毕业设计 光学设计软件OSLO应用

一、光学系统设计概述

1.光学系统设计基本步骤

一、确定设计指标

二、光学系统外形尺寸计算，可行性分析，设计指标修正

三、光学系统初始结构设计

四、像差平衡，必要时修改初始结构

五、像质评价与公差分析

六、绘制光学系统图、零件图

七、完成设计报告

光学系统的种类繁多，由于其结构参数与成像质量之间的复杂关系，即使简单的镜头，也不能从像质要求直接求解得可用的结果。因此，光学系统设计是一个非常复杂的过程，通常是先根据镜头的性能参数和像差要求选择适当的结构形式，再基于初级像差理论求解或从文献中查找最佳的初始结构参数，然后对像差进行逐步平衡，直到满足像质要求。

光学系统初始结构设计方法包括计算法、经验法、计算结合经验法、查资料法（即根据孔径、视场、波长、焦距，进行整体缩放）等。

光学设计软件的应用并没有改变这一过程，只是使这一过程的进程大为加快，使设计质量和效率大为提高。

2.光学自动设计概述

（一）结构参数和像差函数

光学系统的结构参数包括各表面的曲率半径与面形、各透镜中心厚度与间隔、光学材料参数（折射率、阿贝数等）。各种像差可以认为是结构参数的函数，结构参数变化，像差随之发生变化。由于结构参数的变化不全是任意的，各种像差之间存在相关性，应根据需要对像差进行综合平衡。

（二）评价函数

光学设计必须校正系统的像差，但既不可能也无必要把像差校正到完全理想的程度。因此，既需要选择像差的最佳校正方案，也需要确定校正到怎样的程度才能满足使用要求，即确定像差容限。这属于光学系统质量评价的问题。

评价函数是综合评价像质好坏的函数，它的一般形式为：

其中f1、f2……f m为各像差函数，如几何像差、波像差、畸变、色差等，f1*、f2*……f m*为各像差目标值，W1、W2……W m为权重因子。

评价函数值越小，光学系统的像质越好，所以评价函数也称为目标函数。

在光学设计中，根据不同的情况修改权重因子的大小是一项主要的工作。要严格控制的像差W大，控制比较松的像差W小，不控制的像差W=0。

3.像质评价

任何物体可以分解为点，也可以分解为各种频率的谱，两种不同的分解方法构成两类评价光学系统的方法。

第一类以物点所发出的光能在像空间的分布状况作为质量评价的依据。

第二类将物体分解为一系列不同频率的谱，它们经光学系统传递到像方时频率不变，但对比度要下降，并截止与某一频率。

1.分辨率

能被光学系统分辨开的两个物点（或像点）之间的最小距离，称为光学系统的分辨率。对大部分光学系统都应有分辨率的要求，它反映了光学系统分辨物体细微结构的能力，是评价光学系统的质量指标之一。它比较容易测量，被广泛应用于光学仪器质量检验中。

2.点列图

由一点发出的许多光线经过光学系统后，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。点列图忽略了衍射效应。在大像差系统的点列图中，点的分布能近似代表点像的能量分布。因此，用点列图中点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣。

3.点扩散函数和光学传递函数

物面上一个亮点经光学系统后的光强分布函数，即像斑的复振幅分布函数，称为点扩散函数。对于衍射受限的成像系统，这个函数反映了系统的衍射效应。对于有像差的成像系统，这个函数反映系统的衍射和像差的共同效应。

对于非相干成像系统，可以把物的光强分布看作是无数物点的线性组合，那么像的光强分布函数就是这些点扩散函数的线性组合。设物面和像面的分布函数分别为o(x, y)和i(x, y)，点扩散函数为h(x, y)，则

