光學設計與光學工藝課件

光學設計與光學工藝（第一講）

光學設計過程中需注意的問題光學設計與光學工藝目錄引言一光學設計過程二光學設計過程中考慮問題三六倍放大鏡的加工四光學設計與光學工藝客戶提出需求系統(tǒng)總體裝調(diào)及檢驗光學設計光學零件加工機械零件加工光學機械設計光學零件檢驗機械零件檢驗光學系統(tǒng)實現(xiàn)過程光學設計與光學工藝光學設計宗旨：滿足技術要求便于制造節(jié)省成本一、引言光學設計與光學工藝觀察目標特性(可見光,紅外)或應用領域(激光)觀察范圍成像要求(點擴散函數(shù)傳遞函數(shù)透過波前分辨率)能量視場探測器口徑波譜范圍焦距成像質(zhì)量要求大設計難度要求小探測器能量響應要求

合適視場口徑焦距成像要求鏡頭設計(LensDesign)光學系統(tǒng)設計(OpticalSystemDesign)二、光學設計過程客戶需求光學設計與光學工藝設計過程像質(zhì)評價像差校正與平衡樣板匹配公差分析初始結構計算與選擇出設計圖紙123456二、光學設計過程光學設計與光學工藝二、光學設計過程光學設計與光學工藝一個不好的初始結構，再好的自動設計程序和有經(jīng)驗的設計者也無法使設計獲得成功1、初始結構的計算和選擇

根據(jù)初級象差理論求解初始結構

從已有的資料中選擇初始結構二、光學設計過程光學設計與光學工藝2、象差校正和平衡用光學計算程序進行光路計算，算出全部象差及各種象差曲線;找出影響光學系統(tǒng)成象質(zhì)量的主要象差是哪些;找出改進辦法，進行象差校正;反復進行象差分析、校正及平衡，直到滿足成象質(zhì)量要求為止。二、光學設計過程光學設計與光學工藝3、象質(zhì)評價光學設計者必須對各種光學系統(tǒng)的剩余象差的允許值和象差公差有所了解，以便根據(jù)剩余象差的大小判斷光學系統(tǒng)的成象質(zhì)量。二、光學設計過程光學設計與光學工藝適用于小象差系統(tǒng)如：望遠物鏡、顯微物鏡等。實際波面與理想波面之間的最大波象差不超過1/4波長用于評價大象差系統(tǒng)客觀、可靠、便于計算和測量，不僅能用于光學設計結果的評價，還能控制光學系統(tǒng)設計的過程、鏡頭檢驗、光學總體設計等各方面。象質(zhì)評價的方法瑞利判斷分辨率點列圖光學傳遞函數(shù)二、光學設計過程光學設計與光學工藝對于球面元件，一般根據(jù)廠家樣板庫來進行曲率半徑選擇。4、樣板匹配手工匹配原則：先輸入曲率半徑小的，再輸入曲率半徑大的，每輸入一次要進行一次自動優(yōu)化。自動匹配利用軟件自帶的樣板匹配功能進行自動匹配；手工匹配手工輸入樣板庫中有的樣板。HENGYI.TPD就是恒益公司的樣板庫廠家樣板庫Zemax>>Tools>>TestPlates>>TestPlateFitting>>選擇樣板庫()>>選擇匹配方式(MethodofFit)>>進行匹配二、光學設計過程光學設計與光學工藝5、公差分析

公差分析的目的:給出合理的加工要求，合理的加工要求既能保證加工的可行性，同時又能降低加工難度和加工成本，因此公差分析工作至關重要。公差分析宗旨:使最差情況下的傳遞函數(shù)由于工藝因素的總下降量不大于0.15，以便探測器仍能分辨它對應的空間頻率。二、光學設計過程光學設計與光學工藝

