《工程光学教学课件》光学设计

1、光学设计,目 录,光学设计软件简介 光学系统的基本参数描述 单透镜参数的Zemax设置 Zemax中的像质评价功能 Zemax优化与操作数 Zemax设计举例,软件简介,国内 SOD88 北理工研制的，适用于共轴光学系统，系统中的面型可以是球面，也可以是非球面，系统可以是折、反或折反射系统. GOLD（原名GOSA） 北理工研制的复杂光学系统分析优化大型软件包，可对各种非对称、非常规复杂光学系统进行像质分析和结构优化，其适用范围基本上囊括了目前国内外用于光学系统（特别是成像系统）设计制造的各种技术。 CIOES 长春光机所研制的，特点是密切结合光学系统设计实践，包括光学系统初始结构的设定、像差分析、自动设计、像质评价、加工公差的估算、样板的匹配等。它通过图形显示、菜单技术、人-机对话等方式把光学设计各阶段联系起来。,国外著名软件 Zemax CODE-V 美国Optical Research Associates（ORA）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件，功能非常强大，是目前世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，价格相当昂贵。 提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除

2、了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。,优越性突出表现在：可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可以方便的处理屋脊棱镜、角反射镜、导光管、光纤、谐振腔等具有特殊光路的元件；而其多重结构的概念则包括了常规变焦镜头，带有可换元件、可逆元件的系统，扫描系统和多个物像共轭的系统。,OSLO Optics Software for Layout and Optimization的缩写，是美国Lambda Research公司推出的一套标准建构系统及最佳化的光学软件，主要用于照相机、通讯系统、军事/空间应用、科学仪器中的光学系统设计，特别当需要确定光学系统中光学元件的最佳大小和外形时，该软件能够体现出强大的优势。 LightTools 美国O

3、RA公司开发而成的光学系统建模软件，是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，用现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反射镜、分束镜、衍射元件、棱镜、扫描转鼓、机械结构以及光路。该软件首次把光学和机械元件集合在统一的体系下处理，并配有“放置”光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大功能，为用户提供了一个“所见即所得”的设计工具。适用于系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交换、课题论证或产品推广等各环节。,ASAP Advanced System Analysis Program，即高级系统分析程序。ASAP是由美国Breault Research Organization. Inc （BRO）公司开发的高级光学系统分析模拟软件，在照明系统、汽车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展示系统、光学成像系统、光导管系统及医学仪器设计等诸多领域都得到了行业的认可和信赖。ASAP软件可以利用蒙地卡罗光线追迹的技术做光-机结构间的仿真，它可以不必假设系统之对称性，做单轴、全域、三维坐标的模拟。当光束穿越整个光

4、学系统，光束可以自动分裂为反射、折射、衍射、偏振光及散射的分量，当这束光穿越整个系统，光束可以包含物体任意的次序，独立的根据物理可实施之路径前进.,Zemax简介,美国 Radiant Zemax公司所发展出的光学设计软件，目前是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件. 三个不同版本： Zemax-SE (Standard Edition)标准版 Zemax-XE (Extended Edition)扩展版 Zemax-EE (Engineering Edition)工程版或专业版 不同的版本针对不同用户的要求分别制定. 其中，Zemax-EE版本包含了Zemax-SE版本的所有特性，能够兼容Zemax-SE的文件.,Zemax-EE两种模式,序列（Sequential） 非序列（Non-sequential）,面（Surface）,物体（Object）,序列（Sequential）光线追迹主要用于传统的成像系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。这一模式下，Zemax以面（Surface）作为对象来构建一个光学系统模型，每一表面的位置由它相对于前一表面的坐标来确定。光线从物平面开始

5、，按照表面的先后顺序（Surface 0,1,2,）进行追迹，对每个面只计算一次。由于需要计算的光线少，这种模式下光线追迹速度很快。,许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导光管、非成像系统或复杂形状的物体需采用非序列(Non-sequential)模式来进行系统建模； 在需考虑散射和杂散光的情况下，也可采用非序列光线追迹。这种模式下，Zemax以物体(Object)作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹，可以按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到被物体拦截。计算时每一物体的位置由全局坐标确定。对同一元件，可同时进行透射、反射、吸收及散射的特性计算。与序列模式相比，由于分析的光线多，计算速度较慢。,Zemax的用户界面,主窗口,Editors （编辑窗口）,Lens Data Editor（镜头数据编辑窗口）,Merit Function Editor（评价函数编辑窗口）,目 录,光学设计软件简介 光学系统的基本参数描述 单透镜参数的Zemax设置 Zemax中的像质评价功能 Zemax优化与操作数 Zemax设计举例,光学系统的基本参数描

6、述（共轴光学系统）,共轴光学系统的结构参数,z,各曲面之间的相对位置 各曲面之间的介质折射率,各曲面的面型,光学特性参数, 物距L：物在无穷限，L=, 物高y或视场角: 物在无限远时, 用视场角;物在有限远, 用物高y表示, 物方孔径角正弦(SinU)或光束孔径高(H): 物在无限远时, 用光束孔径高H表示; 物在有限远时, 用物方光束孔径, 角正弦SinU表示., 孔径光阑或入瞳位置, 渐晕系数,目 录,光学设计软件简介 光学系统的基本参数描述 单透镜参数的Zemax设置 Zemax中的像质评价功能 Zemax优化与操作数 Zemax设计举例,单透镜参数的Zemax设置,设计要求：设计一个单透镜，其F/4，f=100mm，物位于无穷远，视场角2=0.2，工作波长：可见光，玻璃材料为BK7。,目 录,光学设计软件简介 光学系统的基本参数描述 单透镜参数的Zemax设置 Zemax中的像质评价功能 Zemax优化与操作数 Zemax设计举例,像质评价,几何像差,波像差,轴向色差（或位置色差）,（或倍率色差）,瑞利判据，波像差的 P-V值（或峰谷值） 小于1/4个波长，镜头系统成像质量接近

