最新光学系统设计
光学系统小型化设计
光学系统小型化轻量化设计光学系统小型化随着光电成像器件和计算机技术的飞速发展，为了满足军用仪器设备体积小、质量轻、机动灵活的需要，光学识别系统向着高灵敏度、小型化的方向发展。
1.衍射光学元件随着超大规模集成电路制作工艺的发展，衍射光学元件因其具有轻型化、集成化、价格低廉、便于压膜复制等优点广泛地应用于光学仪器领域。
小型化光学识别系统将二元衍射元件与传统光学元件相结合，改进后的装置结构紧凑、质量轻、体积较小( 130 mm×90 mm) ，推动了光学识别系统的小型化发展。
光学识别系统的光学系统主要包括准直扩束系统和傅里叶变换系统，其中准直扩束系统主要由准直物镜与会聚物镜组成。
2.简化光学系统根据技术指标要求，采用机械补偿法设计光学系统，选择合适的光学材料及各组元光焦度的合理匹配，选取远摄结构的前固定组实现系统小型化。
减小变倍组和补偿组的焦距是实现光学系统小型化的有效手段。
但变倍组和补偿组焦距的减小是有一定限度的，其受到高级像差增大的限制。
系统简化会引起图像质量下降，可以通过计算成像的方法与光学系统设计相结合，提高图像质量。
光学系统轻量化随着空间光学遥感器地面分辨率的不断提高，导致其视场角、焦距、主镜口径不断增大，对其结构轻量化和稳定性要求也变得越来越苛刻，使光学系统在设计、加工制造、总装调试和检测方面的难度越来越大。
同时，口径的增大也使系统受重力和温度的影响更加突出，因此，针对大口径光学遥感器地面和在轨工作条件的差异，设计出合理的轻量化主镜及其支撑结构，尽量减少系统自重和温度变化对镜面变形的影响，是实现光学遥感器研制成功的关键技术之一。
目前，光学系统轻量化实现途径一是选用新型性能优良的材料和工艺；二是选择新型的超薄镜片技术；三是选择有效的轻量化结构并确定最优的结构参数。
目前，国内外镜体轻量化技术研究主要有3种途径: 浇铸成型法、高温熔接法或熔接物封接法和机械钻削减重法。
参考文献[1]王海燕，苗华，陈宇，光学识别系统小型化设计，激光与红外，2011，12（12）[2]王红，田铁印，5倍变焦距光学系统小型化设计，中国光学，2014，4（2）[2]闫勇，金光，杨洪波，空间反射镜结构轻量化设计，红外与激光工程，2008，2（37）。
现代光学系统设计和优化研究
现代光学系统设计和优化研究光学系统作为一种能够对可见光、红外线和紫外线等辐射进行控制和利用的工具，被广泛应用于人类社会的种种领域。
它的采用不仅可以用于半导体加工中，还可以用于激光器设计、成像，甚至是生命科学等方面的研究中。
然而，在这些应用领域中，光学系统的性能优化是至关重要的。
第一章光学系统设计由于光学传输越长，对初始信号的干扰就越强，因此，在光学系统设计中，我们需要选用适宜的传输介质，并且确保光束在空气、水等介质中的传输稳定性。
此外，为了保持光束的准直度，我们还需要选用高品质的透镜和光学镜头，进行尺寸优化和焦距优化。
光学系统中最重要的组成部分是透镜。
透镜将通过透明介质传输的光束聚焦或分散，实现图片或激光束的成像。
在进行光学系统设计的时候，有以下几个需要考虑的因素：1.前向距离和背向距离：透镜和其他光学元件之间的距离称为透镜的前向距离和背向距离。
为了避免误差，需要将透镜放在约束空间中。
2.设计重心：对于对称光路，设计重心概念非常重要，它可以帮助您识别组成部分的重心位置，从而提高光学系统的稳定性。
3.透镜凸度：对于特定的应用环境，选择透镜凸度很重要。
凸透镜用于分散光束而凹透镜用于聚敛光束。
第二章光学系统优化光学系统的优化是科学研究和产品开发的重要环节。
光学系统的优化可以使光束的传输、成像和定位更加准确，并且可以改善系统的稳定性。
在光学系统优化中，通常会考虑以下几个方面：1.材料优化：光学元件的材料对传输性能、光学特性和光学稳定性都有影响。
