光学设计与CAD第1讲光学材料
光学CAD教学课件-浙江大学
绪论我们身边有哪些光学系统和仪器－想当它们的设计师吗？如果我们已经较好地掌握了以下内容几何光学像差理论光学系统波像差与像质评价•本章要点1. 波像差概念，瑞利判据，与几何像差关系，离焦原则2. 参考点移动引起的波像差，焦深3. 色差引起的波像差，球色差、几何色差与波色差的关系4. 光学系统的像差容限5. 光学系统的像质评价（几何像差曲线、点列图、波像差、传递函数）6. 光学系统的像质检验（星点检验、分辨率、传递函数，波面测量）§10-1 波像差及其与几何像差的关系光线——波面的法线波像差——实际波面对理想波面的偏离轴上点A以单色光成像存在球差,A'M交理想波面于M，即为波差。
（以理想波面为基准，右负左正）一、轴上点的波像差及其与球差的关系[返回本章要点]为纵坐标，以δL'为横坐标的球差球差相当的波像差为以u'2曲线与纵轴所围面积的一半【推导】当物方无穷远时，u’=h/f’讨论1.当仅有初级量时以波长为单位时，边缘处波像差最大。
移动接收面，以接收面为基准，则球差将改变，波像差曲线随之改变。
称之为离焦离焦，[返回本章要点]2. 当有初级和二级球差时当，当对边光校正球差时，0.707带光有最大剩余球差若离焦，使图中三部分面积相同，则应轴向离焦，此时3. 若再有三级以上球差，则像差平衡的原则是：尽可能离焦后有多个大小相等、符号相反的小面积以下动画是一个实际光学系统成像质量随离焦量变化的情况[返回本章要点]二、轴外点的波像差及其与垂轴像差的关系[返回本章要点]轴外任意一点的像差，可以用两个分量表示波差W应表示成与这两个分量之间的关系可导出沿子午截线的波像差推导曲线对sinU'轴所围的面积表征波像差的大小。
参考点为高斯像点. 但高斯像点亦不一定是最佳参考点离焦离焦垂轴离焦：对各条光线δy'均改变同样值。
->坐标平移沿轴离焦：纵轴转一角度,以形成尽可能相等的大小相同、符号相反的小面积注意[返回本章要点]1. 垂轴离焦只为评价像质，轴向离焦才为确定最佳像面位置。
CAD设计中的光学模拟与光学设计
CAD设计中的光学模拟与光学设计在现代科技领域中，计算机辅助设计（CAD）技术在各个领域中都扮演着重要的角色，尤其在光学设计领域更是如此。
光学模拟和光学设计是CAD在光学领域中的两个重要应用方向。
本文将探讨CAD设计中的光学模拟与光学设计。
一、光学模拟光学模拟是指通过使用CAD软件来模拟和分析光线在光学系统中的传播路径和光学特性。
通过使用CAD软件，光学工程师可以轻松地进行光线追迹、光线反射与折射、光束展宽等操作，以模拟光线在光学系统中的传播和光学特性的效果。
在CAD设计中，光学模拟可以帮助工程师预测光学系统的性能，并优化设计。
光学模拟可以评估光学元件的位置、尺寸和表面特性对光学系统的性能的影响。
通过模拟和分析，工程师可以通过调整光学元件的参数来达到理想的光学效果，提高光学系统的性能。
二、光学设计光学设计是指基于光学模拟结果进行光学系统的设计和优化。
光学设计的目标是通过优化光学元件的参数和配置，使得光学系统能够满足预定的要求和性能指标。
在CAD设计中，光学设计通常会涉及到光学元件的选择和布局、表面形状的优化、光线传输路径的优化等。
通过CAD软件的辅助，光学工程师可以快速地进行光学设计，提高设计的效率和准确性。
光学设计的结果通常包括光学元件的参数、光学系统的传输特性和光学系统的性能指标等。
工程师可以根据这些结果来判断光学系统是否满足设计要求，并进行必要的修改和调整。
三、CAD软件在光学设计中的应用CAD软件在光学设计中发挥着重要的作用。
目前市场上有许多专门用于光学设计和光学模拟的CAD软件，如Zemax、Code V、LightTools等。
这些CAD软件提供了强大的光学模拟和光学设计功能，可以帮助光学工程师快速进行光学模拟和光学设计。
它们具有友好的用户界面、丰富的光学元件库、精确的光线追踪算法等功能，使得光学工程师能够更加方便地进行光学设计和优化。
