(完整版)光学设计zemax

2014.9
光学系统设计
➢压圈法：压圈法是用压圈将透镜压紧在镜 框内的一种连接方法。 通常采用外螺纹压
圈来固定透镜；若组合物镜的结构轴向尺 寸受到限制，则通常采用内螺纹压圈固定； 在透镜与压圈之间增加一个弹性垫圈，使 其受力分布均匀，此结构常用于直径较大、 透镜厚度较薄的场合，以适应温度变化的 影响。
➢ 畸变：<5% ➢ 中心视场0.4（35lp/mm），全视场0.1（35lp/mm）
（像元大小14.1微米，1mm/14.1微米=70.9，即 1mm尺寸有71个像元，合35像元对/mm）
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目镜
➢ 重要参数：镜目距、工作距离 ➢ 为短焦距小孔径大视场系统，主要校正轴外像
差
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➢Use Focus Comp (使用后焦补偿) 如果确认 （打勾），则在Tolerances Data Editor 中第 一行会出一项有关Compensator（补偿）的 设定。
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➢ Loosen 2x 将现有各项Operands 的Min 及Max 值放 大一倍
➢ Load 从现有的Tolerance Data 文件中导入相应数据
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➢一般情况下可以采用的公差值
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➢上述对话框设定完成后点“OK”
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公差操作数
➢TFRN(光圈公差) ➢TTHI(厚度公差) ➢TEDX,TEDY(零件允许平行偏心公差) ➢TETX,TETY(零件允许倾斜偏心公差) ➢TSDX,TSDY(光学零件表面允许平行偏心公
• 折射率不均匀性 • 元件楔角（ 总的倾斜）
➢ 其它
• 环境影响
▫ 由于点坑、擦痕、气泡等产生的表面效应 ▫ 玻璃色散 ▫ 以上的综合效应
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公差在降低成本方面的影响
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➢在进行公差分析之前，需要先进行公差范 围的设定
➢该过程类似于，优化之前先设定MF，MF的 设定一般是在default基础上进行
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➢ Mode
• 公差计算模式 主要包括Sensitivity（像质响应度也可理 解为灵敏度，以公差范围为计算基础）及 Inverse Sensitivity（像质评价此为上一模式为反操作， 即以像质评质作为计算基础）两种模式。其主要区别 在于前者由用户在Tolerance Data Editor 中指定的公差 范围作为运算基础，求出各项在最小值及最大值的状 况下其像质特性(Performance)。后者则依据用户在 Max Criteria 中设定的最大（像质）标准的前提下，求 出各项(Operand)的允许公差范围。简而言之，前者由 公差推导出像质的变化，后者由从期望的像质变化范 围得出公差范围。
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➢Fast Tolerance Mode:
• 此项仅对近轴后焦偏差视为补偿器 (Compensator) 时有效。即在 Tolerances Data Editor 中存在一行有关后焦的补 偿器设定。在Default Tolerance 中选中 Use Focus Comp 就可以生成此补偿器的设定。 此模式比一般模式（没有选中此项）的运算模 式快50 倍。
• 2、7对应，3、6对应，4、5对应，scale factor 取-1
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➢将stop到透镜第一面的距离改为20，并固定， 5、6面改为pick up，分别from 3、2，fator 为1，其他thickness均改为variable
➢将除stop、IMA外的所有semi-diameter均改 为automatic
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初始参数输入
➢入瞳直径要求5mm，初始结构已经是5mm， 不用修改
➢波长输入：F、d、C ➢Field输入，可以用angle，也可用real image
height
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两种方法等价
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➢将各面曲率半径改为可变量，为了保证系 统对称性，将2、3、4面的radius改为 variable，将5、6、7面的radius改为pick up
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尺寸计算
➢ 出瞳距：20mm（目镜出瞳即为人眼瞳，军方实际 应用要求，以留出空间戴防毒面具）
➢ 出瞳大小：5mm（考虑与人眼瞳的匹配，人眼瞳 的大小一般在2~8mm，此处取中间值）
➢ 像面大小:9×6.9mm，对角线11.5mm。分辨率： 640×480，像元大小：14.1微米。
➢ 视场角：30度，焦距：21.46mm（对角线一半为 5.75mm，f=5.75/tan(30/2)=21.46mm）
➢ Tighten 2x 将现有各项Operands 的Min 及Max 值缩 小一倍
➢ Sort by Surface 将现有各项Operands 以 Surface number 排序(递增)
➢ Sort by Type 将现有各项Operands 以其类型排序 (递增)
➢ Save 将现有的Tolerance Data 存入一个文件
➢改用hammer optimization，
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➢锤形优化很费时，中间点stop，结果如下
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孔径归化
➢考虑实际系统装配，透镜孔径需留出一定 余量，将semi-diameter归化为10。点Opt， 优化结果如下
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厚度归化
➢同样考虑实际装配方便，将所有thickness进 行归化，如图所示
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➢压圈法
球面或曲面
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➢补充：压圈与径向的几种接触方式 相切法：
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相切法：
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球面包络法：
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➢弹性元件法：弹性元件固定法是利用琴钢 丝制成的弹性卡圈将透镜或其他光学元件 固定在镜框内的一种方法。一般只用于同 轴度及牢固性要求低的透镜。通常用来固 定保护玻璃、滤光镜等不重要的光学零件。
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➢Fields:
• Zemax 提供三个选项，其意义分别为：
• Y-Symmetric(Y 轴对称),Zeamx 将以Y 轴 1.0,0.7,0,-0.7,-1 五个视场计算
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➢点Opt，选择auto update以实时观察layout和 MTF值的变化。自动优化结果如下
