毕业设计 光学设计软件OSLO的应用

一、光学系统设计概述一、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，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。量和效率大为提高。（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，像差随像差进行综合平衡。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……fm为各像差函数，如几何像差、波像差、畸变、色差等，f1*、f2*……fm*为评价函数值越小，光学系统的像质越好，所以评价函数也称为目标函数。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。对比度要下降，并截止与某一频率。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。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。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，3.点扩散函数和光学传递函数这个函数反映系统的衍射和像差的共同效应。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)，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)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（PT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、全面的像光学软件依照计算方式不同分为RayTracing、BPM、FDTD等。其中RayTracing分Sequentialraytrace（序列描光）和Non-Sequentialraytrace（非序列描光）两类。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。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。工具栏SetupWindow/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。像面光斑（点列图）、像差等图形数据；用户可以通过Window菜单开OSLO采用表格形式设定系统参数和透镜、光路数据。按钮用来提示表中文字的具体含义。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。1.单击“DrawOff”打开Autodraw窗口。2.Lens名称设为“Sphericalmirror”。4.将surface1（AST）的材料由AIR改为Refle1.菜单栏上单击Lens，选择LensDrawingConditions…2.在Imagespacerays后选择Drawraystoimagesurface。3.底部的表格设置显示的光线。在Rays列中将FracYObj=0.00000的光线数设为11。4.单击绿色小钩图标关闭设置。这是一个非常基础的练习，包括如何在OSLO中输入镜头数据和进行简单的优化。本教程的结尾描述了如何使用sliderwheels，可以了解sliderwheels可以帮助你理解不同设计条件时的系统变化情况。本章目的不仅是要学习如何输入数据，而且还学习如何使用OSLO的一些标准工具，以理解简单照相镜头的光学性能。可以从这个练习里面看出OSLO与大多数的其它设计软件不同点。建立系统，然后按Auto键，计算机不可能就自动为你优化好。而是在交互模式下，分步运行，以便知道怎么得到最后的方案。1.镜头输入（Lensentry）——输入一个平凸透镜，其后放置一个孔阑。物距为无穷远，入射光束半径（entrancebeamradius）为10mm，视场角（fieldangle）为±20度凸面的初始曲率半径为50，玻璃为BK7，厚度为4mm孔阑到透镜的初始距离为10mm用marginalrayheightsolve设置孔阑到像面的距离2.透镜绘图（LensDrawing）——设置绘图条件，以显示所要求的光线轨迹。记得要勾选绘制像面3.优化（Optimization）——进行优化，消除彗差，焦距为100建立一个误差函数（errorfunction控制有效焦距为100，记住可以控制边缘（近轴）光线的斜率来控制；让三级彗差为0。记住，在优化的时候让一些参数为变量。这里可以是第一个面的半径（改变光焦度）和4.滑动器设计（Slider-wheeldesign）——将滑块（sliders）和参数结合在一起，所以可以分析系统的平衡（记住在孔阑面上放一个厚度的求解（thicknesssolve将透镜的第二个面的曲率半径和滑块结合在一起，另一个和像面的曲率半径结合调整滑块，观察轴上和轴外的点列图（spotdiagrams）情况通过调整像面的曲率半径，观察轴外点列图的水平和垂直位置镜头数据输入1)打开OSLO软件，选择"Startanewlens"，或从菜单中选择"File>>NewLens…"3)用下列数据填写固定的部分："Lens:"的右边输入"Landscape1"，将入射光束半径改为5，将视场角改为20，其它的栏4)在滚动区域（scrolledarea）做以下改变：4a)在第一个面的"GLASS"栏目输入"BK7"，这样使第一个面和第2个面之间的光学材料为"BK7"。