另外，CAD软件还提供了与其他工程软件的接口，如机械设计软件、光学测量仪器等，使得光学系统的设计和制造能够更加紧密地集成起来。
CAD中光学设计的应用知识点
CAD中光学设计的应用知识点CAD（计算机辅助设计）在光学设计中的应用越来越广泛，为光学工程师提供了快速、准确且高效的设计工具。
本文将介绍CAD中光学设计的一些应用知识点，从光源、透镜设计到系统仿真等方面进行探讨。
一、光源设计在光学设计中，光源的选择和设计是至关重要的。
CAD软件可以帮助光学工程师进行光源的模拟和优化，以获得更理想的光源特性。
通过CAD软件的光源模块，可以进行光束发散角度、亮度分布以及光谱特性等方面的仿真和调整。
二、透镜设计透镜是光学系统中重要的元件，CAD软件可以辅助光学工程师进行透镜的设计和优化。
通过CAD软件提供的透镜设计模块，可以实现透镜的参数化建模、光学性能仿真和优化等功能。
工程师可以根据实际需求，通过CAD软件进行透镜的选择、形状设计、材料选择以及光学性能的分析和优化。
三、系统设计在光学系统设计中，CAD软件能够提供全面的工具和功能，帮助工程师进行系统的建模、分析和优化。
通过CAD软件的系统设计模块，可以进行光学系统的光路设计、布局设计、元件的选择和调整等。
工程师可以通过CAD软件对系统进行全面的仿真和验证，提前发现并解决可能存在的问题，确保系统在实际中的性能达到设计要求。
四、仿真分析CAD软件的仿真分析功能对光学设计非常重要，可以帮助工程师进行光学系统的性能仿真和分析。
通过CAD软件的光学仿真模块，可以对光学系统的光束传输、衍射效应、畸变等进行仿真分析。
工程师可以通过仿真结果进行性能评估、光学参数的优化以及对光学系统的改进和调整等。
五、优化算法CAD软件在光学设计中还提供了各种优化算法，帮助工程师实现光学系统性能的优化。
通过CAD软件提供的优化算法模块，可以根据设计目标和约束条件，自动调整设计参数，使光学系统的性能达到最优。
工程师可以通过不断运行优化算法，逐步改善系统的性能，提高系统的光学效率和成像质量。
六、产品生产除了在光学设计阶段的应用，CAD软件在产品生产中也发挥着重要的作用。
CAD在光学元件设计中的应用
CAD在光学元件设计中的应用CAD（计算机辅助设计）在光学元件设计中的应用光学元件的设计在现代光学领域中起着至关重要的作用。
为了满足现代光学技术的不断发展和应用的需求，人们研发了各种各样的工具来辅助光学元件的设计与制造。
其中，CAD（计算机辅助设计）技术无疑是其中的重要一环。
CAD技术不仅可以帮助光学工程师提高设计效率和精度，还可以加快产品开发周期并降低成本。
本文将介绍CAD 在光学元件设计中的应用，并探讨其优势和挑战。
一、CAD技术在光学元件设计中的基本原理在深入探讨CAD在光学元件设计中的应用之前，我们先来了解一下CAD技术在此领域中的基本原理。
CAD技术通过计算机辅助进行光学元件的绘图和模拟，从而实现对元件的快速设计和多次修改。
通过CAD软件，工程师可以在计算机上绘制出具体的元件结构，并进行参数调节和性能评估。
此外，CAD技术还能够进行光学仿真，通过模拟光在元件内部的传播和折射等物理现象，预测元件的光学性能，并做出有效的优化。
二、CAD在光学元件设计中的应用案例1.镜头设计：镜头是光学系统中的重要组成部分，其设计对于光学成像质量具有重要影响。
借助CAD技术，工程师可以在计算机上绘制出需要的镜头结构，并通过参数调节和光学仿真来评估镜头的成像性能。
这样，可以快速获得镜头的最佳设计方案，减少实验的时间和成本。
2.光纤耦合器设计：光纤耦合器是将光纤与光学器件相互连接的重要元件。
通过CAD技术，可以绘制出精确的耦合器结构，并进行光学仿真，以评估耦合效率和损耗。
通过不断优化设计，可以提高光纤耦合器的性能，满足不同应用的需求。
3.透镜组装设计：透镜是光学系统中常见的光学元件，用于调节光线的传播和聚焦。