性能合理鏡頭的首選公差參數(shù)公差參數(shù)公差半徑±0.001mm

樣板的測量精度傾斜0.05mmTIR對樣板的光焦匹配3個光圈偏心±0.05mm表面不規(guī)則度1個光圈（0.3）折射率±0.001厚度±0.05mm阿貝數(shù)±0.8%空氣間隔±0.05mm玻璃不均勻性±0.0001楔角/同心度0.025mmTIR二、光學設計過程光學設計與光學工藝包括光學元件的厚度和機械元件支撐的間隔。

在使用ZEMAX軟件模擬公差時，公差操作數(shù)TTHI有兩個參數(shù)，int1是用來定義公差的表面編號，而int2是作為補償?shù)谋砻婢幪枺钚≈岛妥畲笾凳且早R頭長度單位表示的極值偏差。

實際上，有楔角的元件與光軸相對于其機械軸傾斜的元件完全相同，當旋轉元件時，元件具有邊緣厚度差。偏心包括兩種，一種是簡單的橫向偏心（上、下），另一種是使元件始終保持與機架座接觸的“滾動”。兩種偏心模型實際上完全不同。在滾動的情況下，與機架座接觸良好的左側半徑被良好地校準，表面傾斜只發(fā)生的右側表面上。

在ZEMAX里TSDX、TSDY用來模擬一個標準表面的偏心公差，單位為鏡頭長度（mm）,而TEDX、TEDY是用來模擬一個元件的偏心公差，可以是標準面也可以是非標準面，int1、int2定義了一個鏡頭組的邊界面。Radius（半徑）Fringes（光圈）Irregular（表面不規(guī)則度）Decenter（偏心）楔角/同心度/傾斜Thickness（厚度/間隔）樣板的檢測精度，光學設計師應該與光學加工師溝通N=λ/2，普通的光學加工一般控制在5個光圈，較好的精度應該控制在3個光圈以內(nèi)。表面不規(guī)則度可以通過局部光圈（△N）來考察，工藝上可以做到0.3個光圈。二、光學設計過程

性能合理鏡頭的首選公差光學設計與光學工藝6、出設計圖紙設計圖紙是指導加工的依據(jù)，圖紙必須要規(guī)范，避免引起誤解二、光學設計過程光學設計與光學工藝光學系統(tǒng)實例：二、光學設計過程光學設計與光學工藝注意問題標準零件圖紙零件技術指標加工工藝及成本檢驗方案材料選擇加工超差補救三、光學設計注意問題123456光學設計與光學工藝三、光學設計注意問題材料選擇的問題1零件技術指標的問題2標準零件圖紙的問題3加工工藝及成本的問題4檢驗方案的問題5加工超差補救的問題6光學設計與光學工藝1、光學設計中的材料選擇材料選擇的宗旨：既能滿足設計要求，同時有利于加工，價格合理

在繪制圖紙階段須對材料提出嚴格要求，材料本身問題引發(fā)的后續(xù)問題在后續(xù)階段很難發(fā)現(xiàn)。材料性能、加工成本及加工難度相差很大，有些大口徑光學材料是很難購得的。光學設計與光學工藝注意常用光學材料光學玻璃牌號分類國際玻璃碼的表示1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝1、光學設計中的材料選擇常用的光學材料：光學玻璃（包括無色光學玻璃、有色光學玻璃和特種光學玻璃）微晶玻璃光學晶體塑料金屬材料（例如：銅，鋁等，做反射鏡）光學設計與光學工藝光學玻璃的牌號分類冕牌玻璃——“K”火石玻璃——“F”“輕”——“Q”“重”——“Z”鋇冕——BaK鋇火石——BaF鑭冕——LaK鑭火石——LaF特殊玻璃在玻璃表中不占專門的區(qū)域——TK和TF.阿貝數(shù)的不同折射率的高低化學成分的不同1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝肖特玻璃廠的阿貝圖有一組直線和曲線,將阿貝圖分成許多區(qū)，將光學玻璃分類。阿貝數(shù)折射率1、光學設計中的材料選擇折射率≤1.6,V≥50:冕牌玻璃；V<50:火石玻璃折射率≥1.6，V≥55:冕牌玻璃；V<55:火石玻璃光學設計與光學工藝國際玻璃碼的表示:用九位數(shù)字表示，形式為：

xxxxxx.xxx例如K10玻璃,nd=1.50137小數(shù)點后頭三位數(shù)=501;Vd=56.41頭三位數(shù)，不計小數(shù)點=564;密度=2.52；不計小數(shù)點=252;

