光学设计流程课件

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1、光学设计流程开始提出设计要求光学系统外型尺寸计算是否满足要求初始结构设计像差平衡像差是否达到要求公差设计和工艺审核出图否是重新设计外形尺寸改变初始结构是否满足工艺要求结束否否是是光学设计流程开始提出设计要求光学系统外型尺寸计算是否满足要求1光学设计概述确定仪器的性能要求光学系统的系统参数：光学系统的系统参数：孔径孔径视场视场焦距（焦距（）光谱光谱光学外形尺寸：总长光学外形尺寸：总长最大口径最大口径物像距物像距成像质量成像质量使用条件使用条件光学设计概述确定仪器的性能要求光学系统的系2光学设计概述光学系统的总体设计和布局选型选型确定参数确定参数像差校正像差校正光学部件设计总体像质评价总体像质评价

2、光学设计概述光学系统的总体设计和布局选型3光学系统的性能系统参数系统参数系统参数系统参数-孔径pEntrancePupilDiameter(EPD)：直接指定入瞳的大小pImageF/Number#：像空间F数（f/D）pImageNumericalAperture：像空间边缘光线的数值孔径nsinUpObjectNumericalAperture：物空间边缘光线的数值孔径nsinU（物在有限远处,保持N.A.为常数）光学系统的性能系统参数-孔径EntrancePupilD4光学系统的性能系统参数系统参数系统参数系统参数:视场pObject angle:投影到入瞳上XZ和YZ平面上时，主光线与

3、Z轴的夹角。大多用在无限共轭系统。pObject height:物面上X，Y高度。大多用在有限共轭系统。（注：如果物面为曲面，则X，Y坐标包含Z坐标）pParaxial Image height:像面上的近轴像高。用于需要固定像的大小的设计中。（只用于近轴光学系统中）pReal image height:像面上实际像高。用于需要固定frame size的设计中（如camera lenses）。光学系统的性能系统参数:视场Objectangle:投影到5光学系统的性能系统参数系统参数系统参数系统参数:光谱光学系统的性能系统参数:光谱6光学系统的性能系统参数系统参数系统参数系统参数:焦距或者垂轴放

4、大倍率:需要控制的设计量光学系统的性能系统参数:需要控制的设计量7光学系统的性能系统外形尺寸系统外形尺寸系统外形尺寸系统外形尺寸:总长物像距最大口径光学系统的性能系统外形尺寸:8像质评价指标Rayaberrationcurves(扇形图，垂轴像差等)SpotDiagram(几何点列图，弥散斑)MTF（调制传递函数）PSF（点扩展函数）Wavefront(波像差)能量分析像差系数。像质评价指标Rayaberrationcurves(扇9CODEVStructureCODEVStructure10TwoTypesofLensDatapSystemdata(LensSystemData)整体施加到透

5、镜上定义光束特性wavelengths,f/number,fieldangles,vignetting,etc.pSurfacedata(LensSurfaceProperties以及以及LDM表格表格)施加到单个表面施加到单个表面radius/curvature,thickness,glass,apertures,decenter,asphericdata,solves,tolerances等.p数据可以以任意次序输入p另外,还有一个用户自建的玻璃数据库(用户根据自己输入的玻璃数据构建的PrivateCatalog)用于定义CODEV中没有预存的玻璃折射率参数(如infraredmateri

6、als,plastics,meltdata,gradientindex等)，可以在LensAddPrivateCatalogGlass菜单找到TwoTypesofLensDataSystemd11SpecificationDatapLensSystemData菜单为整个系统定义光束群，最低要求为：Pupilspecification(f/number或相应的)Wavelengths(atleastone)其他典型的specificationdata包括Field(fieldangles,objectheights,imageheights)渐晕因子(Vignettingfactors)高斯切趾