设o(x, y)、i(x, y)、h(x, y)的傅里叶变换分别为O(s, t)、I(s, t)、H(s, t)，它们之间有如下简单关系：

这一结果的意义是：一个任意的非相干的光强分布，可以看作是各种空间频率的光强度分布的组合。光学系统对o(x, y)成像的过程，就是将o(x, y)中每一频谱分量O(s, t)乘上一个相应的因子H(s, t)，构成像i(x, y)的谱I(s, t)。H(s, t)反映了光学系统对各频谱分量的传递特性，也就完全反映了光学系统的成像特性，称为光学传递函数（OTF）。它是一个复数，模和相位分别是调制传递函数（MTF）和相位传递函数（PTF）。

这是目前认为较好的一种像质评价方法，它既有明确的物理意义，又和使用性能有密切联系，可以计算和测量，对大像差系统和小像差系统均适用，是一种有效、客观、全面的像质评价方法。

4.光学软件属性

光学软件依照计算方式不同分为Ray Tracing、BPM、FDTD等。其中Ray Tracing分Sequential ray trace（序列描光）和Non-Sequential ray trace（非序列描光）两类。

序列描光的特点是以光学面来建立模型，每个面有编号；使用单一光源，按照光学面的顺序计算光线，每个面仅作一次计算，不考虑分光；计算光线数少，速率快，可做优化计算及公差分析。

非序列描光的特点是以对象来建立模型；有多个光源；不考虑对象或光线顺序，同一个面可做多次计算，同时考虑部分穿透、反射、吸收、散射等情况，最接近真实世界的光线行为；需要计算大量光线，无法做优化设计。

二、OSLO简介

OSLO软件只是一个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进行光学设计，而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量。所以，在进行光学辅助设计之前，要先学习光学设计的有关知识：首先是几何光学基础。几何光学是光学设计的基础，要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺寸计算方法，了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程。其次是像差理论知识。对于一个光学系统，一般存在7种几何像差，分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差。另外，还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识，以及一些光学工艺的知识，包括切割，粗磨，精磨，抛光和磨边，镀膜和胶合等。

三、OSLO界面入门

工具栏

Setup Window / Toolbar，选择在工具栏上显示的工具。

命令输入栏

用户可以直接在命令输入栏输入指令。

文本窗口

文本窗口显示的数据在OSLO后台对应一个数据矩阵，用户可以通过一定的指令在自己的程序中调用这些数据；用户可以通过Window菜单开启新的文本窗口。

图形窗口

图形窗口用来显示光路结构、像面光斑（点列图）、像差等图形数用来显示光路结构、像面光斑（点列图）、像差等图形数据；用户可以通过Window菜单开启新的图形窗口。

数据表（Spreadsheets）

OSLO采用表格形式设定系统参数和透镜、光路数据。

按钮表示接受所有设定并关闭数据表；按钮表示取消所有更改并关闭数据表；

按钮用来提示表中文字的具体含义。

面数据表（Surface Spreadsheet）

面数据表是OSLO中最常用的数据表之一，包含系统参数（视场、波长、入射光束口径）设定、光路光路中每个面的参数（折射半径、通光口径、距离、材料和特殊设定等。

球面镜实例

以半径为16mm的凹球面镜为例，输入面形数据，并评价成像质量。

输入面形数据：

1.单击“Draw Off”打开Autodraw窗口。

2.Lens名称设为“Spherical mirror”。

3.设凹面镜的半径为16mm，将surface 1（AST）的RADIUS改为-16（mm）。

4.将surface 1（AST）的材料由AIR改为Reflect(hatch)或者Reflect。

5.将THICKNESS改为-8（mm）。

6.确认。

绘图设置：

1.菜单栏上单击Lens，选择Lens Drawing Conditions…

2.在Image space rays后选择Draw rays to image surface。

3.底部的表格设置显示的光线。在Rays列中将Frac Y Obj = 0.00000的光线数设为11。

4.单击绿色小钩图标关闭设置。

四、风景物镜实例

1.引言

这是一个非常基础的练习，包括如何在OSLO中输入镜头数据和进行简单的优化。本教程的结尾描述了如何使用slider wheels，可以了解如何改变你的系统参数。在非真实优化时，slider wheels可以帮助你理解不同设计条件时的系统变化情况。

