光學(xué)設(shè)計與CAD第1講 -

1、光學(xué)設(shè)計與CAD課程安排課程安排n 總學(xué)時數(shù)：48學(xué)時 n 理論部分：38學(xué)時n 上機部分：10學(xué)時 n 課程考核： 平時成績期末成績 n 光學(xué)設(shè)計基本理論光學(xué)設(shè)計基本理論 （工程光學(xué)基本理論工程光學(xué)基本理論）n 光學(xué)設(shè)計光學(xué)設(shè)計主要內(nèi)容主要內(nèi)容什么是光學(xué)設(shè)計？n通過各類光學(xué)元件的設(shè)計，達(dá)到預(yù)定的設(shè)計要求。n光學(xué)系統(tǒng)n性能性能提供理想像質(zhì)，足夠分辨視場內(nèi)最小尺寸的特定物體提供理想像質(zhì)，足夠分辨視場內(nèi)最小尺寸的特定物體像彌散元尺寸與探測器像素尺寸匹配像彌散元尺寸與探測器像素尺寸匹配有效孔徑和透過率必須足夠滿足設(shè)計要求有效孔徑和透過率必須足夠滿足設(shè)計要求n構(gòu)形選擇構(gòu)形選擇設(shè)計形式必須能滿足所需的性

2、能設(shè)計形式必須能滿足所需的性能特殊的技術(shù)要求比如在掃描系統(tǒng)，在紅外系統(tǒng)中的光闌特殊的技術(shù)要求比如在掃描系統(tǒng)，在紅外系統(tǒng)中的光闌 等，要符合要求等，要符合要求n可制造性考慮可制造性考慮最小尺寸最小尺寸/成本成本/重量重量/環(huán)境影響環(huán)境影響光學(xué)系統(tǒng)的基本要求光學(xué)系統(tǒng)的基本要求CCD(Charge-coupled Device)數(shù)碼照相機的鏡頭數(shù)碼照相機的鏡頭光學(xué)設(shè)計與光學(xué)設(shè)計與CAD(computer assisted design)n利用計算機可以進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、復(fù)雜的計算n更為方便的進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計n利用優(yōu)化技術(shù)，平衡初級像差和實際像差，使系統(tǒng)殘留像差達(dá)到公差允限n計算機直接給出光學(xué)系統(tǒng)圖n豐富

3、的可編程操作及接口nZEMAX軟件是美國軟件是美國ZEMAX 公司的高科技軟件產(chǎn)公司的高科技軟件產(chǎn)品，應(yīng)用的領(lǐng)域包括：品，應(yīng)用的領(lǐng)域包括： 顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、目鏡等鏡頭設(shè)計等（球差、彗差、像散、場曲、畸顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、目鏡等鏡頭設(shè)計等（球差、彗差、像散、場曲、畸變、軸向和垂軸色差）變、軸向和垂軸色差） 傳統(tǒng)相機鏡頭、數(shù)碼相機鏡頭傳統(tǒng)相機鏡頭、數(shù)碼相機鏡頭 各種變焦鏡頭、手機攝像頭等各種變焦鏡頭、手機攝像頭等 各種夜視系統(tǒng)、光學(xué)發(fā)射天線等各種夜視系統(tǒng)、光學(xué)發(fā)射天線等 LCD 背光板和背光板和LED建模及照明設(shè)計優(yōu)化建模及照明設(shè)計優(yōu)化 光管、光纖連接器等通信系統(tǒng)和元器件光管、光纖連接器等通信系統(tǒng)和元

