黄慧杰-光学设计实例
绝热级联非线性频率转化和光学超晶格的结构设计
人们对光的研究有着长久的历史，到了现代随着技术的发展，已经不再满足与先前的激光技术，对其提出了更高的要求。
其中较为常用和有效的方法是拓宽激光输出波长范围，这也是使用最多的方法。
是利用晶体的非线性频率转化技术制作出光学超晶格。
非线性光学，在频率转换以及获得新辐射光源领域扮演重要的角色。
在波长转化进程中，不同频率的两束光入射到非线性介质材料中,会以倍频(SHG)，混频以及级联的形式产生第三束光。
另外, 在超短脉冲光场中，宽带频率转换十分重要，但宽频带光场之间要同时满足相位匹配条件也是十分困难的。
绝热演化，是一系列经典和量子系统中非常重要的动力学过程，它可以为系统提供一个强有力的方式使其达到想要的量子态。
最近绝热概念被引进了频率变换领域，它不仅可以解决宽频带光场之间的转化问题，还可以同时获得近似完全的转化效率，并且成功的用于超短脉冲转化，获得了近100%超宽带光谱转化效率。
利用无衰减泵浦近似下的非线性进程与多能级相干激发量子态系统的类比,获得了新的频率转化思想，即不产生中间光的级联波长转化。
本文主要采用理论分析的方法设计验证绝热超晶格的结构。
首先对光学晶格场分布的数值模拟方法进行了介绍；后面对于绝热级联非线性频率转化介绍了级联非线性频率转化工程中的波动方程以及绝热频率的变换；在最后又对光学超晶格的结构又进行了详细的分析介绍，主要介绍准周期、非周期以及无周期的光学晶格。
文章主要采用理论分析、验证为主的功能结构设计的方法。
关键词：光学超晶格，绝热级联频率，非线性光学ABSTRACTThe development of modern optical technology, laser put forward newer and higher requirements. To broaden the range of laser output wavelength, the most commonly used and the most effective method of is using the technology of frequency conversion in a nonlinear crystal, nonlinear optics and in frequency conversion and obtain new radiation light source in the field play an important role. In the wavelength conversion in the process, different frequencies of the two beams of light incident to the nonlinear dielectric materials, with second harmonic generation (SHG) and mixing, as well as the form of cascade produces the third beam. In addition, the ultrashort pulse light field and broadband frequency conversion is very important, but broadband light field to satisfy the phase matching condition is very difficult. Thermal evolution, it is very important in a series of classical and quantum systems dynamics process, it can be for the system to provide a powerful way to achieve the desired quantum state. Recently adiabatic concept was introduced to the field of frequency transform. It can not only solve the problem of broad band optical field between the transformation, can also obtain approximate complete conversion efficiency, and successful for ultrashort pulse conversion, nearly 100% ultra wideband spectrum conversion efficiency. The attenuation pump approximation of nonlinear processes and multi level coherent excitation of analogy to the quantum state of the system were obtained. The new frequency conversion thought that does not produce the intermediate light cascaded wavelength conversion.In this paper, using the theoretical analysis of the design method is verified for adiabatic superlattice structure. First of optical lattice field distribution numerical simulation methods are introduced; behind the adiabatic cascade nonlinear frequency conversion the cascade nonlinear frequency conversion project in the wave equation and adiabatic frequency transformation; finally the optical super lattice structure and detailed analysis is introduced in. It mainly introduces the quasi periodic, non periodic and non periodic optical lattice. This article mainly adopts theoretical analysis and verification based functional structure design method.Key words: Optical Superlattice; Adiabatic cascade frequency;nonlinear optics目录目录........................................................................................................................ - 4 - 1.