低折射率、高透过率和低色散率的玻璃材料被广泛用于透镜的制造中。
2.透镜设计：透镜的形状、厚度和半径对其光学性能有重大影响。
优化透镜的形状、厚度和半径可以使光学系统的一个或多个性能指标得到改善。
对于非常规透镜，我们可以使用切片、渐变折射率和非球面去实现效果。
3.光源优化：光源的发光特性、色温、入射角度和光强决定了进入光学系统的初始光束的性质。
优化光源可以实现更加均匀和稳定的光束，并且可以减少离散误差和噪声。
光学系统设计及其应用研究
光学系统设计及其应用研究光学系统是一种如今广泛应用于各种领域的技术，它可以将光学信息传输、转换和处理，将光的能量转化为电能、热能或机械能等不同类型的能量。
而光学系统设计则是针对不同的应用需求而设计出的光学系统，它可以通过优化光学系统的结构、元件的选择和组装方式等来提高光学系统的性能和效率，满足应用需求。
一、光学系统设计的原理和方法光学系统设计的原理是基于光学折射、反射、衍射等基础理论和光学元件的特性。
设计的方法主要可以分为两类：一种是理论模拟，通过光学软件（如Zemax、Code V等）来进行光学系统的设计、优化和评估。
另一种是实验验证法，在光学实验室中进行光学系统的组装和调试，通过实验数据来验证光学系统的性能。
在理论模拟中，设计者需要首先确定需求，比如光学系统的成像要求、波长范围、物距、焦距等参数，然后再根据需求选择合适的光学元件（如透镜、棱镜、反射镜、光栅等），确定它们的材料、形状、大小和放置位置。
在此基础上，设计者可以通过光学软件来进行光学系统的模拟和优化，比如光路分析、成像分析、光损耗计算等等，通过反复模拟和优化，最终得出一个理想的光学系统设计方案。
在实验验证法中，设计者需要先进行必要的实验前准备，比如选择合适的光学元件、光学仪器、光源等。
接着，通过合理的组装和调试，实验者可以直接观察到光学系统的表现，比如成像质量、衍射图形、光斑大小等等，并通过数据分析和比对来判断光学系统的性能是否符合要求。
如果需要进行优化，则需要通过调整光学元件的位置、大小、形状等参数来实现。
总之，无论是理论模拟还是实验验证，光学系统的设计都需要充分理解光学基础理论和光学元件的特性，合理选取光学元件，并进行合理的组装和调试，从而得出一个满足需求的光学系统设计方案。
二、光学系统设计的应用领域光学系统设计的应用领域非常广泛，以下介绍几个常见的领域：1. 光学成像系统光学成像系统是我们常见的相机、望远镜、显微镜等光学设备的基础，它可以将光学图像转化为电信号，再通过电子技术处理和显示出来。
光学工程中的光学成像系统设计
光学工程中的光学成像系统设计在光学工程领域中，光学成像系统的设计起着至关重要的作用。
光学成像系统是指利用光学原理将被观察物体的信息转换成可观测图像的装置。
它广泛应用于摄影、无人机航拍、医学成像等领域。
光学成像系统的设计涉及到光学元件的选择、系统布局和图像质量优化等多个方面。
在本文中，我们将介绍光学成像系统设计的一般步骤和关键要素。
首先，光学成像系统设计的第一步是明确成像需求和系统约束。
在进行光学成像系统的设计之前，我们需要明确需要成像的物体特性、成像距离、图像清晰度要求等参数。
同时，还需要考虑到系统限制，比如可用的光学元件、成本预算和系统尺寸等因素。
明确这些需求和约束可以为后续的设计提供指导和约束。
其次，光学成像系统设计的关键环节之一是光学元件的选择。
光学元件是构成光学成像系统的重要组成部分，其选择将影响系统的成像质量和性能。
常用的光学元件包括透镜、反射镜、光栅等。
根据成像需求，我们需要选择适当的光学元件，并进行性能评估。
比如，透镜的选择应考虑到焦距、孔径大小和色差等因素，而反射镜的选择则需要考虑到反射率和光学形状等。
在光学元件的选择之后，第三步是光学系统的布局设计。
