件的使用 具体实现系统的方法 光学设计的应用,1,参考书目 R. Kinslake, Lens design fundamentals, 1978, Academic Press. R. Kinslake, Optical system design, 1983, Acad

3、emic Press. M. Laikin, Lens design, 1991, Marchl Dekker. R. E. Fischer, Optical system design, 2000, McGraw Hill. 斯留萨列夫，谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。 张以谟，应用光学，1982，机械工业出版社。 王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。 袁旭沧，光学设计，1983，科学出版社。 林大键，工程光学系统设计，1987，机械工业出版社。,1,参考书目,R.Kinslake, Lens design Fundamental, 1978. R.Kin

4、slake, optical system design,1983, Academic Press. 这位百岁老人去年刚去世，他是A.E.Conrady的学生，从上世纪三十年代被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。 M.LaiKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非常实用的各种光学系统设计，有新版。 R.E. Fischer, Optical system design, 2000,McGraw Hill. 此人从上世纪八十年代一直到现在，都在SPIE Photonics West 之类的会上讲Short Courses”光学设计”，本书

5、属于这种教材。 斯留萨列夫， 谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。 本书可启发人们去认真思考问题。 张以谟，应用光学，机械工业出版社，中国高校教科书 王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。本教材的公式取自此书。,4,要考虑的主题,光学系统的要求和技术规格 成像基础 理想成像与使像质变坏像差 基本系统分析 一些有用的基本公式 光学系统中的像差和最小化的方法 球差、彗差、像散、场曲，离焦、和色差 光学系统的配置透镜和反射镜组 玻璃材料选择 光学设计过程 性能计算 高斯光束成像 用于激光系统 用于红外波段的光学系统和材料 环境因素考虑 公差和其它可制造性问题 杂散辐射考

6、虑 光学设计过程中应用大规模优化程序的说明,9,光学系统的基本要求,性能 提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体 像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配 有效孔径和透过率必须足够满足设计要求 构形选择 设计形式必须能满足所需的性能 特殊的技术要求比如在扫描系统，在红外系统中的光阑等，要符合要求 可制造性考虑 最小尺寸/成本/重量/环境影响,10,光学系统技术要求,11,基本要求 Object distance （物距） Image formats（成像形式 ） Image distance（像距） Configuration（结构） f/number or NA（F数或数值孔径） Magni

7、fication（放大率） Full field of view （全视场） Transmittance（透过率） Focal length（焦距） Vignetting（ 渐晕） ,机械和包装要求 Length（长度） _ Diameter（直径） _ Back focus dist（后焦距） _ Weight of optics(光学载重) _ Object to image（物像间距离）_ Other(其它) _,成像质量要求 Detector type（探测器类型） _ Central or major wavelength （主波长） _ Spectral range（光谱范围） 从

8、_到_ Spectral weights光谱权重(3或5) 1/W1_2/W2_3/W3_ 4/W4_5/W5_ MTF _ RMS wavefront degradation（RMS波前衰减） _ Encircled energy（能量中心度） _% 能量在_直径 Distortion（畸变） _,12,光学系统技术要求(续),具体要求 Central obscuration（中心遮拦）_ Environment（ 环境）： Off axis rejection（离轴抑制）_ Temperature（温度） _ Number of elements（元件数量）_ Soak range _ M

9、aterials（材料） _ Gradients（倾斜度） _ Cost guidelines（价格准则）_ Shock 修改radius，由fix改为variable(优化过程中作为变量)或由Solve给出 修改最后一面到像面的Thickness由fix改为Marginal Ray Height, Pupil zone 0.7 为0。,用ZEMAX进行光学系统设计,所选玻璃表是在 内选定，可同时 挑多个表 对于Surface type 和Glass Catalogs ，在users Guide 内都有一章叙述。,108,当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这基本上是

10、 项目下的各种功能。 系统结构和光路图：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内存在显著错误，使光路与预期完全不符之类。,analysis,Fan,eptical Path,Ray aberration,几何像差与波像差：,或,RMS,各个视场的波像差均方值,光学性能分析(Analysis),109,analysis,畸变和像散像面弯曲,110,Analysis,点列图,下面就是程序内的一个例子的分析计算。（wide angle lens 210 degree field），对于大视场物镜，由于光阑球差，会使主光线不能通过实际光阑中心，本程序对这种情况加以特殊处理（使实际主光线初值偏离近轴主光线位

