光學(xué)分享資料

1、1光學(xué)設(shè)計與CAD技術(shù)2課程安排教學(xué)課時：共21學(xué)時 理論部分：9學(xué)時上機部分（Zemax）：12學(xué)時 課程考核：平時成績期末成績(筆試）3參考書目參考書目u張以謨，應(yīng)用光學(xué)，機械工業(yè)出版社張以謨，應(yīng)用光學(xué)，機械工業(yè)出版社u蕭澤新，工程光學(xué)設(shè)計，蕭澤新，工程光學(xué)設(shè)計，2008，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社u應(yīng)用光學(xué)與光學(xué)設(shè)計，遲澤英，東南大學(xué)出版社應(yīng)用光學(xué)與光學(xué)設(shè)計，遲澤英，東南大學(xué)出版社u光學(xué)設(shè)計，劉鈞，西安電子科技大學(xué)出版社光學(xué)設(shè)計，劉鈞，西安電子科技大學(xué)出版社u王之江，光學(xué)設(shè)計理論基礎(chǔ)，王之江，光學(xué)設(shè)計理論基礎(chǔ)，1985，科學(xué)出版社。，科學(xué)出版社。u袁旭滄袁旭滄 現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計方法現(xiàn)代光

2、學(xué)設(shè)計方法 ，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社u袁旭滄袁旭滄 光學(xué)設(shè)計光學(xué)設(shè)計 ，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社uM.LaiKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非非常實用的各種光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，有新版。常實用的各種光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，有新版。4第一講 概述56什么是光學(xué)設(shè)計？ 通過各類光學(xué)元件的設(shè)計，達到預(yù)定的設(shè)計要求。 光學(xué)系統(tǒng)7光學(xué)設(shè)計與CAD(computer assisted design) 利用計算機可以進行準(zhǔn)確、快速、復(fù)雜的計算 更為方便的進行優(yōu)化和設(shè)計 利用優(yōu)化技術(shù)，平衡初級像差和實際像差，使系統(tǒng)殘留像差達到公差允限 計算機直接給出光學(xué)系統(tǒng)圖 豐富的可編程操作及接口

3、8 ZEMAX軟件是美國軟件是美國ZEMAX 公司的高科技軟件產(chǎn)公司的高科技軟件產(chǎn)品，應(yīng)用的領(lǐng)域包括：品，應(yīng)用的領(lǐng)域包括： 顯微鏡、望遠鏡、目鏡等鏡頭設(shè)計等（球差、彗差、像散、場曲、畸變、軸向和垂軸色差） 傳統(tǒng)相機鏡頭、數(shù)碼相機鏡頭 各種變焦鏡頭、手機攝像頭等 各種夜視系統(tǒng)、光學(xué)發(fā)射天線等 LCD 背光板和LED建模及照明設(shè)計優(yōu)化 光管、光纖連接器等通信系統(tǒng)和元器件 車燈等各種照明系統(tǒng)設(shè)計和分析 DVD、VCD 激光讀寫頭 LCOS、DLP等各種投影儀及光學(xué)引擎設(shè)計 干涉儀、全息光學(xué) 光通信元器件設(shè)計分析：有源及無源器件、光纖耦合效率計算、光纖耦合效率優(yōu)化分析 物理光學(xué)BPM計算，和波導(dǎo)光學(xué)軟

4、件數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)合作計算 各種激光器諧振腔等 激光光學(xué)系統(tǒng)，激光打標(biāo)機及元件設(shè)計，系統(tǒng)分析 激光擴束鏡頭、F-theta掃描鏡頭設(shè)計優(yōu)化，整形鏡頭設(shè)計9 軟件可以實現(xiàn)的主要功能軟件可以實現(xiàn)的主要功能技術(shù)性能技術(shù)性能 幾何光學(xué)設(shè)計幾何光學(xué)設(shè)計：各種成像鏡頭的設(shè)計、成像質(zhì)量分析、溫度環(huán)境分析、生產(chǎn)加工分析物理光學(xué)設(shè)計：物理光學(xué)設(shè)計：各種激光系統(tǒng)及元件的設(shè)計及分析，光學(xué)相干衍射特性分析、光纖耦合等照明系統(tǒng)設(shè)計照明系統(tǒng)設(shè)計：各種照明系統(tǒng)的設(shè)計，包含光機設(shè)計，可以和Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works 等機械文件進行轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出、可以實現(xiàn)照明系統(tǒng)零件的自動優(yōu)化ZPL語言擴展語言擴展：ZEMA