本章目的不仅是要学习如何输入数据，而且还学习如何使用OSLO的一些标准工具，以理解简单照相镜头的光学性能。可以从这个练习里面看出OSLO与大多数的其它设计软件不同点。建立系统，然后按Auto键，计算机不可能就自动为你优化好。而是在交互模式下，分步运行，以便知道怎么得到最后的方案。

2.纲要

本练习步聚如下：

1.镜头输入（Lens entry）——输入一个平凸透镜，其后放置一个孔阑。

物距为无穷远，入射光束半径（entrance beam radius）为10mm，视场角（field angle）为±20度

凸面的初始曲率半径为50，玻璃为BK7，厚度为4mm

孔阑到透镜的初始距离为10mm

用marginal ray height solve设置孔阑到像面的距离

2.透镜绘图（Lens Drawing）——设置绘图条件，以显示所要求的光线轨迹。

记得要勾选绘制像面

3.优化（Optimization）——进行优化，消除彗差，焦距为100

建立一个误差函数（error function）：控制有效焦距为100，记住可以控制边缘（近轴）光线的斜率来控制；让三级彗差为0。

记住，在优化的时候让一些参数为变量。这里可以是第一个面的半径（改变光焦度）和孔阑的位置（光栏的位置直接影响彗差）。

4.滑动器设计（Slider-wheel design）——将滑块（sliders）和参数结合在一起，所以可以

分析系统的平衡（记住在孔阑面上放一个厚度的求解（thickness solve））

将透镜的第二个面的曲率半径和滑块结合在一起，另一个和像面的曲率半径结合

调整滑块，观察轴上和轴外的点列图（spot diagrams）情况

通过调整像面的曲率半径，观察轴外点列图的水平和垂直位置

3.详细步骤

在开始本节之前，用同一种OSLO配置。如果你在开始本练习之前，通过删除private/bin/文件夹下的oslo.ini文件，就可以把程序配置恢复到原厂状态。一般情况下，不需要这么做。镜头数据输入

详细步聚如下：

1)打开OSLO软件，选择"Start a new lens"，或从菜单中选择"File>>New Lens…"

2)在"File new"对话框中输入文件名"Landscape1"，选择Custom lens和输入3个面，然后点

OK。

3)用下列数据填写固定的部分：

"Lens:"的右边输入"Landscape 1"，将入射光束半径改为5，将视场角改为20，其它的栏目用缺省值。

4)在滚动区域（scrolled area）做以下改变：

4a) 在第一个面的"GLASS"栏目输入"BK7"，这样使第一个面和第2个面之间的光学材料为"BK7"。可以参考《OSLO Optics Reference》中的Quick Start一章。

4b) 在第3面"APERTURE RADIUS"单元中点按钮，然后从弹出式菜单中点"Aperture Stop"。

注：第3面的行按钮会显示为"AST",并且在"APERTURE RADIUS"栏中会加一个A。

4c) 点第1面的"RADIUS"单元，输入曲率半径50

4d) 点第1面的"THICKNESS"单元，输入4

4e) 在第2面的"THICKNESS"单元，输入10

5)在第3面中，不直接输入厚度，在厚度单元上点一下，选择"Solves(S)>>Axial ray height…

"，会弹出一个对话提示输入solve的值。接受缺省值0，点OK。这会使面3的厚度保持更新，使近轴光线的高度在第4面上为0。

6)点第3面的"SPECIAL"栏，选择"Surface Control(F)>>General"，会出现一个新的电子表格

覆盖当前的电子表格。

6a) 在"Surface appearance in lens drawings"中点按键"Automatic"，然后选择"Drawn"，这使OSLO画surface 3