7、理想。,以设置的单透镜为例，利用Zemax软件的分析功能对其几何像差和波像差进行评价。,除了常见的几何像差和波像差像质分析以外，Zemax的Analysis菜单中提供了其他的像质评价指标主要有Fans（光扇图）， Ray Aberration（光线差曲线） ，Optical path（光程差曲线），Pupil Aberration（光瞳像差）， Spot Diagrams（几何点列图） ， MTF（调制传递函数） 和 PSF（点扩散函数） 。,Fans（光扇图）,由任一物点发出的不同孔径高的光线组分别在子午面内和弧矢面内，形成子午扇形光线与弧矢扇形光线组，由这些扇形光线组描述跟像差有关的像质指标，可统称为Fans。 共有Ray Aberration、Optical path和Pupil Aberration三种,Spot Diagrams（几何点列图）,反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像面上的交点弥散情况.,MTF（调制传递函数）,光学传递函数（OTF）的模 物理含义：应用傅立叶变换原理与光学系统相干成像理论，计算出镜头对逐渐变细的黑白线对分辨的调制度,目 录,光学设计软件简介 光学

8、系统的基本参数描述 单透镜参数的Zemax设置 Zemax中的像质评价功能 Zemax优化与操作数 Zemax设计举例,优化设计,就是光学自动设计中的优化方法，涉及评价函数、权因子、阻尼因子和优化算法等重要概念，主要有阻尼最小二乘法（Damped Least Squares，DLS）和适应法两种。,Zemax中主要采用阻尼最小二乘法进行优化（Optimization） 优化设计需要三个步骤： 一个可以进行光学追迹的合理光学系统; 变量的设定; 评价函数的建立。,曲率半径、厚度、玻璃、二次曲面系数等结构参数,Zemax中的评价函数,定义为设计目标像差值与当前系统像差值之差的平方和，结合权因子构成。定义式可写为：,其中,为第i种操作符的实际值，,为第i种操作符的目标值，,为第i种操作符的权因子。,可见，评价函数由操作符及相应的目标值、权因子构成。,评价函数的默认（或缺省）构成方法,优化类型 Pupil Integration method (光瞳积分方法) Thickness Boundary Values(定义光学系统中玻璃或空气的最小与最大中心厚度，以及最小边缘厚度) 其余辅助选项,操

9、作符(操作数),Zemax提供了约300个优化设计操作符,高斯光学参数,EFFL：Effective focal length的缩写，指定波长号的有效焦距； WFNO：是Working F/的简写； AMAG：角放大率，近轴像空间与物空间的指定波长主光线焦度之比； EPDI：入瞳直径； ENPP：以第一面零点的入瞳位置（近轴）； EXPP：以像面为零点的出瞳位置。,Zemax Manual P391,像差控制操作符,SPHA：由指定面贡献的球差值，单位为波长，指定Surf与Wave；如果Surf0，则指整个系统的球差总和。因没有指定Px，Py，故只为初级球差，该操作符不能对指定的某一特征孔径的球差进行控制。,AXCL：控制近轴轴向色差； LACL：控制垂轴色差； FCGS：指定视场和波长的归一化弧矢场曲； FCGT：指定视场和波长的归一化子午场曲； DIST：指定光学面贡献的畸变。,透镜边界条件,MNCG：最小玻璃中心厚度； MNEG：最小玻璃边缘厚度； MXCG：最大玻璃中心厚度； MXEG：最大玻璃边缘厚度； MNCA：最小空气中心厚度； MNEA：最小空气边缘厚度； MXCA：最大空气中心厚度； MXEA：最大空气边缘厚度。,CTLT：中心厚度小于； CTGT：中心厚度大于； CTVA：中心厚度值； ETGT：边缘厚度大于； ETLT：边缘厚度小于； ETVA：边缘厚度值。,单个光学面的控制符,光学材料控制操作符,数学运算操作符,目 录,光学设计软件简介 光学系统的基本参数描述 单透镜参数的Zemax设置 Zemax中的像质评价功能 Zemax优化与操作数 Zemax设计举例,Zemax光学设计的一般步骤,1.确定光学系统的结构参数 2.初始结构参数的确定 3.校正像差 4.像质评价 5.公差分析 6.绘制光学系统图等,光学特性参数,几何像差和波像差,评价指标和公差范围,如何确定？,Zemax设计的基本流程,建立光学系统模型,优化,（一）双胶合望远物镜的设计,设计要求： 焦距：f =250mm 通光孔径：D=40mm 视场角：2=1 入瞳与物镜重合，像差要求：轴上波像差pv值优于波长。,计算相对孔径或入瞳直径 光学特性参数设置 1工作波长Wav； 2视场角Fie ； 3

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