绪论........................................................................................................................ - 5 - 第2章计算级联绝热光学超晶格场分布的数值模拟方法.................................. - 6 -2.1用于级联绝热光学超晶格的理论模拟方法............................................... - 6 -2.2基于中心差分原理的一种数值模拟方法................................................... - 7 -2.3几种超晶格的倍频场分布的数值模拟....................................................... - 9 -3.绝热级联频率转换.............................................................................................. - 11 -3.1 级联过程耦合波方程............................................................................... - 12 -3.2反直观耦合次序与直观耦合次序............................................................ - 13 -4.光学超晶格结构设计.......................................................................................... - 14 -4.1 多重准位相匹配技术............................................................................... - 15 -4.1.1准周期结构光学超晶格................................................................. - 15 -4.1.2 非周期结构光学超晶格................................................................ - 16 -4.1.3 无周期结构的光学超晶格............................................................ - 17 -4.2 无周期级联光学超晶格实现光学STIRAP的设计................................. - 17 -5.结论...................................................................................................................... - 21 - 参考文献.................................................................................................................. - 22 - 致谢.......................................................................................................................... - 24 -1.绪论人类对光的猜想与探索是相当久远的，从激光器诞生至今我们对于其的探索更近一步。
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1 光学技术的发展（上）周立伟院士 2 光学技术的发展（下）周立伟院士 3 平面光学组件加工技术曹天宁教授 4 光学溥膜的监控技术卢维强教授 5 大口径精密非球面光学组件制造郝沛明教授 6 非球面技术的发展和应用辛企明教授 7 一种新型的球面非球面加工技术（上）朴承镐教授 8 一种新型的球面非球面加工技术（下）朴承镐教授 9 球面加工技术及批量组件制造新理念吕秉峰专家 10 光学组件的干涉检测技术陈磊教授 11 应力对于精密光学仪器组件可靠性的影响及采取的措施李德培教授 12 照明光学安连生教授 13 光学组件加工过程的防腐稳定技术蔡立教授 14 光学组件的双面加工技术吴雪原高工 15 光学制造工艺及光学加工机械发展张曾杨教授祝商祺。
高速飞行器气动热辐射效应分析与计算设计
高速飞行器气动热辐射效应分析与计算设计高速飞行器气动热辐射效应分析与计算摘要高速导弹光学窗口外存在激波层，为高度不均匀的梯度温度气体介质，针对其中的热辐射传递开展一种有效数值求解方法研究，基于离散传递法的思想，利用光线传输模型寻找导引头探测口径内的视线路径，推衍出激波层的热辐射强度计算模型，并且求出结果证明在一定红外波段内，激波层热辐射噪声在大气层内受飞行高度影响很小，与马赫数关系密切。
本文建立了物性分布高度不均匀高温气体介质的热辐射计算体系，可以为直接或间接需要此计算结果的工程军事场合提供参考。
关键词:红外成像制导，气动热辐射效应，辐射传递方程，分子原子光谱High-speed aerodynamic analysis and calculation of the thermal radiation effectsAbstractThe presence of foreign high-speed missile shock layer optical window for the highly uneven temperature gradients gaseous medium, for which the thermal radiation transfer research an efficient numerical solution method, based on the idea of discrete transfer method, the use of light transmission model looking seeker caliber