6b) 然后点绿色的对号，关闭电子表格，并返回到surface data电子表格

6c) 这时可以看到第3面的special按钮上有一个F。

7)在第4面重复步聚6－6c。

完成了以上镜头的数据输入后，电子表格的数据如下：

注：物面是"OBJ"，像面是"IMS"。在所有的系统中都有一个物面和像面，因为在这个镜头中。只有1个面，有另外一个标记为"AST"，这是因为当前面是孔径光栏面（Aperture Stop surface）。

注：在OSLO中，关闭Surface Data窗口（通过点绿色对号或红色的“X“实现）后，结果如下：

要使Surface Data表格回来，从菜单中选择"Lens>>Surface Data Spreadsheet"。

8)为了确认所有数据正确，只要确认具有相同的Efl (effective focal length)，所有按钮上的

标记相同。厚度按钮上的S的意思是指此值是由solve (the axial ray height solve)确定的。

孔径按钮上的S的意思也是此孔径由solve确定的。这是孔径的缺省行为，它是由入射光束半径和视场角决定的。

9)点绿色的对号关闭电子表格，用"File>>Save Lens…"保存镜头文件。

镜头绘图

10)在镜头电子表格的固定区域点"Draw Off"，会出现一个标有"Autodraw"的窗口显示所输入

的镜头。如果点第2个面的任何一个单元，可以看到第2个面会变成虚线。如果镜头的数据改变，图形会自动更新。Autodraw窗口是一个特殊的窗口，它没有通常的图形窗口的全部功能，但可以自动更新，这和普通图形窗口不同。从Lens菜单中，选择Lens Drawing Conditions，得到电子表格，选择"Image space rays:"，改变"Final dist"，观察图形变化。

将"Final dist"选为"Draw to image surface"。现在可以看到透镜成像的详细情况。明显，轴外的像不太好。看到主要像差是场曲。

优化

本部分是讲解优化。需要定义一个误差函数（即评价函数、优化函数）error function，使焦距为100mm，还要消除三阶塞得彗差。

11)选择"Optimize>>Generate Error Function>>Aberration Operands…"，建立一个OSLO进行

优化的error function。

"Operands Data Editor"中"NAME"栏是每个操作数的识别符号，"DEFINITION"栏的OCM列元素是每个操作数定义的值。每个操作数控制"NAME"栏中的一些系统参数。例如操作数#6 "PLC"控制"横向色差（Paraxial Lateral Color）"。在优化过程中，不需要控制所有这些参数，所以要确定用哪些项。

12)本例子中，要保留的操作数为CMA3和EFL。其它的都删除掉。CMA3表示像差的3级

"Coma"，EFL表示"Effective Focal Length"。权重都设为1。

需要提到的是，在OSLO中，所有操作数的目标值是0。即优化算法会使所有项最小。因为EFL操作数是有效焦距，不能让它为0，而是100。

我们将第二个操作数设置为OCM21-100，并将其名字改为EFL_ERR。

13)现在点绿色的对号关闭电子表格，然后点文本窗口中的"Ope"按钮，文本窗口中会列出

当前操作数的值和误差函数的值。

误差函数的操作数已经定义好了。从文本窗口的输出可以看到，EFL中的误差几乎占误差函数整个误差的100%。需要优化此系统并校正焦距。

对一定的入射光束半径，控制从透镜最后一面出射的轴上光线斜率是控制系统的EFL的另一种方法。

为了实现优化，我们需要指定系统的参数为变量。这里使用的参数是透镜的第一个面的曲率半径(CV 1)，和透镜到孔阑之间的距离(TH 2)。

14)在镜头表格中，点第1面的"RADIUS"栏按钮，选择"Variable(V)"。在第2面的"THICKNESS"

