光學(xué)設(shè)計實踐-鏡頭設(shè)計

光學(xué)設(shè)計實踐

----鏡頭設(shè)計2023/2/61光學(xué)設(shè)計的概念光學(xué)儀器日趨成為光學(xué)、機(jī)械、電子和計算機(jī)一體化的現(xiàn)代智能化儀器。光學(xué)設(shè)計是實現(xiàn)各種光學(xué)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。設(shè)計理論、優(yōu)化算法、仿真工具和性能評價方法日趨完善。光學(xué)設(shè)計所要完成的工作包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。2023/2/62光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)儀器所提出的使用要求，來決定滿足其要求的光學(xué)系統(tǒng)性能參數(shù)、外形尺寸參數(shù)和各光組的結(jié)構(gòu)類型等。2023/2/6初步設(shè)計階段根據(jù)光學(xué)儀器總體技術(shù)要求（如性能指標(biāo)、外形體積、使用環(huán)境和質(zhì)量等），擬定光學(xué)系統(tǒng)的原理圖，初步計算系統(tǒng)外形尺寸、確定結(jié)構(gòu)及各光組之間的光焦度分配等問題。像差設(shè)計階段根據(jù)初步設(shè)計結(jié)果，確定每個透鏡組的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)（如曲率半徑、厚度、間隔和材料等），以保證滿足系統(tǒng)光學(xué)特性和成像質(zhì)量的要求。兩者關(guān)系初步設(shè)計階段要預(yù)計像差設(shè)計是否可以實現(xiàn)，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。像差設(shè)計無法實現(xiàn)時或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜時，必須重新進(jìn)行初步設(shè)計。光學(xué)設(shè)計還要追求設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化；公差設(shè)置要滿足現(xiàn)階段制造業(yè)的工藝水平。3光學(xué)設(shè)計發(fā)展史人工設(shè)計階段（長時間、繁重的體力計算勞動）將不同材料和形狀的透鏡進(jìn)行排列組合。利用光路計算的理論和像差理論進(jìn)行設(shè)計。自動化設(shè)計計算機(jī)和光學(xué)自動優(yōu)化設(shè)計程序進(jìn)行設(shè)計。像差計算數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化策略。2023/2/64鏡頭設(shè)計的重要性以前是少部分專業(yè)人士的技能，某些獨有的設(shè)計和分析軟件位于少部分公司大而昂貴的中央處理機(jī)中。隨著商業(yè)設(shè)計軟件和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，鏡頭設(shè)計工具可以為大眾所共享。因此，很多從事光學(xué)相關(guān)的公司需要員工掌握一些初級的鏡頭設(shè)計技能。鏡頭設(shè)計是光學(xué)領(lǐng)域教育的重要組成部分，并且是光學(xué)工程師的重要技能。2023/2/65設(shè)計的基礎(chǔ)幾何光學(xué)；代數(shù)學(xué)、三角學(xué)、平面和解析幾何學(xué)、微積分；計算機(jī)；設(shè)計軟件；——ZEMAX、SYNOPSYS、Code-V、SuperOslo2023/2/66所需的技能手工技能：一階和三階參數(shù)的手工計算；薄透鏡的預(yù)設(shè)計。設(shè)計代碼：預(yù)定輸入?yún)?shù)、變量選擇、優(yōu)化函數(shù)組成、優(yōu)化、以及設(shè)計分析。設(shè)計思路：說明書、選擇起點、問題處理計劃。2023/2/67鏡頭的一階和三階參數(shù)輸

