光学设计与光学工艺教程课件.ppt

1、光学设计与光学工艺（第一讲）（第一讲）光学设计过程中需注意的问题光学设计过程中需注意的问题目录引引 言言一一光光 学学 设设 计计 过过 程程二二光学设计过程中考虑问题光学设计过程中考虑问题三三六倍放大镜的加工六倍放大镜的加工四四客户客户提出需求提出需求 系统总体装调及检验系统总体装调及检验 光学设计光学设计光学零件加工光学零件加工机械零件加工机械零件加工光学机械设计光学机械设计光学零件检验光学零件检验机械零件检验机械零件检验光学系统实现过程光学系统实现过程光学设计宗旨：满足技术满足技术要求要求便于制造便于制造节省成本节省成本一、引一、引 言言观察目标特性(可见光,红外)或应用领域(激光)观察

2、范围成像要求成像要求(点扩散函点扩散函数传递函数数传递函数透过波前透过波前分辨率分辨率)能量视场探测器口径波谱范围焦距成像质量要求大设计难度要求小探测器能量响应要求 合适视场 口径 焦距 成像要求 镜头设计(Lens Design)光学系统设计光学系统设计(Optical System Design)二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程客户客户需求需求设计设计过程过程像质评价像质评价像差校正与平衡像差校正与平衡样板匹配样板匹配公差分析公差分析初始结构初始结构计算与选择计算与选择出设计图纸出设计图纸123456二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程二、二、光光 学学 设设 计计 过过

3、程程一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功1 1、初始结构的计算和选择、初始结构的计算和选择l 根据初级象差理论求解初始结构根据初级象差理论求解初始结构 l 从已有的资料中选择初始结构从已有的资料中选择初始结构二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程2 2、象差校正和平衡、象差校正和平衡 用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线及各种象差曲线;找出影响光学系统成象质量的主要象差是哪些找出影响光学系统成象质量的主要象差是哪些;找出改进办法，进行象差校正找出改进办法，进行象差校正;反复进行象差分析、校正及平

4、衡，直到满足成反复进行象差分析、校正及平衡，直到满足成 象质量要求为止。象质量要求为止。二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程3 3、象质评价、象质评价光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的大小判断光学系统的成象质量。大小判断光学系统的成象质量。二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程适用于小象差系统如：适用于小象差系统如：望远物镜、显微物镜等。望远物镜、显微物镜等。实际波面与理想波面之实际波面与理想波面之间的最大波象差不超过间的最大波象差不超过1/4 1/4

5、 波长波长用于评价大象差系统用于评价大象差系统客观、可靠、便于计算客观、可靠、便于计算和测量，不仅能用于光和测量，不仅能用于光学设计结果的评价，还学设计结果的评价，还能控制光学系统设计的能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学过程、镜头检验、光学总体设计等各方面。总体设计等各方面。象质评价象质评价的方法的方法瑞利判断分辨率点列图光学传递函数二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程对于球面元件，一般根据厂家样板库来进行曲率半对于球面元件，一般根据厂家样板库来进行曲率半径选择。径选择。4 4、样板匹配、样板匹配手工匹配原则：先输入曲率半径小的，再输入曲率半径大的，每输入一次要进行一次自动优化。自

6、动匹配自动匹配 利用软件自带的样板匹配功能利用软件自带的样板匹配功能进行自动匹配；进行自动匹配；手工匹配手工匹配 手工输入样板库中有的样板。手工输入样板库中有的样板。HENGYI.TPD就是恒益公司的样板库l厂家样板库lZemaxToolsTest Plates Test Plate Fitting选择样板库(File Name)选择匹配方式(Method of Fit)进行匹配二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程5 5、公差分析、公差分析l 公差分析的目的公差分析的目的:给出合理的加工要求，合理的加工要求既能保证加工的可行性，同时又能降低加工难度和加工成本，因此公差分析工作至关重要。公

7、差分析宗旨公差分析宗旨:使最差情况下的传递函数由于工艺因素的总下降量不大于0.15，以便探测器仍能分辨它对应的空间频率。二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程 性能合理镜头的首选公差性能合理镜头的首选公差参数公差参数公差半径0.001mm样板的测量精度倾斜0.05mm TIR对样板的光焦匹配3个光圈偏心0.05mm表面不规则度1个光圈（0.3）折射率0.001厚度0.05mm阿贝数0.8%空气间隔0.05mm玻璃不均匀性0.0001楔角/同心度0.025mm TIR二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程包括光学元件的厚度和机械元件包括光学元件的厚度和机械元件支撑的间隔。支撑的间隔。在使

