光学设计与CAD第1讲光学材料

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1、光学设计与CAD课程安排n教学时数： 共48学时 n理论部分：38学时n上机部分（Zemax）：10学时 n课程考核：n 平时成绩(30%)期末成绩(70%)n公共邮箱：guangxinsxx, key:090102n我的邮箱：什么是光学设计？n通过各类光学元件的设计，达到预定的 设计要求。n光学系统n性能 提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体 像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配 有效孔径和透过率必须足够满足设计要求n构形选择 设计形式必须能满足所需的性能 特殊的技术要求比如在扫描系统，在红外系统中的光阑 等，要符合要求n可制造性考虑 最小尺寸/成本/重量/环境影响光学系统的基本要求C

2、CD(Charge-coupled Device)数码照相机的镜头光学设计与CAD(computer assisted design)n利用计算机可以进行准确、快速、复杂的计算n更为方便的进行优化和设计n利用优化技术，平衡初级像差和实际像差，使系 统残留像差达到公差允限n计算机直接给出光学系统图n丰富的可编程操作及接口nZEMAX软件是美国ZEMAX 公司的高科技软件产 品，应用的领域包括： 显微镜、望远镜、目镜等镜头设计等（球差、彗差、像散、场曲、畸 变、轴向和垂轴色差） 传统相机镜头、数码相机镜头 各种变焦镜头、手机摄像头等 各种夜视系统、光学发射天线等 LCD 背光板和LED建模及照明设

3、计优化 光管、光纤连接器等通信系统和元器件 车灯等各种照明系统设计和分析 DVD、VCD 激光读写头 LCOS、DLP等各种投影仪及光学引擎设计 干涉仪、全息光学 光通信元器件设计分析：有源及无源器件、光纤耦合效率计算、光纤 耦合效率优化分析 物理光学BPM计算，和波导光学软件数据接口，实现合作计算 各种激光器谐振腔等 激光光学系统，激光打标机及元件设计，系统分析 激光扩束镜头、F-theta扫描镜头设计优化，整形镜头设计n技术性能 软件可以实现的主要功能n几何光学设计：各种成像镜头的设计、成像质量分析、温度 环境分析、生产加工分析 物理光学设计：各种激光系统及元件的设计及分析，光学相 干衍射

4、特性分析、光纤耦合等 照明系统设计：各种照明系统的设计，包含光机设计，可以 个Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works 等机械文件进行转入转 出、可以实现照明系统零件的自动优化 ZPL语言扩展：ZEMAX软件自带的编程语言可以实现功能的 扩展 扩展功能：ZEMAX软件可以和c语言、C+、VB等编程语言 进行配合使用 以上各种功能几乎涵盖了光学的各个领域，在各个领域中该 软件都可以实现自动的优化求解，使用非常便捷，是目前全 球光学工程师应用最广泛的设计软件！十六、十七世纪 ：伽利略、牛顿、惠更斯时代 已经有望远镜、显微镜、目镜等雏形，经验为主。十九世纪：像差理论、设计方法，衍射成像理

5、论趋于 成熟。Seidel, Abbe, Zeiss 工厂，Schott 工厂由光 学设计而制造光学仪器，德国领先世界近百年。二十世纪：四十年代开始用机械计算机。1946年 发明 电子计算机Eniac，五十年代用于光路计算、分析， 六十年代“自动平衡”（优化）程序， 八十年代普遍使 用优化程序，美国商业程序光学设计的历史挑选合理的初始结构，设计指标，尽量少用光线就能对现状作出判断包括初始要求是否合理，可能不可能达到要求 。判断修改的方向光学设计理论的作用光学设计方法光学设计方法光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子 计算机之前的方法统称为“手工”设汁法。那时主要通过 追迹光线，计算像

6、差和逐次修改结构参数使之接近使用 要求的方法来做设计。 电子计算机的使用，使得对光学 系统(特别是复杂系统)的分析计 算更加完善了，进而使 光学自动设计逐步发展起来。任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想。 所以，设计时我们应该根据像差理论对系统提出尽量合 理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动设计，这 一点也是很重要的。 用优化技术来自动平衡光学系统的 像差时，如果要求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如 同时提出正弦条件和赫谢耳条件)，就可能产生“病态”方 程，使自动平衡不能顺利进行。用于光学系统自动设计的电子计算机，70年代趋向 于使用大型机，80年代则有趋向于改用微机的势头。这

