光学设计实例课件

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1、光学设计 光学设计实例中国科学院上海光学精密机械研究所2008年10月,通过设计实例，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用。 介绍光学设计软件ZEMAX的基本使用方法，设计实例通过ZEMAX来演示。,意图,光学设计软件ZEMAX简介 单透镜 双胶合透镜 非球面单透镜 显微镜物镜 双高斯照相物镜 公差计算 （具体的应用实例视情况而定）,主要内容,美国ZEMAX Development Corporation研发 ZEMAX 是一套综合性的光学设计软件，集成了光学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析和文件管理功能。ZEMAX所有的这些功能都有一个直观的

2、接口，它们具有功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。 ZEMAX 有两种不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE，有些功能只在EE版本中才具有。 ZEMAX 可以模拟序列性（Sequential）和非序列性（non-sequential）系统，分别针对成像系统和非成像系统。,ZEMAX简介,光学设计过程,计算机的出现，极大地促进了光学设计进程； 大多数光学设计程序的本质如下： 每个变量发生少量改变或增减； 计算每个变量对结果的影响； 计算结果是一系列导数，p/v1, p/v2, p/v3, p: 优化函数结果，v: 变量； 为了使残余结果的平方和最小，对每个变量联立方程求解； 重复上述过

3、程直至实现最优化。,光学设计人员的任务,获得并考虑技术要求 选择具有代表性的切入点 前期设计、专利、建立联系、原始推导 建立变量和约束 变量包括：曲率半径、厚度、空气隙、玻璃特性 约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量 使用程序对结果进行优化 评价设计结果 重复步骤3和4直至满足设计要求 如果结果不满足条件，通过添加或分离元件、变化玻璃种类等来修改设计，然后返回步骤4 另一种方法是返回步骤2 进行公差分析，估计结果误差透镜加工、机械结构与装校要求,数据输入的一般过程,输入孔径（有几种方式，如F#，NA，Aperture， ） 在屏上找到Button Gen ，按出

4、dialog box，选按Aperture，挑选Aperture type，并输入数值。 可以从System内选按General ，按出dialog box 。 可从File 内选择按Preference(或Environment）出dialog box，将常用项目的Button选放在屏上，如 Gen，便于直接选用。 将上述过程表示为：,输入视场：,用ZEMAX进行光学系统设计,输入光学系统结构数据,输入波长,输入半径、厚度、玻璃,或从屏上已有的Lens data editor 改数据。 如屏上数据框内作double click 得有关dialog box，可对现状作出修改，例如： 修改Sur

5、face type, Aperture type，改此面为光阑，即“Make surface stop”; 修改Radius，由fix改为Variable(优化过程中作为变量)，或由Solve给出； 修改最后一面到像面的Thickness由fix改为Marginal Ray Height, Pupil zone 0.7 为0。,用ZEMAX进行光学系统设计,所选玻璃表是在 内选定，可同时 挑多个表 对于Surface type 和Glass Catalogs，在Users Guide 内都有一章叙述。,当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这基本上是 项目下的各种功能。

6、 系统结构和光路图：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否存在显著错误，使光路与预期完全不符，等。,Analysis,Fan,Optical Path,Ray aberration,几何像差与波像差：,或,RMS,各个视场的波像差均方值,光学性能分析(Analysis),Analysis,畸变和像散像面弯曲,Analysis,点列图,Analysis,或,Enc,能量集中度,Analysis,Encircled Energy,Diffraction,此程序所选用积分程序不好，使要求取样网格点（Sampling）较多，计算时间很长，使大像差系统的衍射积分不易算好。 所以这里没有算能量集中度 及

7、Huygens Point Spread function, 为能容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加大Sampling 点数，增长时间。 计算Seidel像差的作用和目的是了解像差是在什么地方产生出来的，这对于将来校正或优化常会有帮助。 由于此程序不能直接计算和优化望远镜系统（如伽利略望远镜，不宜将物镜目镜分开设计），程序中在Surface内建立一个Paraxial Surface，即一个理想光学系统，把平行光束聚焦于一点，可以规定为一个任意的焦距值，从而计算望远系统的像差。,Enc,Analysis,按Button ，按出dialog box，预定优化次

8、数，即可进行优化，但之前须规定Merit Function （优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。 关于Merit Function，最简单的做法是用程序内的Default Merit Function，通过下列方法，即可调用适当的Default Merit Function：,Opt,按出dialog box，后按,即可，实际上此dialog box 中还有许多选项可改，这也是改变优化过程的方法之一。,光学系统结构优化,可以按实际情况作其他选择，改变优化过程。

9、 还可以自行构造自己认为更好的Merit Function 或修改当前的Merit Function,这就要在 框内输入适当的“Operand”，在Optimization 这一章内规定了一批Operand，所用符号如： First-order ：焦距EFFL，像高PIMH， Aberrations：初级球差SPHA，垂轴像差TRAC， 另外还有各种边界条件Operand。 也可以将MTF值或Encircled energy作为Merit Function，原则上这与实际使用目标有更直接联系，应更好。但是实际上由于必须用更多时间去算，作为优化的开始是不可取的。,Oper#,光学系统结构优化,整