布局设计是指确定各个光学元件的位置和相对关系。
布局设计的目标是使得光线能够传输在系统中并聚焦于成像平面上，同时尽量减小系统的光学畸变和像散。
光学系统的布局设计需要考虑到物体和成像平面之间的距离、光学元件之间的距离和相对角度等。
一般地，光学元件之间的距离越大，系统的畸变和像散越小。
第四步是通过系统优化来改善图像质量。
在光学成像系统设计过程中，常常需要进行图像质量评估和系统优化。
图像质量评估可以通过模拟仿真和实验测量等方式进行。
根据评估结果，我们可以对系统参数进行调整，如透镜孔径、焦距、位置等，以达到优化图像质量的目的。
在优化过程中，需要注意光学元件的色散补偿和像差校正，以提升图像的清晰度和准确性。
最后一步是进行光学成像系统的组装和测试。
使用CAD进行光学系统设计
使用CAD进行光学系统设计光学系统设计是一项复杂而关键的工作，通过使用计算机辅助设计（CAD）软件，可以高效地进行光学系统的设计和优化。
本文将介绍如何使用CAD进行光学系统设计的一般步骤和一些技巧。
首先，我们需要明确光学系统的设计目标和要求。
这包括系统的光学性能指标，如分辨率、视场角和透过率等，以及系统所需要处理的光学问题，如像差、散焦和色差等。
确立设计目标可以帮助我们在后续的设计过程中有个清晰的方向。
接下来，我们需要进行系统的布局设计。
在CAD软件中，我们可以使用线条、标记和符号等功能，将光学元件以及光线的传播路径绘制出来。
可以根据系统的要求设计光路系统的类型，包括顺序布局、透镜组布局和反射式布局等。
同时，还要考虑光学元件的尺寸和位置，以及光学系统的波长范围和工作距离等限制条件。
在布局设计完成后，我们可以进一步进行系统的光学分析。
CAD软件通常提供了光学分析的功能，比如光线追迹和光学元件的仿真等。
通过这些功能，我们可以预测光学系统的成像特性，如焦距、成像质量和像差等，并进行系统的优化。
例如，我们可以调整光学元件的形状、尺寸和位置，来改善系统的成像质量。
在优化完成后，我们可以开始进行光学元件的选型和配对。
CAD软件通常提供了光学元件库，我们可以在库中选择适合的光学元件，并进行匹配。
在选型和配对的过程中，需要考虑元件的材料、折射率和形状等因素，确保光学系统的性能要求得到满足。
当光学元件选型和配对完成后，我们可以进行系统的仿真和验证。
在CAD软件中，我们可以使用光线追迹功能，模拟光线在光学系统中的传播和成像过程。
通过仿真分析，我们可以评估系统的光学性能，并进行调整和改进。
同时，还可以进行系统的容错分析，评估系统对光学元件误差和环境影响的敏感性。
最后，对于光学系统设计的结果，我们可以进行文档输出和制品生成。
CAD软件通常支持输出设计文件、制图和制造文件等。
可以根据需求生成光学系统的参数表、图纸和制造工艺等文件。
现代光学系统的设计与优化
现代光学系统的设计与优化光学系统是目前人类利用光学的科技产物，具有广泛应用领域，包括通信、医疗、航空航天、军事等领域。
随着光学技术的不断进步和光学器件的不断优化，现代光学系统的设计与优化也变得更加复杂和精细。
本文将从现代光学系统的基本组成、设计原理与优化方法进行介绍和探讨。
一、现代光学系统的基本组成现代光学系统的基本组成包括光源、光路、光学器件和检测器。
其中，光源是产生光波的物体，光路是光线传播的轨迹，光学器件是用来接受或变换光线的器件，检测器是用来检测光线的强度、波长等参数的器件。
在整个光学系统中，光路的设计和优化是最为关键的部分。
二、现代光学系统的设计原理现代光学系统的设计原理以拉格朗日光学原理为基础，即光线传播是遵循最小光程原理的。
在光学设计中，通常采用光学软件和计算机来进行系统的设计和模拟，以达到最优的设计效果。
光学系统的设计需要考虑到光路的长度、畸变、色差、扭曲等各种因素，同时还要考虑到器件的可制造性和使用寿命等实际因素。
