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光学设计 ——光学设计实例中国科学院上海光学精密机械研究所2008年10月 通过设计实例，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用。 介绍光学设计软件ZEMAX的基本使用方法，设计实例通过ZEMAX来演示。 光学设计软件ZEMAX简介 单透镜 双胶合透镜 非球面单透镜 显微镜物镜 双高斯照相物镜 公差计算 （具体的应用实例——视情况而定） 美国ZEMAX Development Corporation研发 ZEMAX 是一套综合性的光学设计软件，集成了光学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析和文件管理功能。ZEMAX所有的这些功能都有一个直观的接口，它们具有功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。 ZEMAX 有两种不同的版本：ZEMAX-SE和ZEMAX-EE，有些功能只在EE版本中才具有。 ZEMAX 可以模拟序列性（Sequential）和非序列性（non-sequential）系统，分别针对成像系统和非成像系统。 光学设计过程 计算机的出现，极大地促进了光学设计进程； 大多数光学设计程序的本质如下： 每个变量发生少量改变或增减； 计算每个变量对结果的影响； 计算结果是一系列导数，?p/?v1, ?p/?v2, ?p/?v3,……, p: 优化函数结果，v: 变量； 为了使残余结果的平方和最小，对每个变量联立方程求解； 重复上述过程直至实现最优化。 光学设计人员的任务 获得并考虑技术要求 选择具有代表性的切入点 前期设计、专利、建立联系、原始推导 建立变量和约束 变量包括：曲率半径、厚度、空气隙、玻璃特性 约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量 使用程序对结果进行优化 评价设计结果 重复步骤3和4直至满足设计要求 如果结果不满足条件，通过添加或分离元件、变化玻璃种类等来修改设计，然后返回步骤4 另一种方法是返回步骤2 进行公差分析，估计结果误差——透镜加工、机械结构与装校要求 优化实例（1） 优化实例（1） 优化实例（2） 优化实例（2）：优化结果 优化实例（3） 优化实例（3） ：优化结果 优化实例（3） 优化实例（3） 优化实例（3） 光学设计 ——光学设计实例中国科学院上海光学精密机械研究所2008年10月 光学设计软件ZEMAX简介 单透镜 双胶合透镜 非球面单透镜 显微镜物镜 双高斯照相物镜 公差计算 （具体的应用实例——视情况而定） 优化实例（4）  3902793A.ZMX(设计结果） 3902793A4.ZMX(实例数据） 3902793A4.ZEX(实例数据） 实例：双高斯物镜 双高斯物镜设计实例(原始数据) 双高斯物镜设计实例(设计结果1) 双高斯物镜设计实例(设计结果2) 双高斯物镜设计实例(Zemax数据4) 双高斯物镜设计实例(Zemax数据5) 双高斯物镜设计实例(Zemax数据6) 双高斯物镜设计实例(Zemax数据7) 双高斯物镜设计实例(Zemax数据8) MTF（47） 双高斯物镜设计实例(Zemax数据) MTF（50） 光学系统公差 分配所有光学和机械元件的公差 公差——包括光学元件（透镜和反射镜）及支撑光学元件的机械装置 系统加工目标 满足系统性能需要 尽可能减少元件成本 尽可能减少装配，调整和测试成本 实现大视场 建立系统结果误差估计 结果估计 公差形式  同制造、装配、材料相关的对称误差 半径 相对于样板的光圈 厚度 空气隙 折射率 装配和调整中的非对称误差 表面不规则性 折射率不均匀性 元件楔角（ 总的倾斜） 其它 环境影响 由于点坑、擦痕、气泡等产生的表面效应 玻璃色散 以上的综合效应 公差在降低成本方面的影响 表面不规则性 在传统透镜加工过程中，主要存在缓慢变化的不规则面型 它通常使球面产生一个柱形的偏离 大的非球面会具有更多的随机不规则性和区域 金刚石车削非球面时，会产生高频毛刺和低频丝杠误差效应 在确定具体的不规则程度之前，考虑成像系统表面的通光孔径的大小是非常重要的 如下图所示：如果表面不规则性为柱形，且元件B的通光孔径是全孔径的0.2倍，则从原理上讲，对于元件B的不规则性要求比元件A要松25倍，此时，它们将产生相等的波前误差。 典型公差设定步骤 对所有公差参量产生性能下降敏感度 参量：包括元件的半径、厚度、楔角、倾斜、偏心、空气隙、折射率 产生公差等级的尺度，如果必要，需降低。 合成可估计的随机误差（表面不规则性和其他随即误差效应） 估计系统结果 在条件许可或满足需要的情况下，放松不敏感的参量，加强对敏感参量的限制 预测系统结果 重复步骤