信息光學實驗一 CAD 實驗講義2

1、實驗一、光學CAD實驗1、利用光學軟件作CAD的初步訓練一、實驗?zāi)康耐ㄟ^對OSLO軟件的了解和使用，了解OSLO軟件的基本功能并初步掌握模擬、分析和 設(shè)計光學系統(tǒng)的基本方法，為較專門、高級的光學CAD實驗打下基礎(chǔ)。二、實驗內(nèi)容1、熟悉OSLO光學軟件。2、建立光學系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。3、計算光學系統(tǒng)的像差，分析光學系統(tǒng)的性能3-5。4、研究單透鏡的光學和結(jié)構(gòu)參數(shù)與像差的關(guān)系3-5。5、對簡單透鏡做優(yōu)化設(shè)計。三、實驗方法與步驟1光學系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入No rL：=jTiH urL+i tied - OSDJ LTFile Edi t Ufidate Ojitimi ze Toler ：=irLce Show

2、 Calculate Options User Damo Window Help 可感圈|亙f如圜胸肝|JT網(wǎng)|卻氣|刑牛闡早I回國園畫T陰劍闡I茄 一一匚二二:尸質(zhì)虹節(jié)節(jié)飛-韋寶置需，節(jié)=苓偉H1幫助2表面數(shù)據(jù)表格3總的操作條件表格4高斯束表格5表面容差數(shù)據(jù)表格6表面數(shù)據(jù)7傍軸常數(shù)8光線軌跡分析9成像分析17點擴散函數(shù)分析10用缺省光線畫平面透鏡11畫立體透鏡12光線像差分析13波前像差分析MTF分析MTF通過焦點分析16點列圖首先運行OSLO LT進入它的主窗口，打開“File”，選“New”，則出現(xiàn)一個子窗口， 如圖2所示。選“Custom lens”，并填寫表面數(shù)，然后“”便出現(xiàn)“重建

3、透鏡數(shù)據(jù)表格”。 當發(fā)現(xiàn)表面數(shù)目不夠或多余時，可用鼠標點按表面序號，以便編輯插入新表面或刪除多余表 面。字母串“OBJ”，“AST”，“IMS”分別表示物、光闌和像表面。利用此方法可在物面和 像面之間建立你要研究的光學系統(tǒng)所需要的表面數(shù)目。但應(yīng)注意，該軟件所容許的系統(tǒng)最多 不能超過10個表面。比如，要研究一個單透鏡，它具有兩個表面，所以在物像表面之間至 少應(yīng)包含兩個表面。圖2建起光學系統(tǒng)數(shù)據(jù)表格（如圖3反示出物面和鏡面）之后，即可按你所準備好的數(shù)據(jù)按 位置填好。其中包括曲率半徑（Radius）、厚度（Thickness）、界面之間的介質(zhì)參數(shù)（Glass）、 入射光束半孔徑、視場和工作波長（以以

4、為單位）。對于某些特殊表面（比如非球面、衍射 光柵面、全息圖表面等）還應(yīng)在special 一列填寫相應(yīng)的參量數(shù)據(jù)。圖3需要說明的是，物面到系統(tǒng)第一面的距離（即物面一行中的厚度）為物距l(xiāng)的絕對值， 即d0=|l|，當其為無窮時（用數(shù)值1.0000e+20表示），入射光束孔徑用“Entrance beam radius” 表示，以mm為單位，而視場用半Field angle表示，以度為單位。當d產(chǎn)8時，則入射光束 孔徑習慣用物空間數(shù)值孔徑表示，而視場用物高（單位mm）表示。玻璃的填寫可通過選項， 比如從玻璃庫中選玻璃牌號，或者用模擬光學玻璃數(shù)值（n，v）。對于反射面，直接選reflect。系統(tǒng)最后

5、一面到像面之間的距離稱為像距，有時它可表示系統(tǒng)的工作距離，該數(shù)據(jù)也必 須正確填寫，方法有二：一是在此厚度后面的方塊處單擊，然后在出現(xiàn)的托拉菜單中選“Solves”，“Axial ray height=0”；二是在主屏上選“display the paraxial constant”（見圖 1 中由數(shù)字7標注的圖標），從計算的數(shù)據(jù)中選取“Gaussian image distance ”的值填入。在透 鏡數(shù)據(jù)子屏上，點按“Draw”后邊的“on”，即出現(xiàn)目前系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。如圖4所示為一雙 膠合透鏡。如果在開始的“File”，“New”之后，選 “Catalog lens”，“ok”，則出現(xiàn)“Up

6、date surface data”和透鏡庫的兩個子窗口。在透鏡庫子屏上（見圖5），通過選取不同透鏡種類“singlets”，“doublets”和“others”，可瀏覽不同結(jié)構(gòu)和不同光學參數(shù)（焦距或孔徑）的透鏡系統(tǒng)。選 定一個自己需要的，“”，則在透鏡表面數(shù)據(jù)屏上呈現(xiàn)所選透鏡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后進行編輯 得到你自己的系統(tǒng)。圖52分析與評價當光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參量3450r, d, n）和光學特性參量（入瞳半徑h,半視場角s工作波長人）建立后，即可進行評價分析。2.1分析評價方法2.1.1光線像差OSLO可以計算各種幾何像差。只要按“ShiftF3”（它相當于圖1中用數(shù)字12標 記按鈕的功能），就可