8、用在使用ZEMAX软件模拟公差时，软件模拟公差时，公差操作数公差操作数TTHI有两个参数，有两个参数，int1是用来定义公差的表面编号，是用来定义公差的表面编号，而而int2是作为补偿的表面编号，是作为补偿的表面编号，最小值和最大值是以镜头长度单最小值和最大值是以镜头长度单位表示的极值偏差。位表示的极值偏差。实际上，有楔角的元件实际上，有楔角的元件 与与 光轴相光轴相对于其机械轴倾斜对于其机械轴倾斜 的元件完全相的元件完全相同，当旋转元件时，元件具有边缘同，当旋转元件时，元件具有边缘厚度差。厚度差。偏心包括两种，一种是简单的横偏心包括两种，一种是简单的横向偏心（上、下），另一种是使元向偏心（上

9、、下），另一种是使元件始终保持与机架座接触的件始终保持与机架座接触的“滚滚动动”。两种偏心模型实际上完全不。两种偏心模型实际上完全不同。在滚动的情况下，与机架座接同。在滚动的情况下，与机架座接触良好的左侧半径被良好地校准，触良好的左侧半径被良好地校准，表面倾斜只发生的右侧表面上。表面倾斜只发生的右侧表面上。在在ZEMAX里里TSDX、TSDY用来用来模拟一个标准表面的偏心公差，单模拟一个标准表面的偏心公差，单位为镜头长度（位为镜头长度（mm）,而而TEDX、TEDY是用来模拟一个元件的偏心是用来模拟一个元件的偏心公差，可以是标准面也可以是非标公差，可以是标准面也可以是非标准面，准面，int1、

10、int2定义了一个镜头定义了一个镜头组的边界面。组的边界面。Radius（半径）（半径）Fringes（光圈）（光圈）Irregular（表面不规（表面不规则度）则度）Decenter（偏心）（偏心）楔角楔角/同心度同心度/倾斜倾斜Thickness（厚度（厚度/间间隔）隔）样板的检测精度，光学设计样板的检测精度，光学设计师应该与光学加工师沟通师应该与光学加工师沟通N=/2，普通的光学加工一般控制，普通的光学加工一般控制在在5个光圈，较好的精度应该控制个光圈，较好的精度应该控制在在3个光圈以内。个光圈以内。表面不规则度可以通过局部表面不规则度可以通过局部光圈（光圈（N）来考察，工艺上）来考察，

11、工艺上可以做到可以做到0.3个光圈。个光圈。二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程 性能合理镜头的首选公差性能合理镜头的首选公差6 6、出设计图纸、出设计图纸设计图纸是指导加工的依据，图纸设计图纸是指导加工的依据，图纸必须要规范，避免引起误解必须要规范，避免引起误解二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程光学系统实例光学系统实例：二、二、光光 学学 设设 计计 过过 程程注意注意问题问题标准零件图纸标准零件图纸零件技术指标零件技术指标加工工艺及成本加工工艺及成本检验方案检验方案材料选择材料选择加工超差补救加工超差补救三、光三、光 学学 设设 计计 注注 意意 问问 题题123456三、光

12、三、光 学学 设设 计计 注注 意意 问问 题题 材料选择的问题材料选择的问题1零件技术指标的问题零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题加工工艺及成本的问题4检验方案的问题检验方案的问题5加工超差补救的问题加工超差补救的问题61、光学设计中的材料选择材料选择的宗旨：既能满足设计要求，同时有利于加工，价格合理 在绘制图纸阶段须对材料提出严格要求，材料本身问题引发的后续问题在后续阶段很难发现。材料性能、加工成本及加工难度相差很大，有些大口径光学材料是很难购得的。常用光学材料常用光学材料光学玻璃牌号分类光学玻璃牌号分类国际玻璃码的表示国际玻璃码的表示1 1、光