4、器件 車燈等各種照明系統(tǒng)設(shè)計和分析車燈等各種照明系統(tǒng)設(shè)計和分析 DVD、VCD 激光讀寫頭激光讀寫頭 LCOS、DLP等各種投影儀及光學(xué)引擎設(shè)計等各種投影儀及光學(xué)引擎設(shè)計 干涉儀、全息光學(xué)干涉儀、全息光學(xué) 光通信元器件設(shè)計分析：有源及無源器件、光纖耦合效率計算、光纖光通信元器件設(shè)計分析：有源及無源器件、光纖耦合效率計算、光纖耦合效率優(yōu)化分析耦合效率優(yōu)化分析 物理光學(xué)物理光學(xué)BPM計算，和波導(dǎo)光學(xué)軟件數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)合作計算計算，和波導(dǎo)光學(xué)軟件數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)合作計算 各種激光器諧振腔等各種激光器諧振腔等 激光光學(xué)系統(tǒng)，激光打標(biāo)機及元件設(shè)計，系統(tǒng)分析激光光學(xué)系統(tǒng)，激光打標(biāo)機及元件設(shè)計，系統(tǒng)分析 激光

5、擴束鏡頭、激光擴束鏡頭、F-theta掃描鏡頭設(shè)計優(yōu)化，整形鏡頭設(shè)計掃描鏡頭設(shè)計優(yōu)化，整形鏡頭設(shè)計n技術(shù)性能技術(shù)性能n幾何光學(xué)設(shè)計：各種成像鏡頭的設(shè)計、成像質(zhì)量分析、溫度幾何光學(xué)設(shè)計：各種成像鏡頭的設(shè)計、成像質(zhì)量分析、溫度環(huán)境分析、生產(chǎn)加工分析環(huán)境分析、生產(chǎn)加工分析n物理光學(xué)設(shè)計：各種激光系統(tǒng)及元件的設(shè)計及分析，光學(xué)相物理光學(xué)設(shè)計：各種激光系統(tǒng)及元件的設(shè)計及分析，光學(xué)相干衍射特性分析、光纖耦合等干衍射特性分析、光纖耦合等n照明系統(tǒng)設(shè)計：各種照明系統(tǒng)的設(shè)計，包含光機設(shè)計，可以照明系統(tǒng)設(shè)計：各種照明系統(tǒng)的設(shè)計，包含光機設(shè)計，可以和和Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works 等機械文件進(jìn)

6、行轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)等機械文件進(jìn)行轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出、可以實現(xiàn)照明系統(tǒng)零件的自動優(yōu)化出、可以實現(xiàn)照明系統(tǒng)零件的自動優(yōu)化nZPL語言擴展：語言擴展：ZEMAX軟件自帶的編程語言可以實現(xiàn)功能的軟件自帶的編程語言可以實現(xiàn)功能的擴展擴展:ZEMAX軟件可以和軟件可以和c語言、語言、C+、VB等編程語言進(jìn)行配等編程語言進(jìn)行配合使用合使用十六、十七世紀(jì)十六、十七世紀(jì) ： 伽利略、牛頓、惠更斯時代已經(jīng)有望遠(yuǎn)鏡、顯微伽利略、牛頓、惠更斯時代已經(jīng)有望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、目鏡等雛形，經(jīng)驗為主。鏡、目鏡等雛形，經(jīng)驗為主。十九世紀(jì)：十九世紀(jì)： 像差理論、設(shè)計方法，衍射成像理論趨于成熟。像差理論、設(shè)計方法，衍射成像理論趨于成熟。Seidel, A

7、bbe, Zeiss 工廠，工廠，Schott 工廠由光學(xué)設(shè)計工廠由光學(xué)設(shè)計而制造光學(xué)儀器，德國領(lǐng)先世界近百年。而制造光學(xué)儀器，德國領(lǐng)先世界近百年。光學(xué)設(shè)計的歷史光學(xué)設(shè)計的歷史:二十世紀(jì)：二十世紀(jì)： 四十年代開始用機械計算機四十年代開始用機械計算機 1946年年 發(fā)明電子計算機發(fā)明電子計算機Eniac，五十年代用于光，五十年代用于光路計算、分析路計算、分析 六十年代六十年代“自動平衡自動平衡”（優(yōu)化）程序（優(yōu)化）程序 八十年代普遍使用優(yōu)化程序八十年代普遍使用優(yōu)化程序光學(xué)設(shè)計的歷史光學(xué)設(shè)計的歷史: 使用電子計算機之前的使用電子計算機之前的 “手工手工”設(shè)汁法設(shè)汁法。那時主。那時主要通過追跡光線，