7、(Gaussianapodization，为模拟激光或光纤光源用)Throughfocus定义无焦参数(Afocalspecification，主要是针对透镜像无限大情况)偏振光学参数(Polarizationdata)透镜单位(Lensunits，inches,mm,orcm)SpecificationDataLensSystem12SurfaceDatap通过LDM表格输入基本surfacedata(radius,thickness,glass,refractmode,surfacetype,circularaperture,surfacename)可最多定义990个表面p特殊面形可通过L

8、ensSurfaceProperties对话框输入为定义LDM表格中显示不了的数据,可通过surface或cell右键菜单，选择SurfaceProperties快捷菜单即可该对话框会打开相关surface和categoryp插入一个blanksurfaces右键菜单你想要在某表面之前要插入的表面选择快捷菜单Insert,输入想要插入的表面数,点击OKSurfaceData通过LDM表格输入基本surface13SurfaceCoordinateSystemn右手坐标系nZ轴即为光轴(对centeredsystems而言)n在每一个表面，都有一个局部x,y,z坐标系统SurfaceCoordi

9、nateSystem右手坐标系14OpticalSurfaceDefinitionsOpticalSurfaceDefinitions15OpticalSystemsBasicTerminologyandConventionsn光线按表面序号，自小到大，自左向右传输n边缘光线自轴上点出发，经过孔径的边缘继续往前传输n主光线自轴外点出发，经过孔径中心继续往前传输nImagesurfacethicknessSI为一离焦值实际imagedistance系SI1同SI之和OpticalSystemsBasicTermino16GlassDataGlassData17PrivateCatalogp用于提

10、供在样本玻璃库中不存在的玻璃、塑料的折射率数据还用于输入梯度折射率数据p每一种玻璃都提供了Wavelengths以及对应的折射率数据(indexdata)若需要，可通过插值得到对应systemwavelengths的折射率数据p可在LensAddPrivateCatalogGlassRegular找到玻璃名在LDM表格中用单引号”括起来(名字有大小写之分)PrivateCatalog用于提供在样本玻璃库中不存在的18SystemData:孔径光阑准备知识SystemData:孔径光阑准备知识19SystemData:孔径光阑准备知识SystemData:孔径光阑准备知识20SystemData

11、:PupilpPupil定义：必须(REQUIRED）可在SystemData的Pupil页或NewLensWizard输入Pupil决定系统收集光线的能力孔径最好定义在物方(物体无穷大时，常用EntrancePupilDiameter,有限大小的物体用ObjectNumericalAperture)当EntrancePupil相当远的时候，必须复选上Telecentricflag(这样所有视场的主光线本质上是平行于光轴的)SystemData:PupilPupil定义：必须(21EnteringWavelengthDataqWavelength(WL)也是一个必须输入的参量也是一个必须输入的

12、参量(REQUIRED）单位:nanometers,按长波到短波的次序(如果输入是无序的，程序会自动重排)注意：Wavelengths没有多重配置q必须指定一个波长为参考波长(referencewavelength,REF)参考波长用于firstorder数据计算以及单光线追迹缺省为中间波长(or或中间偏左（短）波长)参考波长可以设置成多重配置型波长数最多为波长数最多为21在多色图像像质评价中还要用到Wavelengthweights(WTW)Wavelengthweights可以有多重配置q除此之外，对单层膜，还需要指定镀膜对应的波长仅用于偏振光线追迹缺省是参考波长EnteringWavel

13、engthDataWavel22SystemData:Wavelengthsp在这里可以输入wavelengths,weights,plotcolors,referencewavelength,coating(1/4wavereference)wavelength,同spectrump波长可直接定义，也可选择事先定义或保存的光谱光谱也仅仅是定义好的波长集同权值SystemData:Wavelengths在这里可以23EnteringFieldDatapFieldpoints定义了FOV的范围有四种:fieldangle(XAN,YAN),objectheight(XOB,YOB),paraxi

