光学设计与光学工艺

1、光学设计与光学工艺,（第一讲）光学设计过程中需注意的问题,目录,客户 提出需求,系统总体装调及检验,光学设计,光学零件加工,机械零件加工,光学机械设计,光学零件检验,机械零件检验,光学系统实现过程,光学设计宗旨：,满足技术 要求,便于制造,节省成本,一、引 言,观察目标特性(可见光,红外)或应用领域(激光),观察范围,成像要求(点扩散函数传递函数透过波前 分辨率),能量,视场,探测器,口径,波谱范围,焦距,成像质量要求大 设计难度要求小 探测器能量响应要求 合适,视场 口径 焦距 成像要求 镜头设计(Lens Design),光学系统设计(Optical System Design),二、光

2、学 设 计 过 程,客户 需求,设计 过程,像质评价,像差校正与平衡,样板匹配,公差分析,初始结构 计算与选择,出设计图纸,1,2,3,4,5,6,二、光 学 设 计 过 程,二、光 学 设 计 过 程,一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功,1、初始结构的计算和选择,根据初级象差理论求解初始结构 从已有的资料中选择初始结构,二、光 学 设 计 过 程,2、象差校正和平衡,用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线; 找出影响光学系统成象质量的主要象差是哪些; 找出改进办法，进行象差校正; 反复进行象差分析、校正及平衡，直到满足成 象质量要求为止

3、。,二、光 学 设 计 过 程,3、象质评价,光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的大小判断光学系统的成象质量。,二、光 学 设 计 过 程,适用于小象差系统如：望远物镜、显微物镜等。实际波面与理想波面之间的最大波象差不超过1/4 波长,用于评价大象差系统,客观、可靠、便于计算和测量，不仅能用于光学设计结果的评价，还能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学总体设计等各方面。,象质评价的方法,瑞利判断,分辨率,点列图,光学传递函数,二、光 学 设 计 过 程,对于球面元件，一般根据厂家样板库来进行曲率半径选择。,4、样板匹配,手工匹配原则： 先输入曲

4、率半径小的，再输入曲率半径大的，每输入一次要进行一次自动优化。,自动匹配 利用软件自带的样板匹配功能进行自动匹配；,手工匹配 手工输入样板库中有的样板。,HENGYI.TPD就是恒益公司的样板库,厂家样板库 ZemaxToolsTest Plates Test Plate Fitting选择样板库(File Name)选择匹配方式(Method of Fit)进行匹配,二、光 学 设 计 过 程,5、公差分析,公差分析的目的:给出合理的加工要求，合理的加工要求既能保证加工的可行性，同时又能降低加工难度和加工成本，因此公差分析工作至关重要。,公差分析宗旨: 使最差情况下的传递函数由于工艺因素的总

5、下降量不大于0.15，以便探测器仍能分辨它对应的空间频率。,二、光 学 设 计 过 程,性能合理镜头的首选公差,二、光 学 设 计 过 程,包括光学元件的厚度和机械元件支撑的间隔。在使用ZEMAX软件模拟公差时，公差操作数TTHI有两个参数，int1是用来定义公差的表面编号，而int2是作为补偿的表面编号，最小值和最大值是以镜头长度单位表示的极值偏差。,实际上，有楔角的元件 与 光轴相对于其机械轴倾斜 的元件完全相同，当旋转元件时，元件具有边缘厚度差。,偏心包括两种，一种是简单的横向偏心（上、下），另一种是使元件始终保持与机架座接触的“滚动”。两种偏心模型实际上完全不同。在滚动的情况下，与机架