13、学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择1、光学设计中的材料选择常用的光学材料：l 光学玻璃（包括无色光学玻璃、有色光学玻璃和特种光学玻璃）l 微晶玻璃l 光学晶体l 塑料l 金属材料（例如：铜，铝等，做反射镜）l光学玻璃的牌号分类冕牌玻璃冕牌玻璃“K K”火石玻璃火石玻璃“F F”“轻轻”“Q Q”“重重”“Z Z”钡冕钡冕 BaKBaK钡火石钡火石BaFBaF镧冕镧冕 LaKLaK镧火石镧火石LaFLaF特殊玻璃在玻璃表中不占专门的区域特殊玻璃在玻璃表中不占专门的区域TKTK和和TF.TF.阿贝数的不同阿贝数的不同折射率的高低折射率的高低化学成分的不同化学成分的不同1 1、光学设计中的材料

14、选择、光学设计中的材料选择肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线,将阿贝图将阿贝图分成许多区，将光学玻璃分类。分成许多区，将光学玻璃分类。阿贝数折射率1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择折射率1.6,V50:冕牌玻璃；V50:火石玻璃 折射率1.6，V55:冕牌玻璃；V0.030.10A0.100.25B0.250.5C0.51.00D1.002.00E2.004.00 玻璃中的气泡是玻璃在熔炼过程中，气体来不及逸出所致。l玻璃中允许气泡含量等级是由玻璃中允许气泡含量等级是由100cm100cm3 3玻璃中所含气泡玻璃中所含气泡 （直径（直径0.05

15、mm0.05mm2mm2mm）的总截面积来确定的。）的总截面积来确定的。气泡度分为气泡度分为7 7级级1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择光学玻璃的物理、化学特性光学玻璃的物理、化学特性相对研磨硬度相对研磨硬度显微硬度显微硬度 耐潮稳定性耐潮稳定性耐酸稳定性耐酸稳定性玻璃抵抗硬物压入的能玻璃抵抗硬物压入的能力，用克氏显微硬度力，用克氏显微硬度HKHK表示。表示。采用采用pH2.9pH2.9的醋酸、的醋酸、pH4.6pH4.6的标准醋酸盐、的标准醋酸盐、pH6pH6的水作为测定介质，抛光玻璃表面被介质的水作为测定介质，抛光玻璃表面被介质侵蚀后，在白光灯下观察玻璃表面出现紫蓝干侵蚀后

16、，在白光灯下观察玻璃表面出现紫蓝干涉色的时间（此时侵蚀破坏层的光学厚度为涉色的时间（此时侵蚀破坏层的光学厚度为135nm135nm）或表面呈现杂光或脱落现象的时间，）或表面呈现杂光或脱落现象的时间，据此可对光学玻璃耐酸性进行递减式分类定级。据此可对光学玻璃耐酸性进行递减式分类定级。影响光学加工难度和影响光学加工难度和光学系统的使用寿命光学系统的使用寿命同等研磨条件下，被测玻璃相对同等研磨条件下，被测玻璃相对标准玻璃（标准玻璃（K9K9）的研磨硬度，用）的研磨硬度，用A A表示表示A AV V0 0/V/V，A A越大表明玻璃越大表明玻璃硬度越大。硬度越大。双面抛光的玻璃样品置于双面抛光的玻璃样

17、品置于707011的饱和的饱和水蒸气条件下，七昼夜后，测定玻璃表水蒸气条件下，七昼夜后，测定玻璃表面散射率面散射率TBTB，再和标准白板时的散射率，再和标准白板时的散射率TATA相比，相比，H HTB/TATB/TA100100，H H值即表示值即表示玻璃表面玻璃表面“生雾率生雾率”。1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择国内生产光学玻璃材料的厂家国内生产光学玻璃材料的厂家l成都光明光电有限公司l上海新沪玻璃厂国外生产光学玻璃材料的厂家国外生产光学玻璃材料的厂家 l德国肖特l日本保谷（HOYA）l日本小原（OHARA）等1 1、光学设计中的材料选择、光学设计中的材料选择三、光三、光

