《工程光學教學課件》光學設計

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1、光學設計 目 錄 軟件簡介l國內(nèi)lSOD88北 理 工 研 制 的 ， 適 用 于 共 軸 光 學 系 統(tǒng) ， 系 統(tǒng) 中 的 面 型 可 以 是 球 面 ，也 可 以 是 非 球 面 ， 系 統(tǒng) 可 以 是 折 、 反 或 折 反 射 系 統(tǒng) .lGOLD（ 原 名 GOSA）北 理 工 研 制 的 復 雜 光 學 系 統(tǒng) 分 析 優(yōu) 化 大 型 軟 件 包 ， 可 對 各 種 非 對稱 、 非 常 規(guī) 復 雜 光 學 系 統(tǒng) 進 行 像 質(zhì) 分 析 和 結 構 優(yōu) 化 ， 其 適 用范 圍 基 本 上 囊 括 了 目 前 國 內(nèi) 外 用 于 光 學 系 統(tǒng) （ 特 別 是 成 像 系統(tǒng) ）

2、 設 計 制 造 的 各 種 技 術 。 lCIOES長 春 光 機 所 研 制 的 ， 特 點 是 密 切 結 合 光 學 系 統(tǒng) 設 計 實 踐 ， 包 括 光學 系 統(tǒng) 初 始 結 構 的 設 定 、 像 差 分 析 、 自 動 設 計 、 像 質(zhì) 評 價 、加 工 公 差 的 估 算 、 樣 板 的 匹 配 等 。 它 通 過 圖 形 顯 示 、 菜 單 技 術 、 人 -機 對 話 等 方 式 把 光 學 設 計 各 階 段 聯(lián) 系 起 來 。 l國外著名軟件lZemaxlCODE-V 美 國 Optical Research Associates（ ORA） 公司 研 制 的 具

3、有 國 際 領 先 水 平 的 大 型 光 學 工 程 軟 件 ，功 能 非 常 強 大 ， 是 目 前 世 界 上 分 析 功 能 最 全 、 優(yōu)化 功 能 最 強 的 光 學 軟 件 ， 價 格 相 當 昂 貴 。 提 供 了 用 戶 可 能 用 到 的 各 種 像 質(zhì) 分 析 手 段 。除 了 常 用 的 三 級 像 差 、 垂 軸 像 差 、 波 像 差 、 點 列圖 、 點 擴 展 函 數(shù) 、 光 學 傳 遞 函 數(shù) 外 ， 軟 件 中 還 包括 了 五 級 像 差 系 數(shù) 、 高 斯 光 束 追 跡 、 衍 射 光 束 傳播 、 能 量 分 布 曲 線 、 部 分 相 干 照 明

4、、 偏 振 影 響 分析 、 透 過 率 計 算 、 一 維 物 體 成 像 模 擬 等 多 種 獨 有的 分 析 計 算 功 能 。 優(yōu) 越 性 突 出 表 現(xiàn) 在 ： 可 以 分 析 優(yōu) 化 各 種 非 對 稱 非 常規(guī) 復 雜 光 學 系 統(tǒng) 。 這 類 系 統(tǒng) 可 帶 有 三 維 偏 心 或 傾 斜的 元 件 ； 各 類 特 殊 光 學 面 如 衍 射 光 柵 、 全 息 或 二 元光 學 面 、 復 雜 非 球 面 、 以 及 用 戶 自 己 定 義 的 面 型 ；梯 度 折 射 率 材 料 和 陣 列 透 鏡 等 等 。 程 序 的 非 順 序 面光 線 追 跡 功 能 可 以 方

5、 便 的 處 理 屋 脊 棱 鏡 、 角 反 射 鏡 、導 光 管 、 光 纖 、 諧 振 腔 等 具 有 特 殊 光 路 的 元 件 ； 而其 多 重 結 構 的 概 念 則 包 括 了 常 規(guī) 變 焦 鏡 頭 ， 帶 有 可換 元 件 、 可 逆 元 件 的 系 統(tǒng) ， 掃 描 系 統(tǒng) 和 多 個 物 像 共軛 的 系 統(tǒng) 。 lOSLOOptics Software for Layout and Optimization的 縮 寫 ， 是 美 國Lambda Research公 司 推 出 的 一 套 標 準 建 構 系 統(tǒng) 及 最 佳 化 的光 學 軟 件 ， 主 要 用 于 照 相

