光學(xué)設(shè)計與cad第1講光學(xué)材料

1、光學(xué)設(shè)計與CAD,課程安排,教學(xué)時數(shù)： 共48學(xué)時 理論部分：38學(xué)時上機(jī)部分（Zemax）：10學(xué)時 課程考核： 平時成績(30%)＋期末成績(70%)公共郵箱：guangxinsxx, key:090102我的郵箱：song8235269@126.com,什么是光學(xué)設(shè)計？,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。光學(xué)系統(tǒng),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像彌散元尺寸與探測器像素尺

2、寸匹配有效孔徑和透過率必須足夠滿足設(shè)計要求構(gòu)形選擇設(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)中的光闌等，要符合要求可制造性考慮最小尺寸/成本/重量/環(huán)境影響,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,光學(xué)設(shè)計與CAD(computer assisted design),利用計算機(jī)可以進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、復(fù)雜的計算更為方便的進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計利用優(yōu)化

3、技術(shù)，平衡初級像差和實際像差，使系統(tǒng)殘留像差達(dá)到公差允限計算機(jī)直接給出光學(xué)系統(tǒng)圖豐富的可編程操作及接口,ZEMAX軟件是美國ZEMAX 公司的高科技軟件產(chǎn)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、畸變、軸向和垂軸色差）★ 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 ★ 各種夜視系統(tǒng)、光學(xué)發(fā)射天線等 ★ LCD 背光板和LED建模及照明設(shè)計優(yōu)化 ★ 光管、光纖連接器等

4、通信系統(tǒng)和元器件 ★ 車燈等各種照明系統(tǒng)設(shè)計和分析 ★ DVD、VCD 激光讀寫頭 ★ LCOS、DLP等各種投影儀及光學(xué)引擎設(shè)計 ★ 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、光纖耦合效率優(yōu)化分析★ 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★ 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，系統(tǒng)分析★ 激光擴(kuò)束鏡頭、F-theta掃描鏡頭設(shè)計優(yōu)化，整形鏡頭設(shè)

5、計,技術(shù)性能 軟件可以實現(xiàn)的主要功能幾何光學(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、光纖耦合等照明系統(tǒng)設(shè)計：各種照明系統(tǒng)的設(shè)計，包含光機(jī)設(shè)計，可以個Pro-E、Auto-CAD、Solid-Works 等機(jī)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ZPL語言擴(kuò)展：ZEMAX軟件自帶的編程語言可以實現(xiàn)功能的擴(kuò)展擴(kuò)展功能：ZEM

6、AX軟件可以和c語言、C++、VB等編程語言進(jìn)行配合使用以上各種功能幾乎涵蓋了光學(xué)的各個領(lǐng)域，在各個領(lǐng)域中該軟件都可以實現(xiàn)自動的優(yōu)化求解，使用非常便捷，是目前全球光學(xué)工程師應(yīng)用最廣泛的設(shè)計軟件！,,,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、顯微鏡、目鏡等雛形，經(jīng)驗為主。十九世紀(jì)：像差理論、設(shè)計方法，衍射成像理論趨于成熟。Seidel, Abbe, Zeis

7、s 工廠，Schott 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。二十世紀(jì)：四十年代開始用機(jī)械計算機(jī)。1946年 發(fā)明電子計算機(jī)Eniac，五十年代用于光路計算、分析， 六十年代“自動平衡”（優(yōu)化）程序， 八十年代普遍使用優(yōu)化程序，美國商業(yè)程序,光學(xué)設(shè)計的歷史,挑選合理的初始結(jié)構(gòu)，設(shè)計指標(biāo)， 盡量少用光線就能對現(xiàn)狀作出判斷 包括初始要求是否合理，可能不可能達(dá)到要求