在透镜组装设计中，CAD技术可以帮助工程师进行透镜的布局和组装方式的选择。
通过在CAD软件中实现三维模型的设计和分析，可以避免透镜组装中的位置偏差和误差，保证光学系统的性能稳定。
三、CAD技术在光学元件设计中的优势1.提高设计效率：CAD软件可以提供丰富的绘图工具和图形库，使工程师可以快速创建和修改光学元件结构。
《光学系统CAD》课件
光学系统CAD的未来应用
光通信领域
随着5G、6G等通信技术的发展，光学系统CAD在光通信领域的应 用将更加广泛，涉及光器件设计、光波导结构优化等方面。
生物医疗领域
光学系统CAD在生物医疗领域的应用将逐渐增多，涉及光学成像、 光学生物传感器等方面。
智能驾驶领域
随着智能驾驶技术的发展，光学系统CAD在智能驾驶领域的应用将 更加重要，涉及车载摄像头、激光雷达等方面。
VS
光学系统CAD通过建立数学模型和仿 真，对光学系统的性能进行预测和优 化。它能够大大提高设计效率，缩短 产品研发周期，降低研发成本，提高 产品质量。
光学系统CAD的重要性
光学系统CAD在现代光学产业中具有 举足轻重的地位。随着科技的不断进 步，光学系统的设计和制造变得越来 越复杂，对精度和性能的要求也越来 越高。
光学系统CAD的未来挑战
复杂光场模拟
随着光学系统的复杂度增加，如何准确模拟复杂光场成为 光学系统CAD面临的重要挑战。
高精度制造
随着光学元件的精度要求不断提高，如何实现高精度制造 成为光学系统CAD面临的挑战之一。
多学科交叉
光学系统CAD涉及多个学科领域，如何实现多学科的交叉 融合，提高设计的综合性能，是未来需要解决的问题。
05
光学系统CAD的未来展望
光学系统CAD的发展趋势
技术融合
随着光学、计算机科学和数学的交叉发展， 光学系统CAD将进一步融合多种技术，实现 更高效、精确的光学设计。
智能化
人工智能和机器学习在光学系统CAD中的应用将更 加广泛，实现自动化设计、优化和仿真，提高设计 效率。
云端化
光学系统CAD将逐渐向云端化发展，实现数 据共享、远程协作和实时更新，提高设计协 同性。
光学系统CAD ppt课件
例3：胃窥镜系统
例3：胃窥镜系统
例3：胃窥镜系统
ห้องสมุดไป่ตู้ 上机义务
1、熟习Code V界面及运用方法 2、对照学习3个主要教程4、5、6 3、以教程2为例进展实践操作 4、丈量显微镜：输入、评价与优化 5、完成2道作业题，输出图纸
义务安排
1st、熟习界面，像质评价 Section 5 Performance Evaluation
2nd、孔径设置、优化设置 Section 4 Apertures and Vignetting Section 6 Optimizing Lens Systems
3rd、对照学习数码相机镜头 Section 2 Digital Camera Design
Study 4th、丈量显微镜：输入、评价与优化 5th、完成一道作业题，顺序任选 6th、完成两道作业，及电子报告
• 简化为5片透镜系统
含两个非球 面的5片系统
第一面和最 后一面为非 球面
• 简化为5片透镜系统
含两个非球面 的5片系统 第一面和第六 面为非球面
总长15mm～21mm系统
两个非球面 的4片系统
第一面和第 六面为非球 面
含两个非球面的 18mm4片系统 MTF曲线图
红外光波段的设计
• 修正为红外波段的玻璃资料
纪律要求 1、各班学生按顺序就座，方便我掌握情况 2、独立完成上机义务，别浪费难得的时机 3、允许自在讨论和交流，但不得大声喧哗
4、缺席、迟到、早退，发现一次扣2分 5、上网、玩游戏等等，发现一次扣1分
电子报告
提交报告须知
1、请固定运用一台计算机，保证任务延续性 2、建立独立的任务目录，标志清楚且无汉字 3、每道题上交3个文件：*.len, *.env, *.doc 紧缩为一个文件〔学号＋姓名〕后，传送到
用CAD进行光学系统设计和模拟
