光学设计过程及初始结构选择
code v红外光学系统设计流程
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在进行红外光学系统设计之前，首要任务是明确设计需求。
光学设计报告
湖北第二师范学院《光学系统设计》题目：望远镜的设计姓名：刘琦学号:1050730017班级：10应用物理学目录望远系统设计............................................................................................... 第一部分：外形尺寸计算 .......................................................................... 第二部分：PW法求初始结构参数（双胶合物镜设计） ....................... 第三部分：目镜的设计 .............................................................................. 第四部分：像质评价 .................................................................................. 第五部分心得体会 ..................................................................................望远镜设计第一部分：外形尺寸计算一、各类尺寸计算 1、计算'f o 和'f e由技术要求有：1'4o Df =，又30D mm =，所以'120o f mm =。
又放大率Γ＝6倍，所以''206o e f f mm ==。
2、计算D 出303056D D D mm =∴===Γ物出物 3、计算D 视场2'2120416.7824o o D f tg tg mm ω==⨯⨯=视场4、计算'ω（目镜视场）''45o tg tg ωωωΓ⨯=⇒≈5、计算棱镜通光口径D 棱（将棱镜展开为平行平板，理论略）该望远系统采用普罗I 型棱镜转像，普罗I 型棱镜如下图：将普罗I 型棱镜展开，等效为两块平板，如下图：如何考虑渐晕？我们还是采取50%渐晕，但是拦掉哪一部分光呢？拦掉下半部分光对成像质量没有改善（对称结构，只能使光能减少），所以我们选择上下边缘各拦掉25%的光，保留中间的50%。
光学设计流程
插入一个"blank" surfaces –右键菜单你想要在某表面之前要插入的表面 –选择快捷菜单Insert, 输入想要插入的表面
数, 点击OK
Surface Coordinate System
右手坐标系 Z 轴即为光轴(对centered systems而言) 在每一个表面，都有一个局部x,y,z坐标系统
Optical Surface Definitions
Optical Systems ‐Basic Terminology and Conventions
光线按表面序号，自小到大，自左向右传输 边缘光线自轴上点出发，经过孔径的边缘继续往前传输 主光线自轴外点出发，经过孔径中心继续往前传输 Image surface thickness SI为一离焦值
光学系统的性能
➢ 系统参数:视场
Object angle:投影到入 瞳上XZ和YZ平面上时，主 光线与Z轴的夹角。大多 用在无限共轭系统。
Object height:物面上X， Y高度。大多用在有限共 轭系统。（注：如果物面 为曲面，则X，Y坐标包含 Z坐标）
Paraxial Image height: 像面上的近轴像高。用于 需要固定像的大小的设计 中。（只用于近轴光学系 统中）
•其他典型的specification data包括 – Field (field angles, object heights, image heights)
–渐晕因子(Vignetting factors) –高斯切趾(Gaussian apodization，为模拟激 光或光纤光源用) –Through‐focus定义 –无焦参数(Afocalspecification，主要是针对透 镜像无限大情况) –偏振光学参数(Polarization data) –透镜单位(Lens units，inches, mm, or cm)
光学设计ZEMAX_实验讲义
定义式为：
（1.5）
式中 为系统像方折射率，θ为高斯边缘像方光线孔径角。在计算θ过程中，认为系统无像差，按照理想系统的边缘光线追迹方法。在Aper Value中输入F数，注意前面的Image Space F/#区别。
（6）Object Cone Angle（物方锥角）
ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。
相对孔径的定义在Aperture中设置。最常用的选项解释如下：
A.Aperture
Aperture Type用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。定义的种类有：
（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）
