光学设计与CAD第1讲光学材料

? ZEMAX 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
光学设计的历史
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
? 光学系统
光学系统的基本要求
? 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
? 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
? 可制造性考虑
?最小尺寸 /成本/重量/环境影响
?概念，顺着这些概念合理过渡到被开发真实系统的设 计
?一些术语或常用的“行话”要慎用
?不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
?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。
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
光学设计与CAD
课程安排
?教学时数： 共48学时 ?理论部分：38学时 ?上机部分（Zemax）：10学时 ?课程考核： ? 平时成绩(30%)＋期末成绩(70%) ?公共邮箱：guangxinsxx, key:090102 ?我的邮箱：song8235269@126.com
什么是光学设计？
? 通过各类光学元件的设计，达到预定的 设计要求。
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 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 )；
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： 规定：
分界面有左右，球面有凹凸， 光轴有上方下方，区别
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；
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。
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
? 技术性能 软件可以实现的主要功能
? 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wenku.baidu.com学设计：各种激光系统及元件的设计及分析，光学相 干衍射特性分析、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！
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 )。
光学设计的基本观点指南
? 提供给光学系统设计者广泛而有益的入门指南：
光学设计理论的作用
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。
CCD( Charge-coupled Device)数码照相机的镜头
光学设计与CAD(computer assisted design)
? 利用计算机可以进行准确、快速、复杂的计算 ? 更为方便的进行优化和设计 ? 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 ? 计算机直接给出光学系统图 ? 丰富的可编程操作及接口