用CAD进行光学系统设计和模拟使用CAD进行光学系统设计和模拟CAD（Computer-Aided Design，计算机辅助设计）技术在光学系统设计和模拟中扮演着重要的角色。
它提供了一种快速、准确的方法，用于创建、分析和优化复杂的光学系统。
本文将介绍使用CAD进行光学系统设计和模拟的基本步骤和方法。
第一步，建立光学系统模型。
在CAD软件中，可以使用几何体来表示光学组件，如透镜、棱镜、反射镜等。
通过添加这些几何体，并确定它们之间的相对位置和方向，可以建立一个基本的光学系统模型。
第二步，定义光源和探测器。
光源和探测器是光学系统中的关键元素。
在CAD软件中，可以选择合适的光源模型，如点源、线源或面源，并指定其光强、波长等参数。
同时，也可以添加探测器，并定义其位置和角度，以便后续的光学性能分析。
第三步，设计和优化光学组件。
利用CAD软件的建模和分析功能，可以对光学组件进行设计和优化。
其中一个关键的步骤是使用光线追迹算法来模拟光线的传播和折射。
通过调整光学组件的参数，如曲率半径、折射率等，可以实现对光学系统的性能进行优化。
第四步，分析光学系统性能。
一旦光学系统模型建立完成，可以利用CAD软件提供的分析工具来评估其性能。
常用的性能参数包括光束直径、光斑大小、像差、光强分布等。
通过分析这些参数，可以判断光学系统的成像能力、分辨率等性能指标。
第五步，模拟实际工作环境。
为了更准确地评估光学系统的性能，可以使用CAD软件提供的环境模拟功能。
例如，可以模拟光源的光谱分布、环境光的干扰等因素，以获得更真实的性能预测。
综上所述，使用CAD进行光学系统设计和模拟可以帮助工程师更高效地进行光学系统开发。
通过CAD软件提供的建模、分析和优化功能，可以快速验证设计思路，提高系统性能。
这种基于CAD的设计方法，不仅能够节省时间和成本，还有助于保证产品的质量和可靠性。
因此，CAD已成为光学系统设计和模拟的不可或缺的工具。
总结：本文介绍了使用CAD进行光学系统设计和模拟的基本步骤和方法。
光学设计与CAD第1讲光学材料
成分： 光学玻璃是用高纯度硅、硼、钠、钾、锌、 铅、镁、钙、钡等的氧化物按特定配方混 合,在白金坩埚中高温融化,用超声波搅拌均 匀,去气泡；然后经长时间缓慢地降温，以 免玻璃块产生内应力。冷却后的玻璃块， 必须经过光学仪器测量，检验纯度、透明 度、均匀度、折射率和色散率是否合规 格。合格的玻璃块经过加热锻压，成光学 透镜毛胚。
玻璃选择
传统上nD>1.60，VD>50和nD<1.60，VD>55 的各类玻璃定为冕(K)玻璃，其余各类玻璃 定为火石(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。 正光焦度光组：冕玻璃一般作凸透镜，火石 玻璃作凹透镜。 负光焦度光组：冕玻璃一般作凹透镜，火石 玻璃作凸透镜。
横向放大率：像的大小与物的大小之比（β）； 轴向放大率：像点与对应的物点沿轴移动量之比（α）； 角放大率：折射前后的一对光线与光轴夹角u与u之比（γ）
αγ = β
nyu = n' y ' u ' = J
J称为拉氏不变量
一、光的色散
光学材料
对于不同波长的光线，自然光通过三棱镜将得到由红 到紫排列的光谱。
★ 显微镜、望远镜、目镜等镜头设计等（球差、彗差、像散、场曲、畸 变、轴向和垂轴色差） ★ 传统相机镜头、数码相机镜头 ★ 各种变焦镜头、手机摄像头等 ★ 各种夜视系统、光学发射天线等 ★ LCD 背光板和LED建模及照明设计优化 ★ 光管、光纤连接器等通信系统和元器件 ★ 车灯等各种照明系统设计和分析 ★ DVD、VCD 激光读写头 ★ LCOS、DLP等各种投影仪及光学引擎设计 ★ 干涉仪、全息光学 ★ 光通信元器件设计分析：有源及无源器件、光纤耦合效率计算、光纤 耦合效率优化分析 ★ 物理光学BPM计算，和波导光学软件数据接口，实现合作计算 ★ 各种激光器谐振腔等 ★ 激光光学系统，激光打标机及元件设计，系统分析 ★ 激光扩束镜头、F-theta扫描镜头设计优化，整形镜头设计