8、。判斷修改的方向,光學(xué)設(shè)計理論的作用,光學(xué)設(shè)計方法,光學(xué)設(shè)計方法隨使用工具的更新而改變面貌。使用電子計算機(jī)之前的方法統(tǒng)稱為“手工”設(shè)汁法。那時主要通過追跡光線，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。 電子計算機(jī)的使用，使得對光學(xué)系統(tǒng)(特別是復(fù)雜系統(tǒng))的分析計 算更加完善了，進(jìn)而使光學(xué)自動設(shè)計逐步發(fā)展起來。,任何光學(xué)系統(tǒng)都不可能把所有各種像差都校正到理想。所以，設(shè)計時我們應(yīng)該根據(jù)像差理論對系統(tǒng)提出盡量合理的像差要求。即

9、使是利用電子計算機(jī)做自動設(shè)計，這一點也是很重要的。 用優(yōu)化技術(shù)來自動平衡光學(xué)系統(tǒng)的像差時，如果要求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同時提出正弦條件和赫謝耳條件)，就可能產(chǎn)生“病態(tài)”方程，使自動平衡不能順利進(jìn)行。 用于光學(xué)系統(tǒng)自動設(shè)計的電子計算機(jī)，70年代趨向于使用大型機(jī)，80年代則有趨向于改用微機(jī)的勢頭。這一方面當(dāng)然是為了節(jié)省設(shè)計費用，另一方面也說明設(shè)計過程需要進(jìn)行多次人工“干預(yù)”，這種“干預(yù)”過程無疑是設(shè)計者運用像差理

10、論和設(shè)計經(jīng)驗的過程。,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“不可能’’的要求去掉(“手工”完成)；用高斯光學(xué)理論，給出高斯結(jié)構(gòu)(多數(shù)由“手工”設(shè)計)；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(一般用優(yōu)化技術(shù)，由電子計算機(jī)來實現(xiàn))；公差計算和畫光學(xué)系統(tǒng)圖，零件圖(可由電子計算機(jī)完成)。,提供給光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計者廣泛而有益的入門指南：概念，順著這些概念合理過渡到被開發(fā)真實系統(tǒng)的設(shè)計一些術(shù)語

11、或常用的“行話”要慎用不要專注于數(shù)學(xué)公式及其詳細(xì)的推導(dǎo)。相反，需重視對設(shè)計和工程過程的理解光學(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)計可制造能力與可測試能力。,光學(xué)設(shè)計的基本觀點指南,相關(guān)概念,子午面：包含光軸的平面,截距：物方截距——物方光線與光軸的交點到頂點 的距離 像方截距——像方光線與光軸的交點到頂點

12、 的距離,,傾斜角：物方傾斜角——物方光線與光軸的夾角 像方傾斜角——像方光線與光軸的夾角,符號法則：,分界面有左右，球面有凹凸，光軸有上方下方，區(qū)別,規(guī)定：,1.光線傳播方向：從左向右,2.線段：沿軸線段（L，L′，r）以頂點O為基準(zhǔn)，左負(fù)右正，間隔d（OO=d）以前一個面為基準(zhǔn)，左負(fù)右正；,3.角度：光軸與光線組成角度（U，U′） 光軸以銳角

13、方向轉(zhuǎn)到光線，順時針為正， 逆時針為；,光線與法線組成的角度（I，I′）,光線以銳角方向轉(zhuǎn)到法線，順時針成角為正，逆時針為負(fù)；,光軸以銳角方向轉(zhuǎn)到法線，順時針成角為正，逆時針為負(fù)；,光軸上的點發(fā)出的很靠近光軸的同心光束經(jīng)球面折射后仍為同心光束，即軸上點以細(xì)光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成的像一般認(rèn)為是完善的像。這種由近軸光線所成的像稱為高斯光學(xué)（Gaussian image)。討論光學(xué)系統(tǒng)近軸區(qū)域成像性質(zhì)和規(guī)律的光學(xué)稱為高

14、斯光學(xué)或近軸光學(xué)（paraxial optics),橫向放大率：像的大小與物的大小之比（?）；軸向放大率：像點與對應(yīng)的物點沿軸移動量之比（α）；角放大率：折射前后的一對光線與光軸夾角u與u之比（?）,J稱為拉氏不變量,,光學(xué)材料,一、光的色散,,對于不同波長的光線，自然光通過三棱鏡將得到由紅到紫排列的光譜。,光的色散現(xiàn)象證明光學(xué)材料對不同波長的光折射率不同，即 ，當(dāng)λ小時折射率大。在進(jìn)行光學(xué)儀器設(shè)計時