11、置，作逐次接近）为此作”Ray Aiming”，即：,Gen,Ray Aiming,选取 Aim to unaberated stop height 或 “Aberrated” 都可以试， 或更选“use Ray Aiming Cache” 以增强功能，以Layout 得到的光路图中，主光线是否通过光阑中心而定。 具体对这个例子，取”No Ray Aiming”时，主光线不能进入透镜。取Aim to unaberrated stop height 时已经可以正常计算，结果如所附，在这些结果中，还须注意做适当的“Setting”使计算范围和标尺大小适当。,111,Analysis,此程序所选用积

12、分程序不好，使要求取样网格点（Sampling）较多，计算时间很长，使大像差系统的衍射积分不易算好。 所以这里没有算能量集中度 及Huygens Point Spread function, 为能容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加大Sampling 点数，增长时间。 计算Seidel像差的作用和目的是了解像差是在什么地方产生出来的，这对于将来校正或优化常会有帮助。 由于此程序不能直接计算和优化望远镜系统（如伽利略望远镜，不宜将物镜目镜分开设计），程序中在Surface内建立一个Paraxial Surface，即一个理想光学系统，把平行光束聚焦于一点，可以

13、规定为一个任意的焦距值，从而计算望远系统的像差。,Enc,112,Analysis,LAY,113,Wide Angle lens 210field,114,Wide Angle lens 210field,OPD,115,Wide Angle lens 210field,RMS,116,RMS,Wide Angle lens 210field,SPT,117,Wide Angle lens 210field,FCD,118,Wide Angle lens 210field,MTF,119,Wide Angle lens 210field,FPS,120,Wide Angle lens 210

14、field,121,Seidel Aberration,按Button ，按出dialog box,预定优化次数，即可进行优化过程，但之前须规定Merit Function （优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。 关于Merit Function，最简单的做法是用程序内的Default Merit Function，通过下列方法，即可调用适当的Default Merit Function：,opt,按出dialog box，后按,即可，实际上此dialog bo

15、x 中还有许多选项可改，这也是改变优化过程的方法之一,光学系统结构优化,122,可以按实际情况作其他选择，改变优化过程。 还可以自行构造自己认为更好的Merit Function 或修改当前的Merit Function,这就要在 框内输入适当的“Operand”，在Optimization 这一章内规定了一批Operand,所用符号如： Fist-order ：焦距EFFL，像高PIMH， Aberrations：初级球差SPHA，垂轴像差TRAC， 另外还有各种边界条件Operand。 也可以将MTF值或Encircled energy作为Merit Function，原则上这与实际使用目

16、标有更直接联系，应更好，但是实际上由于必须用更多时间去算，作为优化的开始是不可取的。 整个优化过程可以表示为下页的框图，即优化结果是由初始结构、变量及优化目标函数所决定（已确定了算法程序）三者不变时，结果是唯一的，对此结果不满意,Oper#,123,光学系统结构优化,时，就须作人工干预，人工改变结构初值，变量或改变优化函数. 通过一些具体的例子来看优化的做法和问题,124,光学系统结构优化,设计优化函数,104,在设计优化过程中，单一的优化函数用于确定结果优劣 由于优化函数在优化过程中必须要计算很多次，所以它必须相对简单并且运算速度较快 下面描述典型的优化函数形式 三级、五级、七级像差： 快速

17、，但由于高次残差的影响，对于许多复杂系统计算不够充分 结合具体的光线像差或者光程差 可以解决高次残差问题 来自于均匀栅格的弥散斑RMS大小 要更精确的计算，需要用户对优化函数进行少量输入 以上方法用于具体设计视场角和波长 优化函数中也可能包括一级约束和结构要求约束,优化实例（1）,f=100, 1:10, 30 取Enfrance Pupil Diameter=10，Eield date :Y-field = 0 ,30 用同一Merit function,可以得校正彗差和子午面弯曲的两种解（光阑位置作为变量），当入瞳直径由10减到5时，所得解与Kinslak书中的Landscope lens

18、 解一致即：,单透镜,采用Default merit function， 加一行EFFL=100，weight 1。也并不是用任意的初始结构数值都能得实用的解，例如取r1 =60， r2= ，玻璃 7， 此时所得“局部极小解”，焦距、像差都与预期差很远。 初始结构取 r1 =r2=就已可得到好的解： r1 =61.2， r2= 350（d=5),这是处于球差极小位置，彗差近于零的解，光阑最佳位置在透镜前数毫米。透镜到像面的距离可以作为优化变量，也可以取Solve，maginal ray height=0. 而计算出，也可以由Tools ,Quick Focus定。,f=100、1：4、3，取E

