光学设计实践-镜头设计

光学设计实践

----镜头设计2023/2/61光学设计的概念光学仪器日趋成为光学、机械、电子和计算机一体化的现代智能化仪器。光学设计是实现各种光学系统的重要基础。设计理论、优化算法、仿真工具和性能评价方法日趋完善。光学设计所要完成的工作包括光学系统设计和光学系统结构设计。2023/2/62光学系统设计根据仪器所提出的使用要求，来决定满足其要求的光学系统性能参数、外形尺寸参数和各光组的结构类型等。2023/2/6初步设计阶段根据光学仪器总体技术要求（如性能指标、外形体积、使用环境和质量等），拟定光学系统的原理图，初步计算系统外形尺寸、确定结构及各光组之间的光焦度分配等问题。像差设计阶段根据初步设计结果，确定每个透镜组的具体结构参数（如曲率半径、厚度、间隔和材料等），以保证满足系统光学特性和成像质量的要求。两者关系初步设计阶段要预计像差设计是否可以实现，以及系统结构的复杂程度。像差设计无法实现时或系统结构过于复杂时，必须重新进行初步设计。光学设计还要追求设计标准化；公差设置要满足现阶段制造业的工艺水平。3光学设计发展史人工设计阶段（长时间、繁重的体力计算劳动）将不同材料和形状的透镜进行排列组合。利用光路计算的理论和像差理论进行设计。自动化设计计算机和光学自动优化设计程序进行设计。像差计算数据分析和优化策略。2023/2/64镜头设计的重要性以前是少部分专业人士的技能，某些独有的设计和分析软件位于少部分公司大而昂贵的中央处理机中。随着商业设计软件和计算机技术的发展，镜头设计工具可以为大众所共享。因此，很多从事光学相关的公司需要员工掌握一些初级的镜头设计技能。镜头设计是光学领域教育的重要组成部分，并且是光学工程师的重要技能。2023/2/65设计的基础几何光学；代数学、三角学、平面和解析几何学、微积分；计算机；设计软件；——ZEMAX、SYNOPSYS、Code-V、SuperOslo2023/2/66所需的技能手工技能：一阶和三阶参数的手工计算；薄透镜的预设计。设计代码：预定输入参数、变量选择、优化函数组成、优化、以及设计分析。设计思路：说明书、选择起点、问题处理计划。2023/2/67镜头的一阶和三阶参数输

入一阶参数三阶参数半径厚度折射率光阑的尺寸和位置视场角有效和后焦距F数像位置和尺寸主平面位置入瞳和出瞳的大小位置拉式不变量轴向和横向色差球差彗差像散场曲畸变波前差斯特列尔比平均焦点的位置和大小傍轴光线追迹方程；赛德尔像差公式2023/2/68设计的过程镜头选型：依据工作波长范围、相对孔径（或数值孔径）、线视场（或角视场）、有效焦距、后工作距离及共轭距等参数选定镜头类型。初始结构确定：解析法和缩放法。根据初级像差理论通过像差计算求解初始结构参数（面型、曲率、厚度、间距、折射率、色散系数、视场、渐晕系数、光阑位置等）。根据设计要求，找出性能参数接近的已有结构，将其各尺寸乘以缩放比K得到初始结构，估算像差大小和变化趋势。进行光学软件仿真，输出像差曲线，分析像差类型、大小和原因及其减小对策，再反复进行像差计算和平衡，直至像差满足要求。绘制加工图纸，编写设计说明，进行设计任务答辩。2023/2/69不同镜头的比较物距相同；焦距相同；像尺寸相同。设计目的：在像平面的全视场获得好而均匀的像。校正：色差（选择不同类型的玻璃）；

球差（调整玻璃的半径和厚度、空气间隙）；离轴像差、场曲。2023/2/610镜头的尺寸和视场折射定律影响成像质量。当曲率半径一定时：光线平行于光轴，入射角（输入光线与光学平面法线的夹角）增加，光线高度增加。光线入射高度相同，视场角不同时，入射角会变化。离轴像差影响上下光线的对称性。视场角增加、系统F数减小，光学系统更加复杂。2023/2/611设计的影响因素帮助客户明确需求；避免不切实际的约束（公差要符合目前制造和计量的能力）。视场范围：与规定尺寸（Formatsize）和有效焦距（EFL）有关。例如：Formatsize由胶片或CCD尺寸而固定，它决定了视场或视场角，然后定义有效焦距。2023/2/612设计的影响因素

在客户的需求和负担中寻找一个折中方案。2023/2/613设计软件的介绍和演示以一个双凸透镜为例，完成透镜参数预输入、输出、分析和优化第5页至第14页的内容参考书为：“IntroductiontoLensDesignwithPracticalZEMAXExamples”JosephM.Geary,20022023/2/614SYNOPSYSTM

(SYNthesisofOpticalSYStems)2023/2/615OpticalSystemsDesign,Inc.

2023/2/6162023/2/6172023/2/618怎样输入镜头参数从MACroEditor(EE)中输入：可以编辑和保存（高级使用者）。采用SpreadSheet(SPS)：

快速输入多个数据（熟悉ZEMAX软件的使用者更容易上手）。采用Worksheet(WS)：对于输出和改变透镜数据，覆盖整个范围的附加特点和选择，包括增加和删除表面和元件等，可以通过SketchPad观察改变透镜数据时，状态的变化。ArtificialIntelligencefeature(AI)：可以通过简单的英语句子，检查和改变透镜大部分特性。2023/2/6191、在Commandwindow输入SPS，或者点击工具栏，打开SpreadSheet。填写面型、曲率、厚度、玻璃材料等参数。2、打开SystemData，编辑系统参数（SYS）。3、因为透镜直径为50mm，点击ClearApertures，点击表面3和表面4，选择User-enteredcircularaperture，输入25。4、输入SPE，显示系统参数。5、输入MLI，显示所有的命令。6、输入PAD，（例：选择12345和上下组合可以得到五种显示的组合）7、输入MGS，得到系统参数小结。8、输入FIRST，得到表面一阶分析参数。9、输入语句：FNUM？，得到系统的F数。怎样输入镜头参数2023/2/620

分析与优化Analysis：EZMenus>MenuTree>MRR(real-rayanalysis)MGI(geometricalimageevaluation)MDI(diffractionevaluation)优化：MOMThird、ThirdsurfDefinevariables1st、3rd、5th-orderAberrationsWS2023/2/6212023/2/6222023/2/6232023/2/624设计