6、機 、 通 訊 系 統(tǒng) 、 軍 事 /空 間 應 用 、科 學 儀 器 中 的 光 學 系 統(tǒng) 設 計 ， 特 別 當 需 要 確 定 光 學 系 統(tǒng) 中光 學 元 件 的 最 佳 大 小 和 外 形 時 ， 該 軟 件 能 夠 體 現(xiàn) 出 強 大 的優(yōu) 勢 。 lLightTools美 國 ORA公 司 開 發(fā) 而 成 的 光 學 系 統(tǒng) 建 模 軟 件 ， 是 一 個 全 新 的具 有 光 學 精 度 的 交 互 式 三 維 實 體 建 模 軟 件 體 系 ， 用 現(xiàn) 代 化的 手 段 直 接 描 述 光 學 系 統(tǒng) 中 的 光 源 、 透 鏡 、 反 射 鏡 、 分 束鏡 、 衍 射 元

7、 件 、 棱 鏡 、 掃 描 轉 鼓 、 機 械 結 構 以 及 光 路 。 該軟 件 首 次 把 光 學 和 機 械 元 件 集 合 在 統(tǒng) 一 的 體 系 下 處 理 ， 并配 有 “ 放 置 ” 光 源 、 發(fā) 射 光 線 的 非 順 序 面 光 線 追 跡 的 強 大功 能 ， 為 用 戶 提 供 了 一 個 “ 所 見 即 所 得 ” 的 設 計 工 具 。 適用 于 系 統(tǒng) 初 步 設 計 、 復 雜 系 統(tǒng) 設 計 規(guī) 劃 、 光 機 一 體 設 計 、雜 光 分 析 、 照 明 系 統(tǒng) 設 計 分 析 、 單 位 各 部 門 間 學 術 交 流 和數(shù) 據(jù) 交 換 、 課 題 論

8、 證 或 產(chǎn) 品 推 廣 等 各 環(huán) 節(jié) 。 lASAPAdvanced System Analysis Program， 即 高 級 系 統(tǒng) 分 析 程 序 。ASAP是 由 美 國 Breault Research Organization. Inc （ BRO）公 司 開 發(fā) 的 高 級 光 學 系 統(tǒng) 分 析 模 擬 軟 件 ， 在 照 明 系 統(tǒng) 、 汽車 車 燈 光 學 系 統(tǒng) 、 生 物 光 學 系 統(tǒng) 、 相 干 光 學 系 統(tǒng) 、 屏 幕 展示 系 統(tǒng) 、 光 學 成 像 系 統(tǒng) 、 光 導 管 系 統(tǒng) 及 醫(yī) 學 儀 器 設 計 等 諸多 領 域 都 得 到 了 行 業(yè) 的

9、 認 可 和 信 賴 。 ASAP軟 件 可 以 利 用 蒙地 卡 羅 光 線 追 跡 的 技 術 做 光 -機 結 構 間 的 仿 真 ， 它 可 以 不 必假 設 系 統(tǒng) 之 對 稱 性 ， 做 單 軸 、 全 域 、 三 維 坐 標 的 模 擬 。 當光 束 穿 越 整 個 光 學 系 統(tǒng) ， 光 束 可 以 自 動 分 裂 為 反 射 、 折 射 、衍 射 、 偏 振 光 及 散 射 的 分 量 ， 當 這 束 光 穿 越 整 個 系 統(tǒng) ， 光束 可 以 包 含 物 體 任 意 的 次 序 ， 獨 立 的 根 據(jù) 物 理 可 實 施 之 路徑 前 進 . Zemax簡介l美國 Rad

10、iant Zemax公司所發(fā)展出的光學設計軟件，目前是被光電子領域熟知的光學設計的首選軟件.l三個不同版本：Zemax-SE (Standard Edition)標準版Zemax-XE (Extended Edition)擴展版Zemax-EE (Engineering Edition)工程版或?qū)I(yè)版l不同的版本針對不同用戶的要求分別制定. 其中，Zemax-EE版本包含了Zemax-SE版本的所有特性，能夠兼容Zemax-SE的文件. Zemax-EE兩種模式 l序列（Sequential）l非序列（Non-sequential）面（Surface） 物體（Object） 序 列 （ Seq

11、uential） 光 線 追 跡 主 要 用 于 傳 統(tǒng) 的 成 像系 統(tǒng) 設 計 ， 如 照 相 系 統(tǒng) 、 望 遠 系 統(tǒng) 、 顯 微 系 統(tǒng) 等 。這 一 模 式 下 ， Zemax以 面 （ Surface） 作 為 對 象 來 構建 一 個 光 學 系 統(tǒng) 模 型 ， 每 一 表 面 的 位 置 由 它 相 對 于前 一 表 面 的 坐 標 來 確 定 。 光 線 從 物 平 面 開 始 ， 按 照表 面 的 先 后 順 序 （ Surface 0,1,2,） 進 行 追 跡 ， 對每 個 面 只 計 算 一 次 。 由 于 需 要 計 算 的 光 線 少 ， 這 種模 式 下 光

