《工程光学教学课件》光学设计

光学设计光学设计目目 录录软件简介软件简介l国内国内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，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、反或折反射系统也可以是非球面，系统可以是折、反或折反射系统.lGOLD（原名（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。统）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、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、人术、人-机对话等方式把光学设计各阶段联系起来。机对话等方式把光学设计各阶段联系起来。l国外著名软件国外著名软件lZemaxlCODE-V 美国美国Optical Research Associates（ORA）公）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件，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。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。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。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；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、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换元件、可逆元件的系统，扫描系统和多个物像共轭的系统。轭的系统。lOSLOOptics Software for Layout and Optimization的缩写，是美国的缩写，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、军事光学软件，主要用于照相机、通讯系统、军事/空间应用、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。优势。lLightTools美国美国ORA公司开发而成的光学系统建模软件，是一个全新的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，并配有配有“放置放置”光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大功能，为用户提供了一个功能，为用户提供了一个“所见即所得所见即所得”的设计工具。适的设计工具。适用于系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、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。数据交换、课题论证或产品推广等各环节。lASAPAdvanced System Analysis Program，即高级系统分析程序。，即高级系统分析程序。ASAP是由美国是由美国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。多领域都得到了行业的认可和信赖。ASAP软件可以利用蒙软件可以利用蒙地卡罗光线追迹的技术做光地卡罗光线追迹的技术做光-机结构间的仿真，它可以不必机结构间的仿真，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、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径前进.Zemax简介简介l美国美国 Radiant Zemax公司所发展出的光学设计软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件，目前是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件选软件.l三个不同版本：三个不同版本：Zemax-SE(Standard Edition)标准版标准版Zemax-XE(Extended Edition)扩展版扩展版Zemax-EE(Engineering Edition)工程版或专工程版或专业版业版l不同的版本针对不同用户的要求分别制定不同的版本针对不同用户的要求分别制定.其中，其中，Zemax-EE版本包含了版本包含了Zemax-SE版本的版本的所有特性，能够兼容所有特性，能够兼容Zemax-SE的文件的文件.Zemax-EE两种模式两种模式 l序列（序列（Sequential）l非序列（非序列（Non-sequential）面（面（Surface）物体（物体（Object）序列（序列（Sequential）光线追迹主要用于传统的成像）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。系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。这一模式下，这一模式下，Zemax以面（以面（Surface）作为对象来构）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（表面的先后顺序（Surface 0,1,2,）进行追迹，对）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。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光管、非成像系统或复杂形状的物体需采用非序列列(Non-sequential)模式来进行系统建模；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，列光线追迹。