光学设计与CAD第1讲 -

1、光学设计与CAD课程安排课程安排n 总学时数：48学时 n 理论部分：38学时n 上机部分：10学时 n 课程考核： 平时成绩期末成绩 n 光学设计基本理论光学设计基本理论 （工程光学基本理论工程光学基本理论）n 光学设计光学设计主要内容主要内容什么是光学设计？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性能性能提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体提供理想像质，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有效孔径和透过率必须足够满足设计要求n构形选择构形选择设计形式必须能满足所需的性

2、能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，要符合要求等，要符合要求n可制造性考虑可制造性考虑最小尺寸最小尺寸/成本成本/重量重量/环境影响环境影响光学系统的基本要求光学系统的基本要求CCD(Charge-coupled Device)数码照相机的镜头数码照相机的镜头光学设计与光学设计与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

3、的可编程操作及接口nZEMAX软件是美国软件是美国ZEMAX 公司的高科技软件产公司的高科技软件产品，应用的领域包括：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）变、轴向和垂轴色差） 传统相机镜头、数码相机镜头传统相机镜头、数码相机镜头 各种变焦镜头、手机摄像头等各种变焦镜头、手机摄像头等 各种夜视系统、光学发射天线等各种夜视系统、光学发射天线等 LCD 背光板和背光板和LED建模及照明设计优化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光管、光纤连接器等通信系统和元

4、器件 车灯等各种照明系统设计和分析车灯等各种照明系统设计和分析 DVD、VCD 激光读写头激光读写头 LCOS、DLP等各种投影仪及光学引擎设计等各种投影仪及光学引擎设计 干涉仪、全息光学干涉仪、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耦合效率优化分析 物理光学物理光学BPM计算，和波导光学软件数据接口，实现合作计算计算，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，系统分析激光光学系统，激光打标机及元件设计，系统分析 激光

5、扩束镜头、激光扩束镜头、F-theta扫描镜头设计优化，整形镜头设计扫描镜头设计优化，整形镜头设计n技术性能技术性能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、生产加工分析环境分析、生产加工分析n物理光学设计：各种激光系统及元件的设计及分析，光学相物理光学设计：各种激光系统及元件的设计及分析，光学相干衍射特性分析、光纤耦合等干衍射特性分析、光纤耦合等n照明系统设计：各种照明系统的设计，包含光机设计，可以照明系统设计：各种照明系统的设计，包含光机设计，可以和和Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works 等机械文件进

6、行转入转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出、可以实现照明系统零件的自动优化nZPL语言扩展：语言扩展：ZEMAX软件自带的编程语言可以实现功能的软件自带的编程语言可以实现功能的扩展扩展:ZEMAX软件可以和软件可以和c语言、语言、C+、VB等编程语言进行配等编程语言进行配合使用合使用十六、十七世纪十六、十七世纪 ： 伽利略、牛顿、惠更斯时代已经有望远镜、显微伽利略、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。镜、目镜等雏形，经验为主。十九世纪：十九世纪： 像差理论、设计方法，衍射成像理论趋于成熟。像差理论、设计方法，衍射成像理论趋于成熟。Seidel, A

7、bbe, Zeiss 工厂，工厂，Schott 工厂由光学设计工厂由光学设计而制造光学仪器，德国领先世界近百年。而制造光学仪器，德国领先世界近百年。光学设计的历史光学设计的历史:二十世纪：二十世纪： 四十年代开始用机械计算机四十年代开始用机械计算机 1946年年 发明电子计算机发明电子计算机Eniac，五十年代用于光，五十年代用于光路计算、分析路计算、分析 六十年代六十年代“自动平衡自动平衡”（优化）程序（优化）程序 八十年代普遍使用优化程序八十年代普遍使用优化程序光学设计的历史光学设计的历史: 使用电子计算机之前的使用电子计算机之前的 “手工手工”设汁法设汁法。那时主。那时主要通过追迹光线，

8、计算像差和逐次修改结构参数使之接要通过追迹光线，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。近使用要求的方法来做设计。 70年代趋向于使用大型机，年代趋向于使用大型机，80年代则有趋向于改用年代则有趋向于改用微机的势头。设计过程需要进行微机的势头。设计过程需要进行多次人工多次人工“干预干预”，这，这种种“干预干预”过程无疑是设计者运用像差理论和设计经验过程无疑是设计者运用像差理论和设计经验的过程。的过程。 设计时应根据像差理论对系统提出尽量设计时应根据像差理论对系统提出尽量合理的像差合理的像差要求要求。 用优化技术来自动平衡光学系统的像差时，如果要用优化技术来自动平衡光学系统的像

9、差时，如果要求提得太多，且提出了矛盾的要求求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同时提出例如同时提出正弦条正弦条件和赫谢耳条件件和赫谢耳条件)，就可能产生，就可能产生“病态病态”方程，使自动平方程，使自动平衡不能顺利进行。衡不能顺利进行。 归结起来，光学设计方法就是：归结起来，光学设计方法就是：根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学中根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学中“不可能不可能的要求去掉的要求去掉(“手工手工”完成完成)；用高斯光学理论，给出高斯结构用高斯光学理论，给出高斯结构(多数由多数由“手工手工”设设计计)；平衡初级像差和实际像差，使系统残留像差达到公平衡初级像差和实际像差，

10、使系统残留像差达到公差允限差允限(一般用优化技术，由电子计算机来实现一般用优化技术，由电子计算机来实现)；公差计算和画光学系统图，零件图公差计算和画光学系统图，零件图(可由电子计算机可由电子计算机完成完成)。 l 概念，顺着这些概念合理过渡到开发真实系统的设计概念，顺着这些概念合理过渡到开发真实系统的设计l 一些术语或常用的一些术语或常用的“行话行话”要慎用要慎用l 不要专注于数学公式及其详细的推导。相反，需重视不要专注于数学公式及其详细的推导。相反，需重视对对 设计和工程过程的理解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，而且要光学设计不仅要考虑基本的概念设计和理论，而且要预预 计可制