6、座接触良好的左侧半径被良好地校准，表面倾斜只发生的右侧表面上。 在ZEMAX里TSDX、TSDY用来模拟一个标准表面的偏心公差，单位为镜头长度（mm）,而TEDX、TEDY是用来模拟一个元件的偏心公差，可以是标准面也可以是非标准面，int1、int2定义了一个镜头组的边界面。,Radius（半径）,Fringes（光圈）,Irregular（表面不规则度）,Decenter（偏心）,楔角/同心度/倾斜,Thickness（厚度/间隔）,样板的检测精度，光学设计师应该与光学加工师沟通,N=/2，普通的光学加工一般控制在5个光圈，较好的精度应该控制在3个光圈以内。,表面不规则度可以通过局部光圈（N

7、）来考察，工艺上可以做到0.3个光圈。,二、光 学 设 计 过 程,性能合理镜头的首选公差,6、出设计图纸,设计图纸是指导加工的依据，图纸必须要规范，避免引起误解,二、光 学 设 计 过 程,光学系统实例：,二、光 学 设 计 过 程,注意 问题,标准零件图纸,零件技术指标,加工工艺及成本,检验方案,材料选择,加工超差补救,三、光 学 设 计 注 意 问 题,1,2,3,4,5,6,三、光 学 设 计 注 意 问 题,材料选择的问题,1,零件技术指标的问题,2,标准零件图纸的问题,3,加工工艺及成本的问题,4,检验方案的问题,5,加工超差补救的问题,6,1、光学设计中的材料选择,材料选择的宗旨

8、：,既能满足设计要求，同时有利于加工，价格合理,在绘制图纸阶段须对材料提出严格要求，材料本身问题引发的后续问题在后续阶段很难发现。 材料性能、加工成本及加工难度相差很大，有些大口径光学材料是很难购得的。,注意,常用光学材料,光学玻璃牌号分类,国际玻璃码的表示,1、光学设计中的材料选择,1、光学设计中的材料选择,常用的光学材料： 光学玻璃（包括无色光学玻璃、有色光学玻璃和特种光学玻璃） 微晶玻璃 光学晶体 塑料 金属材料（例如：铜，铝等，做反射镜）,光学玻璃的牌号分类 冕牌玻璃“K” 火石玻璃“F” “轻”“Q” “重”“Z” 钡冕 BaK 钡火石BaF 镧冕 LaK 镧火石LaF 特殊玻璃在玻

9、璃表中不占专门的区域TK和TF.,阿贝数的不同,折射率的高低,化学成分的不同,1、光学设计中的材料选择,肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线,将阿贝图分成许多区，将光学玻璃分类。,阿贝数,折射率,1、光学设计中的材料选择,折射率1.6, V50:冕牌玻璃；V50:火石玻璃 折射率1.6，V55:冕牌玻璃；V55:火石玻璃,国际玻璃码的表示: 用九位数字表示，形式为： xxxxxx.xxx,例如K10玻璃, nd=1.50137 小数点后头三位数=501; Vd=56.41 头三位数，不计小数点=564; 密度=2.52；不计小数点=252;K10 的国际玻璃码是501564.252,折射率nd小

10、数点后头三位数,阿贝数Vd头三位数，不计小数点,玻璃的密度，不计小数点,1、光学设计中的材料选择,条纹度,折射率、色散系数 允差及一致性,气泡度,应力双折射,光吸收系数,光学均匀性,光学玻璃的 质量指标,1、光学设计中的材料选择,a,b,c,d,e,f,a.折射率、色散系数的允差及一致性 nd光学玻璃对钠光d谱线的折射率； nF对F谱线（波长等于0.486um的蓝光）的折射率； nC对C谱线（波长等于0.656um的红光）的折射率； nF- nC中部色散； Vd阿贝数：Vd= （nd-1）/（nF- nC）； Vd值越大，色散作用愈小。,1、光学设计中的材料选择,折射率nd和阿贝数Vd与标准值

