系列文章目录

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  • 系列文章目录
  • 前言
  • 一、ZEMAX是什么？
  • 二、初级像差理论
    • 1. 球差(Spherical Abereation)
      • 1. 球差基本概念
      • 2. ZEMAX中球差的描述
      • 3. 球差在光扇图中的表示
      • 4. 球差的定量分析
      • 5. 球差的校正方法
    • 2.慧差（Coma Aberration）
      • 1. 慧差基本概念
      • 2. 慧差的校正方法
    • 3.像散
      • 1. 像散
    • 4.场曲（Field Curvature）
      • 1. 概念
      • 2. 场曲校正
    • 5.畸变(Distortion)
      • 1. 概念
    • 6.色差（ColorAberration）
      • 1. 色差概念
  • 三、光学设计
    • 1.什么是光学设计
    • 2. 光学设计步骤:
    • 3. 光学系统设计的一般过程和步骤？
    • 4. 光学仪器对光学系统的性能和质量要求
    • 5. 七种像差哪些仅与孔径有关、哪些仅与视场有关、哪些与孔径与视场都有关？
    • 6. 光学设计阶段像质评价的方法有哪些？小像差系统、大像差系统分别用什么来评价像质？
    • 7. 什么是瑞利判断？怎样使用瑞利判断判断光学系统的光学性能？
    • 8. 什么是点列图？怎样用它评价系统的成像质量？
    • 9. 光学传递函数是什么？怎样用它评价系统的成像质量？曲线评价？积分评价？
  • 总结

前言

一、ZEMAX是什么？

Focus software公司开发的综合性的光学设计分析软件，同类型的光学设计软件还有Code V，Tracepro，Oslo等。ZEMAX是焦点公司的产品，在大陆的代理商是讯技光电科技（上海）有限公司。

版本有：

  • Zemax-se（标准版）
  • Zemax-xe（完整版）
  • Zemax-ee（专业版）


特点：

  • 界面友好，容易上手，资料丰富口可建立反射、折射、衍射及散射等模型
  • 可进行偏振、镀膜和温度、气压等分析
  • 有强大的像质评价和分析功能
  • 丰富的资料库，大量现成的镜头和玻璃、样板数据，可供用户选择。

学习参考书：

1）几何光学。像差光学。设计李晓彤著浙江大学出版社
2）工程光学设计萧泽新著电子工业出版社
3）工程光学基础徐家骅著机械工业出版社
4）应用光学安连生著北京理工大学出版社
5）工程光学郁道银、谈恒英著机械工业出版社

二、初级像差理论

初级像差：
像差：实际像与理想像之间的差异 ；

单色：球差、慧差、像散、场曲和畸变；
色差：球色差和倍率色差。

1. 球差(Spherical Abereation)

1. 球差基本概念

球差： 也叫球面像差，是指轴上物点发出的光束通过球面透镜时，透镜不同孔径区域的光束最后汇集在光轴的不同位置，在像面上形成圆形弥散斑。
定量计算：不同光瞳区域上的光线入射到像面后，在像面上与光轴的垂直高度大小。
特性：绝大多数玻璃透镜元件都是球面，所以球差的存在也是必然性。由于球差的 存在，使球面透镜的成像不再具有完美性，球面透镜的球差是不可消除的。
特点：当在轴上视场产生的时候，是旋转对称的像差。

2. ZEMAX中球差的描述

3. 球差在光扇图中的表示

在ZEMAX的Ray Fan图中可以定量分析球差在不同孔径的大小。Ray Fan图也叫光扇图或光线差图。它描述的是在不同光同位置处光纤在像上高度与主光线高度差值。

4. 球差的定量分析

Seidel：
SPHA:

5. 球差的校正方法

凹凸透镜补偿法
非球面校正球差

2.慧差（Coma Aberration）

1. 慧差基本概念

慧差：轴外物点（或称轴外视场点）所发出的锥形光束通过光学成像系统后，在理想像面不能乘完美的像点，而是形成拖着尾巴的如彗星形状的光斑，故对此光学系统的这种相差称其为慧差。

