光學(xué)分享資料

1、1光學(xué)設(shè)計(jì)與CAD技術(shù)2課程安排教學(xué)課時(shí)：共21學(xué)時(shí) 理論部分：9學(xué)時(shí)上機(jī)部分（Zemax）：12學(xué)時(shí) 課程考核：平時(shí)成績(jī)期末成績(jī)(筆試）3參考書目參考書目u張以謨，應(yīng)用光學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社張以謨，應(yīng)用光學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社u蕭澤新，工程光學(xué)設(shè)計(jì)，蕭澤新，工程光學(xué)設(shè)計(jì)，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(jì)，遲澤英，東南大學(xué)出版社應(yīng)用光學(xué)與光學(xué)設(shè)計(jì)，遲澤英，東南大學(xué)出版社u光學(xué)設(shè)計(jì)，劉鈞，西安電子科技大學(xué)出版社光學(xué)設(shè)計(jì)，劉鈞，西安電子科技大學(xué)出版社u王之江，光學(xué)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，王之江，光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)方法現(xiàn)代光

2、學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)光學(xué)設(shè)計(jì) ，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社uM.LaiKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非非常實(shí)用的各種光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有新版。常實(shí)用的各種光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有新版。4第一講 概述56什么是光學(xué)設(shè)計(jì)？ 通過(guò)各類光學(xué)元件的設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。 光學(xué)系統(tǒng)7光學(xué)設(shè)計(jì)與CAD(computer assisted design) 利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、復(fù)雜的計(jì)算 更為方便的進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì) 利用優(yōu)化技術(shù)，平衡初級(jí)像差和實(shí)際像差，使系統(tǒng)殘留像差達(dá)到公差允限 計(jì)算機(jī)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(guó)軟件是美國(guó)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(yuǎn)鏡、目鏡等鏡頭設(shè)計(jì)等（球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、軸向和垂軸色差） 傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭、數(shù)碼相機(jī)鏡頭 各種變焦鏡頭、手機(jī)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(jì)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(jì)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(jì) 干涉儀、全息光學(xué) 光通信元器件設(shè)計(jì)分析：有源及無(wú)源器件、光纖耦合效率計(jì)算、光纖耦合效率優(yōu)化分析 物理光學(xué)BPM計(jì)算，和波導(dǎo)光學(xué)軟

4、件數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)合作計(jì)算 各種激光器諧振腔等 激光光學(xué)系統(tǒng)，激光打標(biāo)機(jī)及元件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析 激光擴(kuò)束鏡頭、F-theta掃描鏡頭設(shè)計(jì)優(yōu)化，整形鏡頭設(shè)計(jì)9 軟件可以實(shí)現(xiàn)的主要功能軟件可以實(shí)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(jì)幾何光學(xué)設(shè)計(jì)：各種成像鏡頭的設(shè)計(jì)、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(jì)：物理光學(xué)設(shè)計(jì)：各種激光系統(tǒng)及元件的設(shè)計(jì)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(jì)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)：各種照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包含光機(jī)設(shè)計(jì)，可以和Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works 等機(jī)械文件進(jìn)行轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出、可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)零件的自動(dòng)優(yōu)化ZPL語(yǔ)言擴(kuò)展語(yǔ)言擴(kuò)展：ZEMA

5、X軟件自帶的編程語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展擴(kuò)展功能：擴(kuò)展功能：ZEMAX軟件可以和c語(yǔ)言、C+、VB等編程語(yǔ)言進(jìn)行配合使用以上各種功能幾乎涵蓋了光學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，在各個(gè)領(lǐng)域中該軟件都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jì)軟件！10十六、十七世紀(jì) ：伽利略、牛頓、惠更斯時(shí)代 已經(jīng)有望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、目鏡等雛形，經(jīng)驗(yàn)為主。十九世紀(jì)：像差理論、設(shè)計(jì)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(jì)而制造光學(xué)儀器，德國(guó)領(lǐng)先世界近百年。二十世紀(jì)：四十年代開始用機(jī)械計(jì)算機(jī)。1946年 發(fā)明電子計(jì)算機(jī)Eniac， 五十年代用

