计算机辅助光学设计教程.ppt

最小二乘法的改进 实际函数的非线性非常严重 法方程接近正定 像差之间具有相关性 需要限制求解量的大小 将求解量的大小也作为“像差”进行优化 评价函数中像差的选取 几何像差：量纲差别大，有相关性，目标值的设定经验因素大 垂轴像差，只反映像斑的大小，与像斑内的光线分布密度关系不大 波像差：精确计算波像差计算量大 传递函数：大计算量适合于最后的像差平衡 边界条件的控制 边界条件是光学设计中为了保证设计和工艺要求而给出的一组重要的约束或限制条件。如对于光学系统的焦距，要求达到一定的目标值；对负透镜的中心厚度，要求不小于某个极限值；对于镜筒的长度，要求不大于一定的极限长度；自动选玻璃时，折射率和色散的变化，要求不得越出规定的玻璃三角形等等，统称边界条件。 边界条件的两种控制方法 将边界条件的违背量当作象差处理，具有一定的权因子，通过控制权因子来控制满足边界条件的精度 采用拉格朗日乘数法，将边界条件写成一组约束方程，在满足约束条件下求解最小二乘解 拉格朗日乘数法的优点是边界条件的控制非常精确，能严格达到目标值，并且不需要给违背量加权因子。其缺点是，解方程所需时间长 边界条件的种类 焦距： 放大率： 物象距： 镜筒长度： 透镜组总厚度： 玻璃总厚度： 后截距： 轴向厚度： 透镜边缘厚度 出瞳距离 玻璃违背： 光栏球差 边界条件的种类 透镜组总厚度 物面 象面 后截距 镜筒长度 物象距 玻璃总厚=d1+d3+d5 d1 d3 d5 玻璃违背： B A np δn 第三章 ZEMAX光学设计及分析软件 概述 主要功能介绍 ZEMAX应用举例 ZEMAX应用实践 ZEMAX软件概述 ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出 的光学设计软件，可做光学组件设计与照明 系统的照度分析，也可建立反射，折射，衍射等光学模型，并结合优化，公差等分析功 能，是套可以运算Sequential及Non-Sequential 模式的软件 国内外相关的软件 Optical Research Associates: CODE V Lambda: OSLO 北京理工大学：SOD ZEMAX软件简介 ZEMAX有三个版本：SE（标准版）、XE（完整版）、EE（专业版） ZEMAX用两套方法(sequential ray tracing和non- sequential ray tracing）构建系统并进行计算模拟 ZEMAX用“SURFACE”为sequential ray tracing建模 ZEMAX用“component”为non- sequential ray tracing建模 三种光路追迹方式的应用 纯序列型光路追迹 适用于传统镜头设计及大多数成像系统 混合序列/非序列型光路追迹 同时有序列组件（如透镜组）和非序列组件（如棱镜组）的系统，如望远镜 纯非序列光路追迹 用于照明、散射、杂散光分析 序列模式的光线追迹 以surface为对象建模，指定光线与面的相交顺序，每条光线与面只相交一次 光线不会被分光 遇有反射面按反射定律反射光线，光线不能超过临界角，否则出错 超出孔径外的光线被渐晕 Surface的位置由前一面确定 每一面均有物空间与像空间 计算的光线少，计算速度快，可进行优化设计和公差分析 非序列模式的光线追迹 以object为对象建模 不限制光线与面的相交顺序，光线与面（或物体）可多次相交 光线会分裂（散射） 会发生镜面反射及漫反射 在object以外的光线也能追迹 Object的位置可以全局坐标确定，也可用局域坐标确定 分析光线多，计算速度慢，不能进行优化和公差分析 光学系统的模型建立 系统数据说明 系统孔径 视场点 波长 透镜数据编辑 面型 厚度 材料 孔径的选择 入瞳直径 像空间F数：F/D 物方数值孔径：NA 近轴F数：F/D 由孔径光阑半径自行计算 视场的取点： 点光源在物方视场的位置 视场角（无限远物点） 物高（近距离物点） 近轴像高 实际像高 波长 可见光 单色光 多色光 各种色光可根据需要加权 镜头数据Lens Data 面序号 面的类型 面的结构数据（视面的类型不同而不同） 半径、厚度、材料、口径、其它 镜头数据输入后，相关计算自动完成：焦距、入瞳直径、F数、筒长等 面的类型 提供了数十种面型，体现了其功能所在。 包括：平面、球面、标准二次曲面、非球面、坐标变化面、近轴面、光锥面、轮胎面、折射率渐变面、二元光学面、光栅面、衍射面、菲涅尔透镜面、波带片等 标准面型 包括平面、球面、标准二次曲面 K-1:双曲面， K＝0:球面； -1 K0:椭圆 非球面 偶次非球面 坐标变换面 轮胎面 用