10、个优化过程可以表示为以下框图，即优化结果是由初始结构、变量及优化目标函数所决定，（已确定了算法程序）三者不变时，结果是唯一的。 对此结果不满意时，就须作人工干预，人工改变结构初值，变量或改变优化函数。,光学系统结构优化,下面，通过一些具体的例子来看优化的做法和问题,优化实例（1）,f=100, 1:10, 30取Entrance Pupil Diameter=10，Field data: Y-field = 0 , 30，用同一Merit function，可以得校正彗差和子午弯曲的两种解（光阑位置作为变量），当入瞳直径由10减到5时，所得解与Kinslake书中的Landscape lens

11、 解一致，即：,单透镜,采用Default merit function， 加一行EFFL=100，Weight=1。 也并不是用任意的初始结构都能得实用的解，例如取r1 =60， r2= ，玻璃为BK7， 此时所得“局部极小解”，焦距、像差都与预期差很远。 初始结构取 r1 =r2=就已可得到好的解： r1 =61.2， r2= 350（d=5)，这是处于球差极小位置，彗差近于零的解，光阑最佳位置在透镜前数毫米。 透镜到像面的距离(Back focal length)可以作为优化变量，也可以取Solve，Marginal ray height=0而计算出；也可以由Tools，Quick Fo

12、cus定。,f=100、D/f=1:4、2W=3，平行光入射，取Entrance Pupil Diameter=25，Field date: Y-field =0、3，=0.55um,优化实例（1）,两种结构的比较： 这二个解的透镜弯曲方向相反（都朝向光阑），前者略优，但要程序将后者自动变为前者，则几乎是不可能的，必须人工强烈修改（倾向）才行。 这三组解都可以从像差理论算出来，但优化的结果则略好于初级像差理论的解，这里都没有把透镜厚度作为变量。 优化程序可以使焦距与预定相符，在大像差系统中，为使像差变小，程序倾向于使焦距变长，不能完全保证预定焦距。 为保证焦距相符，还可以采用“Solves”定

13、半径从而使焦距与预期一致，在Radius的dialog box中取Solve type为 Element power 即透镜焦距倒数 1/f（可在保持单透镜焦距的条件下弯曲透镜），也可以用Marginal Ray angle 使本组的组合焦距保持不变，“Solve”这个工具，时常有利于设计方便，如Edge thickness 有利于优化过程中保持透镜厚度合理。,优化实例（2）,取 取各种玻璃组合（可以查“光学设计手册”）如： 都可以用程序得到对 0校正良好的能（取波长为F，d，c），但3视场一般有较大彗差，不能校正。将光阑位置作为变量时，一般仍然如此。（初始半径可取（60，-60，）。 将Me

14、rit Function 中视场0的Operand完全除去，即仅考虑3视场的像差，可以得到校正子午彗差的解（理论上看3视场的像质与球差、彗差都有关，而0仅与球差有关，原则上可以随3视场的校正而同时校正），此时再回复原来二个视场的Merit Function，此解所保持最优，如所附。 这里玻璃组合为BK7/SF5，本可取Glass,Model,Vary ，将玻璃作为变数优化，但得不到真正好的解，不如一一改玻璃，反而容易得到优化的解。,双胶合物镜,优化实例（2）：优化结果,f=60， 1：1， 1 用非球面可以准确校正球差，透镜弯曲可校正彗差，形成大孔径小视场光学系统。 简单采用Default m

15、erit Function做优化，一般得不到结果，为此先通过 初级像差计算得到适当的校正S2的半径初值为出发点，另外Merit Function 中取带（Ring)改为15-20，自动优化可以得到好的结果（文件Asph6）。 实际上，非球面高次项并非必须，如文件Asph3，只取6次项和8次项，残余像差也小些，这个结果是采用下列逐步接近的过程作出，校正S1，S2决定半径和Conic系数，仍用Default merit function (Ring=3)但将孔径取很小值； 半径和Conic系数固定不变，孔径增大，用6次方系数校正； 孔径增至1：1，优化6次、8次系数，所得结果存在高级彗差，再改初值

16、（半径和Conic）产生反向初级彗差与之平衡，再重复上述过程。,非球面单透镜,优化实例（3）,sei,优化实例（3） ：优化结果,优化实例（3）,优化实例（3）,优化实例（3）,光学设计 光学设计实例中国科学院上海光学精密机械研究所2008年10月,光学设计软件ZEMAX简介 单透镜 双胶合透镜 非球面单透镜 显微镜物镜 双高斯照相物镜 公差计算 （具体的应用实例视情况而定）,主要内容,优化实例（4）,高倍显微物镜 从专利USP3902793A开始，从结构看它有一组分离的负透镜组，故应属平场显微物镜，视场是 3.75， NA=1.21，平行光束入射(无穷远共轭距)，最后通过油层及盖玻片聚在标本上，保证焦点位于盖玻片下方。 关于NA，ZEMAX程序给出的是：Image space NA=0.938 也是错的，所取值1.21是从“Working F/#” 0.4135，从其定义= 1/（2nsin），而且是“based upon real ray data”，