12、線 追 跡 速 度 很 快 。 許 多 復 雜 的 棱 鏡 系 統(tǒng) 、 照 明 系 統(tǒng) 、 微 反 射 鏡 、 導光 管 、 非 成 像 系 統(tǒng) 或 復 雜 形 狀 的 物 體 需 采 用 非 序列 (Non-sequential)模 式 來 進 行 系 統(tǒng) 建 模 ；在 需 考 慮 散 射 和 雜 散 光 的 情 況 下 ， 也 可 采 用 非 序列 光 線 追 跡 。 這 種 模 式 下 ， Zemax以 物 體 (Object)作 為 對 象 ， 光 線 按 照 物 理 規(guī) 則 ， 沿 著 自 然 可 實 現(xiàn)的 路 徑 進 行 追 跡 ， 可 以 按 任 意 順 序 入 射 到 任 意

13、一組 物 體 上 ， 也 可 以 重 復 入 射 到 同 一 物 體 上 ， 直 到被 物 體 攔 截 。 計 算 時 每 一 物 體 的 位 置 由 全 局 坐 標確 定 。 對 同 一 元 件 ， 可 同 時 進 行 透 射 、 反 射 、 吸收 及 散 射 的 特 性 計 算 。 與 序 列 模 式 相 比 ， 由 于 分析 的 光 線 多 ， 計 算 速 度 較 慢 。 Zemax的用戶界面 l主窗口 lEditors （編輯窗口） Lens Data Editor（鏡頭數(shù)據(jù)編輯窗口） lMerit Function Editor（評價函數(shù)編輯窗口） 目 錄 光學系統(tǒng)的基本參數(shù)描述（共

14、軸光學系統(tǒng)） l共 軸 光 學 系 統(tǒng) 的 結 構 參 數(shù) 222 )1(11 rckcrz z各 曲 面 之 間 的 相 對 位 置各 曲 面 之 間 的 介 質(zhì) 折 射 率 各 曲 面 的 面 型k值k-1 k=-1 -1k0面型雙曲面拋物面橢球面球面扁球面 l光 學 特 性 參 數(shù) 物距L：物在無窮限，L= 物高y或視場角: 物在無限遠時, 用視場角;物在有限遠, 用物高y表示 物方孔徑角正弦(SinU)或光束孔徑高(H): 物在無限遠時, 用光束孔徑高H表示; 物在有限遠時, 用物方光束孔徑, 角正弦SinU表示. 孔徑光闌或入瞳位置 漸暈系數(shù) 目 錄 單透鏡參數(shù)的Zemax設置 l設

15、 計 要 求 ： 設 計 一 個 單 透 鏡 ， 其 F/4，f=100mm， 物 位 于 無 窮 遠 ， 視 場 角2=0.2 ， 工 作 波 長 ： 可 見 光 ， 玻 璃 材 料為 BK7。 目 錄 像質(zhì)評價n幾何像差n波像差軸向色差（或位置色差）（或倍率色差）瑞利判據(jù)，波像差的 P-V值（或峰谷值） 小于1/4個波長，鏡頭系統(tǒng)成像質(zhì)量接近理想。以設置的單透鏡為例，利用Zemax軟件的分析功能對其幾何像差和波像差進行評價。 l除了常見的幾何像差和波像差像質(zhì)分析以外，Zemax的Analysis菜單中提供了其他的像質(zhì)評價指標主要有Fans（光扇圖）， Ray Aberration（光線差曲

16、線） ，Optical path（光程差曲線），Pupil Aberration（光瞳像差）， Spot Diagrams（幾何點列圖） ， MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)） 和 PSF（點擴散函數(shù)） 。 Fans（光扇圖）l由 任 一 物 點 發(fā) 出 的 不 同 孔 徑 高 的 光 線 組 分別 在 子 午 面 內(nèi) 和 弧 矢 面 內(nèi) ， 形 成 子 午 扇 形光 線 與 弧 矢 扇 形 光 線 組 ， 由 這 些 扇 形 光 線組 描 述 跟 像 差 有 關 的 像 質(zhì) 指 標 ， 可 統(tǒng) 稱 為Fans。 l共 有 Ray Aberration、 Optical path和Pupil Aberra