19、ntrance Pupil Diameter=25， Field date :Y-field =0、3，=0.55um,125,优化实例（1）,这二个解透镜弯曲方向相反，前者略优，但要程序将后者自动变为前者，则几乎是不可能，必须人工强烈改数（倾向）才行。 这三组解都可以从像差理论算出来，但优化的结果则略好于初级像差理论的解，这里都没有把透镜厚度作为变量。 优化程序可以使焦距与预定相符，在大像差系统中，为使像差变小，程序倾向于使焦距变长，不能完全保证预定焦距。 为保证焦距相符还可以采用“solves”定半径从而使焦距与预期一致，在radius的dialog box中取salve type为 El

20、ement power 即透镜焦距倒数 1/f（可在保持单透镜焦距的条件下弯曲透镜），也可以用Maginal Ray angle 使本组的组合焦距保持不变，“Solve”这个工具，时常有利于设计方便进行，如Edge thickness 有利于优化过程中保持透镜厚度合理。,126,优化实例（2）,取 取各种玻璃组合如： 都可以用程序得到对 0校正良好的能（取波长为F，d，c），但3视场一般有较大彗差，不能校正。将光阑位置作为变量时，一般仍然如此。（初始半径可取（60，-60，）。 将Merit Function 中视场0的Operand完全除去，即仅考虑3视场的像差，可以得到校正子午彗差的解（理

21、论上看3视场的像质与球差、彗差都有关，而0仅与球差有关，原则上可以随3视场的校正而同时校正），此时再回复原来二个视场的Merit Function，此解所保持最优，如所附。 这是 ，本可取Glass,Model,Vary ，将玻璃作为变数优化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。,双胶合物镜,127,优化实例（2）,128,f=60， 1：1， 1 用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差，形成大孔径小视场光学系统。 简单采用Default merit Function做优化，一般得不到结果，为此先通过 初级像差计算得到适当的校正S2的半径初值为出发点，另外merit

22、 Function 中取带（Ring)改为15-20，自动优化可以得到好的结果（文件Asph6）。 实际上，非球面高次项并非必须，如文件Asph3，只取6次项和8次项，残余像差也小些，这个结果是采用下列逐步接近的过程作出，校正S1，S2决定半径和Conic系数，仍用Default merit function (Ring=3)但将孔径取很小值； 半径和Conic系数固定不变，孔径增大，用6次方系数校正； 孔径增至1：1，优化6次8次系数，所得结果存在高级彗差，再改初值（半径和Conic）产生反向初级彗差与之平衡，再重复上述过程。,非球面单透镜,优化实例（3）,129,sei,优化实例（3）,1

23、30,131,优化实例（3）,优化实例（3）,132,优化实例（3）,133,Lens VIEW 光学系统数据库应用,USCS(The U.S classification System）：美国分类系统是美国专利局用的涵盖范围很广，是专利搜索的有利工具。但它只是具体专利文件的分类，对文件中的实例没有分类。 LVCS透视镜分类系统，就是在美国专利文献中具体分类所有的透镜设计实例。LVCS实际上是考克斯分类系统中光学设计的扩充版本。虽然在LVCS中的有些分类在USCS中也能查到，但还有很多并不能查到。LVCS的一个显著不同之处是它的重点不是在光学系统中的组件数量，而是透镜类型上。例如，佩兹发类型，

24、双高斯透镜类型，松纳镜头等等。这是因为在透视镜中组件数量是独立查询参数，而且许多设计者熟悉不同透镜类型。,134,附录：LensVIEW 分类系统,135,附录：LensVIEW 分类系统,136,附录：LensVIEW 分类系统,137,LENS VIEW 浏览光学系统数据库已非常多，例如国防工业出版社就出过光学镜头手册，有九册。另外所有专利都可以从专利局的网站中查到。但最方便的也许是Lens View的一张光盘（当然未必最优，其中缺很多专利），下面介绍LensView 操作： 产生 dialog box, 从而查找， 可以选择各种关键词（内定的各种）去查，最简单的是选 LVclass 从L

