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光学系统设计概述 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。 光学自动设计概述 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。 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……fm为各像差函数，如几何像差、波像差、畸变、色差等，f1*、f2*……fm*为各像差目标值，W1、W2……Wm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。 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。 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。 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。 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。 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