K10的國際玻璃碼是501564.252折射率nd小數(shù)點后頭三位數(shù)阿貝數(shù)Vd頭三位數(shù)，不計小數(shù)點玻璃的密度，不計小數(shù)點1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝條紋度折射率、色散系數(shù)允差及一致性氣泡度應力雙折射光吸收系數(shù)光學均勻性光學玻璃的質(zhì)量指標1、光學設計中的材料選擇abcdef光學設計與光學工藝a.折射率、色散系數(shù)的允差及一致性

nd——光學玻璃對鈉光d譜線的折射率；

nF——對F譜線（波長等于0.486um的藍光）的折射率；

nC——對C譜線（波長等于0.656um的紅光）的折射率；

nF-nC——中部色散；

Vd——阿貝數(shù)：Vd=（nd-1）/（nF-nC）；

Vd值越大，色散作用愈小。1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝折射率nd和阿貝數(shù)Vd與標準值的允許偏差分為3級級別折射率允許偏差Δnd級別阿貝數(shù)允許偏差ΔVd％1±30×10-51±0.52±50×10-52±0.83±100×10-53±1.01、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝b.光學均勻性

光學均勻性是指同一塊玻璃中，各部分折射

率變化的不均勻程度。

光學不均勻性產(chǎn)生原因：退火溫度不均勻或

內(nèi)部殘余應力。對于大尺寸光學零件，如果光學不均勻性存在的面積較大，將降低光學系統(tǒng)的分辨率及成像質(zhì)量。1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝該方法是根據(jù)放在平行光管光束中的玻璃試樣引起該裝置分辨率的變化規(guī)定的。如果平行光管給出具有理論分辨率α0的像，而當玻璃試樣放入后，分辨率倍增至α，那么玻璃的不均勻性可用其比值α/α0來表示尺寸小于150mm的玻璃毛坯的光學均勻性的測量方法：根據(jù)《GB/T7962.1-1987》規(guī)定測量。級別α/α0星點圖像11.0中央是一個明亮的圓斑，外面是些同心圓的圓環(huán)，這些圓環(huán)無斷裂，尾翹、畸角及扁圓變形現(xiàn)象21.0中間是明亮的圓斑，外面是一些變形的圓環(huán)，圓環(huán)同樣無斷裂，尾翹、畸角等現(xiàn)象31.141.2光學均勻性分為四級1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝c.應力雙折射中部應力按《GB/T7962.5-1987》規(guī)定的方法進行測量。玻璃毛坯中部應力雙折射以最長邊中部單位長度上的光程差δ表示。中部應力分為5級級別玻璃中部光程差δ（nm/cm）121a426310440（粗退火條料）60（粗退火板料）玻璃的導熱系數(shù)小，在熔煉降溫過程中，內(nèi)部溫度總比外層溫度高，難以均衡，故產(chǎn)生內(nèi)部應力。1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝邊緣應力按《GB/T7962.6-1987》規(guī)定的方法進行測量。玻璃毛坯邊緣應力雙折射以距邊緣5%直徑或邊長處單位厚度上的最大光程差Δδmax表示。邊緣應力分為5級級別玻璃邊緣光程差Δδmax（nm/cm）S13S25S310S420S5801、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝d.光吸收系數(shù)