几何光学描述：外视场不同孔径区域的光束聚集在像面上高度不同，换言之，就是外视场不同孔径区域成像的放大率不同形成的。
几何光斑描述：即主光线光斑偏离整个视场光斑的中心。

2. 慧差的校正方法

使用评价函数COMA来专门对慧差进行优化。

3.像散

1. 像散

概念：指轴外物点发出的锥形光束通过光学系统聚焦后，光斑在像面上子午方向与弧矢方向的不一致性。换言之，就是轴外视场光束通过光瞳后，在子午方向与弧矢方向光程不相等，造成两个方向光斑分离所形成的弥散斑，称为光学系统的像散。
　　像散类似于我们常提及的散光，人眼的散光，指的是人眼看上下方向与左右方向的景物时清晰度不一样，主要原因是人眼角膜在上下方向与左右方向弯曲不同，造成的屈光度不同，这其实就像是人眼产生的像散。我们所提及的像差主要是在于使用透镜光学系统成像后，像面上光斑的分布情况。像散也正是镜头系统在上下方向与左右方向聚焦能力不同形成的。
　 由于像散的存在，使我们在调整成像光斑时会始终寻找不到最佳焦点，看到的都是一定的弥散斑，光斑或者呈线条形式，或者呈弥散圆形式，或者呈椭圆形式。
　 像散的大小与视场及孔径值大小紧密相关，同时也要注意视场光阑的影响。
优化方法：由于像散是轴外视场物点成像的不完美性造成的，我们可以通过调节视场光阑的位置来减小像散影响。通常光视场光阑远离镜头组时像散会减小，最常用的是使用对称结构系统，同慧差消除方法一样，而且对称结构可以同时校正这些轴外像差。
　另外，也可以使用远离视场光阑的非球面透镜校正外视场像差，效果比较显著。

4.场曲（Field Curvature）

是一种完全依赖于视场的像差。

1. 概念

场区：也叫“像场弯曲”，是指平面物体通过透镜系统后，所有平面物点聚焦后的像面不与理想平面重合，而是呈现为一个弯曲的像面，这种现象称为场曲。

2. 场曲校正

由视场因素产生：

优化视场光阑的位置来减小场曲。
使用对称结构来减小场曲。

5.畸变(Distortion)

1. 概念

畸变：指物体通过镜头成像时，实际像面与理想像面间产生的形变。或者说物体成像后，物体的像并非实际物体的等比缩放，由于局部放大率不等而使物体的像产生形变，
正畸变：（枕形畸变）放大
负畸变：（桶形畸变）缩小

6.色差（ColorAberration）

1. 色差概念

色差：指颜色像差，是透镜系统成像时的一种严重缺陷，由于同种材料Udine不同波长的光有不同的折射率，便造成了多波长的光速通过透镜后传播方向的分离，也就是色散现象。这样物点通过透镜聚焦于像面时，不同波长的光汇聚于不同的位置，形成一定大小的色斑。
颜色分离带来的光学系统的像差。色差分两种：轴向色差和垂轴色差。
轴向色差：也叫球色差或位置色差，指不同波长的光束通过透镜后焦点位于沿轴的不同位置，因为它的形成原因同球差相似，故也称其为球色差。
垂轴色差：垂轴色差也叫倍率色差，指轴外视场不同波长光束通过透镜聚焦后在像面上高度各不相同，也就是每个波长成像后的放大率不同，故称为倍率色差。

三、光学设计

1.什么是光学设计

根据仪器所提出的使用要求，设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等，光学设计所要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。

2. 光学设计步骤:

一般分为以下两个阶段
初步设计阶段： 根据光学仪器总体的技术要求，如性能指标、外形等，从光学仪器的总体出发,拟定光学系统的原理图,并初步计算光学系统的外形尺寸，确定结构类型，以及分配个光组之间光焦度等。