within sight path detection, inferring the thermal radiation intensity of the shock layer model, and the results obtained prove that in a certain infrared wavelengths, the shock layer by thermal radiation noise has little effect altitude in the atmosphere, and Mach several closely related.This paper established a highly uneven distribution of physical properties of high temperature gas medium heat radiation calculation system, which can be directly or indirectly Then you need this military occasions engineering calculations provide a reference.Key words: infrared imaging guidance, pneumatic heat radiation effects, radiative transfer equation, molecular atomic spectroscopy目录摘要 (1)1研究的目的背景与意义 (5)1.1气动热辐射效应相关研究的发展现状及研究目的 (5)1.2国外发展现状 (6)1.2.1高温气体热辐射特性研究 (6)1.2.2高速飞行器气动热辐射效应 (7)1.3国内发展现状 (8)2 气动热辐射效应相关概念 (9)2.1 高速飞行器气动热辐射效应的概念 (9)2.2辐射传递方程的一般形式 (10)2.3几何光学光线追迹模型 (12)2.3.1 正入射光线传输 (12)2.3.2斜入射光线传输 (13)2.4量子热辐射的基本概念 (15)2.5气体中光的发射、吸收机制 (16)2.6气体吸收发射系数的计算 (18)3气动热辐射效应分析与计算 (19)3.1高温气体分子原子辐射吸收系数 (19)3.1.1多级温度模型建立 (20)3．2高温气体原子分子辐射吸收系数 (23)3．2．1高温气体原子辐射吸收系数 (23)3．2．2高温气体分子辐射吸收系数 (25)3.3光学传输模型 (25)3.3.1介质离散 (25)3.3.2光线追迹 (26)3.4辐射传递方程求解 (28)3.4.1辐射传递轨迹 (28)3.4.2离散传递法 (29)3.5计算结果与讨论 (30)4 结论 (32)参考文献 (33)致谢 (34)1 研究的目的背景及意义1.1高速飞行器气动热辐射效应相关研究的目的及意义自从上世纪六十年代，尤其是近二十年以来，激光技术和航空航天技术的发展，以及机载激光、战术高能激光武器、激光雷达、激光通讯、大气光学测量等大量技术应用展现出来，使人们开始关注光在大气、湍流层、附面层等复杂流场中传输的规律研究。
光学设计实例(完整版)--zhengliban
p: 优化函数结果，v: 变量；
为了使残余结果的平方和最小(最小二乘法)，对每 个变量联立方程求解；
重复上述过程直至实现最优化。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求（需求分析）
2. 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
3. 建立变量和约束
变量包括：曲率半径-r、厚度-d、空气隙-d、玻璃特性-n、 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
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选择的初始结构可能不合理达不到预期要求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光学设计软件zemax简介优化实例1单透镜2双胶合透镜3非球面单透镜4激光扩束镜5显微镜物镜6双高斯照相物镜公差计算目的1如果初始结构选不好则再简单的系统也难得到好的结果
按Button Opt ，按出dialog box，预定优化次数，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：
所以这里没有计算能量集中度 Enc 及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。
习题集--《工程光学-物理光学》_测控专业教材
《工程光学-物理光学》习题集_测控专业【教程章节】第十一章光的电磁理论基础第十二章光的干涉和干涉系统第十三章光的衍射第十五章光的偏振和晶体光学【核心教材】郁道银，谈恒英，《工程光学》， 2011年出版了国家“十一五”规划教材（第3版）。
【参考教材】1.蔡怀宇，《工程光学复习指导与习题解答》，机械工业出版社。
2.梁铨廷，《物理光学》，电子工业出版社（第3版）。
配套教材《物理光学·学习指导与题解》，3.石顺祥等编著，《物理光学与应用光学》，（第2版）。
4.韩军等著，《物理光学学习指导》，西北工业大学出版社。
5.赵建林（西北工业），《高等光学》，国防工业出版社，2002年第一版，6.波恩，沃尔夫，《光学原理》(中英文版)，电子工业出版社。
7.Eugene Hecht, Cunlin Zhang,《Optics》, Higher educationpress.8.工程光学网站：202. 113. 13. 85。
9.中国期刊网，万方网，维普期刊全文数据库等。
10.中国光学学会网 /;11.SPIE:【课程题型类别】传统型作业、模拟题、思考题、阅读题第十一章光的电磁理论基础【阅读理解题】【思考与讨论题】【计算题】【一、阅读理解题】==《工程光学复习指导与习题解答》P.99-101例题7-1, 7-2, 7-3, 7-4, 7-5【三、计算题】==《工程光学》书本，P.337--339第1，2, 3----23，30题，任选10-15题【思考与讨论题】== 写出无源、无传导电流静场的麦克斯韦方程组（积分形式或者微分形式）== 无色散情况下的物质方程和其物理意义，== 波动方程一般形式，及光波沿z轴正向传播的波动方程表示式。
== 沿z轴正向传播的平面波简谐波解的表达式，以及主要参量之间的关系。
== 总结驻波的特点。
== 理解相速度和群速度。
==什么是光和光学？研究内容的分类？==理解：“几何光学” 和“物理光学” 各自的理论体系，研究方法，了解之间的区别和之间的关系。
Dr.Jiang ：LED Non-Imaging Optics
!用离散的节点矢量表示, 曲面方程比较复杂.