25、V分类目录中取一种（例如所附），如1.3 b refracting objectives/microscope/liquid immersion 按 按 即可找出一批油浸物镜专利 按 出现dialog box, 按,Add Line,Apply Search,Exit,Ok,138,Lens VIEW 光学系统数据库应用,Lens VIEW 光学系统数据库应用,按 就可浏览这一批查出的专利 浏览时可先按 这样可以除屏上原有的数据，信息及结构外，同时一一浏览 结构数据及像差，以便选择。 注意，所列数据未必可靠，例如油浸物镜NA一般大于1，但所给出的都小于1，这是由于程序本身规定的算法有错。 选了

26、 354694A，3598474A，3659923A，39027093A等四组，这里的尾数A是每个专利中的第一个例子。 按 就可以产生Zemax文件供分析计算，也可以产生其他程序的文件格式。,Next,139,优化实例（4）,高倍显微物镜 从专利USP3902793A开始，文件如所附，从结构看它有一组分离的负透镜组，故应属平场显微物镜，视场是 3.75，平行光束入射，最后聚焦通过油层及盖片玻璃聚在标本上，NA 1.21。 关于NA，程序给出的是：image space NA 0.938 也是错的，所取值1.21是从“working F/#” 0.4135,从其定义= 1/（2nsin） ,而且

27、是“based upon real ray data”,算出的计算结果像差一般都不太好。 优化仍取Default merit function,但加上一行WFNO，目标值0.4，权重1，结果不好，不仅像差不好，NA也不好，NA也不能保持。 将波长取单色（d线）取Default merit function, dialog box,改Rings=9(原预定默认值为3），按 ， ， ，得到新的对九带提要求得merit function，再将WFNO的权重改为10，这样可以得到单色像差小于/4 的解，NA虽并不能完全保持，但变小不大。,140,另外，检查光路图，发现r14 变得太小，工作距离太短，已

28、经是油层不能纠正的负值，所以还必须在边界条件限制下重新做，选择的边界条件是DMVA，即光束在透镜上的直径值，取DMVA=2.6，权重1，重复上述过程，得到校正单色像差而且工作距离为正的解。 从此出发，看剩余色差 ，从轴向色差剩余量要求正透镜色散更小，负透镜色散更大，而实际上，所选玻璃已在玻璃表上的极限，所以换玻璃余地很小，另外，剩余色差与各透镜产生的值比较，并非很大，所以，可以从此出发直接做多波长优化。 将波长回才cdF三线，重新通过： 再加上WFNO，DMVA二行，得所需Merit Function。平衡结果如所附3902793A4，单色像差加上色差，实际上最大值超过/2 ，计算 ，结果如所

29、附，比Diff. limit 要差，分辨能力在0.5m 左右 。,sei,Enc,Lens VIEW 光学系统数据库应用,141,3902793A.ZEX(实例数据）,142,3902793A4.ZEX(实例数据）,143,3902793A4.ZEX(实例数据）,144,实例：双高斯物镜,结构要求 入瞳孔径 25.4mm 焦 距 50.8mm（F/2） 视 场 16(35mm相机模式） 光谱范围 可见 畸 变 2.5 渐 晕 最大50%在视场边缘 装 封 back clearance大于25.4mm,145,实例：双高斯物镜(结构要求的推导),146,以离开10英寸（254mm）远的距离， 观

30、察810英寸（即203.2254mm）打印纸，最小可分辨的弥散斑为例 离开10英寸距离，眼睛的最小分辨角为1弧分=0.003 底片比打印纸小7.06倍 则底片上成像弥散斑直径为0.003/7.06=0.00042英寸=0.0107mm 对于一个真正的照相系统，通常对MTF有更复杂的技术要求,开始设计,从美国专利2,117,252（1938）双高斯物镜开始,147,双面高斯系统数据输入,148,149,最后设计数据,150,151,误差函数的变动双面高斯镜头设计例子,152,双高斯物镜 一般用到1：2.8，20，为增大孔径或视场或提高成像质量，形成大量的各种复杂化的专利，下面是Fisher提供的

31、，将USP217252(1938)优化的例子，如所附，实例提供的初始结构存在很大像差，为1量级，最后的结果剩余像差在20 m量级，并述及大致的过程（数年内多次的略有不同的历程）。 下面的做法略有不同 1，只用d线（先不校正色差），在solve r11，保持marginal ray angle = -0.25，以保持焦距不变及d11由marginal ray height=0的条件下，用default merit function，可以使用MF由初始的24.91.0。变数是所有半径及光阑二方的二个间距（d5, d6）由于d6趋于负值，及早停止作为变量，令d6=2到4都可以，此时像差残余在100