11、的允许偏差分为3级,1、光学设计中的材料选择,b.光学均匀性 光学均匀性是指同一块玻璃中，各部分折射 率变化的不均匀程度。 光学不均匀性产生原因：退火温度不均匀或 内部残余应力。,对于大尺寸光学零件，如果光学不均匀性存在的面积较大，将降低光学系统的分辨率及成像质量。,1、光学设计中的材料选择,该方法是根据放在平行光管光束中的玻璃试样引起该装置分辨率的变化规定的。如果平行光管给出具有理论分辨率0的像，而当玻璃试样放入后，分辨率倍增至，那么玻璃的不均匀性可用其比值/ 0来表示,尺寸小于150mm的玻璃毛坯的光学均匀性的测量方法： 根据GB/T7962.1-1987规定测量。,光学均匀性分为四级,1

12、、光学设计中的材料选择,c.应力双折射,中部应力 按GB/T7962.5-1987规定的方法进行测量。 玻璃毛坯中部应力双折射以最长边中部单位长度上的光程差表示。 中部应力分为5级,玻璃的导热系数小，在熔炼降温过程中，内部温度总比外层温度高，难以均衡，故产生内部应力。,1、光学设计中的材料选择,边缘应力 按GB/T7962.6-1987规定的方法进行测量。 玻璃毛坯边缘应力双折射以距边缘5%直径或边长处单位厚度上的最大光程差max表示。 边缘应力分为5级,1、光学设计中的材料选择,d.光吸收系数,光学系统成像的亮度与玻璃的透明度成比例关系。,用球形光度计按GB/T7962.9-1987规定进行

13、测量。 玻璃光吸收系数等于1cm光路上被玻璃吸收的白光光通量与开始进入该光路前入射光光通量之比。 光吸收系数分为8级,1、光学设计中的材料选择,e.条纹度,由于玻璃内部的化学成分不均匀所产生的局部缺陷，缺陷处的折射率不同于主体的折射率。,用点光源和透镜组成的条纹仪，从最容易看见条纹的方向上，与标准试样作比较检查。 条纹度分为4级,1、光学设计中的材料选择,f.气泡,玻璃中的气泡是玻璃在熔炼过程中，气体来不及逸出所致。,玻璃中允许气泡含量等级是由100cm3玻璃中所含气泡 （直径0.05mm2mm）的总截面积来确定的。 气泡度分为7级,1、光学设计中的材料选择,光学玻璃的物理、化学特性,相对研磨

14、硬度,显微硬度,耐潮稳定性,耐酸稳定性,玻璃抵抗硬物压入的能力，用克氏显微硬度HK表示。,采用pH2.9的醋酸、pH4.6的标准醋酸盐、pH6的水作为测定介质，抛光玻璃表面被介质侵蚀后，在白光灯下观察玻璃表面出现紫蓝干涉色的时间（此时侵蚀破坏层的光学厚度为135nm）或表面呈现杂光或脱落现象的时间，据此可对光学玻璃耐酸性进行递减式分类定级。,影响光学加工难度和光学系统的使用寿命,同等研磨条件下，被测玻璃相对标准玻璃（K9）的研磨硬度，用A表示AV0/V ，A越大表明玻璃硬度越大。,双面抛光的玻璃样品置于701的饱和水蒸气条件下，七昼夜后，测定玻璃表面散射率TB，再和标准白板时的散射率TA相比，

15、HTB/TA100，H值即表示玻璃表面“生雾率”。,1、光学设计中的材料选择,国内生产光学玻璃材料的厂家 成都光明光电有限公司 上海新沪玻璃厂 国外生产光学玻璃材料的厂家 德国肖特 日本保谷（HOYA） 日本小原（OHARA）等,1、光学设计中的材料选择,三、光 学 设 计 注 意 问 题,材料选择的问题,1,零件技术指标的问题,2,标准零件图纸的问题,3,加工工艺及成本的问题,4,检验方案的问题,5,加工超差补救的问题,6,即通常所说的光学表面疵病，表面疵病是指麻点，擦痕，开口气泡，破点及破边，和表面粗糙度是完全不同的概念。,2、零件技术指标问题,面形偏差,表面光洁度,表面粗糙度,最基本的零