像差设计阶段： 根据初步设计结果，确定每个透镜组的具体结构参数，如曲率半径、厚度、间隔和材料等，以满足系统光学特性和成像质量的要求。

3. 光学系统设计的一般过程和步骤？

一般过程:

  1. 制定合理的技术参数；

  2. 光学系统总体设计和布局；

  3. 光学部件（光组、镜头）的设计；
    一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段。

    （1）选型;
    （2）初始结构的计算和选择；

    A、解析法；
    B、缩放法；

    （3）像差校正、平衡与像质评价。

  4. 长光路的拼接与统算；

  5. 绘制光学系统图、部件图和光学零件图；

  6. 编写设计说明书；

  7. 必要时进行技术答辩。

具体步骤:

  1. 选择系统的类型；
  2. 分配元件的光焦度和间隔；
  3. 校正初级像差；
  4. 减小残余像差(高级像差)。

4. 光学仪器对光学系统的性能和质量要求

  1. 光学系统的基本特性
  2. 系统的外形尺寸
  3. 成像质量
  4. 仪器的使用条件与环境

此外，在进行光学系统设计时，还要考虑它应具有良好的工艺性和经济性。

5. 七种像差哪些仅与孔径有关、哪些仅与视场有关、哪些与孔径与视场都有关？

仅与孔径有关：球差、位置色差、（正弦差）

仅与视场有关：像散、畸变、倍率色差、细光束的场曲

与孔径与视场都有关：彗差、宽光束的场曲

6. 光学设计阶段像质评价的方法有哪些？小像差系统、大像差系统分别用什么来评价像质？

像质评价的方法：瑞利判断、中心点亮度、分辨率、点列图法、光学传递函数、调制传递函数（MTF）

小像差系统：瑞利判断、中心点亮度、光学传递函数、基于衍射的方法：（点扩散函数、线扩散函数）FFT

大像差系统：分辨率、点列图法、光学传递函数、基于几何的方法；（光程差曲线、像差曲线）

7. 什么是瑞利判断？怎样使用瑞利判断判断光学系统的光学性能？

实际波面与参考球面波最大波像差小于λ/4时，此波面可看作是无缺陷的，此判断成为瑞利判断。

瑞利判断根据成像波面的变形程度来判断成像质量。

8. 什么是点列图？怎样用它评价系统的成像质量？

由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。

怎样用点列图法评价成像质量时需要做大量光路计算，只有利用计算机完成；

它是一种形象直观的评价方法；应用于大像差的照相物镜等设计中；

9. 光学传递函数是什么？怎样用它评价系统的成像质量？曲线评价？积分评价？

光学传递函数是一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。一般来说，高频部分反映物体的细节传递情况，中频部分反映物体的层次传递情况，低频部分反映物体的轮廓传递情况。

利用光学传递函数评价光学系统的成像质量，是基于把物体看作是由各种频率的谱组成的，也就是把物体的光强分布展开成傅里叶级数或傅里叶积分的形式。

积分评价：

曲线评价：

  1. 外形尺寸计算的任务是什么？需确定哪些尺寸？

光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组成、各光组元的焦距、各光组元的相对位置和横向尺寸。

外形尺寸计算基本要求：

第一，系统的孔径、视场、分辨率、出瞳直径和位置；

第二，几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸，整体结构的布局；

第三，成像质量、视场、孔径的权重。

  1. 什么是缩放？怎样根据缩放确定光学系统的初始结构？步骤是什么？

缩放：等比例的放大或缩小。

  • 物镜选型
  • 缩放焦距
  • 更换玻璃
  • 估算高级象差
  • 检查边界条件

总结

分享：
我们是属于这尘世的，而且和这尘世是一日不可离的。我们在这美丽的尘世上好象是过路的旅客，这个事实我想大家都承认的，纵令这尘世是一个黑暗的地牢，但我们总得尽力使生活幸福。

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