当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的Aper Value中输入具体的入瞳直径数值，选择Lens Units为Millimeter（毫米）。
表1.1例题的初始结构参数
1.4.3
1．General输入相对孔径
General功能可以由“System”→“General…”选择，还可以通过桌面上“Gen”快捷键来打开，General对话框如图1.2所示。
图1.2 General对话框
由图1.2可以看出，General对话框中具有Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，Glass Catalogs，Ray Aiming等项。
光学设计：双胶合物镜设计
《光学设计》PW 法求初始结构参数（双胶合物镜设计）姓名：李军 学号：12085212光学特性：已知焦距mm f 435=；通光孔径mm D 67= ； 入曈位置与物镜重合 0=z I展成玻璃板的总厚度mm d 175=。
（1）确定物镜形式：由于物镜相对孔径较小：1540.043567,==fD视场不大，物镜系统没有特殊要求，可以采用简单的双胶合物镜。
（2）求初始结构 1、求,,z h h J由设计条件，有:5.332672===D h ，由于瞳孔与物镜重合，所以0=zh注意：由于含有平板，平板会产生像差，所以要用物镜的像差来平衡平板的像差。
0770.04355.33,,===f h u 80.22)3tan(435tan ,.=-⨯-=⋅-=。
ωf y 756.180.220770.0,,,=⨯==y u n J2、计算玻璃的平板像差 ，两个平板：0524.0-3,0770.0=-==。
z u u ，6805.00770.00524.0-=-=u u z由已知条件：（n 为折射率，v 为阿贝常数）1.64,5163.1,175===νn d将上列数值带入初级相差公式得到：00233.00773.05163.115163.1175143232-=⨯-⨯-=--=n n d S I00158.0)6805.0(00233.0=-⨯-==uu S S zIII 00363.00770.05163.11.6415163.117512222-=⨯⨯-⨯-=--=u n n d S IS ν3、双胶合物镜像差双胶合物镜像差应该与平行平板像差等值反号，据此提出物镜像差。
（若不需平衡平板像差的话，取物镜像差都为0）（1）根据S I,求C 并规划成C 进行规化后：c h c h S IS 22∑==，所以000003234.0=C求规划后的C ，根据公式：00141.0435000003587.0,=⨯==Cf C（2）求P 、W ： 由初级相差和数hp hp S I ∑==：得到0000695.05.3300233.0===h S P I 由公式：JW p h W J hp S Z I I -=-=∑∑,由于0=z h ， 所以00090.0756.1)00158.0(=--=-=J S WII （3）求P ∞、W ∞：已知mm f 435=，，5.33=h000457.0)(00593.0,0770.032,====ϕϕϕh h fh h ，）（根据公式可以得到：152.0000457.00000695.0)(3===ϕh P P1518.000593.000090.0)(2===ϕh W W物体平面在无限远位置，无需再对规划后的物体位置进行规划：152.0==∞P P , 1518.0==∞W W4）求0P冕牌玻璃在前：1497.0)1.0(85.020=--=∞W P P4.查表，选玻璃对。
设计实例zemax设计照相物镜详细过程
照相物镜设计实例
照相物镜的技术指标要求：
焦距：f’=9.6mm； 焦距：f’=9.6mm； 相对孔径D/f’不小于1/2.8； 图像传感器为1/2.5英寸的CCD， 成像面大小为4.32mm×5.76mm； 后工作距>5mm 在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波 长)； 1m成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm 轴外0.707 >35%@100 lp/mm ������ 最大畸变<1%
在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表1-2中的 镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面 型为Marginal Ray Height。在镜片类型（Glass） 列输入镜片参数，方法是:在表中点右键对话框 Solve Type选中Model，Index nd中输入n值， Abbe Vd中输入v值。结果如下图2-1在systemgeneral-aperture中输入相对孔径值2.8，在 system-wavelength中输入所选波段，根据要求选 d光为主波长。然后在tools-make focus中改焦距 为12mm进行缩放。
照相物镜镜头设计与像差
分析
设计实例
光学设计流程
光学设计初始结构方法
1、计算法
2、计算结合经验法
3、经验法
4、查资料法(孔径、视场、波长、 焦距，整体缩放)
查资料法:确定初始结构
查资料法