这种模式下，Zemax以物体以物体(Object)作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现作为对象，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。析的光线多，计算速度较慢。Zemax的用户界面的用户界面 l主窗口主窗口 lEditors（编辑窗口）（编辑窗口）Lens Data Editor（镜头数据编辑窗口）（镜头数据编辑窗口）lMerit Function Editor（评价函数编辑窗口）（评价函数编辑窗口）目目 录录光学系统的基本参数描述（共轴光学系统）光学系统的基本参数描述（共轴光学系统）l共轴光学系统的结构参数共轴光学系统的结构参数222)1(11rckcrzz各曲面之间的相对位置各曲面之间的相对位置各曲面之间的介质折射率各曲面之间的介质折射率 各曲面的面型各曲面的面型k值值k-1k=-1-1k0面型面型 双曲面双曲面 抛物面抛物面 椭球面椭球面 球面球面 扁球面扁球面l光学特性参数光学特性参数 物距物距L：物在无穷限，物在无穷限，L=物高物高y或视场角或视场角:物在无限远时物在无限远时,用视场角用视场角;物在有限远物在有限远,用物高用物高y表示表示 物方孔径角正弦物方孔径角正弦(SinU)或光束孔径高或光束孔径高(H):物物在无限远时在无限远时,用光束孔径高用光束孔径高H表示表示;物在有限远时物在有限远时,用物方光束孔径用物方光束孔径,角正弦角正弦SinU表示表示.孔径光阑或入瞳位置孔径光阑或入瞳位置 渐晕系数渐晕系数 目目 录录单透镜参数的单透镜参数的Zemax设置设置 l设计要求：设计一个单透镜，其设计要求：设计一个单透镜，其F/4，f=100mm，物位于无穷远，视场角，物位于无穷远，视场角2=0.2，工作波长：可见光，玻璃材料，工作波长：可见光，玻璃材料为为BK7。目目 录录像质评价像质评价n几何像差几何像差n波像差波像差轴向色差（或位置色差）轴向色差（或位置色差）（或倍率色差）（或倍率色差）瑞利判据，波像瑞利判据，波像差的差的 P-V值值（或峰谷值）（或峰谷值）小于小于1/4个波长，个波长，镜头系统成像质镜头系统成像质量接近理想。量接近理想。以设置的单透镜为例，以设置的单透镜为例，利用利用Zemax软件的分析软件的分析功能对其几何像差和波功能对其几何像差和波像差进行评价。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除了常见的几何像差和波像差像质分析以外，外，Zemax的的Analysis菜单中提供了其他菜单中提供了其他的像质评价指标主要有的像质评价指标主要有Fans（光扇图），（光扇图），Ray Aberration（光线差曲线）（光线差曲线），Optical path（光程差曲线），（光程差曲线），Pupil Aberration（光瞳像差），（光瞳像差），Spot Diagrams（几何点（几何点列图）列图），MTF（调制传递函数）（调制传递函数）和和 PSF（点扩散函数）（点扩散函数）。Fans（光扇图）（光扇图）l由任一物点发出的不同孔径高的光线组分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，可统称为组描述跟像差有关的像质指标，可统称为Fans。l共有共有Ray Aberration、Optical path和和Pupil Aberration三种三种Spot Diagrams（几何点列图）（几何点列图）l反映任一物点发出充满入瞳的光锥，在像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面上的交点弥散情况.MTF（调制传递函数）（调制传递函数）l光学传递函数（光学传递函数（OTF）的模）的模l物理含义：应用傅立叶变换原理与光学系物理含义：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的黑白线对分辨的调制度目目 录录优化设计优化设计l就是光学自动设计中的优化方法，涉及评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重要概念，主要有阻尼最小二乘法（Damped Least SquaresDamped Least Squares，DLSDLS）和适应法两）和适应法两种。种。lZemax中主要采用阻尼最小二乘法进行中主要采用阻尼最小二乘法进行优化（优化（Optimization）l优化设计需要三个步骤：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一个可以进行光学追迹的合理光学系统;变量的设定变量的设定;评价函数的建立。评价函数的建立。曲率半径、厚度、玻璃、曲率半径、厚度、玻璃、二次曲面系数等结构参数二次曲面系数等结构参数 Zemax中的评价函数中的评价函数l定义为设计目标像差值与当前系统像差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。定值之差的平方和，结合权因子构成。定义式可写为：义式可写为：ijjiiiWTVTVWMF222)()(iViTiW其中其中为第为第i种操作符的实际值，种操作符的实际值，为第为第i种操作符的目标值，种操作符的目标值，为第为第i种操作符的权因子。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、可见，评价函数由操作符及相应的目标值、权因子构成。权因子构成。评价函数的默认（或缺省）构成方法评价函数的默认（或缺省）构成方法 l优化类型优化类型 lPupil Integration method(光瞳积分方法光瞳积分方法)lThickness Boundary Values(定义光学系定义光学系统中玻璃或空气的最小与最大中心厚度，统中玻璃或空气的最小与最大中心厚度，以及最小边缘厚度以及最小边缘厚度)l其余辅助选项其余辅助选项操作符操作符(操作数操作数)Zemax提供了约提供了约300个优化设计操作符个优化设计操作符 l高斯光学参数高斯光学参数EFFL：Effective focal length的缩写，指定波长的缩写，指定波长号的有效焦距；号的有效焦距；WFNO：是：是Working F/的简写；的简写；AMAG：角放大率，近轴像空间与物空间的指：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；定波长主光线焦度之比；EPDI：入瞳直径；：入瞳直径；ENPP：以第一面零点的入瞳位置（近轴）；：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。