7、 一方面当然是为了节省设计费用，另一方面也说明设计 过程需要进行多次人工“干预”，这种“干预”过程无疑是 设计者运用像差理论和设计经验的过程。归结起来，光学设计方法就是：a)根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学 中“不可能的要求去掉(“手工”完成)；b)用高斯光学理论，给出高斯结构(多数由“手工” 设计)；c)平衡初级像差和实际像差，使系统残留像差达 到公差允限(一般用优化技术，由电子计算机来 实现)；d)公差计算和画光学系统图，零件图(可由电子计 算机完成)。u提供给光学系统设计者广泛而有益的入门指南：l概念，顺着这些概念合理过渡到被开发真实系统的设计l一些术语或常用的“行话”要慎用l不

8、要专注于数学公式及其详细的推导。相反，需重视对 设计和工程过程的理解l光学设计不仅要考虑基本的概念设计和理论，而且要预 计可制造能力与可测试能力。光学设计的基本观点指南光学设计的基本观点指南相关概念 子午面：包含光轴的平面 截距：物方截距物方光线与光轴的交点到顶点的距离像方截距像方光线与光轴的交点到顶点的距离 倾斜角：物方倾斜角物方光线与光轴的夹角像方倾斜角像方光线与光轴的夹角符号法则：分界面有左右，球面有凹凸， 光轴有上方下方，区别 规定：1.光线传播方向：从左向右2.线段：沿轴线段（L，L，r）以顶点O为基准， 左负右正，间隔d（OO=d）以前一个面为基准，左 负右正；3.角度：光轴与光线

9、组成角度（U，U）光轴轴以锐锐角方向转转到光线线，顺时针为顺时针为 正，逆时针为时针为 ；光线与法线组成的角度（I，I）光线以锐角方向转到法线，顺时针成角为正，逆 时针为负；光轴以锐角方向转到法线，顺时针成角为正，逆时 针为负；光轴上的点发出的很靠近光轴的同心光束经球面折 射后仍为同心光束，即轴上点以细光束经光学系统 所成的像一般认为是完善的像。这种由近轴光线所 成的像称为高斯光学（Gaussian image)。讨论光学系统近轴区域成像性质和规律的光学称为高斯光 学或近轴光学（paraxial optics)横向放大率：像的大小与物的大小之比（）；轴向放大率：像点与对应的物点沿轴移动量之比（

10、）；角放大率：折射前后的一对光线与光轴夹角u与u之比（）J称为拉氏不变量光学材料光学材料一、光的色散一、光的色散对于不同波长的光线，自然光通过三棱镜将得到由红到紫排列的光谱。 光的色散现象证明光学材料对不同波长的光折射率不同， 即 ，当小时折射率大。在进行光学仪器设计时，我们必须考虑到光学材料的这种性质。 二、光学材料二、光学材料 光学系统中以折射零件和反射零件为主，反射零件主要性能在于其反射率及其稳定性，折射零件的性能主要在于透明度、吸收系数、透明波段等。 光学材料主要包括光学玻璃、光学晶体和光学塑料等。 光 学 玻 璃n定义：用于制造光学仪器或机械系统的透镜、棱 镜、反射镜、窗口等的玻璃材

11、料。包括：n无色光学玻璃(通常简称光学玻璃)对光学常数有特定要求，具有可见区高透过、无 选择吸收着色 ，多用作望远镜、显微镜、照相机等的透镜、棱镜、反射镜等 。n有色光学玻璃又称滤光玻璃。对紫外、可见、红外区特定波长 有选择吸收和透过性能 ，主要用于制造滤光器 。 耐辐射光学玻璃、在一定的射线、X射线辐照下，可见区透过率变化较少 ，品种和牌号与无色光学玻璃相同，用于制造高能辐照下的 光学仪器和窥视窗口防辐射玻璃对高能辐照有较大的吸收能力，有高铅玻璃和CaO- B2O2系统玻璃，前者可防止射线和X射线辐照，后者可吸 收慢中子和热中子，主要用于核工业、医学领域等作为屏蔽 和窥视窗口材料 。光学石英

