CAD 实验讲义 南开大学光学实验

实验一、光学CAD实验

1、利用光学软件作CAD的初步训练

一、 实验目的

通过对OSLO软件的了解和使用，了解OSLO软件的基本功能并初步掌握模拟、分析和设计光学系统的基本方法，为较专门、高级的光学CAD实验打下基础。

二、 实验内容

1、熟悉OSLO光学软件。

2、建立光学系统的数据。

3、计算光学系统的像差，分析光学系统的性能[3-5]。

4、研究单透镜的光学和结构参数与像差的关系[3-5]。

5、对简单透镜做优化设计。

三、 实验方法与步骤

1 光学系统数据的输入

图1

1 帮助 9 成像分析 17 点扩散函数分析

2 表面数据表格 10 用缺省光线画平面透镜

3 总的操作条件表格 11 画立体透镜

4 高斯束表格 12 光线像差分析

5 表面容差数据表格 13 波前像差分析

6 表面数据 14 MTF分析

7 傍轴常数 15 MTF通过焦点分析

8 光线轨迹分析 16 点列图

首先运行《OSLO LT》进入它的主窗口，打开“File”，选“New”，则出现一个子窗口，如图2所示。选“Custom lens”，并填写表面数，然后“√”，便出现“重建透镜数据表格”。当发现表面数目不够或多余时，可用鼠标点按表面序号，以便编辑插入新表面或删除多余表面。字母串“OBJ”，“AST”，“IMS”分别表示物、光阑和像表面。利用此方法可在物面和像面之间建立你要研究的光学系统所需要的表面数目。但应注意，该软件所容许的系统最多不能超过10个表面。比如，要研究一个单透镜，它具有两个表面，所以在物像表面之间至少应包含两个表面。

图2

建起光学系统数据表格（如图3反示出物面和镜面）之后，即可按你所准备好的数据按位置填好。其中包括曲率半径（Radius）、厚度（Thickness）、界面之间的介质参数（Glass）、入射光束半孔径、视场和工作波长（以μ为单位）。对于某些特殊表面（比如非球面、衍射光栅面、全息图表面等）还应在special一列填写相应的参量数据。

图3

需要说明的是，物面到系统第一面的距离（即物面一行中的厚度）为物距l的绝对值，即d0=⏐l⏐，当其为无穷时（用数值1.0000e+20表示），入射光束孔径用“Entrance beam radius”表示，以mm为单位，而视场用半Field angle表示，以度为单位。当d0≠∞时，则入射光束孔径习惯用物空间数值孔径表示，而视场用物高（单位mm）表示。玻璃的填写可通过选项，比如从玻璃库中选玻璃牌号，或者用模拟光学玻璃数值（n，ν）。对于反射面，直接选reflect。

系统最后一面到像面之间的距离称为像距，有时它可表示系统的工作距离，该数据也必须正确填写，方法有二：一是在此厚度后面的方块处单击，然后在出现的托拉菜单中选“Solves”，“Axial ray height＝0”；二是在主屏上选“display the paraxial constant”（见图1中由数字7标注的图标），从计算的数据中选取“Gaussian image distance”的值填入。在透镜数据子屏上，点按“Draw”后边的“on”，即出现目前系统的结构图。如图4所示为一双胶合透镜。

如果在开始的“File”，“New”之后，选“Catalog lens”，“ok”，则出现“Update surface data”和透镜库的两个子窗口。在透镜库子屏上（见图5），通过选取不同透镜种类“singlets”，

“doublets”和“others”，可浏览不同结构和不同光学参数（焦距或孔径）的透镜系统。选定一个自己需要的，“√”，则在透镜表面数据屏上呈现所选透镜系统的数据，然后进行编辑得到你自己的系统。

图4

图5

2 分析与评价

当光学系统的结构参量[3][4][5]（r，d，n）和光学特性参量（入瞳半径h，半视场角ω，工作波长λ）建立后，即可进行评价分析。

2.1 分析评价方法

2.1.1 光线像差

《OSLO》可以计算各种几何像差。只要按“Shift—F3”（它相当于图1中用数字12标记按钮的功能），就可在一子屏上给出各种光线像差曲线和系统图。其中包括轴向球差、子午和弧矢垂轴像差、色光焦点偏差、像散、场曲、畸变以及倍率色差等。

为了研究某些结构参数的改变对系统像差和光学性能的影响，《OSLO》提供了一种方便途径。其方法是，选“Optimize”，“Interactive Design Setup”，则呈现它的子屏。通过选项并填入数据，便出现相应的子屏。如图6所示的是研究当单透镜第一曲率改变时，球差相应变化的性能。只要将光标点按“Slider Window”子屏中滑动钮并使其左右移动，透镜第一面的弯曲形状和球差曲线就会作相应改变。但同时透镜的焦距也变化了。为了在保持系统光焦度不变的情况下分析透镜不同弯曲形状对球差的影响，应利用表面解。方法是单击透镜第二表面后的方框处，在托拉菜单中选“Solves”，“Axial ray angle”使其等于恰当值（由焦距和入瞳半径决定，即u/=-h/f/），就会达到以上目的。

图6

2.1.2 点列图

在键盘上按“Shift－F7”（相当于图1中标注16按钮的功能），即显示不同视场的点列图。

2.1.3 波像差

按“Shift－F4”（相当于图1中标注13按钮的功能），即显示波前像差图。

2.1.4 点扩散函数

按“Shift－F8”（相当于图1中标注17按钮的功能）。

2.1.5 光学传递函数

按“Shift－F5”（相当于图1中标注14按钮的功能）。

2.2分析实验研究

2.2.1 研究单球面系统产生球差的特性

（1）单折射球面

已知：球面半径r=50mm，界面前后折射率分别为n=1和n d′=1.5。光线在球面上的最大入射高度h=20mm，试分析轴上物点分别处于下列位置（用物距l表示）时，会聚球面对其成像所产生球差的特性（包括符号和大小）。

l=－∞－∞＜l F（物空间焦点位置）

l F＜l＜0 0＜l＜r