8、計算像差和逐次修改結(jié)構(gòu)參數(shù)使之接要通過追跡光線，計算像差和逐次修改結(jié)構(gòu)參數(shù)使之接近使用要求的方法來做設(shè)計。近使用要求的方法來做設(shè)計。 70年代趨向于使用大型機，年代趨向于使用大型機，80年代則有趨向于改用年代則有趨向于改用微機的勢頭。設(shè)計過程需要進(jìn)行微機的勢頭。設(shè)計過程需要進(jìn)行多次人工多次人工“干預(yù)干預(yù)”，這，這種種“干預(yù)干預(yù)”過程無疑是設(shè)計者運用像差理論和設(shè)計經(jīng)驗過程無疑是設(shè)計者運用像差理論和設(shè)計經(jīng)驗的過程。的過程。 設(shè)計時應(yīng)根據(jù)像差理論對系統(tǒng)提出盡量設(shè)計時應(yīng)根據(jù)像差理論對系統(tǒng)提出盡量合理的像差合理的像差要求要求。 用優(yōu)化技術(shù)來自動平衡光學(xué)系統(tǒng)的像差時，如果要用優(yōu)化技術(shù)來自動平衡光學(xué)系統(tǒng)的像

9、差時，如果要求提得太多，且提出了矛盾的要求求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同時提出例如同時提出正弦條正弦條件和赫謝耳條件件和赫謝耳條件)，就可能產(chǎn)生，就可能產(chǎn)生“病態(tài)病態(tài)”方程，使自動平方程，使自動平衡不能順利進(jìn)行。衡不能順利進(jìn)行。 歸結(jié)起來，光學(xué)設(shè)計方法就是：歸結(jié)起來，光學(xué)設(shè)計方法就是：根據(jù)使用要求提出光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計要求，把光學(xué)中根據(jù)使用要求提出光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計要求，把光學(xué)中“不可能不可能的要求去掉的要求去掉(“手工手工”完成完成)；用高斯光學(xué)理論，給出高斯結(jié)構(gòu)用高斯光學(xué)理論，給出高斯結(jié)構(gòu)(多數(shù)由多數(shù)由“手工手工”設(shè)設(shè)計計)；平衡初級像差和實際像差，使系統(tǒng)殘留像差達(dá)到公平衡初級像差和實際像差，

10、使系統(tǒng)殘留像差達(dá)到公差允限差允限(一般用優(yōu)化技術(shù)，由電子計算機來實現(xiàn)一般用優(yōu)化技術(shù)，由電子計算機來實現(xiàn))；公差計算和畫光學(xué)系統(tǒng)圖，零件圖公差計算和畫光學(xué)系統(tǒng)圖，零件圖(可由電子計算機可由電子計算機完成完成)。 l 概念，順著這些概念合理過渡到開發(fā)真實系統(tǒng)的設(shè)計概念，順著這些概念合理過渡到開發(fā)真實系統(tǒng)的設(shè)計l 一些術(shù)語或常用的一些術(shù)語或常用的“行話行話”要慎用要慎用l 不要專注于數(shù)學(xué)公式及其詳細(xì)的推導(dǎo)。相反，需重視不要專注于數(shù)學(xué)公式及其詳細(xì)的推導(dǎo)。相反，需重視對對 設(shè)計和工程過程的理解設(shè)計和工程過程的理解l 光學(xué)設(shè)計不僅要考慮基本的概念設(shè)計和理論，而且要光學(xué)設(shè)計不僅要考慮基本的概念設(shè)計和理論，而且要預(yù)預(yù) 計可制