三、现代光学系统的优化方法现代光学系统的优化方法主要包括两个方面，一是光学器件和光路的优化，二是系统参数的优化。
在光学器件和光路的优化中，通常采用的方法是改变光学器件的材料、曲率、形状等参数，或改变光路的长度、角度、位置等参数。
在系统参数的优化中，通常采用的方法是通过电子计算机来模拟设计，通过修正器件参数或调整器件位置来达到最优的系统效果。
四、光学系统的应用领域现代光学系统的应用领域非常广泛，主要包括以下几个方面。
1、光刻技术光刻技术具有高精度、高分辨率、高速度、成本低等优点，广泛应用于集成电路、液晶显示器、平板电视等电子产品的制造。
2、医疗器械和诊疗设备光学技术在医疗器械和诊疗设备中的应用非常广泛，比如光学心电图、超声波影像诊断、光热疗法、激光手术等。
3、航空航天科技航空航天科技中的各种光学监测设备、光学成像设备、激光定位设备等都需要光学系统的设计和优化。
4、军事科技军事科技中的各种光学探测设备、光学武器设备、激光干扰设备等都需要光学系统的设计和优化。
光学设计的新技术和新方法
光学设计的新技术和新方法随着科技的迅速发展，光学设计领域也不断涌现出各种新技术和新方法。
这些技术和方法能够更好地满足人们不同的光学需求，带来更加精密、高效的光学设计方案。
在本文中，我们将就几种新技术和新方法进行介绍。
全息光学设计全息光学设计是一种基于全息技术的新型光学设计方法。
该方法利用全息技术的叠加原理，以及约束最小化算法对光学系统进行优化，从而获得更加高效的光学系统。
与传统的光学设计方法相比，全息光学设计可以在设计阶段对光学系统进行全面的优化，从而提高光学系统的成像质量和性能。
在全息光学设计中，设计人员可以利用光学建模软件进行全息光学系统的设计。
在设计阶段，可以先建立一个初始设计方案，然后通过全息叠加的方式将多个光学元件组成完整的光学系统。
接下来，通过约束最小化算法对光学系统进行优化，从而获得最优的设计方案。
最后，可以通过实验对优化后的光学系统进行测试和验证。
全息光学设计的优点在于，可以充分利用光的相干性和干涉效应，从而实现更加高效的光学系统设计。
此外，全息光学设计还可以避免传统光学设计中的逐级迭代设计过程，从而大大缩短设计周期。
自适应光学系统自适应光学系统是指一种可以自主调整光学元件参数的光学系统。
该系统采用反馈控制的方式，通过传感器和控制器实时监测光学系统的性能，并根据监测结果实时调整光学元件参数，从而提高光学系统的成像质量和性能。
在自适应光学系统中，光学元件通常是一种由压电陶瓷材料制成的变形镜或变形透镜。
当光学系统中发生畸变或成像质量不佳时，传感器会自动检测到这些问题，并将反馈信息发送给控制器。
控制器根据反馈信息实时调整光学元件参数，从而改变光线的传播路径和光学成像效果。
自适应光学系统的优点在于，可以充分利用光学反馈控制技术，实现更加精密、高效的光学系统设计。
此外，自适应光学系统还可以自主调整光学系统中的参数，从而在不同光学环境下获得最佳的成像效果。
虚拟光学设计虚拟光学设计是一种利用计算机研究和开发光学系统的方法。
光学系统课程设计
光学系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光学系统基本概念，掌握光学元件的作用和原理；2. 学会使用透镜公式和光路图分析光学系统；3. 了解光学成像的规律，掌握不同类型光学成像的特点；4. 掌握光学系统设计的基本方法和步骤。