14、alimageheight(XIM,YIM),realimageheight(XRI,YRI)p最多可定义25个视场(试试看)，在后面所有的计算中都要用到pFieldpoints以x,y对的形式输入为保持XZ的对称性，x值常常为0EnteringFieldDataFieldpoint24SystemData:Fields/Vignettingp在下面的一页可以定义x同y视场分量,每个视场的fieldweights,同vignettingfactorsField,weight,以及vignettingvalues可以有多重配置(fieldtype没有)Convertfields键可以转换视场类型

15、，但保留视场大小不变Vignetting会在Apertures/Vignetting一讲讨论SystemData:Fields/Vignetting25Homework1EntryofaTessarLensHomework1EntryofaTessarL26SystemData：ReferenceSphereLocationpRSLDEF:将参考球面位置放在每一个视场的实际出瞳位置pRSLINF：所有视场参考球面位置均在无穷远pRSL数值：所有视场参考球面位置均指定位置处SystemData：ReferenceSphereLo27SystemData:SystemSettingsp可以在Sys

16、temSettings这一页输入miscellaneous（杂项）systemdataLenstitle(最多80字符)Systemunits(mm,cm,in)Defaultenvironment(temperature同pressure不改变透镜)Aperturesused(可选择user,default,或两者同时)ReferenceSphere位置(在OPD计算中用到)其他特定数据也在此定义SystemData:SystemSettings可以28AdvancedSystemDataqAfocal无焦系统qThroughfocus(定义用于分析像质情况的的焦面位置)qChiefRayA

17、iming(覆盖掉缺省的chiefray叠代)qPolarization(激发并定义起始偏振状态)qPupilapodization(Gaussian或其他强度分布，主要用于模拟激光或光纤输入光束)q像散物(Astigmaticobject，定义本身具有像散的物的焦移及其方向如某些激光二极管)AdvancedSystemDataAfocal29Solvesp在很多系统中，常常选择一些不是完全独立的变量，令其满足某些系统已知要求。当其他参数变化时，这些“solves”将保持已知要求仍然满足。在自动设计中，这类“solves”可以降低独立变量数，节省计算时间。SystemSolves(见Syste

18、mData)Paraxialimagesolve(PIM)确定像距；Reductionratiosolve(RED)设置物距surfacesolves(每类有很多种）Curvaturesolves；ThicknesssolvesSolves在很多系统中，常常选择一些不是完全独立的变量，令30SystemData:SystemSolvesp对PIM或REDsolve,选择LensSystemData，单击SystemSolves实现pParaxialimagesolve用于确定imagedistance的solves(command:PIM)，根据近轴光会聚在轴上点的位置确定THISI1pRed

19、uctionratiosolve用于确定objectdistance的solvescommand:RED0.5,其中0，物距在无穷远，其他表示有限远共轭距。SystemData:SystemSolves对PI31SurfaceSolvesp对其他solves,右键LDM表格中表面thickness或radius(curvature)项，选择Solves快捷菜单显示Editordialog自下拉列表选择solve类型输入solveparameter的值(slope,height,OAL等，由solve类型决定)对thicknessheightsolves,光线的高度是指光线在你正在设置厚度表面后

20、面的表面上的高度SurfaceSolves对其他solves,右键LD32ExamplesofSurfaceSolvesExamplesofSurfaceSolves33单片透镜（单片透镜（Singlet）单片透镜（Singlet）34单片球面透镜双凸双凸正月牙正月牙平凸平凸平凹平凹负月牙负月牙双凹双凹设计自由度：u表面曲率半径与面形u透镜中心厚度u光学材料参数（折射率，阿贝数等）单片球面透镜双凸正月牙平凸平凹负月牙双凹设计自由度：表面曲率35应用n成像系统n照明系统n通讯系统应用成像系统36提出设计要求孔径：允许多少光线进入系统（F#，NA，D）视场：允许的成像范围（视场角，物高，像高）成像

