毕业设计 光学设计软件OSLO的应用

一、光学系统设计概述

1.光学系统设计基本步骤

一、确定设计指标

二、光学系统外形尺寸计算，可行性分析，设计指标修正

三、光学系统初始结构设计

四、像差平衡，必要时修改初始结构

五、像质评价与公差分析

六、绘制光学系统图、零件图

七、完成设计报告

光学系统的种类繁多，由于其结构参数与成像质量之间的复杂关系，即使简单的镜头，也不能从像质要求直接求解得可用的结果。因此，光学系统设计是一个非常复杂的过程，通常是先根据镜头的性能参数和像差要求选择适当的结构形式，再基于初级像差理论求解或从文献中查找最佳的初始结构参数，然后对像差进行逐步平衡，直到满足像质要求。

光学系统初始结构设计方法包括计算法、经验法、计算结合经验法、查资料法（即根据孔径、视场、波长、焦距，进行整体缩放）等。

光学设计软件的应用并没有改变这一过程，只是使这一过程的进程大为加快，使设计质量和效率大为提高。

2.光学自动设计概述

（一）结构参数和像差函数

光学系统的结构参数包括各表面的曲率半径与面形、各透镜中心厚度与间隔、光学材料参数（折射率、阿贝数等）。各种像差可以认为是结构参数的函数，结构参数变化，像差随之发生变化。由于结构参数的变化不全是任意的，各种像差之间存在相关性，应根据需要对像差进行综合平衡。

（二）评价函数

光学设计必须校正系统的像差，但既不可能也无必要把像差校正到完全理想的程度。因此，既需要选择像差的最佳校正方案，也需要确定校正到怎样的程度才能满足使用要求，即确定像差容限。这属于光学系统质量评价的问题。

评价函数是综合评价像质好坏的函数，它的一般形式为：

其中f1、f2……f m为各像差函数，如几何像差、波像差、畸变、色差等，f1*、f2*……f m*为各像差目标值，W1、W2……W m为权重因子。

评价函数值越小，光学系统的像质越好，所以评价函数也称为目标函数。

在光学设计中，根据不同的情况修改权重因子的大小是一项主要的工作。要严格控制的像差W大，控制比较松的像差W小，不控制的像差W=0。

3.像质评价

任何物体可以分解为点，也可以分解为各种频率的谱，两种不同的分解方法构成两类评价光学系统的方法。

第一类以物点所发出的光能在像空间的分布状况作为质量评价的依据。

第二类将物体分解为一系列不同频率的谱，它们经光学系统传递到像方时频率不变，但对比度要下降，并截止与某一频率。

1.分辨率

能被光学系统分辨开的两个物点（或像点）之间的最小距离，称为光学系统的分辨率。对大部分光学系统都应有分辨率的要求，它反映了光学系统分辨物体细微结构的能力，是评价光学系统的质量指标之一。它比较容易测量，被广泛应用于光学仪器质量检验中。

2.点列图

由一点发出的许多光线经过光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图忽略了衍射效应。在大像差系统的点列图中，点的分布能近似代表点像的能量分布。因此，用点列图中点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣。

3.点扩散函数和光学传递函数

物面上一个亮点经光学系统后的光强分布函数，即像斑的复振幅分布函数，称为点扩散函数。对于衍射受限的成像系统，这个函数反映了系统的衍射效应。对于有像差的成像系统，这个函数反映系统的衍射和像差的共同效应。

对于非相干成像系统，可以把物的光强分布看作是无数物点的线性组合，那么像的光强分布函数就是这些点扩散函数的线性组合。设物面和像面的分布函数分别为o(x, y)和i(x, y)，点扩散函数为h(x, y)，则

设o(x, y)、i(x, y)、h(x, y)的傅里叶变换分别为O(s, t)、I(s, t)、H(s, t)，它们之间有如下简单关系：

这一结果的意义是：一个任意的非相干的光强分布，可以看作是各种空间频率的光强度分布的组合。光学系统对o(x, y)成像的过程，就是将o(x, y)中每一频谱分量O(s, t)乘上一个相应的因子H(s, t)，构成像i(x, y)的谱I(s, t)。H(s, t)反映了光学系统对各频谱分量的传递特性，也就完全反映了光学系统的成像特性，称为光学传递函数（OTF）。它是一个复数，模和相位分别是调制传递函数（MTF）和相位传递函数（PTF）。

这是目前认为较好的一种像质评价方法，它既有明确的物理意义，又和使用性能有密切联系，可以计算和测量，对大像差系统和小像差系统均适用，是一种有效、客观、全面的像质评价方法。

4.光学软件属性

光学软件依照计算方式不同分为Ray Tracing、BPM、FDTD等。其中Ray Tracing分Sequential ray trace（序列描光）和Non-Sequential ray trace（非序列描光）两类。

序列描光的特点是以光学面来建立模型，每个面有编号；使用单一光源，按照光学面的顺序计算光线，每个面仅作一次计算，不考虑分光；计算光线数少，速率快，可做优化计算及公差分析。

非序列描光的特点是以对象来建立模型；有多个光源；不考虑对象或光线顺序，同一个面可做多次计算，同时考虑部分穿透、反射、吸收、散射等情况，最接近真实世界的光线行为；需要计算大量光线，无法做优化设计。

二、OSLO简介

OSLO软件只是一个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进行光学设计，而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量。所以，在进行光学辅助设计之前，要先学习光学设计的有关知识：首先是几何光学基础。几何光学是光学设计的基础，要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺寸计算方法，了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程。其次是像差理论知识。对于一个光学系统，一般存在7种几何像差，分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差。另外，还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识，以及一些光学工艺的知识，包括切割，粗磨，精磨，抛光和磨边，镀膜和胶合等。

三、OSLO界面入门

工具栏

Setup Window / Toolbar，选择在工具栏上显示的工具。

命令输入栏

用户可以直接在命令输入栏输入指令。

文本窗口

文本窗口显示的数据在OSLO后台对应一个数据矩阵，用户可以通过一定的指令在自己的程序中调用这些数据；用户可以通过Window菜单开启新的文本窗口。

图形窗口

图形窗口用来显示光路结构、像面光斑（点列图）、像差等图形数用来显示光路结构、像面光斑（点列图）、像差等图形数据；用户可以通过Window菜单开启新的图形窗口。

数据表（Spreadsheets）

OSLO采用表格形式设定系统参数和透镜、光路数据。

按钮表示接受所有设定并关闭数据表；按钮表示取消所有更改并关闭数据表；

按钮用来提示表中文字的具体含义。

面数据表（Surface Spreadsheet）

面数据表是OSLO中最常用的数据表之一，包含系统参数（视场、波长、入射光束口径）设定、光路光路中每个面的参数（折射半径、通光口径、距离、材料和特殊设定等。

球面镜实例

以半径为16mm的凹球面镜为例，输入面形数据，并评价成像质量。

输入面形数据：