5、X軟件自帶的編程語言可以實現(xiàn)功能的擴展擴展功能：擴展功能：ZEMAX軟件可以和c語言、C+、VB等編程語言進行配合使用以上各種功能幾乎涵蓋了光學(xué)的各個領(lǐng)域，在各個領(lǐng)域中該軟件都可以實現(xiàn)自動的優(yōu)化求解，使用非常便捷，是目前全球光學(xué)工程師應(yīng)用最廣泛的設(shè)計軟件！10十六、十七世紀(jì) ：伽利略、牛頓、惠更斯時代 已經(jīng)有望遠鏡、顯微鏡、目鏡等雛形，經(jīng)驗為主。十九世紀(jì)：像差理論、設(shè)計方法，衍射成像理論趨于成熟。 Seidel, Abbe, Zeiss 工廠，Schott 工廠 由光學(xué)設(shè)計而制造光學(xué)儀器，德國領(lǐng)先世界近百年。二十世紀(jì)：四十年代開始用機械計算機。1946年 發(fā)明電子計算機Eniac， 五十年代用

6、于光路計算、分析， 六十年代“自動平衡”（優(yōu)化）程序， 八十年代普遍使用優(yōu)化程序，美國商業(yè)程序光學(xué)設(shè)計理論的作用光學(xué)設(shè)計理論的作用 挑選合理的初始結(jié)構(gòu)，設(shè)計指標(biāo)， 盡量少用光線就能對現(xiàn)狀作出判斷 包括初始要求是否合理，可能不可能達到要求。 判斷修改的方向德、美、英、日、俄概況德、美、英、日、俄概況 detector、波段、激光使應(yīng)用領(lǐng)域擴展。中國光學(xué)儀器歷史中國光學(xué)儀器歷史 光學(xué)設(shè)計和光學(xué)儀器的歷史光學(xué)設(shè)計和光學(xué)儀器的歷史11光學(xué)設(shè)計方法光學(xué)設(shè)計方法根據(jù)使用要求提出光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計要求，把光學(xué)中“不可能”的要求去掉(“手工”完成)；用高斯光學(xué)理論，給出高斯結(jié)構(gòu)(多數(shù)由“手工”設(shè)計)；平衡初級像差和

7、實際像差，使系統(tǒng)殘留像差達到公差允限(一般用優(yōu)化技術(shù)，由電子計算機來實現(xiàn))；公差計算和畫光學(xué)系統(tǒng)圖，零件圖(可由電子計算機完成)。12光學(xué)設(shè)計工程師應(yīng)該具備的知識與技能 工程光學(xué)基礎(chǔ)：幾何光學(xué)，物理光學(xué) 光度學(xué)基礎(chǔ) 像差理論 光學(xué)材料知識 計算理論 軟件知識 設(shè)計經(jīng)驗13 光學(xué)系統(tǒng)的基本要求光學(xué)系統(tǒng)的基本要求u性能提供理想像質(zhì)，足夠分辨視場內(nèi)最小尺寸的特定物體像彌散元尺寸與探測器像素尺寸匹配有效孔徑和透過率必須足夠滿足設(shè)計要求u構(gòu)形選擇設(shè)計形式必須能滿足所需的性能特殊的技術(shù)要求比如在掃描系統(tǒng)，在紅外系統(tǒng)中的光闌等，要符合要求u可制造性考慮最小尺寸/成本/重量/環(huán)境影響14光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)要求光學(xué)系

8、統(tǒng)技術(shù)要求 基本要求Object distance （物距） Image formats（成像形式 ） Image distance（像距） Configuration（結(jié)構(gòu)） f/number or NA（F數(shù)或數(shù)值孔徑） Magnification（放大率） Full field of view （全視場） Transmittance（透過率） Focal length（焦距） Vignetting（ 漸暈） 機械和包裝要求Length（長度） _ Diameter（直徑） _Back focus dist（后焦距） _ Weight of optics(光學(xué)載重) _Object to

