光学设计与光学工艺.ppt
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1、光学设计与光学工艺(第一讲)(第一讲)光学设计过程中需注意的问题光学设计过程中需注意的问题目录引引言言一一光光学学设设计计过过程程二二光学设计过程中考虑问题光学设计过程中考虑问题三三六倍放大镜的加工六倍放大镜的加工四四客户客户提出需求提出需求 系统总体装调及检验系统总体装调及检验 光学设计光学设计光学零件加工光学零件加工机械零件加工机械零件加工光学机械设计光学机械设计光学零件检验光学零件检验机械零件检验机械零件检验光学系统实现过程光学系统实现过程光学设计宗旨:满足技术满足技术要求要求便于制造便于制造节省成本节省成本一、引一、引 言言观察目标特性(可见光,红外)或应用领域(激光)观察范围成像要求
2、成像要求(点扩散函点扩散函数传递函数数传递函数透过波前透过波前分辨率分辨率)能量视场探测器口径波谱范围焦距成像质量要求大设计难度要求小探测器能量响应要求 合适视场 口径 焦距 成像要求 镜头设计(Lens Design)光学系统设计光学系统设计(Optical System Design)二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程客户客户需求需求设计设计过程过程像质评价像质评价像差校正与平衡像差校正与平衡样板匹配样板匹配公差分析公差分析初始结构初始结构计算与选择计算与选择出设计图纸出设计图纸123456二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程一个不好
3、的初始结构,再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功1 1、初始结构的计算和选择、初始结构的计算和选择l 根据初级象差理论求解初始结构根据初级象差理论求解初始结构l 从已有的资料中选择初始结构从已有的资料中选择初始结构二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程2 2、象差校正和平衡、象差校正和平衡 用光学计算程序进行光路计算,算出全部象差用光学计算程序进行光路计算,算出全部象差及各种象差曲线及各种象差曲线;找出影响光学系统成象质量的主要象差是哪些找出影响光学系统成象质量的主要象差是哪些;找出改进办法,进行象差校正找出改进办法,进行象差校正;反复进行象差分析、校正及平衡,直到满足成
4、反复进行象差分析、校正及平衡,直到满足成 象质量要求为止。象质量要求为止。二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程3 3、象质评价、象质评价光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允许值和象差公差有所了解,以便根据剩余象差的许值和象差公差有所了解,以便根据剩余象差的大小判断光学系统的成象质量。大小判断光学系统的成象质量。二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程适用于小象差系统如:适用于小象差系统如:望远物镜、显微物镜等。望远物镜、显微物镜等。实际波面与理想波面之实际波面与理想波面之间的最大波象差不超过间的最大波象差不超过1/4 1/4 波长波长用于
5、评价大象差系统用于评价大象差系统客观、可靠、便于计算客观、可靠、便于计算和测量,不仅能用于光和测量,不仅能用于光学设计结果的评价,还学设计结果的评价,还能控制光学系统设计的能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学过程、镜头检验、光学总体设计等各方面。总体设计等各方面。象质评价象质评价的方法的方法瑞利判断分辨率点列图光学传递函数二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程对于球面元件,一般根据厂家样板库来进行曲率半对于球面元件,一般根据厂家样板库来进行曲率半径选择。径选择。4 4、样板匹配、样板匹配手工匹配原则:先输入曲率半径小的,再输入曲率半径大的,每输入一次要进行一次自动优化。自动匹配自动匹配
6、 利用软件自带的样板匹配功能利用软件自带的样板匹配功能进行自动匹配;进行自动匹配;手工匹配手工匹配 手工输入样板库中有的样板。手工输入样板库中有的样板。HENGYI.TPD就是恒益公司的样板库l厂家样板库lZemaxToolsTest Plates Test Plate Fitting选择样板库(File Name)选择匹配方式(Method of Fit)进行匹配二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程5 5、公差分析、公差分析l 公差分析的目的公差分析的目的:给出合理的加工要求,合理的加工要求既能保证加工的可行性,同时又能降低加工难度和加工成本,因此公差分析工作至关重要。公差分析宗旨公差
7、分析宗旨:使最差情况下的传递函数由于工艺因素的总下降量不大于0.15,以便探测器仍能分辨它对应的空间频率。二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程性能合理镜头的首选公差性能合理镜头的首选公差二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程包括光学元件的厚度和机械元件包括光学元件的厚度和机械元件支撑的间隔。支撑的间隔。在使用在使用ZEMAX软件模拟公差时,软件模拟公差时,公差操作数公差操作数TTHI有两个参数,有两个参数,int1是用来定义公差的表面编号,是用来定义公差的表面编号,而而int2是作为补偿的表面编号,是作为补偿的表面编号,最小值和最大值是以镜头长度单最小值和最大值是以镜头长度单位表示的
8、极值偏差。位表示的极值偏差。实际上,有楔角的元件实际上,有楔角的元件 与与 光轴相光轴相对于其机械轴倾斜对于其机械轴倾斜 的元件完全相的元件完全相同,当旋转元件时,元件具有边缘同,当旋转元件时,元件具有边缘厚度差。厚度差。偏心包括两种,一种是简单的横偏心包括两种,一种是简单的横向偏心(上、下),另一种是使元向偏心(上、下),另一种是使元件始终保持与机架座接触的件始终保持与机架座接触的“滚动滚动”。两种偏心模型实际上完全不同。两种偏心模型实际上完全不同。在滚动的情况下,与机架座接触良在滚动的情况下,与机架座接触良好的左侧半径被良好地校准,表面好的左侧半径被良好地校准,表面倾斜只发生的右侧表面上。