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香港理工大學
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•自由曲面的光線追跡
自由曲面的光線追跡最複雜的部分是求解光線與曲面的交點。其運算量約占光線追跡總 運算量的99% 最常见的是貝塞爾裁剪算法(Bezier Clipping Approach, Nishita, 1990 )
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¾ 组合式折射—反射面 ¾ 衍射元件、光栅 ¾ 微结构阵列, 照明系统中用于提高光照均匀度.
¾ 参数矢量表示的任意形状自由曲面，包括XY多項式曲面、貝塞爾曲面、B樣條曲面、 非均勻有理B樣條曲線曲面(NURBS)等，NURBS(曲线曲面的非均匀有理B样条)方法在 当今被认为是统一表示自由型曲线曲面的国际标准形式.
LED Non-Imaging Optics Design LED 非成像光学设计
Advanced optics manufacturing centre Department of Industrial and Systems Engineering
The Hong Kong Polytechnic University
對於一個Lambertian的光源，它的光通量：
Φ = Lo∫∫dA cos θdΩ
⇒
Φ
=
Lo n2
E
=
《量子光学中纠缠态表象的应用》札记
《量子光学中纠缠态表象的应用》读书笔记目录一、内容概要 (2)二、量子光学基础知识 (2)2.1 量子态与波函数 (3)2.2 光学中的基本物理量 (4)2.3 纠缠态的概述及性质 (6)三、纠缠态表象在量子光学中的应用 (7)3.1 在量子通信中的应用 (8)3.2 在量子计算中的应用 (10)3.3 在量子隐形传态中的应用 (11)四、量子纠缠态表象的实验实现与验证 (12)4.1 实验平台及技术手段 (14)4.2 实验过程与步骤 (15)4.3 实验结果与分析 (16)五、纠缠态表象在量子光学中的挑战与展望 (17)5.1 当前面临的挑战 (19)5.2 未来发展趋势及前景展望 (20)六、结论 (22)6.1 本书主要内容的总结 (22)6.2 对未来研究的建议与展望 (24)一、内容概要《量子光学中纠缠态表象的应用》是一本关于量子光学领域前沿研究的学术著作。
这本书主要探讨了纠缠态表象在量子光学中的应用，深入研究了量子纠缠态理论及其在实际光学系统中的应用。
作者详细介绍了量子纠缠态的基础概念，以及其在量子信息处理、量子计算等领域的重要性。
本书还着重讨论了如何利用纠缠态表象处理实际问题，比如光量子计算、量子通信和量子态制备等前沿课题。
在阅读这本书的过程中，我对作者关于纠缠态表象的应用理念有了更深入的理解。
作者通过丰富的理论知识和实践经验，展示了纠缠态表象在解决实际问题时的有效性和实用性。
书中还包含了许多具体的案例分析，这些案例不仅展示了纠缠态表象在不同场景下的应用，也反映了量子光学领域的前沿进展和最新动态。
通过本书的阅读，我对于量子光学领域的研究方向有了更清晰的认识，也对未来可能的研究趋势有了更深入的预测和展望。
这本书也激发了我对量子光学领域的兴趣和研究热情。
二、量子光学基础知识量子光学作为一门交叉学科，深入研究了光与物质在量子尺度上的相互作用。
在量子光学的基础理论中，有两个核心概念尤为重要：量子态和量子纠缠。
工程光学习题课公开课获奖课件省赛课一等奖课件
tan 182 122
50
2 46.8
5-2 一种焦距为100mm旳透镜与一种在其后方相隔20mm旳光孔构成旳系统对 无限远物体成像。设透镜旳口径为15mm，光孔旳口径为10mm。 （1）分别计算系统旳入瞳和出瞳旳位置和大小？ （2）分别计算光线从左到右与从右到左入射时旳系统相对孔径？
解 （1）求全部器件在物空间旳共轭像
D2 ' 12.5 1 f ' 100 8
D1
D2
D2'
光线从右到左入射时， 光孔是入瞳，故有相对孔径
D2 10 1 f ' 100 10
5-3 焦距f'=140mm旳薄透镜，通光口径为40mm，在镜前50mm处有一直径为
30mm旳圆孔，问物体处于什么范围光孔为孔径光阑，处于什么范围透镜
为孔径光阑？对于物体在无穷远时，系统无渐晕（K=1）及系统有二分之
tan D1
12.5 23
0.54
tan D2
'
3.334 / 2 23 16.67
0.042
D2 ' D1
能够判断，瞳孔旳共轭像就是入瞳，位置在透镜后16.67mm处，大小为3.334mm。 瞳孔为孔径光阑，因为其后没有透镜，故瞳孔也就是出瞳。
5-5 已知放大镜旳焦距f'=25mm，通光口径D1=25mm，人眼旳瞳孔D2=2mm， 位于放大镜后10mm处，物体位于放大镜前23mm处，求（1）该系统旳孔 径光阑、入瞳和出瞳；（2）人眼经过放大镜所看到旳最大物面范围。
入瞳和出瞳旳位置与大小。
解 （2）解析法
L2'L1L2AF1F2
F1' F2'
透镜L1旳共轭像就是其本身；求透镜L2旳物空间共轭像，将系统翻转180，经透 镜成像
浙江大学光学设计ppt
二、平行平板
u1 d l1 n l2’ A1
u2’ A2’
u1’ A1’(A2)
当角度u1不大时，依次对第一面、第二面使用公式
n' n n'− n 令 r1=r2=∞ − = l' l r
即轴向位移
并考虑过渡，得 l 2 ' = l 1 − d
n
1 ∆ l ' = l 2 '+ d − l 1 = d (1 − ) 该式中无 u ，完善成像 n
3