9、image（物像間距離）_ Other(其它) _成像質(zhì)量要求Detector type（探測器類型） _Central or major wavelength （主波長） _ Spectral range（光譜范圍） 從_到_ Spectral weights光譜權(quán)重(3或5) 1/W1_2/W2_3/W3_ 4/W4_5/W5_MTF _RMS wavefront degradation（RMS波前衰減） _ Encircled energy（能量中心度） _% 能量在_直徑Distortion（畸變） _15光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)要求光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)要求(續(xù)續(xù)) 具體要求Central obscura

10、tion（中心遮攔） _ Environment（ 環(huán)境）：Off axis rejection（離軸抑制）_ Temperature（溫度） _Number of elements（元件數(shù)量） _ Soak range _Materials（材料） _ Gradients（傾斜度） _Cost guidelines（價格準(zhǔn)則）_ Shock & vibration(振動 ) _Illumination profile(光照圖)_ Other(其它) _其它系統(tǒng)要求_161.依賴于軟件進行設(shè)計缺點：理論知識不系統(tǒng)和不深入，利用軟件解決具體問題時尋求理論的支持，所以當(dāng)你工作一段時間后，你需要進行

11、系統(tǒng)的和深入的理論學(xué)習(xí)來提高自己的設(shè)計水平，你還要擴大自己的視野，研究歷史和現(xiàn)實中的種種問題，它們會給你更多的啟示。 大多數(shù)人都不是為了研究像差理論而來的，而是為了解決現(xiàn)在或?qū)砜赡苡龅降木唧w問題而來的。所以從應(yīng)用像差理論的角度來講容易使人接受，特別是對初學(xué)者。2.像差理論17折射材料可見光波段: 普通光學(xué)玻璃（種類最多）和塑料 玻璃研發(fā)過程復(fù)雜，種類型號非常有限（當(dāng)然好用的材料更不多），但大體均勻覆蓋了折射率和色散一定范圍，基本滿足設(shè)計需求。 國家玻璃標(biāo)準(zhǔn)是玻璃生產(chǎn)和應(yīng)用的依據(jù)，但常年的實踐之后，尤其是環(huán)保的要求，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的玻璃廠商可能不提供，國家標(biāo)準(zhǔn)沒有的產(chǎn)品廠商卻有可能提供，所以應(yīng)密

12、切注意。 玻璃產(chǎn)品通常提供幾種波長的折射率，其他波長一般用擬合方法得到，如果你用的波長正好是廠家直接提供折射率的波長，折射率最好直接使用（ZEMAX可以做到這點）。 應(yīng)注意玻璃產(chǎn)品的光學(xué)質(zhì)量、物化性能和價格（ZEMAX可以做到對單個指標(biāo)有針對性的選擇）。18紫外波段（如紫外光刻）：熔石英玻璃和晶體，在紅外波段，材料價格更昂貴。紅外系統(tǒng)多用于夜視，材料對應(yīng)于3-5微米和8-12微米大氣窗口的相應(yīng)性質(zhì)就比較重要。材料材料折射率折射率dn / dT(/DEG C)評價評價44鍺鍺4.02434.00320.000396昂貴，昂貴，dn/dT大大硅硅3.42553.4179*0.000150dn/dT

13、 大大硫化鋅（硫化鋅（CVD）2.25202.20050.0000433硒化鋅（硒化鋅（CVD）2.43312.40650.000060昂貴，低吸收昂貴，低吸收AMTIRI（GE/AS/SE:33/12/55）2.51412.49760.000072氟化鎂氟化鎂1.3526-*0.000020低成本，高散射低成本，高散射藍寶石藍寶石1.6753-*0.00001很硬，高溫時輻射率低很硬，高溫時輻射率低三硫化二砷三硫化二砷2.41122.3816*氟化鈣氟化鈣1.4097-*0.000011氟化鋇氟化鋇1.4580-*-0.00001619光學(xué)玻璃20 光學(xué)玻璃分為光學(xué)玻璃分為冕牌玻璃冕牌玻璃和