級別光吸收系數(shù)不大于級別光吸收系數(shù)不大于000.00130.00800.00240.01010.00450.01520.00660.030光學系統(tǒng)成像的亮度與玻璃的透明度成比例關系。用球形光度計按《GB/T7962.9-1987》規(guī)定進行測量。玻璃光吸收系數(shù)等于1cm光路上被玻璃吸收的白光光通量與開始進入該光路前入射光光通量之比。光吸收系數(shù)分為8級1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝e.條紋度級別條紋程度A在規(guī)定檢測條件下無肉眼可見的條紋B在規(guī)定檢測條件下有細而分散的條紋C在規(guī)定檢測條件下有輕微的平行條紋D在規(guī)定檢測條件下有明顯的平行條紋由于玻璃內(nèi)部的化學成分不均勻所產(chǎn)生的局部缺陷，缺陷處的折射率不同于主體的折射率。

用點光源和透鏡組成的條紋儀，從最容易看見條紋的方向上，與標準試樣作比較檢查。條紋度分為4級1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝f.氣泡級別直徑Φ≥0.05mm氣泡總截面積（mm/100cm3）A00≤0.003～0.03A0>0.03～0.10A>0.10～0.25B>0.25～0.5C>0.5～1.00D>1.00～2.00E>2.00～4.00玻璃中的氣泡是玻璃在熔煉過程中，氣體來不及逸出所致。

玻璃中允許氣泡含量等級是由100cm3玻璃中所含氣泡（直徑Φ≥0.05mm～2mm）的總截面積來確定的。氣泡度分為7級1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝光學玻璃的物理、化學特性相對研磨硬度顯微硬度耐潮穩(wěn)定性耐酸穩(wěn)定性玻璃抵抗硬物壓入的能力，用克氏顯微硬度HK表示。采用pH2.9的醋酸、pH4.6的標準醋酸鹽、pH6的水作為測定介質(zhì)，拋光玻璃表面被介質(zhì)侵蝕后，在白光燈下觀察玻璃表面出現(xiàn)紫藍干涉色的時間（此時侵蝕破壞層的光學厚度為135nm）或表面呈現(xiàn)雜光或脫落現(xiàn)象的時間，據(jù)此可對光學玻璃耐酸性進行遞減式分類定級。影響光學加工難度和光學系統(tǒng)的使用壽命同等研磨條件下，被測玻璃相對標準玻璃（K9）的研磨硬度，用A表示A＝V0/V，A越大表明玻璃硬度越大。雙面拋光的玻璃樣品置于70±1℃的飽和水蒸氣條件下，七晝夜后，測定玻璃表面散射率TB，再和標準白板時的散射率TA相比，H＝TB/TA×100％，H值即表示玻璃表面“生霧率”。1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝國內(nèi)生產(chǎn)光學玻璃材料的廠家成都光明光電有限公司上海新滬玻璃廠國外生產(chǎn)光學玻璃材料的廠家

德國肖特日本保谷（HOYA）日本小原（OHARA）等1、光學設計中的材料選擇光學設計與光學工藝三、光學設計注意問題材料選擇的問題1零件技術指標的問題2標準零件圖紙的問題3加工工藝及成本的問題4檢驗方案的問題5加工超差補救的問題6光學設計與光學工藝即通常所說的光學表面疵病，表面疵病是指麻點，擦痕，開口氣泡，破點及破邊，和表面粗糙度是完全不同的概念。2、零件技術指標問題面形偏差表面光潔度表面粗糙度最基本的零件指標光圈數(shù)N，被檢光學表面的曲率半徑相對于參考光學表面曲率半徑的偏差對應的光圈數(shù)象散偏差Δ1N局部偏差Δ2N光學設計與光學工藝2、零件技術指標問題平面的主要技術指標光圈和局部誤差平行度和楔度外形尺寸國家標準GB2831-81