32、m量级，如所附文件Double Gauss 40,41 2，开始将所有折射率都作为变量，继续优化单色像差，结果n1 ,n7 ,n16都趋于1.9;2.0之类,将它们固定在1.8左右,继续优化,MF可由0.6降到0.4以下,(最后要除去d11的Solve，固定以使焦平面达到最佳)。,153,双高斯物镜设计实例,此时拦去大视场边缘光束后,残余像差在20 m量级,文件42,43,44。 3. 代换实际玻璃，由于n1, n7,n8,n10在优化过程中常趋于极高折射率，所以都用了最高的值，如所附文件45，考虑消色差以及胶合面折射率差别对高级像差的效应，实际上对n7用SF59,SF58 ,SF6 ,SF8

33、 ,SF2与n8用LaSFN31 ,LaSFN30 ,组合都对单色像差作过优化。所得结果相差很少，同一量级，略有大小。 4. 从此开始，取cdF三色光重新优化，文件46，47。 文件47采用SF6/LaSFN31,比文件46略好，但不能从46换玻璃得到，要从文件45换SF59为SF6，优化单色像差后，再优化而得，这结果也比Fisher的解略好。（文件50） 物镜第一面和最后一面的直径都已缩小，对最大视场子午光束拦去边缘部分，这部分像差太大，另外看保留这部分光束进透镜直径也太大，不实际。,154,双高斯物镜设计实例,双高斯物镜设计实例(Zemax数据1),155,双高斯物镜设计实例(Zemax数

34、据2),156,双高斯物镜设计实例(Zemax数据3),157,双高斯物镜设计实例(Zemax数据4),158,双高斯物镜设计实例(Zemax数据5),159,双高斯物镜设计实例(Zemax数据6),160,双高斯物镜设计实例(Zemax数据7),161,双高斯物镜设计实例(Zemax数据8),162,163,MTF（47）,双高斯物镜设计实例(Zemax数据),164,165,MTF（50）,光学系统公差,分配所有光学和机械元件的公差 公差包括光学元件（透镜和反射镜）及支撑光学元件的机械装置 系统加工目标 满足系统性能需要 尽可能减少元件成本 尽可能减少装配，调整和测试成本 实现大视场 建立

35、系统结果误差估计 结果估计,166,公差在降低成本方面的影响,172,磨损、粘结、湿度和盐雾的标准,176,刻痕和点坑的玻璃规格和军用标准,174,表面不规则性,在传统透镜加工过程中，主要存在缓慢变化的不规则面型 它通常使球面产生一个柱形的偏离 大的非球面会具有更多的随机不规则性和区域 金刚石车削非球面时，会产生高频毛刺和低频丝杠误差效应 在确定具体的不规则程度之前，考虑成像系统表面的通光孔径的大小是非常重要的 如下图所示：如果表面不规则性为柱形，且元件B的通光孔径是全孔径的0.2倍，则从原理上讲，对于元件B的不规则性要求比元件A要松25倍，此时，他们将产生相等的波前误差,171,公差形式,1

36、70,同制造、装配、材料相关的对称误差 半径 相对于样板的光圈 厚度 空气隙 折射率 装配和调整中的非对称误差 表面不规则性 折射率不均匀性 元件楔角（ 总的倾斜） 其它 环境影响 由于点坑、擦痕、气泡等产生的表面效应 玻璃色散 以上的综合效应,减小厚度和胶合层的好处,173,军用标准：光学镀膜的环境耐用性,175,典型公差设定步骤,对所有公差参量产生性能下降敏感度 参量即元件的半径、厚度、楔角、倾斜、偏心、空气隙、折射率 产生公差等级的尺度，如果必要，需降低。 合成可估计的随机误差（表面不规则性和其他随即误差效应） 估计系统结果 在条件许可或满足需要的情况下，放松不敏感的参量，加强对敏感参量的限制 预测系统结果 重复步骤5和6，直至以最小成本满足性能,167,放松公差的方法,如需要，在最后装调时，调节系统的空气隙 这种参量调节方法可以减小整个系统的其他公差 在公差分析过程中，这一步骤必须经过充分考虑 在设计阶段，通过放松公差，使对于元件装调的敏感度最小化 在有些情况下，需要对系统进行重新设计,168,采取降低成像质量的方法估计最大公差,RSS 假设-公差结果相对于名义值的变化的平方和的平方根 假设下降是线性无关的 得到约95%的可信度 对于在一