18、 学学 设设 计计 注注 意意 问问 题题材料选择的问题材料选择的问题1零件技术指标的问题零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题加工工艺及成本的问题4检验方案的问题检验方案的问题5加工超差补救的问题加工超差补救的问题6即通常所说的光学表面疵病，表面疵病是指麻点，擦痕，开口气泡，破点及破边，和表面粗糙度是完全不同的概念。2、零件技术指标问题面形偏差面形偏差表面光洁度表面光洁度表面粗糙度表面粗糙度最基本的零件指标光圈数N，被检光学表面的曲率半径相对于参考光学表面曲率半径的偏差对应的光圈数象散偏差1N局部偏差2N2、零件技术指标问题平面的主要技术指标光圈和局部

19、误差平行度和楔度外形尺寸国家标准国家标准GB2831-81GB2831-81l 对于高精度的平行平板，其面形对于高精度的平行平板，其面形和平行度是相关的，当面形不好的时和平行度是相关的，当面形不好的时候，平行度也无法达到要求。候，平行度也无法达到要求。l 画图标注时应注意区分平行平板画图标注时应注意区分平行平板与楔板。与楔板。对于反射元件外径厚度比对于反射元件外径厚度比最好小于最好小于1010：1 1，可以尽，可以尽量减少变形。量减少变形。球面的主要技术指标面形N，N中心偏差N对应的是球面半径误差。N对应的是表面不规则程度，通常所说的PV值对应的是N的大小。透镜外圆的几何轴与光轴在透镜曲率中心

20、处的偏离程度，用C表示。国标GB7242-87中提出新的定义：用光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角来度量中心偏差，夹角称为面倾角，用表示。定心顶点：光学表面与基准轴的交点。基准轴：用来标注、检验和校正中心误差的一条确定的直线，该直线应体现系统的光轴。2 2、零件技术指标问题、零件技术指标问题中心厚度和边缘厚度要求标准：中心厚度和边缘厚度要求标准：GB1205-75GB1205-75本标准适用于玻璃材料的球面的双凸透镜、平凸透镜、正本标准适用于玻璃材料的球面的双凸透镜、平凸透镜、正弯月透镜的边缘最小厚度及双凹透镜、平凹透镜、负弯月弯月透镜的边缘最小厚度及双凹透镜、平凹透镜、负弯月透镜的中心最

21、小厚度。透镜的中心最小厚度。2 2、零件技术指标问题、零件技术指标问题最小中心厚度和边缘厚度标准：最小中心厚度和边缘厚度标准：GB1205-75GB1205-75透镜边缘及中心最小厚度见下表。透镜边缘及中心最小厚度见下表。透镜直径透镜直径 D（mm）正透镜边缘最小正透镜边缘最小厚度厚度 t（mm）负透镜中心最小负透镜中心最小厚度厚度 d（mm）.2 2、零件技术指标问题、零件技术指标问题棱镜的主要技术指标光圈和局部光圈光学平行差（角度差、塔差）外形尺寸光线从反射棱镜的入射面垂直入射后，在出射前对出射面法线的偏差称做反射棱镜的光学平行差。在实用中，反射棱镜的光学平行差以其相互垂直的两个分量表示：

22、在入射光轴截面方向的光学平行差分且称做“第一光学平行差”，以1表示；在垂直于入射光轴截面方向上的光学平行差分量称做“第二光学平行差”，以2表示。第一光学平行差是由反射按镜在光轴截面上的角度误差引起的，也就是棱镜的角度差；第二光学平行差是由反射棱镜的棱的位置误差引起的，这些棱的 位置误差称做塔差。2 2、零件技术指标问题、零件技术指标问题非球面的主要技术指标非球面的主要技术指标非球面单独使用时非球面单独使用时非球面作为系统的单个非球面作为系统的单个元件使用时元件使用时弥散圆弥散圆透过波前透过波前焦距焦距实际加工曲线与理想的非球实际加工曲线与理想的非球面曲线的偏差面曲线的偏差2 2、零件技术指标问

23、题、零件技术指标问题三、光三、光 学学 设设 计计 注注 意意 问问 题题材料选择的问题材料选择的问题1零件技术指标的问题零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题加工工艺及成本的问题4检验方案的问题检验方案的问题5加工超差补救的问题加工超差补救的问题63、标准零件图纸问题标准零件图纸根据国家标准GB13323-91光学制图绘制 新老标准的对比：表面疵病（老标准用指标P，现行标准GB 1185-89用指标B）图纸外形公差应与机械件的公差配合,便于装配厚度与外圆比标准：透过的一般大于1：10；反射的一般大于1：8。3、标准零件图纸问题平面元件标平面元件标准图纸