15、，我們必須考慮到光學(xué)材料的這種性質(zhì)。,二、光學(xué)材料,光學(xué)系統(tǒng)中以折射零件和反射零件為主，反射零件主要性能在于其反射率及其穩(wěn)定性，折射零件的性能主要在于透明度、吸收系數(shù)、透明波段等。,光學(xué)材料主要包括光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體和光學(xué)塑料等。,光學(xué)玻璃,定義：用于制造光學(xué)儀器或機(jī)械系統(tǒng)的透鏡、棱 鏡、反射鏡、窗口等的玻璃材料。包括：無色光學(xué)玻璃(通常簡稱光學(xué)玻璃) 對光學(xué)常數(shù)有特定要求，具有可見區(qū)高透過、無選擇吸收著色 ，多用作望遠(yuǎn)鏡

16、、顯微鏡、照相機(jī)等的透鏡、棱鏡、反射鏡等 。有色光學(xué)玻璃 又稱濾光玻璃。對紫外、可見、紅外區(qū)特定波長有選擇吸收和透過性能 ，主要用于制造濾光器 。,耐輻射光學(xué)玻璃、 在一定的γ射線、X射線輻照下，可見區(qū)透過率變化較少，品種和牌號與無色光學(xué)玻璃相同，用于制造高能輻照下的光學(xué)儀器和窺視窗口防輻射玻璃 對高能輻照有較大的吸收能力，有高鉛玻璃和CaO-B2O2系統(tǒng)玻璃，前者可防止γ射線和X射線輻照，后者可吸收慢

17、中子和熱中子，主要用于核工業(yè)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等作為屏蔽和窺視窗口材料 。光學(xué)石英玻璃。以二氧化硅為主要成分，具有耐高溫、膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能好等特點，用于制造對各種波段透過有特殊要求的棱鏡、透鏡、窗口和反射鏡等,成分： 光學(xué)玻璃是用高純度硅、硼、鈉、鉀、鋅、鉛、鎂、鈣、鋇等的氧化物按特定配方混合,在白金坩堝中高溫融化,用超聲波攪拌均勻,去氣泡；然后經(jīng)長時間緩慢地降溫，以免玻璃塊產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。冷卻后的玻璃塊，必須經(jīng)過光學(xué)儀器

18、測量，檢驗純度、透明度、均勻度、折射率和色散率是否合規(guī)格。合格的玻璃塊經(jīng)過加熱鍛壓，成光學(xué)透鏡毛胚。,1 、光學(xué)玻璃的技術(shù)參數(shù),,折射率,色散,對于光學(xué)設(shè)計來說，其主要參數(shù)是:,人眼最靈敏波長是555nm ，兩個極端是C光，F(xiàn)光。,,,,平均色散,部分色散,阿貝常數(shù)(平均色散系數(shù)),相對色散(部分色散系數(shù)),用 n 和ν可以表征玻璃的光學(xué)性能,例如： K9 玻璃， n= 1.5163, ν =64.1 一般玻璃 n= 1.4 至 1

19、.8,,,,2 、光學(xué)玻璃分類及其技術(shù)參數(shù),一般玻璃廠家都提供n－ν便于設(shè)計者從中選擇光學(xué)玻璃。,光明玻璃廠的玻璃領(lǐng)域圖,另外材料的光學(xué)均勻性、化學(xué)穩(wěn)定性（ n 大時往往較軟，化學(xué)穩(wěn)定性差）氣泡、條紋、內(nèi)應(yīng)力等，皆對成像有影響?？傊畱?yīng)根據(jù)儀器要求挑選不同等級的玻璃。,當(dāng)設(shè)計激光光學(xué)系統(tǒng)、紅外、紫外等光學(xué)系統(tǒng)時，須計算其他波長的折射率，可利用經(jīng)驗公式，如Schott公式：,,對于反射材料，由于沒有色散，不必考慮阿貝數(shù)，其唯一特性是反射率。

