《工程光学教学课件》光学设计.ppt

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1、光学设计光学设计目目 录录n光学设计软件简介光学设计软件简介n光学系统的基本参数描述光学系统的基本参数描述n单透镜参数的单透镜参数的Zemax设置设置n Zemax中的像质评价功能中的像质评价功能n Zemax优化与操作数优化与操作数n Zemax设计举例设计举例软件简介软件简介国内国内SOD88北北理理工工研研制制的的，适适用用于于共共轴轴光光学学系系统统，系系统统中中的的面面型型可可以以是是球球面面，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.GOLD（原名（原名GOSA）北北理理工工研研制制的的复复杂杂光光学学系系统统分分析析优优化化大大型型

2、软软件件包包，可可对对各各种种非非对对称称、非非常常规规复复杂杂光光学学系系统统进进行行像像质质分分析析和和结结构构优优化化，其其适适用用范范围围基基本本上上囊囊括括了了目目前前国国内内外外用用于于光光学学系系统统（特特别别是是成成像像系系统统）设计制造的各种技术。设计制造的各种技术。CIOES长长春春光光机机所所研研制制的的，特特点点是是密密切切结结合合光光学学系系统统设设计计实实践践，包包括括光光学学系系统统初初始始结结构构的的设设定定、像像差差分分析析、自自动动设设计计、像像质质评评价价、加加工工公公差差的的估估算算、样样板板的的匹匹配配等等。它它通通过过图图形形显显示示、菜菜单单技技术

3、术、人人-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。国外著名国外著名软软件件ZemaxCODE-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

4、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

5、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。

6、OSLOOptics Software for Layout and Optimization的的缩缩写写，是是美美国国Lambda Research公公司司推推出出的的一一套套标标准准建建构构系系统统及及最最佳佳化化的的光光学学软软件件，主主要要用用于于照照相相机机、通通讯讯系系统统、军军事事/空空间间应应用用、科科学学仪仪器器中中的的光光学学系系统统设设计计，特特别别当当需需要要确确定定光光学学系系统统中中光光学学元元件件的的最最佳佳大大小小和和外外形形时时，该该软软件件能能够够体体现现出出强强大大的的优势。优势。LightTools美美国国ORA公公司司开开发发而而成成的的光光学学系系统

7、统建建模模软软件件，是是一一个个全全新新的的具具有有光光学学精精度度的的交交互互式式三三维维实实体体建建模模软软件件体体系系，用用现现代代化化的的手手段段直直接接描描述述光光学学系系统统中中的的光光源源、透透镜镜、反反射射镜镜、分分束束镜镜、衍衍射射元元件件、棱棱镜镜、扫扫描描转转鼓鼓、机机械械结结构构以以及及光光路路。该该软软件件首首次次把把光光学学和和机机械械元元件件集集合合在在统统一一的的体体系系下下处处理理，并并配配有有“放放置置”光光源源、发发射射光光线线的的非非顺顺序序面面光光线线追追迹迹的的强强大大功功能能，为为用用户户提提供供了了一一个个“所所见见即即所所得得”的的设设计计工工

8、具具。适适用用于于系系统统初初步步设设计计、复复杂杂系系统统设设计计规规划划、光光机机一一体体设设计计、杂杂光光分分析析、照照明明系系统统设设计计分分析析、单单位位各各部部门门间间学学术术交交流流和和数据交换、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。ASAPAdvanced System Analysis Program，即即高高级级系系统统分分析析程程序序。ASAP是是由由美美国国Breault Research Organization.Inc（BRO）公公司司开开发发的的高高级级光光学学系系统统分分析析模模拟拟软软件件，在在照照明明系系统统、汽汽车车车车灯灯光光