17、tion三 種 Spot Diagrams（幾何點列圖）l反 映 任 一 物 點 發(fā) 出 充 滿 入 瞳 的 光 錐 ， 在 像面 上 的 交 點 彌 散 情 況 .MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）l光 學 傳 遞 函 數(shù) （ OTF） 的 模l物 理 含 義 ： 應 用 傅 立 葉 變 換 原 理 與 光 學 系統(tǒng) 相 干 成 像 理 論 ， 計 算 出 鏡 頭 對 逐 漸 變 細的 黑 白 線 對 分 辨 的 調(diào) 制 度 目 錄 優(yōu)化設計l就 是 光 學 自 動 設 計 中 的 優(yōu) 化 方 法 ， 涉 及 評價 函 數(shù) 、 權 因 子 、 阻 尼 因 子 和 優(yōu) 化 算 法 等重 要 概 念 ， 主

18、 要 有 阻 尼 最 小 二 乘 法（ Damped Least Squares， DLS） 和 適 應 法 兩種 。 lZemax中主要采用阻尼最小二乘法進行優(yōu)化（Optimization） l優(yōu)化設計需要三個步驟：一個可以進行光學追跡的合理光學系統(tǒng);變量的設定;評價函數(shù)的建立。曲 率 半 徑 、 厚 度 、 玻 璃 、二 次 曲 面 系 數(shù) 等 結 構 參 數(shù) Zemax中的評價函數(shù)l定義為設計目標像差值與當前系統(tǒng)像差值之差的平方和，結合權因子構成。定義式可寫為： i jjiii W TVTVWMF 222 )()(iViTiW其中為第i種操作符的實際值，為第i種操作符的目標值，為第i種操

19、作符的權因子。 可見，評價函數(shù)由操作符及相應的目標值、權因子構成。 評價函數(shù)的默認（或缺?。嫵煞椒?l優(yōu)化類型 lPupil Integration method (光瞳積分方法)lThickness Boundary Values(定義光學系統(tǒng)中玻璃或空氣的最小與最大中心厚度，以及最小邊緣厚度)l其余輔助選項 操作符(操作數(shù))Zemax提供了約300個優(yōu)化設計操作符 l高斯光學參數(shù)EFFL： Effective focal length的 縮 寫 ， 指 定 波 長號 的 有 效 焦 距 ；WFNO： 是 Working F/ 的 簡 寫 ；AMAG： 角 放 大 率 ， 近 軸 像 空

20、間 與 物 空 間 的 指定 波 長 主 光 線 焦 度 之 比 ；EPDI： 入 瞳 直 徑 ；ENPP： 以 第 一 面 零 點 的 入 瞳 位 置 （ 近 軸 ） ；EXPP： 以 像 面 為 零 點 的 出 瞳 位 置 。Zemax Manual P391 l像差控制操作符 SPHA： 由 指 定 面 貢 獻 的 球 差 值 ， 單 位 為 波 長 ，指 定 Surf與 Wave； 如 果 Surf 0， 則 指 整 個 系 統(tǒng)的 球 差 總 和 。 因 沒 有 指 定 Px， Py， 故 只 為 初 級球 差 ， 該 操 作 符 不 能 對 指 定 的 某 一 特 征 孔 徑 的 球

21、差 進 行 控 制 。AXCL： 控 制 近 軸 軸 向 色 差 ；LACL： 控 制 垂 軸 色 差 ；FCGS： 指 定 視 場 和 波 長 的 歸 一 化 弧 矢 場 曲 ；FCGT： 指 定 視 場 和 波 長 的 歸 一 化 子 午 場 曲 ；DIST： 指 定 光 學 面 貢 獻 的 畸 變 。 l透鏡邊界條件 MNCG： 最 小 玻 璃 中 心 厚 度 ；MNEG： 最 小 玻 璃 邊 緣 厚 度 ；MXCG： 最 大 玻 璃 中 心 厚 度 ；MXEG： 最 大 玻 璃 邊 緣 厚 度 ；MNCA： 最 小 空 氣 中 心 厚 度 ；MNEA： 最 小 空 氣 邊 緣 厚 度