E.F.L----Effective Focus Length （有效焦距） B.F.L----Back Focus Length （后工作距） FNo.----F Number （相对孔径） F.A.----Field Angle (视场角)
该镜头不仅体积小, 结构紧凑, 而且像质较 好。在此次设计中，发现光阑面使用非球 面能够很好的平衡像差，只进行了对玻璃 厚度和曲率的简单优化，查阅相关资料后 设想如果将第一面的透镜换为鼓形透镜， 第二面换为弯月透镜或换成折射率更高的 玻璃，还可以进一步做出深度优化，使之 获得更好的性能 。
高清针孔镜头光学系统设计
文章编号：1002-2082 (2021) 02-0223-06高清针孔镜头光学系统设计孙彦超，罗 锐，梁秀玲（医学光电科学与技术教育部重点实验室 福建省光子技术重点实验室 福建师范大学，福建 福州 350007）摘 要：安防监控镜头在保护人身及财产安全方面越来越重要，其中针孔镜头因其特殊的结构而被广泛运用。
利用ZEMAX 软件设计了一款用于公安取证，侦察，反恐及高温炉、工业检测等特殊场合的针孔镜头。
针对光阑前置这种失对称的光学系统，通过控制其像散、场曲、畸变等几何像差进行优化设计。
设计的镜头F 数为2，焦距为6 mm ，匹配1/4英寸CCD ，工作光谱为可见光波段，空间频率100 lp/mm 处全视场MTF ≥0.48，畸变≤±3%。
该设计结构简单，全部采用标准球面设计，光学总长小于22 mm ，处全视场MTF ≥0.48，畸变≤±3%。
该设计结构简单，全部采用标准球面设计，光学总长小于22 mm ，关键词：光学设计；针孔镜头；MTF ；畸变；公差分析中图分类号：TN202; O439 文献标志码：A DOI ：10.5768/JAO202142.0201003Design of high-definition pinhole lens optical systemSUN Yanchao ，LUO Rui ，LIANG Xiuling（Fujian Provincial Key Laboratory of Photonics Technology, Key Laboratory of Optoelectronics Science and Technology for Medicine of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China ）Abstract ：Security and protection surveillance lens is becoming more and more important in protecting personal and property safety, among which the pinhole lens is widely used because of its special structure. A pinhole lens was designed by using ZEMAX software for special occasions such as police forensics,reconnaissance, anti-terrorism as well as high temperature furnace and industrial inspection, etc. Aiming at the asymmetric optical system with the diaphragm in front of, the geometrical aberrations such as astigmatism,field curvature and distortion were controlled to optimize the design. The F number of the designed lens is 2and the focal length is 6 mm. The lens matches 1/4 inch CCD, and the working spectrum is the visible light band, with the full field MTF ≥0.48 at space frequency 100 lp/mm and the distortion ≤±3%. The designed structure is simple, which adopts the standard spherical design. The optical total length is less than 22 mm,which means better processing technology and low production cost. The tolerance analysis of the lens was analyzed, and the results show that the optical system has reasonable tolerances, good overall performance, and is feasible for mass production.Key words ：optical design ；pinhole lens ；modulation transfer function ；distortion ；tolerance analysis引言随着社会的发展和科技的进步，在人民生活水平提高的同时，一系列社会不安定因素严重威胁着人民的人身和财产安全，因此很多国家也加大了对社会公共安全防范产业的资金投入和产品开发。