9、学学系系统统、生生物物光光学学系系统统、相相干干光光学学系系统统、屏屏幕幕展展示示系系统统、光光学学成成像像系系统统、光光导导管管系系统统及及医医学学仪仪器器设设计计等等诸诸多多领领域域都都得得到到了了行行业业的的认认可可和和信信赖赖。ASAP软软件件可可以以利利用用蒙蒙地地卡卡罗罗光光线线追追迹迹的的技技术术做做光光-机机结结构构间间的的仿仿真真，它它可可以以不不必必假假设设系系统统之之对对称称性性，做做单单轴轴、全全域域、三三维维坐坐标标的的模模拟拟。当当光光束束穿穿越越整整个个光光学学系系统统，光光束束可可以以自自动动分分裂裂为为反反射射、折折射射、衍衍射射、偏偏振振光光及及散散射射的的

10、分分量量，当当这这束束光光穿穿越越整整个个系系统统，光光束束可可以以包包含含物物体体任任意意的的次次序序，独独立立的的根根据据物物理理可可实实施施之之路路径前进径前进.Zemax简简介介美国美国 Radiant Zemax公司所公司所发发展出的光学展出的光学设计软设计软件，目前是被光件，目前是被光电电子子领领域熟知的光学域熟知的光学设计设计的首的首选选软软件件.三个不同版本：三个不同版本：Zemax-SE(Standard Edition)标标准版准版Zemax-XE(Extended Edition)扩扩展版展版Zemax-EE(Engineering Edition)工程版或工程版或专专业

11、业版版不同的版本不同的版本针对针对不同用不同用户户的要求分的要求分别别制定制定.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，能所有特性，能够够兼容兼容Zemax-SE的文件的文件.Zemax-EE两种模式两种模式 序列（序列（Sequential）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系）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。这统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。这一模式下，一模式下，Zemax以面

12、（以面（Surface）作为对象来构建）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前一个光学系统模型，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，按照表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（面的先后顺序（Surface 0,1,2,）进行追迹，对每个）进行追迹，对每个面只计算一次。由于需要计算的光线少，这种模式面只计算一次。由于需要计算的光线少，这种模式下光线追迹速度很快。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

13、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然可实现的路径进行追迹，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到任意一组物体上，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上，直到被物体拦截。计算时每一物体的位置由全局坐标确定。对

14、同一元件，可同时进行透射、全局坐标确定。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，反射、吸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。由于分析的光线多，计算速度较慢。Zemax的用户界面的用户界面 主窗口主窗口 Editors（编辑窗口）（编辑窗口）Lens Data Editor（镜头镜头数据数据编辑编辑窗口）窗口）Merit Function Editor（评价函数编辑窗口）（评价函数编辑窗口）目目 录录n光学设计软件简介光学设计软件简介n光学系统的基本参数描述光学系统的基本参数描述n单透镜参数的单透镜参数的Zemax设置设置n Zem

15、ax中的像质评价功能中的像质评价功能n Zemax优化与操作数优化与操作数n Zemax设计举例设计举例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）共轴光学系统的结构参数共轴光学系统的结构参数z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 椭椭球面球面 球面球面 扁球面扁球面光学特性参数光学特性参数 物距物距L：物在无物在无穷穷限，限，L=物高物高y或或视场视场角角:物在无限物在无限远时远时,用用视场视场角角;物在有限物在有限远远,用

16、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):物在物在无限无限远时远时,用光束孔径高用光束孔径高H表示表示;物在有限物在有限远时远时,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.孔径光孔径光阑阑或入瞳位置或入瞳位置 渐晕渐晕系数系数 目目 录录n光学设计软件简介光学设计软件简介n光学系统的基本参数描述光学系统的基本参数描述n单透镜参数的单透镜参数的Zemax设置设置n Zemax中的像质评价功能中的像质评价功能n Zemax优化与操作数优化与操作数n Zemax设计举例设计举例单透镜参数的单透镜参数的Zemax设置设置 设计要求：