16、件指标,光圈数N，被检光学表面的曲率半径相对于参考光学表面曲率半径的偏差对应的光圈数,象散偏差1N,局部偏差2N,2、零件技术指标问题,平面的主要技术指标,光圈和局部误差,平行度和楔度,外形尺寸,国家标准GB2831-81,对于高精度的平行平板，其面形和平行度是相关的，当面形不好的时候，平行度也无法达到要求。 画图标注时应注意区分平行平板与楔板。,对于反射元件外径厚度比最好小于10：1，可以尽量减少变形。,球面的主要技术指标,面形N， N,中心偏差,N对应的是球面半径误差。 N对应的是表面不规则程度，通常所说的PV值对应的是N的大小。,透镜外圆的几何轴与光轴在透镜曲率中心处的偏离程度，用C表示

17、。 国标GB7242-87中提出新的定义： 用光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角来度量中心偏差，夹角称为面倾角，用表示。 定心顶点：光学表面与基准轴的交点。 基准轴：用来标注、检验和校正中心误差的一条确定的直线，该直线应体现系统的光轴。,2、零件技术指标问题,中心厚度和边缘厚度要求标准：GB1205-75 本标准适用于玻璃材料的球面的双凸透镜、平凸透镜、正弯月透镜的边缘最小厚度及双凹透镜、平凹透镜、负弯月透镜的中心最小厚度。,2、零件技术指标问题,最小中心厚度和边缘厚度标准：GB1205-75 透镜边缘及中心最小厚度见下表。,2、零件技术指标问题,棱镜的主要技术指标,光圈和局部光圈,光学平

18、行差（角度差、塔差）,外形尺寸,光线从反射棱镜的入射面垂直入射后，在出射前对出射面法线的偏差称做反射棱镜的光学平行差。 在实用中，反射棱镜的光学平行差以其相互垂直的两个分量表示：在入射光轴截面方向的光学平行差分且称做“第一光学平行差”，以1表示；在垂直于入射光轴截面方向上的光学平行差分量称做“第二光学平行差”，以2表示。 第一光学平行差是由反射按镜在光轴截面上的角度误差引起的，也就是棱镜的角度差； 第二光学平行差是由反射棱镜的棱的位置误差引起的，这些棱的 位置误差称做塔差。,2、零件技术指标问题,非球面的主要技术指标,非球面单独使用时,非球面作为系统的单个元件使用时,弥散圆,透过波前,焦距,实

19、际加工曲线与理想的非球面曲线的偏差,2、零件技术指标问题,三、光 学 设 计 注 意 问 题,材料选择的问题,1,零件技术指标的问题,2,标准零件图纸的问题,3,加工工艺及成本的问题,4,检验方案的问题,5,加工超差补救的问题,6,3、标准零件图纸问题,标准零件图纸,根据国家标准GB13323-91光学制图绘制,新老标准的对比：表面疵病（老标准用指标P，现行标准GB 1185-89用指标B）,图纸外形公差应与机械件的公差配合,便于装配,厚度与外圆比标准：透过的一般大于1：10； 反射的一般大于1：8。,3、标准零件图纸问题,平面元件标准图纸实例,对零件的要求,对材料的要求,3、标准零件图纸问题,球面元件标准图纸实例,对零件的要求,非球面元件标准图纸实例,3、标准零件图纸问题,三、光 学 设 计 注 意 问 题,材料成本 加工工艺成本 加工难度成本 加工数量成本 工装夹具及检 验工具的成本,加工 需考虑,特殊形状元件 的加工成本 加工精度成本 特殊检验方案 的成本 特殊材料加工 工艺研究成本 尺寸成本,4、加工工艺与成本问题,三、光 学 设 计 注 意 问 题,材料选择的问题,1,零件技术指标的问题,2,标准零件图纸的问题,3,加工工艺及成本的问题,4,检验方案的问题,5,加工超差补救的问题,6,5、检验方案问题,加工过程中的检测就像人的眼睛一样重要，能检测出来就