技能目标：1. 能够正确使用光学仪器，进行光学实验操作；2. 能够运用透镜公式解决实际问题，分析光学系统性能；3. 能够根据给定的需求，设计简单的光学系统；4. 能够通过团队合作，完成光学系统设计项目。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光学现象的好奇心和探索精神，激发学习兴趣；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据和事实；3. 培养学生团队协作意识，提高沟通与交流能力；4. 培养学生环保意识，关注光学技术在环保领域的应用。
课程性质：本课程为物理学科选修课程，旨在帮助学生掌握光学基础知识，提高解决实际问题的能力。
学生特点：学生处于高中阶段，具备一定的物理基础和实验操作能力，对光学现象感兴趣，但需进一步培养探究精神和实践能力。
教学要求：注重理论联系实际，以实验为基础，引导学生通过观察、思考、实践，掌握光学系统设计的方法和技巧。
教学过程中，注重启发式教学，鼓励学生提问和讨论，提高学生的主动学习能力。
通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的学习和研究打下基础。
二、教学内容1. 光学基本概念：光的基本性质、光学元件（透镜、面镜）、光学成像分类；2. 透镜公式与光路图：透镜公式推导、光路图绘制、光学系统分析；3. 光学成像规律：实像与虚像、放大与缩小、成像位置与物距关系；4. 光学系统设计：光学系统设计方法、步骤、实例分析；5. 光学实验操作：光学仪器使用、实验操作技巧、实验数据处理；6. 光学技术应用：光学在日常生活、科技、环保等领域的应用案例。
教材章节关联：1. 与教材第二章“光的传播”相关，深化对光直线传播、反射、折射等概念的理解；2. 与教材第三章“光学成像”相关，学习透镜成像、面镜成像等知识点；3. 与教材第四章“光学仪器”相关，了解光学仪器的基本构造和原理。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光学系统设计
用ZEMAX实现对光源的仿真
要精确地模拟一个照明系统，实现对光源的精确模拟是关键。
这里讨论三个问题：
一、如果只知道有关的光源的简单数据，如何模拟？
二、如果已知关于光源的详细数据，又如何模拟？
三、如何模拟一个几何形状复杂的光源？
下面从第一个问题开始讨论：若仅知道光源的简单数据，如何对光源进行仿真？
打开ZEMAX，将其切换到非序列模式：
接下来，完成单位的设置，执行system>general>units
有关光能及其计算的问题，要特别注意物理单位。
本例中光照度单位采用勒克司。
将缺省的非序列物的类型设为source_radial。
在ZEMAX中，source_radial 代表一个矩形或椭圆形平面光源，它能向半球面空间内发射光线。
在半球面内，光线关于本地Z轴呈对称分布，并且光线的强度随角度的分布属立方样条拟合。
将null object定义为source_radial是将光源数据输入到ZEMAX的最简单直接的方式。
右键单击null object：
如下图所示，是美国Lumileds(流明)公司的LED产品LXML-PWW1说明书中提供的发光强度分布曲线。
它呈明显的余弦分布。
根据上述曲线，我们可以构造这样出表2：
表2 LXML-PWW1的空间强度分布
度相对强度(任意单
位)
0 100
5 99
10 98
15 96
20 94
25 90
30 86
35 82
40 74
45 68
50 63
55 53
60 45
65 38
70 28
75 23
80 16
85 10
90 5
说明书上还注明，LXML-PWW1的直径是6mm，典型输出功率是120 lumens。
设layout rays数量为30，analysis rays 数量为10000000。
将上述参数输入到ZEMAX中：
我们得到光源的外形图和灰度度：
显然，发光强度的计算结果与说明书中给出的曲线相符得比较好。