22、；MXCA： 最 大 空 氣 中 心 厚 度 ；MXEA： 最 大 空 氣 邊 緣 厚 度 。 CTLT： 中 心 厚 度 小 于 ；CTGT： 中 心 厚 度 大 于 ；CTVA： 中 心 厚 度 值 ；ETGT： 邊 緣 厚 度 大 于 ；ETLT： 邊 緣 厚 度 小 于 ；ETVA： 邊 緣 厚 度 值 。l單個光學面的控制符n光學材料控制操作符 n數(shù)學運算操作符 目 錄 Zemax光學設計的一般步驟1.確定光學系統(tǒng)的結構參數(shù)2.初始結構參數(shù)的確定3.校正像差4.像質(zhì)評價5.公差分析6.繪制光學系統(tǒng)圖等光 學 特 性 參 數(shù)幾 何 像 差 和 波 像 差評 價 指 標 和 公 差 范

23、圍如 何 確 定 ？ Zemax設計的基本流程建 立 光 學 系 統(tǒng) 模 型 系 統(tǒng) 特 性 參 數(shù) 設 置初 始 結 構 輸 入像 質(zhì) 評 價像 質(zhì) 是 否滿 足 要 求 是 套 樣 板 （ 規(guī) 整 ）公 差 分 析圖 表 輸 出否優(yōu) 化 （一）雙膠合望遠物鏡的設計設計要求：l焦距：f =250mml通光孔徑：D=40mml視場角：2=1l入瞳與物鏡重合，像差要求：軸上波像差pv值優(yōu)于波長。 l計算相對孔徑或入瞳直徑 l光學特性參數(shù)設置1工作波長Wav；2視場角Fie ；3物距OBJ ；4光闌位置STO. l具體操作步驟1根據(jù)F數(shù)選擇初始結構(光學設計手冊P223) Lens Data Ed

24、itor；2根據(jù)焦距值對透鏡的初始結構進行縮放；3設置入瞳直徑值Gen，查看光路圖和波像差；4設置變量、建立評價函數(shù)，將透鏡進行優(yōu)化；5評價系統(tǒng)的像質(zhì)結果；6進行數(shù)據(jù)的規(guī)整(手冊P103)。 l正透鏡的邊緣厚度EDGE THICKNESS DATA 負透鏡的中心厚度自定義的操作符波像差值ReportsPrescription data 關鍵詞(手冊P115) 參考文獻lZEMAX Development Corporation, ZEMAX Optical Design Program Users Guide, 2005l李 士 賢 ， 李 林 . 光 學 設 計 手 冊 （ 修 訂 版 ）

25、. 北 京 ： 北 京 理 工 大 學 出 版 社 ， 1996l黃 一 帆 ， 李 林 . 光 學 設 計 教 程 . 北 京 ： 北 京理 工 大 學 出 版 社 ， 2009l袁 旭 滄 . 現(xiàn) 代 光 學 設 計 方 法 . 北 京 ： 北 京 理工 大 學 出 版 社 ， 1995 l光 學 設 計 中 用 PW方 法 目 的 是 按 初 級 像 差 理論 求 取 光 學 系 統(tǒng) 的 初 始 結 構 ， 以 供 作 光 路計 算 校 正 像 差 之 用 。 在 求 解 光 學 系 統(tǒng) 的 初始 結 構 時 ， 按 初 級 像 差 公 式 計 算 ， 并 略 去透 鏡 的 厚 度 ，

26、因 此 ， 它 是 一 個 近 似 解 ， 其近 似 程 度 決 定 于 所 設 計 的 系 統(tǒng) 的 視 場 和 孔徑 。光學設計中的PW方法 l當 光 學 系 統(tǒng) 的 各 個 薄 透 鏡 組 的 光 焦 度 及 它們 相 互 間 的 位 置 為 已 知 時 ， 第 一 、 二 近 軸光 線 h和 hz在 各 個 光 組 上 的 入 射 高 度 和 也 就確 定 了 。 則 此 時 每 個 薄 透 鏡 組 的 初 級 像 差由 P和 W兩 個 參 量 確 定 。 故 稱 P和 W為 薄 透鏡 組 的 像 差 參 量 ， 或 像 差 特 性 參 數(shù) 。 l利 用 P、 W求 薄 透 鏡 系 統(tǒng) 的 初 始 解 的 過 程 為 ：首 先 對 整 光 學 系 統(tǒng) 作 外 形 尺 寸 計 算 ， 求 出各 個 光 組 上 的 光 線 入 射 高 度 h和 hz ， 光 焦 度和 拉 赫 不 變 量 J等 ； 再 根 據(jù) 對 各 個 薄 透 鏡 組 的 像 差 要 求 按 薄 透鏡 系 統(tǒng) 像 差 公 式 求 出 各 薄 透 鏡 組 的 像 差 參量 P、 W； 最 后 ， 由 P、 W確 定 各 個 薄 透 組 的 結 構 參 數(shù) 。