20、通常需要采用鍍反射膜的方法提高反射率，在可見光波段可以鍍銀或鋁。銀比鋁反射率高，鋁的反射率比銀穩(wěn)定。具體鍍什么金屬反射膜要根據(jù)所用波段而定。,玻璃選擇,傳統(tǒng)上nD>1.60，VD>50和nD55的各類玻璃定為冕(K)玻璃，其余各類玻璃定為火石(F)玻璃。冕玻璃特征是低折射率低色散，火石玻璃是高折射率高色散。正光焦度光組：冕玻璃一般作凸透鏡，火石玻璃作凹透鏡。負(fù)光焦度光組：冕玻璃一般作凹透鏡，火石玻璃作凸透鏡。,最早被人

21、們用來制作光學(xué)零件的光學(xué)材料是天然晶體，據(jù)稱古代亞西利亞用水晶作透鏡，而在古代中國則應(yīng)用天然電氣石（茶鏡）和黃水晶?？脊偶易C明公元三千年前在埃及和我們（戰(zhàn)國時代）人們已能制造玻璃。但是玻璃作為眼鏡和鏡子還是十三世紀(jì)在威尼斯開始的。恩格斯在“自然辨證法”中對此曾給予很高的評價，認(rèn)為這是當(dāng)時的卓越發(fā)明之一。此后由于天文學(xué)家與航海學(xué)的發(fā)展需要，伽利略、牛頓、笛卡兒等也用玻璃制造了望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡。從十六世紀(jì)開始玻璃已成為制造光學(xué)零件的主要材料了

22、。　　到了十七世紀(jì)，光學(xué)系統(tǒng)的消色差成為光學(xué)儀器的中心問題。這時由于改進(jìn)了玻璃成分，在玻璃中引入了氧化鉛，赫爾才于1729年獲得第一對消色差透鏡，從此，光學(xué)玻璃就被分為冤牌和燧石玻璃兩個大類。　　1768年紀(jì)南在法國首先用粘土棒攪拌的方法制得了均勻的光學(xué)玻璃，從而開始建立了獨立的光學(xué)玻璃制造工業(yè)。在十九世紀(jì)中葉，幾個發(fā)達(dá)的資本主義國家都先后建立了自己的光學(xué)玻璃工廠，如法國帕臘-芒圖公司（1872年）、英國錢斯公司（1848）、德

23、國蕭特公司(1848)等。,發(fā)展簡史：,十九世紀(jì)光學(xué)儀器有很大發(fā)展。第一次世界大戰(zhàn)前夕，德國為了迅速發(fā)展軍用光學(xué)儀器，要求打破光學(xué)玻璃品種貧乏的限制。這時，著名物理學(xué)家阿員參加了蕭特廠的工作。他在玻璃中加入了新的氧化物如BaO，B2O3,ZnO，P2O3等，并且研究了它他對玻璃光學(xué)常數(shù)的影響。在這基礎(chǔ)上，發(fā)展了鋇冤、硼冤、鋅冤等類型玻璃，同時也開始試制了特殊相對部分色散的燧石玻璃。在這時期內(nèi)，光學(xué)玻璃品種有了很大的擴(kuò)展，因而在光學(xué)儀器方

24、面出現(xiàn)了較完整的照相機(jī)及顯微鏡物鏡?！　≈敝炼兰o(jì)三十年代以前，大部分工作仍在蕭特廠基礎(chǔ)上進(jìn)行。到1934年獲得了一系列重冤玻璃，如德國號SK-16（620/603）及SK-18（639/555）等。到此為止，可以認(rèn)為是光學(xué)玻璃發(fā)展的一個階段。　　二次世界大戰(zhàn)前后，隨著各種光學(xué)儀器如航空攝影，紫外與紅外光譜儀器、高級照相物鏡等的發(fā)展，對光學(xué)玻璃又產(chǎn)生了新的需要。這時，光學(xué)玻璃也就相應(yīng)地有了新的發(fā)展。1942年，美國摩萊（Mor