⑦子午平面——包含光轴的平面 ⑧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 ⑨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 E I n’>n I’ h A -U U’ φ O C r -L L’
A’
4
分界面有左右，球面有凹凸，光轴有上方下方，区别？ 二、符号规则：规定 a. 光线传播方向：从左向右 b. 线段：沿轴线段(L,L’,r)以顶点O为基准，左负右正 垂轴线段(h)以光轴为准，上正下负 间隔d （O1O2=d)以前一个面为基准，左负右正 c. 角度：光轴与光线组成角度(U,U’) 光轴以锐角方向转到光线，顺时针正逆时针负 光线与法线组成角度(I,I’) 光线以锐角方向转到法线，顺正逆负 光轴与法线组成角度(φ) 光轴以锐角方向转到法线，顺正逆负
19
F’
§1-6 平面与平面系统
20
一、平面镜
一、平面镜的像 一个点 由 得
n' n n'− n − = l' l r l ' = −l nl ' β= =1 n' l
成像完善 A’
基于ZEMAX的工程光学课程设计
以下为本次课程设计作业报告的格式和范例，要求同学们结合自己所做工作进行改动，不得摘抄范例！在相机镜头作业完成后附录上入门教学中所有例子的report graphic 6 (见zemax>reports menu)，在完成以上作业情况下，感兴趣的同学可做《光设ZEMAX_实验讲义》中的范例和本次课程设计中相机镜头的公差分析，可进一步实质性的学习光学设计，学习结果也可附录在报告后面。
《Zemax软件设计教程_1》和《光学设计实例-黄惠杰》，是上光和长光的培训课件，同学们可做进一步了解光学设计的理论知识和设计思路。
有什么问题，欢迎同学们提问！工程光学课程设计名称：工程光学课程设计院系：电子科学与应用物理学院班级：应用物理10- 学号：学生姓名：指导教师：2013 年 07 月日设计过程2.1初始结构的选择照相物镜属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂, 所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定, 而是根据要求从手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。
在选择初始结构时, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一般在相对孔径和视场角达到要求时, 我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值。
原设计要求：1、焦距：f’=12mm；2、相对孔径D/f’不小于1/2.8；3、图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm；4、后工作距>6mm5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；6、成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm。
7、最大畸变<1%照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围, 镜头所成的半像高y 可用公式y = -f tanw计算, 其中f 为有效焦距, 2w 为视场角。
菲涅尔聚光透镜的一般设计方法及效率分析
当 R 趋近于无限大时 , W′i 无限趋近 0 ,此时为平基面 Fresnel 透镜 , 由此看出平板 Fresnel 透镜的设计 公式为文中一般设计公式的特例 ,式 (6) 可变为
θi = tan - 1
sin ui + sin u′i N 2 - sin2 ui - cos u′i
该式与郭孝武等提出的设计公式[4 ]是一致的 。
(2)
βi = θν + W′i - α′i
(3)
β′i = θν + u′i
(4)
由式 (1) ～式 (4) 得
θi
=
W′i + tan - 1 sin cos
W′i · N 2 - sin2 ui + W′i - cos W′i sin ui + W′i - sin u′i u′i - cos W′i · N 2 - sin2 ui + W′i - sin W′i sin ui + W′i
导致部分光线发散引起的光学损失 ,例如 ,对于平面朝外的 Fresnel 透镜 ,由于楞高会遮挡部分折射光线 ,使
得从第二楞开始就出现部分透射光发散 ;对于平面朝内的 Fresnel 透镜 ,当 F 数小于某临界值时 ,出射界面上
入射角大于其全反射角 ,使透射光不能到达设定的焦斑范围内而损失 ,如图 3 (a) 所示 。反射损失和结构损
θi
=
W′i +
tan- 1
1
sin W′i · N 2 - cos W′i · N 2
sin2 ui - sin2
+ ui
W′i + W′i
cos W′i sin ui + W′i - sin W′i sin ui + W′i
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输入视场:
System
Fie
用ZEMAX进行光学系统设计 进行光学系统设计
输入波长 System 输入半径,厚度,玻璃 Editor Lens data 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Surface 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. Glass catalogs 所选玻璃表是在 Gen 内选定,可同时 挑多个表 对于Surface type 和Glass Catalogs,在User's Guide 内都有一章叙述. Wav