對于高精度的平行平板，其面形和平行度是相關的，當面形不好的時候，平行度也無法達到要求。

畫圖標注時應注意區(qū)分平行平板與楔板。對于反射元件外徑厚度比最好小于10：1，可以盡量減少變形。光學設計與光學工藝球面的主要技術指標面形N，ΔN中心偏差N對應的是球面半徑誤差。ΔN對應的是表面不規(guī)則程度，通常所說的PV值對應的是ΔN的大小。透鏡外圓的幾何軸與光軸在透鏡曲率中心處的偏離程度，用C表示。國標GB7242-87中提出新的定義：用光學表面定心頂點處的法線與基準軸的夾角來度量中心偏差，夾角稱為面傾角，用χ表示。定心頂點：光學表面與基準軸的交點。基準軸：用來標注、檢驗和校正中心誤差的一條確定的直線，該直線應體現(xiàn)系統(tǒng)的光軸。2、零件技術指標問題光學設計與光學工藝中心厚度和邊緣厚度要求標準：《GB1205-75》本標準適用于玻璃材料的球面的雙凸透鏡、平凸透鏡、正彎月透鏡的邊緣最小厚度及雙凹透鏡、平凹透鏡、負彎月透鏡的中心最小厚度。2、零件技術指標問題光學設計與光學工藝最小中心厚度和邊緣厚度標準：《GB1205-75》透鏡邊緣及中心最小厚度見下表。透鏡直徑D（mm）正透鏡邊緣最小厚度t（mm）負透鏡中心最小厚度d（mm）３～６０.４０.６＞６～１００.６０.８＞１０～１８０.８～１.２１～１.５＞１８～３０１.２～１.８１.５～２.２＞３０～５０１.８～２.４２.２～３.５＞５０～８０２.４～３３.５～５＞８０～１２０３～４５～８＞１２０～１５０４～６８～１２2、零件技術指標問題光學設計與光學工藝棱鏡的主要技術指標光圈和局部光圈光學平行差（角度差、塔差）外形尺寸光線從反射棱鏡的入射面垂直入射后，在出射前對出射面法線的偏差稱做反射棱鏡的光學平行差。在實用中，反射棱鏡的光學平行差以其相互垂直的兩個分量表示：在入射光軸截面方向的光學平行差分且稱做“第一光學平行差”，以θ1表示；在垂直于入射光軸截面方向上的光學平行差分量稱做“第二光學平行差”，以θ2表示。第一光學平行差是由反射按鏡在光軸截面上的角度誤差引起的，也就是棱鏡的角度差；第二光學平行差是由反射棱鏡的棱的位置誤差引起的，這些棱的位置誤差稱做塔差。2、零件技術指標問題光學設計與光學工藝非球面的主要技術指標非球面單獨使用時非球面作為系統(tǒng)的單個元件使用時彌散圓透過波前焦距實際加工曲線與理想的非球面曲線的偏差2、零件技術指標問題光學設計與光學工藝三、光學設計注意問題材料選擇的問題1零件技術指標的問題2標準零件圖紙的問題3加工工藝及成本的問題4檢驗方案的問題5加工超差補救的問題6光學設計與光學工藝3、標準零件圖紙問題標準零件圖紙根據(jù)國家標準GB13323-91《光學制圖》繪制新老標準的對比：表面疵病（老標準用指標P，現(xiàn)行標準《GB1185-89》用指標B）圖紙外形公差應與機械件的公差配合,便于裝配厚度與外圓比標準：透過的一般大于1：10；反射的一般大于1：8。光學設計與光學工藝3、標準零件圖紙問題平面元件標準圖紙實例對零件的要求對材料的要求光學設計與光學工藝3、標準零件圖紙問題球面元件標準圖紙實例對零件的要求光學設計與光學工藝非球面元件標準圖紙實例3、標準零件圖紙問題光學設計與光學工藝三、光學設計注意問題材料選擇的問題1零件技術指標的問題2標準零件圖紙的問題3加工工藝及成本的問題4檢驗方案的問題5加工超差補救的問題6光學設計與光學工藝材料成本加工工藝成本加工難度成本加工數(shù)量成本工裝夾具及檢

驗工具的成本加工需考慮特殊形狀元件

的加工成本加工精度成本特殊檢驗方案

的成本特殊材料加工

工藝研究成本尺寸成本4、加工工藝與成本問題光學設計與光學工藝三、光學設計注意問題材料選擇的問題1零件技術指標的問題2標準零件圖紙的問題3加工工藝及成本的問題4檢驗方案的問題5加工超差補救的問題6光學設計與