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➢修改玻璃，选择“substitute”，让2、3面玻 璃在某个玻璃库中进行替换，5、6面pick up，分别from面3、2
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玻璃选择
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➢每个镜片加工公司都有自己的样板库，如 “changchun.tpd”是长春理工某附属工厂 （可见光镜片）、“beijing.tpd”是北京蓝斯 泰克光电（红外镜片）的样板库等。
➢将这些tpd文件拷入“C:\ZEMAX\Testplat”目 录即可进行相应的比对
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➢再点Opt，优化结果如下
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样板比对
➢为了降低加工成本，需与镜片加工厂家的 样板进行比对
➢样板比对：将设计中各面的曲率半径与厂 家的样板库进行比对，尽量选择样板库中 已有的尺寸
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➢以applied样板库为例，比对样板后获得如下 结果
➢中国玻璃库：成都光明 ➢将“CDGM201306.AGF”拷入Zemax安装目
录下的Glasscat文件夹：C:\ZEMAX\Glasscat
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玻璃选择（续）
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➢此时，点Opt优化，发现玻璃不会自动更换， 结果不会改善
➢Editors---Tolerance Data
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➢然后是Tools—Default tolerances
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➢弹出系统默认的公差值
曲率半径： 光圈
X或Y方向偏心 X或Y方向倾斜
d光折射率偏差 阿贝数偏差
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➢Start At Row 设定由Default Tolerances 在 Tolerances Data Editor 中的启始行。
设计要求：
➢ 出瞳距：20mm ➢ 出瞳大小：5mm ➢ 像面大小:9×6.9mm，对角线11.5mm。分辨率：
640×480，像元大小：14.1微米。 ➢ 视场角：30度，焦距：21.46mm ➢ 畸变：<5% ➢ MTF：中心视场0.4（35lp/mm），全视场0.1
（35lp/mm）
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差) ➢TSTX,TSTY(光学零件表面允许倾斜偏心公
差)
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公差操作数（续）
➢TIRR（球差的一半与象散的一半表示的表 面不规则度，单位是光圈单位）
➢TIND(d光折射率允许偏差) ➢TABB(阿贝常数允许偏差)
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➢上述设定完成之后，即可进行公差分析 ➢Tools---Tolerancing
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➢弹性元件法：
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➢胶粘法：胶粘固定法是利用胶粘剂如环氧 树脂、乌利当胶粘剂（聚氨酯胶粘剂）把 透镜胶粘在镜框内的一种连接方法。通常 用于直径很小的透镜。
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➢
前边已经设定好MF
➢打开layout图、MTF图，并将MTF的settings 中的max fre改为要求的35
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➢焦距计算
视场角15度
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h/2 f
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h/2 屏
➢取zebase中的c-003作为初始结构
• 从zebase说明书可知，c-003为Plossl eyepiece
➢这是个完全对称的系统
• 由两个完全相同的双胶合透镜组成 • 降低加工成本 • 降低装配难度
• 如果不能接受，可以提高某个镜片或面的公差 要求，来达到能接受的程度，这样需要对镜片 的加工和装调提出更高要求，导致成本升高。
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公差形式
➢ 同制造、装配、材料相关的对称误差
• 半径
• 相对于样板的光圈 • 厚度 • 空气隙 • 折射率
➢ 装配和调整中的非对称误差
• 表面不规则性
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➢Default merit function作如下修改 ➢添加EFFL操作数，target 21.46，weight 1
Why?
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Why 尺寸考虑
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引出：镜片固定方法
➢滚边法：滚边法是将透镜装入金属镜框中，在精
密车床上用专用工具把镜框边缘挤压弯折，使其 沿着透镜圆角倒角的斜面紧紧地包住透镜，把透 镜与镜框牢固的连接在一起。
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➢Merit项：
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前12 项为具体的像质评 质函数,包括点大小、 Merit Function 值、几何 MTF、Diffraction MTF值。 其中对于没有趋近衍射极 限的系统应首选前三项， 即RMS Spot Size。而对 于趋近于衍射极限的系统 则最好选择MTF。
光学系统设计
➢目镜设计时采用逆向设计思路
• 实际使用过程中，要求目镜对液晶屏成像，即 液晶屏为待成像物体，镜头后20mm处是出瞳。
• 而在设计过程中（如上页图），将上述先后顺 序颠倒，即：入瞳在镜头前20mm，液晶屏作 为像面
➢这种设计思路有利于设计进行
• 光学设计的方向是减小像差，因而必须将光线 会聚的面作为像面
第一讲 光学系统设计中的 工程化考虑
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光学系统设计
Outline
➢普罗素目镜设计
• 尺寸计算 • 对称性结构的优化
➢在该设计基础上进行的工程化考虑 ➢玻璃选择
• 孔径归化 • 厚度归化 • 样板比对 • 公差分析
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光学系统设计
一、普罗素目镜(Plossl)
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光学系统设计
光学系统设计
➢样板比对后像质变差严重
• 1.样板数量太少，多比对几家厂家
• 2.查看哪几个面与样板比对之前的曲率相差较 大，可以把这几个面设成可变，重新优化。然 后让厂家按设计尺寸，再另外加工样板
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公差分析
➢公差分析的目的
• 根据一般的公差，镜头的像质能差到什么程度， 是否在可接受范围之内。