7、在一子屏上給出各種光線像差曲線和系統(tǒng)圖。其中包括軸向球差、子 午和弧矢垂軸像差、色光焦點偏差、像散、場曲、畸變以及倍率色差等。為了研究某些結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對系統(tǒng)像差和光學性能的影響，OSLO提供了一種方便 途徑。其方法是，選“Optimize”，“Interactive Design Setup”，則呈現(xiàn)它的子屏。通過選項 并填入數(shù)據(jù)，便出現(xiàn)相應(yīng)的子屏。如圖6所示的是研究當單透鏡第一曲率改變時，球差相應(yīng) 變化的性能。只要將光標點按“Slider Window”子屏中滑動鈕并使其左右移動，透鏡第一面 的彎曲形狀和球差曲線就會作相應(yīng)改變。但同時透鏡的焦距也變化了。為了在保持系統(tǒng)光焦 度不變的情況下分

8、析透鏡不同彎曲形狀對球差的影響，應(yīng)利用表面解。方法是單擊透鏡第二 表面后的方框處，在托拉菜單中選“Solves”，“Axial ray angle”使其等于恰當值（由焦距和 入瞳半徑?jīng)Q定，即U=-h/f/），就會達到以上目的。圖62.1.2點列圖在鍵盤上按“ShiftF7”（相當于圖1中標注16按鈕的功能），即顯示不同視場的點列 圖。2.1.3波像差按“ShiftF4”（相當于圖1中標注13按鈕的功能），即顯示波前像差圖。2.1.4點擴散函數(shù)按“ShiftF8”（相當于圖1中標注17按鈕的功能）。2.1.5光學傳遞函數(shù)按“ShiftF5”（相當于圖1中標注14按鈕的功能）。2.2分析實驗研究2

9、.2.1研究單球面系統(tǒng)產(chǎn)生球差的特性（1）單折射球面已知：球面半徑r=50mm，界面前后折射率分別為n=1和nj=1.5。光線在球面上的最大 入射高度h=20mm，試分析軸上物點分別處于下列位置（用物距l(xiāng)表示）時，會聚球面對其 成像所產(chǎn)生球差的特性（包括符號和大?。?。l= gSV（物空間焦點位置）ZFZ00VlVrrZ2.5r2.5rZ其中,l=0, l=r和l=(n+n，)r/n是不產(chǎn)生球差的三個物點位置，稱為不暈點。由計算所的球差 數(shù)據(jù)，以物距l(xiāng)為橫坐標，球差LA/為縱坐標，畫出LA/l示意圖。以上是會聚球面的一種情況。試問對發(fā)散折射球面產(chǎn)生的球差特性又如何呢？單反射球面已知：r=-200

10、mm，n=1，n=n，h=40mm。試分析軸上物點分別位于l=8，8lr，rlr/2, r/2lNew，選 catalog lens，之后按 ok。在 lens type 中選 doublets，在 sort by 中選 part，在 central efl 中鍵入 70，在 central dia 中鍵入20，在正負范圍中填寫適當值，于是可檢索出多個滿足上述要求的雙膠合透鏡。選 擇其中一個，點按ok，即在數(shù)據(jù)屏中顯示出該透鏡的相應(yīng)系列數(shù)據(jù)。如果焦距不對，可選EditScale lens,選Scale to new focal length并按回車，之后鍵入 70。按 Wavelength后的

11、*按鈕，在wavelength 中分別選 0.48613um,0.587560um,0.676270um 為計算波長，在0.58756um后選current,之后按ok。把View選中Srf,把Draw選為on。（Srf表示可任意選擇透鏡，Grp表示有透鏡結(jié)組。）在 Aperture 中的 Entr beam rad 中鍵入 10，按 Field angle 后的按鈕，在 Field 中的 Field angle項鍵入4，在Conjugates中的Object dist項鍵入1.0e+20,之后按ok。如下圖所示。選UpdateSurface date,按第1或第2或第3表面Radius后的按鈕，選Variable。選 OptimizeGENII Error Function。選 OptimizeIterate, 按 ok。系統(tǒng)的各表面半徑在不斷的改變后迭代停止。選 CalculateReport graphicsSpot diagram analysis 并按 ok，可在圖的左上角顯示 0 視場，0.7視場，1視場的點列圖，并示出彌散斑的大小。若斑點尺寸不符合要求，重復以 上步驟。記錄下優(yōu)化后透鏡的結(jié)構(gòu)尺寸，玻璃型號，和光學參數(shù)等。存盤后退出。（3）思考題如果迭代優(yōu)化過程中系統(tǒng)焦距在不斷變化，不用縮放焦距法，你會采