6、于光路計(jì)算、分析， 六十年代“自動(dòng)平衡”（優(yōu)化）程序， 八十年代普遍使用優(yōu)化程序，美國(guó)商業(yè)程序光學(xué)設(shè)計(jì)理論的作用光學(xué)設(shè)計(jì)理論的作用 挑選合理的初始結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)指標(biāo)， 盡量少用光線就能對(duì)現(xiàn)狀作出判斷 包括初始要求是否合理，可能不可能達(dá)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(kuò)展。中國(guó)光學(xué)儀器歷史中國(guó)光學(xué)儀器歷史 光學(xué)設(shè)計(jì)和光學(xué)儀器的歷史光學(xué)設(shè)計(jì)和光學(xué)儀器的歷史11光學(xué)設(shè)計(jì)方法光學(xué)設(shè)計(jì)方法根據(jù)使用要求提出光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì))；平衡初級(jí)像差和

7、實(shí)際像差，使系統(tǒng)殘留像差達(dá)到公差允限(一般用優(yōu)化技術(shù)，由電子計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn))；公差計(jì)算和畫光學(xué)系統(tǒng)圖，零件圖(可由電子計(jì)算機(jī)完成)。12光學(xué)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該具備的知識(shí)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(shí) 計(jì)算理論 軟件知識(shí) 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(chǎng)內(nèi)最小尺寸的特定物體像彌散元尺寸與探測(cè)器像素尺寸匹配有效孔徑和透過(guò)率必須足夠滿足設(shè)計(jì)要求u構(gòu)形選擇設(shè)計(jì)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(chǎng)） Transmittance（透過(guò)率） Focal length（焦距） Vignetting（ 漸暈） 機(jī)械和包裝要求Length（長(zhǎng)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(cè)器類型） _Central or major wavelength （主波長(zhǎng)） _ 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(jià)格準(zhǔn)則）_ Shock & vibration(振動(dòng) ) _Illumination profile(光照?qǐng)D)_ Other(其它) _其它系統(tǒng)要求_161.依賴于軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：理論知識(shí)不系統(tǒng)和不深入，利用軟件解決具體問(wèn)題時(shí)尋求理論的支持，所以當(dāng)你工作一段時(shí)間后，你需要進(jìn)行

11、系統(tǒng)的和深入的理論學(xué)習(xí)來(lái)提高自己的設(shè)計(jì)水平，你還要擴(kuò)大自己的視野，研究歷史和現(xiàn)實(shí)中的種種問(wèn)題，它們會(huì)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(lái)的，而是為了解決現(xiàn)在或?qū)?lái)可能遇到的具體問(wèn)題而來(lái)的。所以從應(yīng)用像差理論的角度來(lái)講容易使人接受，特別是對(duì)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(guò)程復(fù)雜，種類型號(hào)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(jì)需求。 國(guó)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(shí)踐之后，尤其是環(huán)保的要求，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的玻璃廠商可能不提供，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)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(zhǎng)的折射率，其他波長(zhǎng)一般用擬合方法得到，如果你用的波長(zhǎng)正好是廠家直接提供折射率的波長(zhǎng)，折射率最好直接使用（ZEMAX可以做到這點(diǎn)）。 應(yīng)注意玻璃產(chǎn)品的光學(xué)質(zhì)量、物化性能和價(jià)格（ZEMAX可以做到對(duì)單個(gè)指標(biāo)有針對(duì)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(jià)格更昂貴。紅外系統(tǒng)多用于夜視，材料對(duì)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(píng)價(jià)評(píng)價(jià)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(lán)寶石藍(lán)寶石1.6753-*0.00001很硬，高溫時(shí)輻射率低很硬，高溫時(shí)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(gè)大類兩個(gè)大類1 折射率 每個(gè)牌號(hào)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(cè)量按GBT 7962.11測(cè)試方法進(jìn)行，其測(cè)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(fèi)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(hào)分類表1 光學(xué)玻璃牌號(hào)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(qiáng)的矯正像差的能力，會(huì)使系統(tǒng)得以簡(jiǎn)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(huì)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(gè)關(guān)鍵面上，并且盡量采用兩次非球面（相對(duì)容易檢驗(yàn)），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(duì)容易加工）。26非球面的使用非球面的使用l三級(jí)球差引起的波前誤差（口徑）4對(duì)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(yuǎn)鏡是這個(gè)原理的一個(gè)很好的例子l球面產(chǎn)生不完善像點(diǎn)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(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)（包括機(jī)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(shì)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(shí)，不易找到大尺寸的材料，即使找到大尺寸的材料，重量也會(huì)隨之大幅度增加，由于自重，加工、裝配時(shí)的機(jī)械變形都很難處理。非球面的