24、实例准图纸实例对零件的要求对材料的要求3、标准零件图纸问题球面元件标球面元件标准图纸实例准图纸实例对零件的要求非球面元件标非球面元件标准图纸实例准图纸实例3 3、标准零件图纸问题、标准零件图纸问题三、光三、光 学学 设设 计计 注注 意意 问问 题题材料选择的问题材料选择的问题1零件技术指标的问题零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题加工工艺及成本的问题4检验方案的问题检验方案的问题5加工超差补救的问题加工超差补救的问题6材料成本材料成本加工工艺成本加工工艺成本加工难度成本加工难度成本加工数量成本加工数量成本工装夹具及检工装夹具及检 验工具的成本验工具的

25、成本加工加工需考虑需考虑特殊形状元件特殊形状元件 的加工成本的加工成本加工精度成本加工精度成本特殊检验方案特殊检验方案 的成本的成本特殊材料加工特殊材料加工 工艺研究成本工艺研究成本尺寸成本尺寸成本4 4、加工工艺与成本问题、加工工艺与成本问题三、光三、光 学学 设设 计计 注注 意意 问问 题题材料选择的问题材料选择的问题1零件技术指标的问题零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题加工工艺及成本的问题4检验方案的问题检验方案的问题5加工超差补救的问题加工超差补救的问题65、检验方案问题 加工过程中的检测就像人的眼睛一样重要，能检测出来就能加工出来，古典高

26、精度光学加工过程是一个缓慢逼近的过程，只要能检测出加工过程中的缺陷就能修正缺陷。l 元元 件件 检检 测测 l 系系 统统 检检 测测元件检测元件检测l在设计阶段要充分考虑单个元件的检测方式，整个光学系统是由一个个元件组成，在组装以前要严格控制单个元件的质量，从而保证整个系统的质量，等出现问题时开始补救的话将耽误整个工程进度5 5、检验方案问题、检验方案问题5 5、检验方案问题、检验方案问题系统检测系统检测l确定光学系统的评价方式l目前光学系统评价方式有四种，前面已经介绍，应根据现有条件选择合适的评价方式。5 5、检验方案问题、检验方案问题5 5、检验方案问题、检验方案问题检验实例检验实例5

27、5、检验方案问题、检验方案问题5 5、检验方案问题、检验方案问题5 5、检验方案问题、检验方案问题5 5、检验方案问题、检验方案问题三、光三、光 学学 设设 计计 注注 意意 问问 题题材料选择的问题材料选择的问题1零件技术指标的问题零件技术指标的问题2标准零件图纸的问题标准零件图纸的问题3加工工艺及成本的问题加工工艺及成本的问题4检验方案的问题检验方案的问题5加工超差补救的问题加工超差补救的问题66 6、加工超差的补救问题、加工超差的补救问题例如中心厚度，面形，元件变形问题，例如中心厚度，面形，元件变形问题，有些是加工水平无法达到出现的问题，有些是加工水平无法达到出现的问题，有些是加工过程中

28、检验员没有严格把关有些是加工过程中检验员没有严格把关出现的问题，有些是材料本身的问题，出现的问题，有些是材料本身的问题，有些是设计不当造成的问题，对于这些有些是设计不当造成的问题，对于这些问题设计者要充分的考虑。问题设计者要充分的考虑。加工精度超差加工精度超差6、加工超差的补救问题面形偏差面形偏差中心厚度偏差中心厚度偏差可以考虑重新加工，但是会带来相应可以考虑重新加工，但是会带来相应的问题，例如同心度变差，特别是球的问题，例如同心度变差，特别是球面元件，厚度变薄等问题。面元件，厚度变薄等问题。解决的方案：采用数字干涉仪得到实解决的方案：采用数字干涉仪得到实际面形数据，带入设计软件，看对整际面形数据，带入设计软件，看对整个波面或者传递函数是否有影响。个波面或者传递函数是否有影响。可以考虑通过调整空气间隔来消除偏可以考虑通过调整空气间隔来消除偏差。差。四、六倍放大镜的加工四、六倍放大镜的加工四、六倍放大镜的加工四、六倍放大镜的加工四、六倍放大镜的加工