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计算机辅助光学设计袁群电光学院A628房间yuanqun@njust.edu.cn1➻什么是光学设计？简单来说就是对光学系统的设计；这里的光学系统涵盖范围比较广，是光学仪器或整机设备中的一个系统或一个子系统，它是光学仪器总体设计的关键。➻光学设计的主要内容根据光波在介质中传播的规律，确定介质的参数，使光波按所需要的方式传播。↬成像系统↬照明系统光路计算是指对于不同结构参数的光学系统，由物点发出的光线，按照折射、反射定律，用数学方法计算若干条光线，然后根据光线通过系统后的成像质量或者是像差情况来修改结构参数，重复上述计算，直到成像质量满足要求为止。光学设计的发展人工设计光路计算（像差计算，光线追迹）计算机自动设计自动设计就是让计算机代替人工来做光线追迹、像差分析和自动修改结构参数的工作。4理想光学系统的物像关系:（近轴光学系统，高斯光学）sinθ＝θ，cosθ＝1物点（所有光线）————理想像点（会聚）近轴小物体的细光束成像实际光学系统：（一定的相对孔径和视场）实际光路计算超出近轴区域限制，造成实际像和理想像之间的差异，即像差。!7!5!3sin753正弦函数的级数展开：导出近轴公式产生像差的原因➻像差(Aberration)5像差的大小反映了光学系统成像质量的优劣，没有像差的光学系统是不存在的，光学设计的目的是把像差校正到某一公差范围内，使成像质量达到技术要求。✥真实光线的几何结果✥元件制成生产时的公差像差产生的原因像差的种类✥单色像差：球差、彗差、像散、场曲、畸变✥复色像差：位置色差、倍率色差6光学特性成像质量光学系统成像性能要求焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳口径等光学系统所包含的像应该足够清晰，并且物像相似，变形要小光学设计的任务就是根据对光学系统的光学特性和成像质量两方面的要求来确定系统的结构参数➻光学设计的目的7通过实例，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用。介绍光学设计软件ZEMAX基本使用方法。认知光学系统设计的一般流程。具备初步的光学系统设计分析能力。课程目的：8参考资料：作者书名袁旭沧/张以谟光学设计/应用光学高志山ZEMAX软件在象差设计中的应用JosephM.GearyIntroductiontolensdesign:withpracticalZEMAXexampleGregoryHallockPracticalComputer-AidedLensDesignR.E.FischerOpticalsystemdesignSmith，WarrenModernLensDesignLaikinLensDesign光学设计/仿真软件种类成像光学■Zemax/OpticsStudio(ZemaxLLC)■CODEV(OpticalResearchAssociates)■OSLO(LambdaResearchCorporation)照明光学■LightTools(OpticalResearchAssociates)■TracePro(LambdaResearchCorporation)■ASAP(BreaultResearchOrganization)10ZEMAX是一个使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。ZEMAX的光学设计功能体现在使用序列模式设计传统的光学成像系统，平衡优化成像系统的像差，分析评价成像质量，给光学系统分配合适的公差等方面。ZEMAX的仿真功能体现在使用非序列模式、物理光学传播、热分析等功能模拟和仿真实际的光学系统方面。ZEMAX有三种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩展版）、ZEMAX-EE（工程版）。ZEMAX简介11ZEMAX简介界面友好，容易上手；资料丰富，既可以直接选择，又可以自定义；可建立反射、折射、衍射及散射等光学模型；可进行偏振、镀膜和温度、气压等方面的分析具有强大的像质评价和分析功能；丰富的资料库，有现成的镜头和玻璃、样板数据，可供用户选择；大部分窗口都提供在线帮助,方便随时获取相关功能的在线解释和帮助；12ZEMAX可以用于相机镜头、望远镜、显微镜、照明系统、显示系统、干涉仪、光通讯器件等各光学系统的设计和仿真13ZEMAX软件和使用手册都不会教您如何设计镜头和光学系统。ZEMAX功能很强大，但是把握和引导光学系统的设计、优化方向，判断系统性能的只能是你。ZEMAX不能做什么？14使用ZEMAX的三种方式Completelysequential(完全序列)*应用于传统的镜头设计和大多数的成像系统*应用这种模式时不能进行散射和鬼象分析Mixedsequential(混合序列)*应用于有很多序列元件，又有一些非序列元件（比如棱镜或光管）的系统*必须使用“ports”作为光线进出非序列元件组的端口Non-sequential(非序列)*应用于照明、散射和杂光分析。