17、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，玻璃材料为，工作波长：可见光，玻璃材料为BK7。目目 录录n光学设计软件简介光学设计软件简介n光学系统的基本参数描述光学系统的基本参数描述n单透镜参数的单透镜参数的Zemax设置设置n Zemax中的像质评价功能中的像质评价功能n Zemax优化与操作数优化与操作数n Zemax设计举例设计举例像质评价像质评价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-

18、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。以以设设置的置的单单透透镜为镜为例，例，利用利用Zemax软软件的分析件的分析功能功能对对其几何像差和波其几何像差和波像差像差进进行行评评价。价。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菜单中提供了其他的菜单中提供了其他的像质评价指标主要有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 A

19、berration（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）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。共有共有Ray Aberration、Optical path和和Pupil Aberrat

20、ion三种三种Spot Diagrams（几何点列图）（几何点列图）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）光学传递函数（光学传递函数（OTF）的模）的模物理含义：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n光学设计软件简介光学设计软件简介n光学系统的基本参数描述光学系统的基本参数描述n单透镜参数的单透镜参数的Zemax设置设置n Zemax中

21、的像质评价功能中的像质评价功能n Zemax优化与操作数优化与操作数n Zemax设计举例设计举例优化设计优化设计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。Zemax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）优化设计需要三个步骤：优化设计需要三个步骤：一个可

22、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：其中其中为为第第i种操作符的种操作符的实际值实际值，为为第第i种操作符的目种操作符的目标值标值，为为第第i种操作符的种操作符的权权因子。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

23、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 优化类型优化类型 Pupil Integration method(光瞳积分方法光瞳积分方法)Thickness 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)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 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

24、，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 P391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

25、的球差总和。因没有指定的球差总和。因没有指定Px，Py，故只为初级球，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差差，该操作符不能对指定的某一特征孔径的球差进行控制。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。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

26、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。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

27、n数学运算操作符数学运算操作符 目目 录录n光学设计软件简介光学设计软件简介n光学系统的基本参数描述光学系统的基本参数描述n单透镜参数的单透镜参数的Zemax设置设置n Zemax中的像质评价功能中的像质评价功能n Zemax优化与操作数优化与操作数n Zemax设计举例设计举例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

28、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：焦距：焦距：f =250mm通光孔径：通光孔径：D=40mm视场角：视场角：2=1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。计算相对孔径或入瞳直径计算相对孔径或入瞳直径 光学特性参数设置光学特性参数

29、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.具体操作步骤具体操作步骤1根根据据F数数选选择择初初始始结结构构(光光学学设设计计手手册册P223)Lens Data Editor；2根据焦距根据焦距值对值对透透镜镜的初始的初始结结构构进进行行缩缩放；放；3设设置置入入瞳瞳直直径径值值Gen，查查看看光光路路图图和和波波像像差；差；4设设置置变变量量、建建立立评评价价函函数数，将将透透镜镜进进行行优优化；化；5评评价系价系统统的像的像质结质结果；果；6进进行数据的行数据的规规整整(手册手册P103)。正透镜的边缘厚度正透镜的边缘厚度EDGE TH

30、ICKNESS 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ZEMAX Development Corporation,ZEMAX Optical Design Program Users Guide,2005李李士士贤贤，李李林林.光光学学设设计计手手册册（修修订订版版）.北京：北京理工大学出版社，北京：北京理工大学出版社，1996黄黄一一帆帆，李李林林.光光学学设设计计教教程程.北北京京：北北京京理工大学出版社，理工大学出版社，2009袁袁旭旭沧沧.现

31、现代代光光学学设设计计方方法法.北北京京：北北京京理理工大学出版社，工大学出版社，1995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 当光学系统的各个薄透镜组的光焦度

32、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确定了。则此时每个薄透镜组的初级像像差差由由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镜组的像像差参量，或差参量，或像像差特性参数。差特性参数。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再根据对各个薄透镜组的像像差要求按薄透镜差要求按薄透镜系统系统像像差公式求出各薄透镜组的差公式求出各薄透镜组的像像差参量差参量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。