：以像面为零点的出瞳位置。Zemax Manual P391l像差控制操作符像差控制操作符 SPHA：由指定面贡献的球差值，单位为波长，：由指定面贡献的球差值，单位为波长，指定指定Surf与与Wave；如果；如果Surf0，则指整个系统，则指整个系统的球差总和。因没有指定的球差总和。因没有指定Px，Py，故只为初级，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。差进行控制。AXCL：控制近轴轴向色差；：控制近轴轴向色差；LACL：控制垂轴色差；：控制垂轴色差；FCGS：指定视场和波长的归一化弧矢场曲；：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；：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。：指定光学面贡献的畸变。l透镜边界条件透镜边界条件 MNCG：最小玻璃中心厚度；：最小玻璃中心厚度；MNEG：最小玻璃边缘厚度；：最小玻璃边缘厚度；MXCG：最大玻璃中心厚度；：最大玻璃中心厚度；MXEG：最大玻璃边缘厚度；：最大玻璃边缘厚度；MNCA：最小空气中心厚度；：最小空气中心厚度；MNEA：最小空气边缘厚度；：最小空气边缘厚度；MXCA：最大空气中心厚度；：最大空气中心厚度；MXEA：最大空气边缘厚度。：最大空气边缘厚度。CTLT：中心厚度小于；：中心厚度小于；CTGT：中心厚度大于；：中心厚度大于；CTVA：中心厚度值；：中心厚度值；ETGT：边缘厚度大于；：边缘厚度大于；ETLT：边缘厚度小于；：边缘厚度小于；ETVA：边缘厚度值。：边缘厚度值。l单个光学面的控制符单个光学面的控制符n光学材料控制操作符光学材料控制操作符 n数学运算操作符数学运算操作符 目目 录录Zemax光学设计的一般步骤光学设计的一般步骤1.确定光学系统的结构参数确定光学系统的结构参数2.初始结构参数的确定初始结构参数的确定3.校正像差校正像差4.像质评价像质评价5.公差分析公差分析6.绘制光学系统图等绘制光学系统图等光学特性参数光学特性参数几何像差和波像差几何像差和波像差评价指标和公差范围评价指标和公差范围如何确定？如何确定？Zemax设计的基本流程设计的基本流程建立光学系统模型建立光学系统模型系统特性参数设置系统特性参数设置初始结构输入初始结构输入像质评价像质评价像质是否像质是否满足要求满足要求是是套样板（规整）套样板（规整）公差分析公差分析图表输出图表输出否否优化优化（一）双胶合望远物镜的设计（一）双胶合望远物镜的设计设计要求：设计要求：l焦距：焦距：f =250mml通光孔径：通光孔径：D=40mml视场角：视场角：2=1l入瞳与物镜重合，像差要求：轴上入瞳与物镜重合，像差要求：轴上波像差波像差pv值优于值优于波长。波长。l计算相对孔径或入瞳直径计算相对孔径或入瞳直径 l光学特性参数设置光学特性参数设置1工作波长工作波长Wav；2视场角视场角Fie；3物距物距OBJ；4光阑位置光阑位置STO.l具体操作步骤具体操作步骤1根据根据F数选择初始结构数选择初始结构(光学设计手册光学设计手册P223)Lens Data Editor；2根据焦距值对透镜的初始结构进行缩放；根据焦距值对透镜的初始结构进行缩放；3设置入瞳直径值设置入瞳直径值Gen，查看光路图和波像，查看光路图和波像差；差；4设置变量、建立评价函数，将透镜进行优设置变量、建立评价函数，将透镜进行优化；化；5评价系统的像质结果；评价系统的像质结果；6进行数据的规整进行数据的规整(手册手册P103)。l正透镜的边缘厚度正透镜的边缘厚度EDGE THICKNESS DATA 负透镜的中心厚度负透镜的中心厚度自定义的操作符自定义的操作符波像差值波像差值ReportsPrescription data 关键词关键词(手册手册P115)参考文献参考文献lZEMAX Development Corporation,ZEMAX Optical Design Program Users Guide,2005l李士贤，李林李士贤，李林.光学设计手册（修订版）光学设计手册（修订版）.北京：北京理工大学出版社，北京：北京理工大学出版社，1996l黄一帆，李林黄一帆，李林.光学设计教程光学设计教程.北京：北京北京：北京理工大学出版社，理工大学出版社，2009l袁旭沧袁旭沧.现代光学设计方法现代光学设计方法.北京：北京理北京：北京理工大学出版社，工大学出版社，1995l光学设计中用光学设计中用PW方法目的是按初级像差理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，并略去始结构时，按初级像差公式计算，并略去透镜的厚度，因此，它是一个近似解，其透镜的厚度，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近似程度决定于所设计的系统的视场和孔径。径。光学设计中的光学设计中的PW方法方法 l当光学系统的各个薄透镜组的光焦度及它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、二近轴们相互间的位置为已知时，第一、二近轴光线光线h和和hz在各个光组上的入射高度和也就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确定了。则此时每个薄透镜组的初级像差由由P和和W两个参量确定。两个参量确定。故称故称P和和W为薄透为薄透镜组的像差参量，或像差特性参数。镜组的像差参量，或像差特性参数。l利用利用P、W求薄透镜系统的初始解的过程为：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各个光组上的光线入射高度h和和hz，光焦度，光焦度和拉赫不变量和拉赫不变量J等；等；再根据对各个薄透镜组的像差要求按薄透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镜系统像差公式求出各薄透镜组的像差参量量P、W；最后，由最后，由P、W确定各个薄透组的结构参数。确定各个薄透组的结构参数。