入一階參數(shù)三階參數(shù)半徑厚度折射率光闌的尺寸和位置視場角有效和后焦距F數(shù)像位置和尺寸主平面位置入瞳和出瞳的大小位置拉式不變量軸向和橫向色差球差彗差像散場曲畸變波前差斯特列爾比平均焦點的位置和大小傍軸光線追跡方程；賽德爾像差公式2023/2/68設(shè)計的過程鏡頭選型：依據(jù)工作波長范圍、相對孔徑（或數(shù)值孔徑）、線視場（或角視場）、有效焦距、后工作距離及共軛距等參數(shù)選定鏡頭類型。初始結(jié)構(gòu)確定：解析法和縮放法。根據(jù)初級像差理論通過像差計算求解初始結(jié)構(gòu)參數(shù)（面型、曲率、厚度、間距、折射率、色散系數(shù)、視場、漸暈系數(shù)、光闌位置等）。根據(jù)設(shè)計要求，找出性能參數(shù)接近的已有結(jié)構(gòu)，將其各尺寸乘以縮放比K得到初始結(jié)構(gòu)，估算像差大小和變化趨勢。進(jìn)行光學(xué)軟件仿真，輸出像差曲線，分析像差類型、大小和原因及其減小對策，再反復(fù)進(jìn)行像差計算和平衡，直至像差滿足要求。繪制加工圖紙，編寫設(shè)計說明，進(jìn)行設(shè)計任務(wù)答辯。2023/2/69不同鏡頭的比較物距相同；焦距相同；像尺寸相同。設(shè)計目的：在像平面的全視場獲得好而均勻的像。校正：色差（選擇不同類型的玻璃）；

球差（調(diào)整玻璃的半徑和厚度、空氣間隙）；離軸像差、場曲。2023/2/610鏡頭的尺寸和視場折射定律影響成像質(zhì)量。當(dāng)曲率半徑一定時：光線平行于光軸，入射角（輸入光線與光學(xué)平面法線的夾角）增加，光線高度增加。光線入射高度相同，視場角不同時，入射角會變化。離軸像差影響上下光線的對稱性。視場角增加、系統(tǒng)F數(shù)減小，光學(xué)系統(tǒng)更加復(fù)雜。2023/2/611設(shè)計的影響因素幫助客戶明確需求；避免不切實際的約束（公差要符合目前制造和計量的能力）。視場范圍：與規(guī)定尺寸（Formatsize）和有效焦距（EFL）有關(guān)。例如：Formatsize由膠片或CCD尺寸而固定，它決定了視場或視場角，然后定義有效焦距。2023/2/612設(shè)計的影響因素

在客戶的需求和負(fù)擔(dān)中尋找一個折中方案。2023/2/613設(shè)計軟件的介紹和演示以一個雙凸透鏡為例，完成透鏡參數(shù)預(yù)輸入、輸出、分析和優(yōu)化第5頁至第14頁的內(nèi)容參考書為：“IntroductiontoLensDesignwithPracticalZEMAXExamples”JosephM.Geary,20022023/2/614SYNOPSYSTM

(SYNthesisofOpticalSYStems)2023/2/615OpticalSystemsDesign,Inc.

2023/2/6162023/2/6172023/2/618怎樣輸入鏡頭參數(shù)從MACroEditor(EE)中輸入：可以編輯和保存（高級使用者）。采用SpreadSheet(SPS)：

快速輸入多個數(shù)據(jù)（熟悉ZEMAX軟件的使用者更容易上手）。采用Worksheet(WS)：對于輸出和改變透鏡數(shù)據(jù)，覆蓋整個范圍的附加特點和選擇，包括增加和刪除表面和元件等，可以通過SketchPad觀察改變透鏡數(shù)據(jù)時，狀態(tài)的變化。ArtificialIntelligencefeature(AI)：可以通過簡單的英語句子，檢查和改變透鏡大部分特性。2023/2/6191、在Commandwindow輸入SPS，或者點擊工具欄，打開SpreadSheet。填寫面型、曲率、厚度、玻璃材料等參數(shù)。2、打開SystemData，編輯系統(tǒng)參數(shù)（SYS）。3、因為透鏡直徑為50mm，點擊ClearApertures，點擊表面3和表面4，選擇User-enteredcircularaperture，輸入25。4、輸入SPE，顯示系統(tǒng)參數(shù)。5、輸入MLI，顯示所有的命令。6、輸入PAD，（例：選擇12345和上下組合可以得到五種顯示的組合）7、輸入MGS，得到系統(tǒng)參數(shù)小結(jié)。8、輸入FIRST，得到表面一階分析參數(shù)。9、輸入語句：FNUM？，得到系統(tǒng)的F數(shù)。怎樣輸入鏡頭參數(shù)2023/2/620

分析與優(yōu)化Analysis：EZMenus>MenuTree>MRR(real-rayanalysis)MGI(geometricalimageevaluation)MDI(diffractionevaluation)優(yōu)化：MOMThird、ThirdsurfDefinevariables1st、3rd、5th-orderAberrationsWS2023/2/6212023/2/6222023/2/6232023/2/624設(shè)計