第二个问题，如果已知光源的详细数据，如何对光源进行仿真。
有些LED制造商免费提供ZEMAX Source File格式、有关LED产品的详细光学性能数据。
目前已知的这方面的造商有Osram(欧司朗)和Lumileds公司。
这是Lumileds公司的页面，从中可很方便地下载到ZEMAX格式的光线文件。
下载后，一定要将它以扩展名.dat存到{zemaxroot}/objects文件夹内。
例如，下载到LXML-PWW1_5M_Z.dat这个文件后(它对应的就是Lumileds公司的LED产品LXML-PWW1)，将它存到{zemaxroot}/objects文件夹内，然后运行ZEMAX，建立一个非序列文件，将object type设为source file:
ZEMAX中的source file光源，其光线坐标、余弦和强度都是在由用户提供的文件中定义的，这一特征可以保证在ZEMAX中创建由用户定义的任意光源。
在comment column，必须填入包含光线数量的文件名。
各参数的含义：
Randomize?：如果设为0，将按文件中列出的顺序对光线做常态追迹；如果设为非零值，则每对文件读一次，或NSC编辑器中source object的相关参数每变化一次，光线的顺序就会被重新随机化一次。
但如果要对光线做随机化处理，必须是在文件中的光线数量等于或少于1,000,000这个前提下。
如果光线数量超过这个数，计算机的内存就处理不了了。
Total(units)：该值只用作参考，是用文件中定义的光源单位给出的总功率。
该是由ZEMAX自动给出的，用户不要去设定或改变它。
每条光线的实际功率是由Power(units)项和所追迹的光线数量决定的。
然后给光源加一个Detector Rect探测器。
对光源进行追迹，得到的光源的空间和角度特性如下：
由上述结果可见，由制造商提供的ray file所包含的信息要比单纯的datesheet丰富，从中可以看出一些精确辅助结构。
第三，如何创建几何形状复杂的光源。
如上图所示，是光源的"mini "模型，由10个部件组成。
这个光源文件见{zemaxroot}/samples/non-sequential/sources/led_model.zmx。
其编辑器如下图：
这个光源内部由几个object组成，包括：
1.LED片，即左图中红色部分
2.电极丝，即右图中红色部分
可直接对这种光源模型做追迹，同时可将所产生的光线存到光线数据库中。
在光线数据库viewer中(Analysis > Database > Ray Database Viewer)，可选定测试object，交把入射到该object上的所有光线作为一个新的source object存起来。
在需要时，可用source_file object来读取该数据文件。
在对几何结构复杂的光源进行模拟时，经常会遇到这样的问题：怎样选择具体数值？例如，在电极丝上应采用怎样的散射函数？支撑结构的反射系数是多少？这些数据都不太容易确定。
再有一个问题：我们建立起来的这样一个光源模型，必须与制造商提供的测试数据相符。
这就引出另外一个问题，为什么最先采用的不是测试数据呢？
一般来讲，测试数据要更精确，也更容易应用。
但在某些系统中，特别是在需要将由光源发出的光重新成像到光源中时，要求一个更加精确的光源，此时就需要我们自己给模型输入参数了。
当然我们也可以把两者结合起来：我们自己创建光源模型，但光源发出的光线采用制造商提供的测试数据。
关于复杂光源的模拟构造可以这样来总结：
1．如果没有测试数据，那么最简单，也是最佳的模拟方法，是采用source_radial或其他的ZEMAX自带的光源；
2．制造商提供的测试数据的优点是：精度高，易于使用；
3．如果需要对光线做反向追迹，最好采用复杂光源模型。