光线沿任何物理上有效的路径传输*这种模式下非序列元件不使用“ports”15序列模式以光学面（surface）为对象来构建光学系统模型；光线从物面开始（常为surface0，标注为OBJ）按光学面的顺序计算（surface0,1,2…），对每个光学面只计算一次；光线从像面结束（最后一个surface，标注为IMA）需要计算的光线少，计算速度快；可进行Analysis(分析),Optimization(优化)及Tolerancing(公差)16ZEMAX的用户界面ZEMAX的用户界面有四种允许输入和分析系统数据的窗口：•Editors（编辑窗口）定义和编辑光学表面和其他数据•Graphicwindows（图形窗口）显示图形数据•Textwindows（文本窗口）显示文本数据•Dialogboxes（对话窗口）编辑和回顾其他窗口或系统的数据17Editors主视窗Editors18EditorsZEMAX中的editors本质上是为满足透镜设计程序而专门设计的电子数据表：•LensDataEditor(透镜数据编辑器)输入基本的镜头数据，包括表面编号、注释、表面类型、表面曲率半径、厚度、玻璃、口径半径、二次常数、热膨胀系数和膜层数据•MeritFunctionEditor(评价函数编辑器)在这里定义和编辑优化函数•Multi-ConfigurationEditor(多重结构编辑器)给变焦距透镜和其它的多结构系统定义参数变化表•ToleranceDataEditor(公差数据编辑器)定义和编辑公差•ExtraDataEditor(附加数据编辑器)一个扩展的透镜数据编辑器，为那些需要很多参数才能定义的表面准备的，比如表面类型Binary219主视窗透镜数据编辑器评价函数编辑器多重结构编辑器公差数据编辑器附加数据编辑器底部状态栏EFFL有效焦距WFNO工作F数ENPD入瞳直径TOTR系统总长20光学设计的步骤1.光学系统要求：视场，相对孔径，焦距，物距，角放大率/垂轴放大率等2.选择初始结构(透镜片数，正透镜、负透镜，孔径光阑位置)3.输入系统参数:孔径(Gen)，视场(Fie)，波长(Wav)4.在LensDataEditor中构建/修改镜头数据5.在MeritFunctionEditor中构建/修改评价函数6.Optimization优化获取新的镜头数据，并评价新的镜头/系统结果7.Tolerancing公差分析8.出报告、画工程图，投入加工设计过程中，第6步的结果不好的话，你可能需要返回到第4步重复设计，甚至需要返回到第2步重复设计，直到设计结果能满足需求；但是即便如此，你也只得到了一个停留在纸上的设计方案，只有在进行了7公差分析后，证实这个设计是可以加工和装配的，设计才算基本完成，否则还是要回到第4步甚至第2步重复整个过程。21系统参数输入需要设置三个要素：孔径General(Gen)-通常需要设置孔径类型、孔径大小、透镜长度单位、玻璃库等视场Fields(Fie)-选定视场角的类型，设置视场角大小波长Wavelengths(Wav)-入射需要用到的波长，以及权重，设定哪个波长是参考波长主视窗System22练习：目的：练习如何建立初始结构、设定视场和工作波长。题目：建立一个单透镜，入瞳直径为20mm，孔径光阑位于透镜第一个表面，透镜两个面的曲率半径分别为50mm,-60mm，中心厚度为4mm视场：0，5，10度波长：可见光（F,d,C）玻璃材料：BK723设计一个光学系统，ZEMAX中基本的输入参数：孔径视场（角）工作波长预备知识：24光阑（stop）孔径光阑：光学系统中用于限制成像光束大小的光阑。视场光阑：光学系统中用于限制成像范围大小的光阑。孔径限制进入光学系统光束的多少，也即能量大小。ABA’B’孔径光阑视场光阑25光瞳（pupil）入瞳：是物面上所有各点发出的光束的共同入口出瞳：是物面上各点发出光束经整个光学系统以后从最后一个光孔出射的共同出口。uu’孔径光阑出瞳入瞳26孔径定义方式：•入瞳直径•像方F数•物方NA•孔径光阑口径•近轴工作F数•物方孔径角SystemGeneral27相对孔径：D/fF数=F-number=F/#DfD:系统的入瞳直径f:系统的焦距D/f=1/F数28视场（角）能够看得到的物的范围／大小。视场可以由物方定义也可以由像方定义。物方定义视场角：物在无限远物高：物在有限远像方定义近轴像高：理想成像实际像高：包含像差的影响29物在无限远物在有限远视场：物高度y孔径：物方孔径角U视场：视场角ω孔径：光阑(入瞳)口径HAByUωH孔径和视场定义方式的选择30视场角0°（轴上视场）视场定义方式：•角度(物方)•物高(物方)•近轴像高(像方)•实际像高(像方)SystemFields31工作波长由于材料对不同波长的色光折射率不同，使各色光线具有不同的成像位置和倍率。(a)(b)32F,d,C光，可见光谱范围SystemWavelengths33光学系统的像质评价•几何像差（像面处考察）•波像差（出瞳处考察）34光学系统的像差（几何像差）球差(sphericalaberration)彗差(coma)像散(astigmatism)场曲(fieldcurvature)畸变(distortion)轴向色差(axialchromaticaberration)垂轴色差(lateralchromaticaberration)35第一节轴上点球差1.球差的定义2.球差的形成3.球差的度量4.球差的影响5.球差的校正36球差的定义轴上物点的物距L确定时，其像点位置L’是孔径角U（或h）的函数，实际像点与理想像点的位置之差称为轴上点球差。37球差的形成-l图5.1Al'近轴光线的会聚点为焦点（高斯成像）近轴光线38球差的形成-l图5.1A-UU'l'在入瞳（孔径）上具有高度39'''lLL球差的度量轴上点，与孔径有关，与视场无关A-UU'-ll'L'-L'-T'高斯像面（近轴像面）球差：不同入射高度（孔径）的光线交光轴于不同位置，相对近轴焦点有着不同程度的轴向偏离，又称为轴向球差。横向球差：不同入射高度（孔径）的光线在像面上与焦点的偏离，又称为垂轴球差，是球差的一种度量形式，与孔径的三次方成比例。横向球差球差40球差的影响整个孔径光束的垂轴球差在像面上形成了一个对称于光轴的圆形弥散斑，严重时使轴上点成像变得模糊不清。41边缘光线球差横向球差近轴光线焦点球差的影响42单透镜球差-1ZEMAX定义光学系统三要素：•孔径•视场•工作波长孔径定义：入瞳直径50mm43单透镜球差-2视场定义：视场角0°（轴上视场）工作波长定义：0.55μm44单透镜球差-3透镜Radius:该面的半径Thickness:该面的厚度（到下一个面的距离）Glass:该面的玻璃Semi-Diameter:该面的半口径Surface0(OBJ)：物面，位于无限远（Thickn