12、玻璃。 以二氧化硅为主要成分，具有耐高温、膨胀系数低、机械强 度高、化学性能好等特点，用于制造对各种波段透过有特殊 要求的棱镜、透镜、窗口和反射镜等 n成分：光学玻璃是用高纯度硅、硼、钠、钾、锌、 铅、镁、钙、钡等的氧化物按特定配方混 合,在白金坩埚中高温融化,用超声波搅拌均 匀,去气泡；然后经长时间缓慢地降温，以 免玻璃块产生内应力。冷却后的玻璃块， 必须经过光学仪器测量，检验纯度、透明 度、均匀度、折射率和色散率是否合规格 。合格的玻璃块经过加热锻压，成光学透 镜毛胚。1 1 、光学玻璃的技术参数、光学玻璃的技术参数 折射率色散对于光学设计来说，其主要参数是:人眼最灵敏波长是555nm ，

13、两个极端是C光，F光。 平均色散部分色散阿贝常数 (平均色散系数)相对色散 (部分色散系数)用 n 和可以表征玻璃的光学性能 例如： K9 玻璃， n= 1.5163, =64.1 一般玻璃 n= 1.4 至 1.82 2 、光学玻璃分类及其技术参数、光学玻璃分类及其技术参数 一般玻璃厂家都提供n便于设计者从中选择光学玻璃。 光 明 玻 璃 厂 的 玻 璃 领 域 图另外材料的光学均匀性、化学稳定性（ n 大时往往较软，化学稳定性差）气泡、 条纹、内应力等，皆对成像有影响。总之应根据仪器要求挑选不同等级的玻璃。 当设计激光光学系统、红外、紫外等光学系统时，须计算 其他波长的折射率，可利用经验公

14、式，如Schott公式： 对于反射材料，由于没有色散，不必考虑阿贝数，其唯一特性是反射率。通常需要采用镀反射膜的方法提高反射率，在可见光波段可以镀银或铝。银比铝反射率高，铝的反射率比银稳定。具体镀什么金属反射膜要根据所用波段而定。 玻璃选择n传统上nD1.60，VD50和nD55 的各类玻璃定为冕(K)玻璃，其余各类玻璃 定为火石(F)玻璃。n冕玻璃特征是低折射率低色散，火石玻璃 是高折射率高色散。正光焦度光组：冕玻璃一般作凸透镜，火石 玻璃作凹透镜。负光焦度光组：冕玻璃一般作凹透镜，火石 玻璃作凸透镜。n最早被人们用来制作光学零件的光学材料是天然晶体，据称古代亚西 利亚用水晶作透镜，而在古代

15、中国则应用天然电气石（茶镜）和黄水 晶。考古家证明公元三千年前在埃及和我们（战国时代）人们已能制 造玻璃。但是玻璃作为眼镜和镜子还是十三世纪在威尼斯开始的。恩 格斯在“自然辨证法”中对此曾给予很高的评价，认为这是当时的卓越 发明之一。此后由于天文学家与航海学的发展需要，伽利略、牛顿、 笛卡儿等也用玻璃制造了望远镜和显微镜。从十六世纪开始玻璃已成 为制造光学零件的主要材料了。n 到了十七世纪，光学系统的消色差成为光学仪器的中心问题。这 时由于改进了玻璃成分，在玻璃中引入了氧化铅，赫尔才于1729年获 得第一对消色差透镜，从此，光学玻璃就被分为冤牌和燧石玻璃两个 大类。n 1768年纪南在法国首先

16、用粘土棒搅拌的方法制得了均匀的光学玻 璃，从而开始建立了独立的光学玻璃制造工业。在十九世纪中叶，几 个发达的资本主义国家都先后建立了自己的光学玻璃工厂，如法国帕 腊-芒图公司（1872年）、英国钱斯公司（1848）、德国萧特公司 (1848)等。发展简史：发展简史：n十九世纪光学仪器有很大发展。第一次世界大战前夕，德国为了迅速发展军 用光学仪器，要求打破光学玻璃品种贫乏的限制。这时，著名物理学家阿员 参加了萧特厂的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如BaO，B2O3,ZnO， P2O3等，并且研究了它他对玻璃光学常数的影响。在这基础上，发展了钡冤 、硼冤、锌冤等类型玻璃，同时也开始试制了特殊相对部分色散的燧石玻璃 。在这时期内，光学玻璃品种有了很大