光学设计教程课后答案
1.2光学系统有哪些特性参数和结构参数？特性参数：（1）物距L（2）物高y或视场角ω（3）物方孔径角正弦sinU或光速孔径角h（4）孔径光阑或入瞳位置（5）渐晕系数或系统中每一个的通光半径结构参数：每个曲面的面行参数（r，K，a4，a6，a8，a10）、各面顶点间距（d）、每种介质对指定波长的折射率（n）、入射光线的位置和方向1.3轴上像点有哪几种几何像差？轴向色差和球差1.4列举几种主要的轴外子午单色像差。
子午场曲、子午慧差、轴外子午球差1.5什么是波像差？什么是点列图？它们分别适用于评价何种光学系统的成像质量？波像差：实际波面和理想波面之间的光程差作为衡量该像点质量的指标。
适用单色像点的成像。
点列图：对于实际的光学系统，由于存在像差，一个物点发出的所有光线通过这个光学系统以后，其像面交点是一弥散的散斑。
适用大像差系统2.1叙述光学自动设计的数学模型。
把函数表示成自变量的幂级数，根据需要和可能，选到一定的幂次，然后通过实验或数值计算的方法，求出若干抽样点的函数值，列出足够数量的方程式，求解出幂级数的系数，这样，函数的幂级数形式即可确定。
像差自动校正过程，给出一个原始系统，线性近似，逐次渐进。
2.2适应法和阻尼最小二乘法光学自动设计方法各有什么特点，它们之间有什么区别？适应法：参加校正的像差个数m必须小于或等于自变量个数n，参加校正的像差不能相关，可以控制单个独立的几何像差，对设计者要求较高，需要掌握像差理论阻尼最小二乘法：不直接求解像差线性方程组，把各种像差残量的平方和构成一个评价函数Φ。
通过求评价函数的极小值解，使像差残量逐步减小，达到校正像差的目的。
它对参加校正的像差数m没有限制。
区别：适应法求出的解严格满足像差线性方程组的每个方程式；如果m>n或者两者像差相关，像差线性方程组就无法求解，校正就要中断。
3.1序列和非序列光线追迹各有什么特点？序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计。
以面作为对象，光线从物平面开始，按照表面的先后顺序进行追迹，对每个面只计算一次。
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光学设计过程及初始结构选择、建立
光学设计过程
下面是有经验的光学设计者在完成特定设计任务时通常遵循的基本步骤。
由于光学设计的内在复杂性，设计过程通常复杂而且很费时。
1、研究指标
2、选择起点
3、建立变量和约束
4、设置性能评价函数
5、优化
6、评价性能
7、重复步骤3、5、6
8、分解元件、修改玻璃、优化重复3、5、6
9、如果指标仍不满足，请返回到第二步
10、公差与误差预算
11、光学制图、设计结构
12、装配和检测
1、设计过程的第一步是获得并研究所有技术指标，包括所有光学指标，如焦距、f/#、全视场、封装约束，性能目标、环境要求等等。
2、选择一个有代表性的可行起点。
重点说一下起点的选择。
在任何可能的情况下，这个起点应该是最可能满足设计技术要求的结构。
例如，如果要设计一个小视场、入瞳直径为5mm的f/10单色光镜头，则这个镜头很可能采用单个元件。
然而，如果要求设计宽光谱段而全视场为40°的f/1.2镜头，则解很可能是6-7个元件的双高斯镜头形式。
如果将单元件用于后者的设计起点，则根本不可能得到可行的结果。
寻找良好起点对获得可行结果是非常重要的。
以下是起点的可行来源
（1）、使用专利
将现有的专利设计作为起点。
有很多镜头专利资料，将专利的设计数据输入到计算机中，并用任何方式进行处理都是合法的。
建立专利系统的目的是为了促进发明和改革，该目的通过给发明人提供对其发明的17年专有权以鼓励其在专利中说明实现发明专利的方法。
因此，实际上鼓励使用专利设计数据并对其进行处理、改进。
其目的在于能提出更好的设计，那时，可以公布该改进设计并取得其专利。
照此哲学，发明人不断接受到挑战以改进发明，有效地促进了技术的发展。
这就是专利的核心价值观，或者说核心作用。
认真使用专利应受到鼓励。
（2）、所谓的“混合”设计
还有可以使用所谓的“混合”设计。
混合设计指结合两个或多个其他可行的设计以产生一个新的系统结构的设计方法。
“混合”设计，其实就是合理的拼接光路，以满足新的设计要求。
说成“拼凑”光路，我觉得也不为过。
例如，一个中等视场的天塞镜头设计形式可以和前面的一个或多个强负光焦度元件结合而产生一个超广角镜头。
实际上，在组合光学系统中，天塞镜头使用的视场与其原有视场相似，负光焦度元件或元件组使光线弯折，从而覆盖更大的视场。
当然，也可以寻找和设计要求近似的原有设计本身，作为可行的起点，进行设计。
利用当今的计算机辅助设计软件，“从零开始”能应付诸如双胶合和三片型那样的简单系统；然而，对于更复杂的系统，可能会遇到问题，借助专利或其他资料得到起点可能会更好一些。
以上内容基本上从英文资料翻译过来的。
基本未做修改，就不设置为原创了，设置为分享。
虽然翻译消耗了些时间。
欢迎讨论！。