可以参考《OSLOOpticsReference》中的QuickStart一章。注：第3面的行按钮会显示为"AST",并且在"APERTURERADIUS"栏中会加一个A。4c)点第1面的"RADIUS"单元，输入曲率半径504d)点第1面的"THICKNESS"单元，输入44e)在第2面的"THICKNESS"单元，输入10"，会弹出一个对话提示输入solve的值。接受缺省值0，点OK。这会使面3的厚度保持更新，使近轴光线的高度在第4面上为0。6)点第3面的"SPECIAL"栏，选择"SurfaceControl(F)>>General"，会出现一个新的电子表格覆盖当前的电子表格。6a)在"Surfaceappearanceinlensdrawings"中点按键"Automatic"，然后选择"Drawn"，这使OSLO画surface36b)然后点绿色的对号，关闭电子表格，并返回到surfacedata电子表格6c)这时可以看到第3面的special按钮上有一个F。7)在第4面重复步聚6－6c。完成了以上镜头的数据输入后，电子表格的数据如下：注：物面是"OBJ"，像面是"IMS"。在所有的系统中都有一个物面和像面，因为在这个镜头中。只有1个面，有另外一个标记为"AST"，这是因为当前面是注：在OSLO中，关闭SurfaceData窗口（通过点绿色对号或红色的“X“实现）后，结要使SurfaceData表格回来，从菜单中选择"Lens>>SurfaceDataSpreadsheet"。8)为了确认所有数据正确，只要确认具有相同的Efl(effectivefocallength)，所有按钮上的标记相同。厚度按钮上的S的意思是指此值是由solve(theaxialrayheightsolve)确定的。孔径按钮上的S的意思也是此孔径由solve确定的。这是孔径的缺省行为，它是由入射光束半径和视场角决定的。9)点绿色的对号关闭电子表格，用"File>>SaveLens…"保存镜头文件。镜头绘图10)在镜头电子表格的固定区域点"DrawOff"，会出现一个标有"Autodraw"的窗口显示所输入的镜头。如果点第2个面的任何一个单元，可以看到第2个面会变成虚线。如果镜头的Conditions，得到电子表格，选择"Imagespacerays:"，改变"Finaldist"，观察图形变化。将"Finaldist"选为"Drawtoimagesurface"。现在可以看到透镜成像的详细情况。明显，轴外的像不太好。看到主要像差是场曲。优化使焦距为100mm，还要消除三阶塞得彗差。11)选择"Optimize>>GenerateErrorFunction>>AberrationOperands…"，建立一个OSLO进行优化的errorfunction。元素是每个操作数定义的值。每个操作数控制"NAME"栏中的一些系统参数。例如操作数#6"PLC"控制"横向色差（ParaxialLateralColor）"。在优化过程中，不需要控制所有这些参数，所以要确定用哪些项。需要提到的是，在OSLO中，所有操作数的目标值是0。即优化算法会使所有项最小。因为EFL操作数是有效焦距，不能让它为0，而是100。我们将第二个操作数设置为OCM21-100，并将其名字改为EFL_ERR。13)现在点绿色的对号关闭电子表格，然后点文本窗口中的"Ope"按钮，文本窗口中会列出当前操作数的值和误差函数的值。差函数整个误差的100%。需要优化此系统并校正焦距。曲率半径(CV1)，和透镜到孔阑之间的距离(TH2)。上选择"Variable(V)"。在第1、2面上的相应按钮上会显示V，表示它是变量。15)下面开始优化镜头。在优化以前，先关闭lensspreadsheet（单新打开它。此动作将当前系统保存在缓存中。如果优化过程中有什么问题，可以点红色的“X”回复到最后打开的表格系统中。16)要优化，点文本窗口中的"Ite"，会优化十个周期。只有输入了操作数和变量，此按钮才文本窗口会显示如下的样子（尽管有些小的不一样）。可以看到误差函数减小到0，说明这里变量解决这个问题适当。17)在优化后，核对lensspreadsheet，和下面的一样。可以看到Efl正好为100。点文本窗口中的"Abr"，可以看到透镜的像差，显示PU=-0.05，塞得彗差CMA3为0。从上完全满足初始的目标。设置滑动器一个单透镜，如landscapelens，没有很多自由度。在这个练习中，将透镜的后表面控制为平面。Landscape透镜一般是新月的形状。下面来看看如何用OSLO的slider-找到最佳形式。看看一下弯曲像面的效果。首先，建立一个基本的slider-wheel窗口，将第2、4个面的曲率半径和滑块结合起来。然后，示出如何利用拖动滑块或旋转鼠标滚轮对系统进行连续优化。19)打开镜头，选择"Optimize>>Slider-WheelDesign…"，打开Slider-Whee20)首先，设置下图中显示的选项。点"Spotdiagram"，设置"Graphicsscale"为1.0；选择"Allpoints"，将滑块的数量设置为缺省值2；在Surfs栏中，输入2和4，参数都设置为"Curvature(CV)"。22)通过拖动或点击滑块（滑块实际上就是个滚动条），或用鼠标滚轮。要用鼠标滚轮，将指针放在滑块上的任意位置，然后转动滚轮。注意点列图：在中央部分、带孔径和边缘处像的样子。因为有像散，所以是椭圆形状，但没有彗差。现在可以拖动滑块或转动滚轮看会发生什么变化。移动滑块，使CV[2]为负的，透镜变为正的，焦距变小。像质变化了，因为系统不再是如果将曲率改变很大(<-0.033)，光线追迹会失败。这时可以点OK，使错误框消失，然后使