21、光谱：可见光，单色光，红外，紫外等焦距或者放大倍率成像质量:MTF提出设计要求孔径：37初始结构设计应用高斯光学理论：初始结构设计应用高斯光学理论：38近轴光线追击公式的推导已知已知非常有用非常有用AB-lyOE-uCrlAuBh-yii近轴光线追击公式的推导已知非常有用AB-lyOE-uCrl39uuhnnhihi+1t非常重要的近轴公式12薄透镜公式-uuhnnhihi+1t非常重要的近轴公式12薄透40两片式系统的光焦度推导n0=1u1=0h1h212tu1u2n=nu2两片式系统的光焦度推导n0=1h1h212tu1u41应用示例要求:1.计算两个表面的1、2及R1、R22.计算BFD

22、3.计算yi主光线(第二近轴光线）边缘光线h20mmu1=0n4mmBK7n=1.51682412F#=10BFDyiu1tan5应用示例要求:主光线(第二近轴光线）边缘光线h20mmu142主光线(第二近轴光线）边缘光线h20mmu1=0n4mmBK7n=1.51682412F#=10BFDhiu1tan5n1 1。计算计算两个表面的。计算计算两个表面的1 1、2 2及及R R1 1、R R2 2 2.2.通过边缘光线来计算通过边缘光线来计算BFDBFD主光线(第二近轴光线）边缘光线h20mmu1=0n4mmB43主光线(第二近轴光线）边缘光线h20mmu1=0n4mmBK7n=1.5168

23、2412F#=10BFDhiu1-tan5n3 3。通过主光线来计算像高。通过主光线来计算像高主光线(第二近轴光线）边缘光线h20mmu1=0n4mmB44单片风景照相物镜n单片风景物镜（landscapelens)是最早形式的照相物镜，采用单片透镜结构，由于只有一片组成，它不可能很好的校正像差，又由今天所学的球差的知识，它也不可能校正好球差，因此它的孔径也很小，成像质量也不是很好，只适合拍摄风景照片。Williamwollaston单片风景照相物镜单片风景物镜（landscapelens)45n光学系统参数的确定：焦距100mmF15半视场角15度wn初始结构参数的确定单片风景照相物镜光学系

24、统参数的确定：初始结构参数的确定单片风景照相物镜46用CODEV设计一个LandScape透镜设计要求：Focallength:100mmf/number:10Halffieldofview:10degreesWavelength:550nm可用于控制的变量两个曲率半径加一个离焦透镜的折射率与色散？可以解决的像差与参数有：EFL、球差（但不能校正到0用离焦可以降低球差，慧差也几乎等于0）、横向色差、畸变几乎等于0用CODEV设计一个LandScape透镜设计要求：47用CODEV设计一个LandScape透镜n当视场角有几度时，如果将光阑与透镜重合，与光阑位置有关的像差无法校正。n球差并不能校

25、正为零n存在色差用CODEV设计一个LandScape透镜当视场角有48用CODEV设计一个LandScape透镜用CODEV设计一个LandScape透镜49用CODEV设计一个LandScape透镜用CODEV设计一个LandScape透镜50用CODEV设计一个LandScape透镜约束为f=100即可，STOP在透镜后用CODEV设计一个LandScape透镜约束为f=151用CODEV设计一个LandScape透镜有畸变有畸变用CODEV设计一个LandScape透镜有畸变52用CODEV设计一个LandScape透镜用CODEV设计一个LandScape透镜53用CODEV设计一个LandScape透镜STOP在前面用CODEV设计一个LandScape透镜STOP在前54用CODEV设计一个LandScape透镜用CODEV设计一个LandScape透镜55SingletSinglet56Homework2Entryofasingletn按照单片透镜初始计算方法，计算单片透镜参数，并输入到CODEV中，并控制焦距做简单优化。n要求：-f=150mm-F#=10-24mmX36mm底片保存为singlet.lenHomework2Entryofasinglet57