光学计算机辅助设计讲义.doc

光学计算机辅助设计 目录 1 光学设计基础 2 光学部件与系统设计 3 光学设计软件概述 4 初始结构的选择 5 自动设计 6 像质分析 7 公差分析 8 反射式光学系统 9 非球面 10 偏心系统 11 变焦系统 12 光学零件与光学制图 光学设计基础 1.1 现代光学仪器对光学系统的要求 光学系统是现代光学仪器中的一个关键系统，光学系统的设计关乎整体系统的设计方案，因此设计好光学系统必须明确光学系统的基本要求。 1．1．1 光学系统基本要求如下 性能 提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体 像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配 有效孔径和透过率必须足够满足设计要求 构形选择 设计形式必须能满足所需的性能 特殊的技术要求，如扫描系统，红外系统中的光阑等，要符合要求 可制造性考虑 最小尺寸/成本/重量/环境影响 1．1．2 光学系统技术要求： 基本要求 Object distance （物距） Image formats（成像形式 ） Image distance（像距） Configuration（结构） f/number or NA（F数或数值孔径） Magnification（放大率） Full field of view （全视场，2） Transmittance（透过率） Focal length（焦距） Vignetting（ 渐晕） 成像质量要求 Detector type（探测器类型） Central or major wavelength （主波长） λ＝______ Spectral range（光谱范围）从λ＝_________到λ＝_________ Spectral weights光谱权重(@3λ) λ1/W1__ λ2/W2__ λ3/W3__ MTF（光学传递函数）__________ RMS wavefront degradation（RMS波前衰减） ____________ Encircled energy（能量中心度）________% 能量在_____直径 机械和包装要求 Length（长度） Diameter（直径） Back focus dist（后焦距） Weight of optics(光学载重) Object to image（物像间距离） Other(其它) 具体要求 Central obscuration（中心遮拦） Environment（ 环境） Off axis rejection（离轴抑制） Temperature（温度） Number of elements（元件数量） Soak range Materials（材料） Gradients（倾斜度） Cost guidelines（价格准则） Shock vibration(振动 ) Illumination profile(光照图) Other(其它) IR（红外）系统的要求 Narcissus（冷反射 数值孔径 数值孔径与F数 2 Full field of view （全视场，2） Aspect ratio投影比 一般可以指定某一视场，如水平视场。如CCD相机镜头以3×4×5的投影比覆盖传感器，水平视场为0.8视场。若指定的视场小于全视场，必须说明是某视场。例如，将视场指定为±10°，则全对角视场为20°，或半视场10°。 3 Vignetting（ 渐晕）: 像平面边缘部分比中心暗这种现象称为“渐晕”. D, Dw’: 光束宽度 线渐晕系数: K=Dw/D 4 Spectral range（光谱范围）: 是光学系统所能覆盖的波带。例如，可见光系统一般覆盖约450～650范围内的光谱。必须指出3～5个特定波长以及它们的相对权重。 图为光谱灵敏度曲线。如图，在波长450和650之间选择5个代表性波长。圆点代表特定波长的相对灵敏度，相对权重分别是波长1～5每个波带内的规一化面积即积分。 光谱灵敏度和波长相对权重 注：除了基于激光的系统要在特定波长下设计，其它系统都必须给出光谱带宽和相应的权重。 5 MTF（传递函数）： MTF(Modulation transfer function)，是调制度（对比度）与图像内每毫米线对数（lp/mm）之间的关系。它是评价像质的一种重要手段。图中横轴为空间频率，纵轴为调制度。可见，所有视场在截止频率16 lp/mm处的MTF值都大于0.4，说明系统具有较好的像质。 MTF曲线 6 RMS wa