光學(xué)設(shè)計(jì)與CAD第1講 -

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

2、能設(shè)計(jì)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(jī)的鏡頭數(shù)碼照相機(jī)的鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)與光學(xué)設(shè)計(jì)與CAD(computer assisted design)n利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、復(fù)雜的計(jì)算n更為方便的進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)n利用優(yōu)化技術(shù)，平衡初級(jí)像差和實(shí)際像差，使系統(tǒng)殘留像差達(dá)到公差允限n計(jì)算機(jī)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(guó)軟件是美國(guó)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(jì)等（球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、目鏡等鏡頭設(shè)計(jì)等（球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、軸向和垂軸色差）變、軸向和垂軸色差） 傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭、數(shù)碼相機(jī)鏡頭傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭、數(shù)碼相機(jī)鏡頭 各種變焦鏡頭、手機(jī)攝像頭等各種變焦鏡頭、手機(jī)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(jì)優(yōu)化建模及照明設(shè)計(jì)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(jì)和分析車燈等各種照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)等各種投影儀及光學(xué)引擎設(shè)計(jì) 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(jì)分析：有源及無源器件、光纖耦合效率計(jì)算、光纖光通信元器件設(shè)計(jì)分析：有源及無源器件、光纖耦合效率計(jì)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(jì)算，和波導(dǎo)光學(xué)軟件數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)合作計(jì)算計(jì)算，和波導(dǎo)光學(xué)軟件數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)合作計(jì)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(jī)及元件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析激光光學(xué)系統(tǒng)，激光打標(biāo)機(jī)及元件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析 激光

5、擴(kuò)束鏡頭、激光擴(kuò)束鏡頭、F-theta掃描鏡頭設(shè)計(jì)優(yōu)化，整形鏡頭設(shè)計(jì)掃描鏡頭設(shè)計(jì)優(yōu)化，整形鏡頭設(shè)計(jì)n技術(shù)性能技術(shù)性能n幾何光學(xué)設(shè)計(jì)：各種成像鏡頭的設(shè)計(jì)、成像質(zhì)量分析、溫度幾何光學(xué)設(shè)計(jì)：各種成像鏡頭的設(shè)計(jì)、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(jì)：各種激光系統(tǒng)及元件的設(shè)計(jì)及分析，光學(xué)相物理光學(xué)設(shè)計(jì)：各種激光系統(tǒng)及元件的設(shè)計(jì)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(jì)：各種照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包含光機(jī)設(shè)計(jì)，可以照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)：各種照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包含光機(jī)設(shè)計(jì)，可以和和Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works 等機(jī)械文件進(jìn)

6、行轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)等機(jī)械文件進(jìn)行轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出、可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)零件的自動(dòng)優(yōu)化出、可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)零件的自動(dòng)優(yōu)化nZPL語言擴(kuò)展：語言擴(kuò)展：ZEMAX軟件自帶的編程語言可以實(shí)現(xiàn)功能的軟件自帶的編程語言可以實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展擴(kuò)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(shí)代已經(jīng)有望遠(yuǎn)鏡、顯微伽利略、牛頓、惠更斯時(shí)代已經(jīng)有望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、目鏡等雛形，經(jīng)驗(yàn)為主。鏡、目鏡等雛形，經(jīng)驗(yàn)為主。十九世紀(jì)：十九世紀(jì)： 像差理論、設(shè)計(jì)方法，衍射成像理論趨于成熟。像差理論、設(shè)計(jì)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(jì)工廠由光學(xué)設(shè)計(jì)而制造光學(xué)儀器，德國(guó)領(lǐng)先世界近百年。而制造光學(xué)儀器，德國(guó)領(lǐng)先世界近百年。光學(xué)設(shè)計(jì)的歷史光學(xué)設(shè)計(jì)的歷史:二十世紀(jì)：二十世紀(jì)： 四十年代開始用機(jī)械計(jì)算機(jī)四十年代開始用機(jī)械計(jì)算機(jī) 1946年年 發(fā)明電子計(jì)算機(jī)發(fā)明電子計(jì)算機(jī)Eniac，五十年代用于光，五十年代用于光路計(jì)算、分析路計(jì)算、分析 六十年代六十年代“自動(dòng)平衡自動(dòng)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(jì)的歷史光學(xué)設(shè)計(jì)的歷史: 使用電子計(jì)算機(jī)之前的使用電子計(jì)算機(jī)之前的 “手工手工”設(shè)汁法設(shè)汁法。那時(shí)主。那時(shí)主要通過追跡光線，

8、計(jì)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(jì)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(jì)。近使用要求的方法來做設(shè)計(jì)。 70年代趨向于使用大型機(jī)，年代趨向于使用大型機(jī)，80年代則有趨向于改用年代則有趨向于改用微機(jī)的勢(shì)頭。設(shè)計(jì)過程需要進(jìn)行微機(jī)的勢(shì)頭。設(shè)計(jì)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(jì)者運(yùn)用像差理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)過程無疑是設(shè)計(jì)者運(yùn)用像差理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的過程。的過程。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)像差理論對(duì)系統(tǒng)提出盡量設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)像差理論對(duì)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(dòng)平衡光學(xué)系統(tǒng)的像差時(shí)，如果要用優(yōu)化技術(shù)來自動(dòng)平衡光學(xué)系統(tǒng)的像

9、差時(shí)，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(shí)提出例如同時(shí)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(dòng)平方程，使自動(dòng)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(jì)方法就是：歸結(jié)起來，光學(xué)設(shè)計(jì)方法就是：根據(jù)使用要求提出光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)計(jì))；平衡初級(jí)像差和實(shí)際像差，使系統(tǒng)殘留像差達(dá)到公平衡初級(jí)像差和實(shí)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(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)一般用優(yōu)化技術(shù)，由電子計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn))；公差計(jì)算和畫光學(xué)系統(tǒng)圖，零件圖公差計(jì)算和畫光學(xué)系統(tǒng)圖，零件圖(可由電子計(jì)算機(jī)可由電子計(jì)算機(jī)完成完成)。 l 概念，順著這些概念合理過渡到開發(fā)真實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，順著這些概念合理過渡到開發(fā)真實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)對(duì) 設(shè)計(jì)和工程過程的理解設(shè)計(jì)和工程過程的理解l 光學(xué)設(shè)計(jì)不僅要考慮基本的概念設(shè)計(jì)和理論，而且要光學(xué)設(shè)計(jì)不僅要考慮基本的概念設(shè)計(jì)和理論，而且要預(yù)預(yù) 計(jì)可制