优化实例( ) 优化实例(2)
双胶合物镜
取
f = 100 1: 5 ± 30
3°
取各种玻璃组合(可以查"光学设计手册")如:
Bκ 7 / SF2 , SF5 , SF1 , SF10 , SF4 .
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Merit 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.
光学系统结构优化
按Button Opt ,按出dialog box,预定优化次数,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:
(具体的应用实例——视情况而定)
ZEMAX简介
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.
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 年 月
意图
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.
主要内容
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
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; 重复上述过程直至实现最优化.
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.
Analysis
畸变和像散像面弯曲 Analysis 或 Seidel 像差系数 Analysis 或 MTF Analysis 或 PSF Analysis 或 PSF Psf MTF Mtf FFT Point Spread Function Calculations Sei Modulation Transfer Function Seidel coefficients Miscellaneous Fcd Field Curv/Dist
Editors
Merit function Default Merit Function
Tools
按出dialog box,后按 Load Reset Ok
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. 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 Oper# 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.
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
7.
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
用ZEMAX进行光学系统设计 进行光学系统设计
数据输入的一般过程 输入光学系统结构数据
输入孔径(有几种方式,如F#,NA,Aperture,… ) 在屏上找到Button Gen ,按出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: System Gen Aperture
Analysis
Lay out Lay L3d Ele Fan
or 3D Lay out Element drawing (零件图) Ray aberration Optical Path
或即按Button 各个视场的波像差均方值 Analysis 或
Ray Opd RMS RMS RMS vs Field
Analysis
能量集中度 Analysis 或 Encircled Energy Enc Diffraction
点列图 Analysis Spot Diagrams 或 Spt Standard
Analysis
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 Enc 及Huygens Point Spread function, 为能
光学设计人员的任务
1. 2.
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
3.
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
4. 复步骤3和4直至满足设计要求
优化实例( ): 优化实例(2):优化结果
优化实例( ) 优化实例(3)
非球面单透镜
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. sei 简单采用Default merit 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,①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;② 半径和 Conic系数固定不变,孔径增大,用6次方系数校正;③ 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(半径和Conic)产生反向初级彗差与 之平衡,再重复上述过程.
r d ∞ 14 35.7 1.5 Bk7 21.5 100
r d 13 1.5 16.7 8.6 Bk7 ∞ 85
优化实例( ) 优化实例(1)
两种结构的比较: 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.