14、和火石玻璃（燧石玻璃）火石玻璃（燧石玻璃）兩個大類兩個大類1 折射率 每個牌號的光學(xué)玻璃均按不同光譜線給出5位小數(shù)的折射率，這些譜線折射率的精密測量按GBT 7962.11測試方法進行，其測量精度為士310-6。2 阿貝數(shù) 色散系數(shù)（即阿貝數(shù)）Vd定義如下其中nd, nF and nC是物質(zhì)在夫瑯禾費光譜 d, F and C (氦黃線587.56納米,氫蘭線486.1納米和氫紅線656.3納米)的折射率。中nF-nC是主色散.1ddFCnVnn21光學(xué)玻璃牌號分類表1 光學(xué)玻璃牌號2223冕牌玻璃和火石玻璃的分界 折射率1.6, V50:冕牌玻璃 V1.6 V55:冕牌玻璃 V55:火石玻璃

15、 正光焦度光組：冕玻璃一般作凸透鏡，火石玻璃作凹透鏡。正光焦度光組：冕玻璃一般作凸透鏡，火石玻璃作凹透鏡。負(fù)光焦度光組：冕玻璃一般作凹透鏡，火石玻璃作凸透鏡。負(fù)光焦度光組：冕玻璃一般作凹透鏡，火石玻璃作凸透鏡。玻璃選擇24手段 折射 反射 衍射 其它方法 混合使用25折射與表面形狀和材料有關(guān)表面：球面和非球面球面：工藝成熟，用得最多非球面：有較強的矯正像差的能力，會使系統(tǒng)得以簡化，材料變少，體積變小，重量變輕。隨著非球面工藝的日益成熟，會有更多的非球面系統(tǒng)出現(xiàn)，非球面制作畢竟成本高，非球面大多只出現(xiàn)在系統(tǒng)的一個關(guān)鍵面上，并且盡量采用兩次非球面（相對容易檢驗），或球面度低（非球面偏離球面的程度）

16、的非球面（研磨量少，相對容易加工）。26非球面的使用非球面的使用l三級球差引起的波前誤差（口徑）4對非球面上的環(huán)帶適當(dāng)修磨,修磨量（口徑）4,可修正球差lSCHMIDT望遠鏡是這個原理的一個很好的例子l球面產(chǎn)生不完善像點球面反射鏡經(jīng)典方法增加微小球面（更易加工，較少的色差）非球面27 一些系統(tǒng)可能很長，導(dǎo)致整個系統(tǒng)（包括機械件）體積重量增大； 在紫外和紅外波段，可用材料相當(dāng)有限，且較昂貴，要得到好的結(jié)果，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)勢必很復(fù)雜，并更昂貴，另外紅外材料還熱敏感； 折射系統(tǒng)尺寸大時，不易找到大尺寸的材料，即使找到大尺寸的材料，重量也會隨之大幅度增加，由于自重，加工、裝配時的機械變形都很難處理。非球面的

17、采用可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，帶來一些益處，但能力是有限的。 因此在某種情況下加入反射方式是惟一的選擇。折射系統(tǒng)：28 反射可使光路折疊，并容易實現(xiàn)倒像等功能（利用棱鏡），使系統(tǒng)長度縮短，機械結(jié)構(gòu)的重量變輕； 反射由于只與表面有關(guān)，可反射紫外到紅外的很寬波段，使紫外和紅外的透射材料的使用減少，成本降低，而極短波長的光只能使用反射鏡； 反射只與表面有關(guān)，表面可通過鍍膜來處理，基底材料和具體機械結(jié)構(gòu)的選擇就有很大的余地，容易得到大尺寸、穩(wěn)定、重量輕的元件，是解決系統(tǒng)體積過大的一個有力措施。 沒有色差，且光散射少。 反射鏡還有分光作用，用于聚光系統(tǒng)，濾掉紅外光。 缺點是中心遮攔，純反射方式多用非球面，雜光較