17、采用可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，帶來(lái)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(shí)現(xiàn)倒像等功能（利用棱鏡），使系統(tǒng)長(zhǎng)度縮短，機(jī)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(zhǎng)的光只能使用反射鏡； 反射只與表面有關(guān)，表面可通過(guò)鍍膜來(lái)處理，基底材料和具體機(jī)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(guò)大的一個(gè)有力措施。 沒(méi)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(diǎn)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(guò)，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(guò)率傳遞函數(shù)下降裝調(diào)困難u需要非球面u重量輕,無(wú)色差,雜光u降低熱敏感性u(píng)價(jià)格優(yōu)勢(shì)u雜光30光學(xué)設(shè)計(jì)流程光學(xué)設(shè)計(jì)流程31光學(xué)設(shè)計(jì)人員的任務(wù)光學(xué)設(shè)計(jì)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(diǎn) 前期設(shè)計(jì)、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(zhǎng)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(jìn)行優(yōu)化 估計(jì)結(jié)果 重復(fù)步驟3和

19、4直至滿足設(shè)計(jì)需求 如果結(jié)果不滿足條件，通過(guò)添加或分離元件、變化玻璃種類等來(lái)修改設(shè)計(jì)，然后返回步驟4 另一種方法是返回步驟2 進(jìn)行公差分析，估計(jì)結(jié)果誤差32 光學(xué)系統(tǒng)舉例1 設(shè)計(jì)要求 擬設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)具有：0150,220 ,5Dfmmf 視場(chǎng)角物距為無(wú)限遠(yuǎn)2 分析：33 設(shè)計(jì)要求給出了系統(tǒng)焦距(50mm)，視場(chǎng)角，相對(duì)孔徑，無(wú)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(gè)面(物面、透鏡前后面、像面)。(2)設(shè)透鏡為雙凸透鏡，且兩個(gè)曲率半徑大小相等，則曲率半徑可由： 算出。代入設(shè)計(jì)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(duì)孔徑General功能可以由“SystemGeneral”選取，也可以由桌面上“Gen”快捷鍵來(lái)打開，打開后的General對(duì)話框如下圖所示。35General對(duì)話框中，具有Aperture、Glass Catalog、Misc.等等選項(xiàng)。相對(duì)孔徑的定義在Aperture中完成。下面對(duì)一些常用選項(xiàng)作一些說(shuō)明。Aperture中：Aperture type用于定義相對(duì)孔徑，即軸上物點(diǎn)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(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，可以選擇它來(lái)定義相對(duì)孔徑（2）Image Space F/#（像方F數(shù)）物體無(wú)論位于無(wú)限遠(yuǎn)，還是有限遠(yuǎn)，都可以用像方F數(shù)定義相對(duì)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(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，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(gè)Working F/#(工作數(shù))，定義為f/# =1 / (2sinU)，從定義可看出三個(gè)“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(yuǎn)時(shí)，可用之定義相對(duì)

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(diǎn)光束孔徑的另一種方法，即由LDE中STOP面的“Smi-diameter”大小來(lái)決定，此時(shí)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(yuǎn)時(shí)，可用軸上物點(diǎn)發(fā)出的邊緣光線來(lái)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(duì)話框中其他功能(1)Apodization Type(定義光瞳上光強(qiáng)分布)(2)Glass Catalogs(玻璃庫(kù))ZEMAX提供了德國(guó)Schott、日本Hoya、美國(guó)Corning等玻璃生產(chǎn)廠商的玻璃庫(kù)，還有紅外、塑料材料（PMMA）、雙折射材料等內(nèi)建玻璃庫(kù)。2. Fields對(duì)話框中定義視場(chǎng)