上选择"Variable(V)"。在第1、2面上的相应按钮上会显示V，表示它是变量。

15)下面开始优化镜头。在优化以前，先关闭lens spreadsheet（单击绿色对勾），且立即重

新打开它。此动作将当前系统保存在缓存中。如果优化过程中有什么问题，可以点红色的“X”回复到最后打开的表格系统中。

16)要优化，点文本窗口中的"Ite"，会优化十个周期。只有输入了操作数和变量，此按钮才

能有效。

文本窗口会显示如下的样子（尽管有些小的不一样）。可以看到误差函数减小到0，说明这里变量解决这个问题适当。

17)在优化后，核对lens spreadsheet，和下面的一样。可以看到Efl正好为100。点文本窗

口中的"Abr"，可以看到透镜的像差，显示PU = -0.05，塞得彗差CMA3为0。从上面看，完全满足初始的目标。

18)关闭表格，保存镜头。

设置滑动器

一个单透镜，如landscape lens，没有很多自由度。在这个练习中，将透镜的后表面控制为平面。Landscape透镜一般是新月的形状。下面来看看如何用OSLO的slider-wheel窗口找到最佳形式。看看一下弯曲像面的效果。

首先，建立一个基本的slider-wheel窗口，将第2、4个面的曲率半径和滑块结合起来。然后，示出如何利用拖动滑块或旋转鼠标滚轮对系统进行连续优化。

19)打开镜头，选择"Optimize>>Slider-Wheel Design…"，打开Slider-Wheel设置表格。

20)首先，设置下图中显示的选项。

点"Spot diagram"，设置"Graphics scale"为1.0；选择"All points"，将滑块的数量设置为缺省值2；在Surfs栏中，输入2和4，参数都设置为"Curvature (CV)"。

21)关闭电子表格（绿色的对号），这时可以看到一个slider-wheel窗口和二个图形窗口(GW 31

& GW 32)。

22)通过拖动或点击滑块（滑块实际上就是个滚动条），或用鼠标滚轮。要用鼠标滚轮，将

指针放在滑块上的任意位置，然后转动滚轮。注意点列图：在中央部分、带孔径和边缘处像的样子。因为有像散，所以是椭圆形状，但没有彗差。现在可以拖动滑块或转动滚轮看会发生什么变化。

移动滑块，使CV[2]为负的，透镜变为正的，焦距变小。像质变化了，因为系统不再是没有彗差。

如果将曲率改变很大(< -0.033)，光线追迹会失败。这时可以点OK，使错误框消失，然后使滑块向中间移动。

移动滑块，使CV[2]为正，透镜变为新月的样子，焦距变长，但最后透镜变为负的，光束发散。实验完了后，将CV[2]设置为0。

尝试改变CV[4]（像面的半径），将其变为负的，可以增大轴外像的大小，实际上，可以找到一个线状焦点的位置，一个水平方向（子午焦点），一个垂直方向（弧矢焦点）。这说明系统没有彗差，如果设置CV[2]为某个值（如-.020），使系统有彗差，就不能实现这个。这就是设计者常说的不能聚焦。

23)正如如见slider-wheel分析功能很有趣，但OSLO中滑块的真正强大是允许通过拖动滑块

对系统进行重新优化。

将曲率半径重新置为0，如果调整了其它系统参数，可以重新打开此镜头。

重新打开滑块电子表格Optimize>>Slider Wheel Design，在Slider-wheel-Setup对话框中，设置"Enable sw_callback CCL function"为On，将"Level"设置为2，然后选择绿色的对号关闭Slider-wheel设置。

24)要看这样会做什么，关闭滑块窗口。看不到系统的任何变化，因为已经优化过了，但可

以看到文本的输入和下面类似。当移动滑块时，可以看到文本输出窗口一闪一闪的，因为系统在重新优化。

25)在图形窗口中，会看到和前面完全不同的情况。拖动滑块，使CV[2]往正的方向增大，

透镜变为弯月形，但焦距不变。彗差优化的过程中，孔阑面移动。通过第3个面上的height solve使像面保持在近轴像平面上，通过aperture solves调节透镜的直径，所以从视场边缘来的光线可以通过系统。

当透镜弯曲增加时，光栏移动方向相反，孔阑向透镜移动。

当然，系统的球差不是常数。要改善边缘视场的像质，要牺牲一些轴上像质。这可以通过非球面透镜实现，但这不是本练习的内容了。