18、多。反射系統(tǒng)29折射系統(tǒng)和反射系統(tǒng)的比較折射系統(tǒng)和反射系統(tǒng)的比較折射系統(tǒng)反射系統(tǒng)u直接通過，充滿全孔徑u球面，傳統(tǒng)加工方法u應(yīng)用在紅外波段，材料昂貴u在紅外波段，材料熱敏感u中心遮攔影響透過率傳遞函數(shù)下降裝調(diào)困難u需要非球面u重量輕,無色差,雜光u降低熱敏感性u價格優(yōu)勢u雜光30光學(xué)設(shè)計流程光學(xué)設(shè)計流程31光學(xué)設(shè)計人員的任務(wù)光學(xué)設(shè)計人員的任務(wù) 獲得并考慮技術(shù)要求 選擇具有代表性的切入點 前期設(shè)計、專利、建立聯(lián)系、原始推導(dǎo) 建立變量和約束 變量包括：曲率半徑、厚度、空氣隙、玻璃特性 約束可能是相關(guān)結(jié)構(gòu)如長度、半徑等，或者是光線角度、F數(shù)等具體的參量 使用程序?qū)Y(jié)果進行優(yōu)化 估計結(jié)果 重復(fù)步驟3和

19、4直至滿足設(shè)計需求 如果結(jié)果不滿足條件，通過添加或分離元件、變化玻璃種類等來修改設(shè)計，然后返回步驟4 另一種方法是返回步驟2 進行公差分析，估計結(jié)果誤差32 光學(xué)系統(tǒng)舉例1 設(shè)計要求 擬設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)具有：0150,220 ,5Dfmmf 視場角物距為無限遠2 分析：33 設(shè)計要求給出了系統(tǒng)焦距(50mm)，視場角，相對孔徑，無其它特殊要求 初始結(jié)構(gòu)確定：(1)用單透鏡結(jié)構(gòu)，并設(shè)光闌面與透鏡第一面重合，因此系統(tǒng)需要四個面(物面、透鏡前后面、像面)。(2)設(shè)透鏡為雙凸透鏡，且兩個曲率半徑大小相等，則曲率半徑可由： 算出。代入設(shè)計要求，選透鏡材料為BK7 )， 則半徑為51.68mm，取透鏡厚度為6

20、mm1.5168,64.1673ddn2(1)FRnf 1.5168,64.1673ddn34其它光學(xué)特性參數(shù)的輸入方法 General 輸入相對孔徑General功能可以由“SystemGeneral”選取，也可以由桌面上“Gen”快捷鍵來打開，打開后的General對話框如下圖所示。35General對話框中，具有Aperture、Glass Catalog、Misc.等等選項。相對孔徑的定義在Aperture中完成。下面對一些常用選項作一些說明。Aperture中：Aperture type用于定義相對孔徑，即軸上物點光束大小。定義的種類有：（1）Entrance Pupil Diame

21、ter（入瞳直徑）當(dāng)物體位于無限遠時，可以選擇它來定義相對孔徑（2）Image Space F/#（像方F數(shù)）物體無論位于無限遠，還是有限遠，都可以用像方F數(shù)定義相對孔徑，定義為：f/# =EFL / EPD=EFL / (2y)（3）Paraxial Working F/#（近軸工作F數(shù)）定義為f/# =1 / (2tanU)FUUy只有當(dāng)物在無限遠時，像方F數(shù)才與近軸F數(shù)相等36另外，在系統(tǒng)中還有一個Working F/#(工作數(shù))，定義為f/# =1 / (2sinU)，從定義可看出三個“數(shù)”之間的差別。（4）Object Space NA（物方數(shù)值孔徑）當(dāng)物位于有限遠時，可用之定義相對

22、孔徑，其含義為NA=nSin()，n為物方介質(zhì)折射率，為高斯邊緣光線孔徑角。（5）Float by stop size（由光闌大小決定）這是定義軸上物點光束孔徑的另一種方法，即由LDE中STOP面的“Smi-diameter”大小來決定，此時LDE中STOP的半寬右邊顯示“U”，表示Stop Surface的孔徑被固定。（6）Object Cone Angle（物方錐角）當(dāng)物體位于有限遠時，可用軸上物點發(fā)出的邊緣光線來定義光束孔，其值為物空間邊緣光線的半角，單位度，可大于90度U37General對話框中其他功能(1)Apodization Type(定義光瞳上光強分布)(2)Glass Catalogs(玻璃庫)ZEMAX提供了德國Schott、日本Hoya、美國Corning等玻璃生產(chǎn)廠商的玻璃庫，還有紅外、塑料材料（PMMA）、雙折射材料等內(nèi)建玻璃庫。2. Fields對話框中定義視場