《工程光学教学课件》光学设计

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1、光学设计 目 录 软件简介l国内lSOD88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 .lGOLD（ 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 ）

2、 设 计 制 造 的 各 种 技 术 。 lCIOES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 。 l国外著名软件lZemaxlCODE-V 美 国 Optical Research Associates（ ORA） 公司 研 制 的 具

3、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 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

4、、 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

5、 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 。 lOSLOOptics 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

6、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 。 lLightTools美 国 ORA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

7、 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

8、 证 或 产 品 推 广 等 各 环 节 。 lASAPAdvanced 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

9、 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 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l美国 Rad

10、iant 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.l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l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 l序列（Sequential）l非序列（Non-sequential）面（Surface） 物体（Object） 序 列 （ Seq

11、uential） 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 ， 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

12、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

13、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 l主窗口 lEditors （编辑窗口） Lens Data Editor（镜头数据编辑窗口） lMerit Function Editor（评价函数编辑窗口） 目 录 光学系统的基本参数描述（共

14、轴光学系统） l共 轴 光 学 系 统 的 结 构 参 数 222 )1(11 rckcrz 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k值k-1 k=-1 -1k0面型双曲面抛物面椭球面球面扁球面 l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 单透镜参数的Zemax设置 l设

15、 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 像质评价n几何像差n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。 l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

16、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）l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。 l共 有 Ray Aberration、 Optical path和Pupil Aberra

17、tion三 种 Spot Diagrams（几何点列图）l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）l光 学 传 递 函 数 （ OTF） 的 模l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 优化设计l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

18、 要 有 阻 尼 最 小 二 乘 法（ Damped Least Squares， DLS） 和 适 应 法 两种 。 lZemax中主要采用阻尼最小二乘法进行优化（Optimization） l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l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： i jjiii W TVTVWMF 222 )()(iViTiW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

19、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 l优化类型 lPupil Integration method (光瞳积分方法)lThickness 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)l其余辅助选项 操作符(操作数)Zemax提供了约300个优化设计操作符 l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

20、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 l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 Surf 0， 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

21、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 。 l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

22、；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 。l单个光学面的控制符n光学材料控制操作符 n数学运算操作符 目 录 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

23、围如 何 确 定 ？ Zemax设计的基本流程建 立 光 学 系 统 模 型 系 统 特 性 参 数 设 置初 始 结 构 输 入像 质 评 价像 质 是 否满 足 要 求 是 套 样 板 （ 规 整 ）公 差 分 析图 表 输 出否优 化 （一）双胶合望远物镜的设计设计要求：l焦距：f =250mml通光孔径：D=40mml视场角：2=1l入瞳与物镜重合，像差要求：轴上波像差pv值优于波长。 l计算相对孔径或入瞳直径 l光学特性参数设置1工作波长Wav；2视场角Fie ；3物距OBJ ；4光阑位置STO. l具体操作步骤1根据F数选择初始结构(光学设计手册P223) Lens Data Ed

24、itor；2根据焦距值对透镜的初始结构进行缩放；3设置入瞳直径值Gen，查看光路图和波像差；4设置变量、建立评价函数，将透镜进行优化；5评价系统的像质结果；6进行数据的规整(手册P103)。 l正透镜的边缘厚度EDGE THICKNESS DATA 负透镜的中心厚度自定义的操作符波像差值ReportsPrescription data 关键词(手册P115) 参考文献lZEMAX Development Corporation, ZEMAX Optical Design Program Users Guide, 2005l李 士 贤 ， 李 林 . 光 学 设 计 手 册 （ 修 订 版 ）

25、. 北 京 ： 北 京 理 工 大 学 出 版 社 ， 1996l黄 一 帆 ， 李 林 . 光 学 设 计 教 程 . 北 京 ： 北 京理 工 大 学 出 版 社 ， 2009l袁 旭 沧 . 现 代 光 学 设 计 方 法 . 北 京 ： 北 京 理工 大 学 出 版 社 ， 1995 l光 学 设 计 中 用 PW方 法 目 的 是 按 初 级 像 差 理论 求 取 光 学 系 统 的 初 始 结 构 ， 以 供 作 光 路计 算 校 正 像 差 之 用 。 在 求 解 光 学 系 统 的 初始 结 构 时 ， 按 初 级 像 差 公 式 计 算 ， 并 略 去透 镜 的 厚 度 ，

26、因 此 ， 它 是 一 个 近 似 解 ， 其近 似 程 度 决 定 于 所 设 计 的 系 统 的 视 场 和 孔径 。光学设计中的PW方法 l当 光 学 系 统 的 各 个 薄 透 镜 组 的 光 焦 度 及 它们 相 互 间 的 位 置 为 已 知 时 ， 第 一 、 二 近 轴光 线 h和 hz在 各 个 光 组 上 的 入 射 高 度 和 也 就确 定 了 。 则 此 时 每 个 薄 透 镜 组 的 初 级 像 差由 P和 W两 个 参 量 确 定 。 故 称 P和 W为 薄 透镜 组 的 像 差 参 量 ， 或 像 差 特 性 参 数 。 l利 用 P、 W求 薄 透 镜 系 统 的 初 始 解 的 过 程 为 ：首 先 对 整 光 学 系 统 作 外 形 尺 寸 计 算 ， 求 出各 个 光 组 上 的 光 线 入 射 高 度 h和 hz ， 光 焦 度和 拉 赫 不 变 量 J等 ； 再 根 据 对 各 个 薄 透 镜 组 的 像 差 要 求 按 薄 透镜 系 统 像 差 公 式 求 出 各 薄 透 镜 组 的 像 差 参量 P、 W； 最 后 ， 由 P、 W确 定 各 个 薄 透 组 的 结 构 参 数 。