9、倾斜只发生的右侧表面上。在在ZEMAX里里TSDX、TSDY用来用来模拟一个标准表面的偏心公差,单模拟一个标准表面的偏心公差,单位为镜头长度(位为镜头长度(mm),而而TEDX、TEDY是用来模拟一个元件的偏心是用来模拟一个元件的偏心公差,可以是标准面也可以是非标公差,可以是标准面也可以是非标准面,准面,int1、int2定义了一个镜头定义了一个镜头组的边界面。组的边界面。Radius(半径)(半径)Fringes(光圈)(光圈)Irregular(表面不规(表面不规则度)则度)Decenter(偏心)(偏心)楔角楔角/同心度同心度/倾斜倾斜Thickness(厚度(厚度/间隔)间隔)样板的检
10、测精度,光学设计样板的检测精度,光学设计师应该与光学加工师沟通师应该与光学加工师沟通N=/2,普通的光学加工一般控制,普通的光学加工一般控制在在5个光圈,较好的精度应该控制个光圈,较好的精度应该控制在在3个光圈以内。个光圈以内。表面不规则度可以通过局部表面不规则度可以通过局部光圈(光圈(N)来考察,工艺上)来考察,工艺上可以做到可以做到0.3个光圈。个光圈。二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程性能合理镜头的首选公差性能合理镜头的首选公差6 6、出设计图纸、出设计图纸设计图纸是指导加工的依据,图纸设计图纸是指导加工的依据,图纸必须要规范,避免引起误解必须要规范,避免引起误解二、二、光光 学
11、学 设设 计计 过过 程程光学系统实例光学系统实例:二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程注意注意问题问题标准零件图纸标准零件图纸零件技术指标零件技术指标加工工艺及成本加工工艺及成本检验方案检验方案材料选择材料选择加工超差补救加工超差补救三、光三、光 学学 设设 计计 注注 意意 问问 题题123456三、光三、光 学学 设设 计计 注注 意意 问问 题题材料选择的问题材料选择的问题1零件技术指标的问题零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题加工工艺及成本的问题4检验方案的问题检验方案的问题5加工超差补救的问题加工超差补救的问题61、光学设计中的材料选
12、择材料选择的宗旨:既能满足设计要求,同时有利于加工,价格合理 在绘制图纸阶段须对材料提出严格要求,材料本身问题引发的后续问题在后续阶段很难发现。材料性能、加工成本及加工难度相差很大,有些大口径光学材料是很难购得的。注意常用光学材料常用光学材料光学玻璃牌号分类光学玻璃牌号分类国际玻璃码的表示国际玻璃码的表示1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择1、光学设计中的材料选择常用的光学材料:l光学玻璃(包括无色光学玻璃、有色光学玻璃和特种光学玻璃)l微晶玻璃l光学晶体l塑料l金属材料(例如:铜,铝等,做反射镜)l光学玻璃的牌号分类冕牌玻璃冕牌玻璃“K K”火石玻璃火石玻璃“F F”“轻轻”“
13、Q Q”“重重”“Z Z”钡冕钡冕 BaKBaK钡火石钡火石BaFBaF镧冕镧冕 LaKLaK镧火石镧火石LaFLaF特殊玻璃在玻璃表中不占专门的区域特殊玻璃在玻璃表中不占专门的区域TKTK和和TF.TF.阿贝数的不同阿贝数的不同折射率的高低折射率的高低化学成分的不同化学成分的不同1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线,将阿贝图将阿贝图分成许多区,将光学玻璃分类。分成许多区,将光学玻璃分类。阿贝数折射率1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择折射率1.6,V50:冕牌玻璃;V50:火石玻璃 折射率1.6,
14、V55:冕牌玻璃;V55:火石玻璃国际玻璃码的表示:用九位数字表示,形式为:xxxxxx.xxx例如K10玻璃,nd=1.50137 小数点后头三位数=501;Vd=56.41 头三位数,不计小数点=564;密度=2.52;不计小数点=252;K10 的国际玻璃码是501564.252折射率nd小数点后头三位数阿贝数Vd头三位数,不计小数点玻璃的密度,不计小数点1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择条纹度条纹度折射率、色散系数折射率、色散系数允差及一致性允差及一致性气泡度气泡度应力双折射应力双折射光吸收系数光吸收系数光学均匀性光学均匀性光学玻璃的光学玻璃的质量指标质量指标1 1、光
15、学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择abcdefa.a.折射率、色散系数的允差及一致性折射率、色散系数的允差及一致性l n nd d光学玻璃对钠光d谱线的折射率;l n nF F对F谱线(波长等于波长等于0.486um0.486um的蓝光的蓝光)的折射率;l n nC C对C谱线(波长等于波长等于0.656um0.656um的红光的红光)的折射率;l n nF F-n nC C中部色散;l V Vd d阿贝数:V Vd d=(n nd d-1-1)/(n nF F-n nC C);l V Vd d值越大,色散作用愈小。1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择折射率折射率ndnd和
16、阿贝数和阿贝数VdVd与标准值的允许偏差分为与标准值的允许偏差分为3 3级级1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择b.b.光学均匀性光学均匀性l 光学均匀性是指同一块玻璃中,各部分折射 率变化的不均匀程度。l 光学不均匀性产生原因:退火温度不均匀或 内部残余应力。对于大尺寸光学零件,如果光学不均匀性存在的面积较大,将降低光学系统的分辨率及成像质量。1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择 该方法是根据放在平行光管光束中的玻璃该方法是根据放在平行光管光束中的玻璃试样引起该装置分辨率的变化规定的。如果平试样引起该装置分辨率的变化规定的。如果平行光管给出具有理论分辨率行光管给出
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- 光学 设计 工艺
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