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光学设计的历史
十六、十七世纪 ：伽利略、牛顿、惠更斯时代 已经有望远镜、显微镜、目镜等雏形，经验为主。
十九世纪：像差理论、设计方法，衍射成像理论趋于 成熟。Seidel, Abbe, Zeiss 工厂，Schott 工厂由光 学设计而制造光学仪器，德国领先世界近百年。
二十世纪：四十年代开始用机械计算机。 1946年 发明 电子计算机 Eniac ，五十年代用于光路计算、分析， 六十年代“自动平衡”（优化）程序， 八十年代普遍 使用优化程序，美国商业程序
耦合效率优化分析 ★ 物理光学BPM计算，和波导光学软件数据接口，实现合作计算 ★ 各种激光器谐振腔等 ★ 激光光学系统，激光打标机及元件设计，系统分析 ★ 激光扩束镜头、F-theta 扫描镜头设计优化，整形镜头设计
? 技术性能 软件可以实现的主要功能
? 几何光学设计：各种成像镜头的设计、成像质量分析、温度 环境分析、生产加工分析 物理光学设计：各种激光系统及元件的设计及分析，光学相 干衍射特性分析、光纤耦合等 照明系统设计：各种照明系统的设计，包含光机设计，可以 个Pro-E 、Auto-CAD 、Solid-Works 等机械文件进行转入转 出、可以实现照明系统零件的自动优化 ZPL语言扩展：ZEMAX软件自带的编程语言可以实现功能的 扩展 扩展功能：ZEMAX软件可以和c语言、C++、VB等编程语言 进行配合使用 以上各种功能几乎涵盖了光学的各个领域，在各个领域中该 软件都可以实现自动的优化求解，使用非常便捷，是目前全 球光学工程师应用最广泛的设计软件！
光学设计与CAD
课程安排
?教学时数： 共48学时 ?理论部分：38学时 ?上机部分（Zemax）：10学时 ?课程考核： ? 平时成绩(30%)＋期末成绩(70%) ?公共邮箱：guangxinsxx, key:090102 ?我的邮箱：song8235269@
什么是光学设计？
? 通过各类光学元件的设计，达到预定的 设计要求。
任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想。 所以，设计时我们应该根据像差理论对系统提出尽量合 理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动设计，这 一点也是很重要的。 用优化技术来自动平衡光学系统的 像差时，如果要求提得太多，且提出了矛盾的要求 (例如 同时提出 正弦条件和赫谢耳条件 )，就可能产生“病态” 方程，使自动平衡不能顺利进行。
?概念，顺着这些概念合理过渡到被开发真实系统的设 计
?一些术语或常用的“行话”要慎用
?不要专注于数学公式及其详细的推导。相反，需重视 对设计和工程过程的理解
?光学设计不仅要考虑基本的概念设计和理论，而且要 预计可制造能力与可测试能力。
相关概念
子午面：包含光轴的平面
截距：物方截距 ——物方光线与光轴的交点到顶点 的距离
像方截距 ——像方光线与光轴的交点到顶点 的距离
倾斜角：物方倾斜角 ——物方光线与光轴的夹角
像方倾斜角 ——像方光线与光轴的夹角
符号法则： 规定：
分界面有左右，球面有凹凸， 光轴有上方下方，区别
1.光线传播方向：从左向右
2.线段：沿轴线段（ L，L′，r）以顶点 O为基准， 左负右正，间隔 d（OO=d ）以前一个面为基准， 左负右正；
? ZEMAX 软件是美国 ZEMAX 公司的高科技软件产 品，应用的领域包括：
★ 显微镜、望远镜、目镜等镜头设计等（球差、彗差、像散、场曲、畸 变、轴向和垂轴色差）
★ 传统相机镜头、数码相机镜头 ★ 各种变焦镜头、手机摄像头等 ★ 各种夜视系统、光学发射天线等 ★ LCD 背光板和LED建模及照明设计优化 ★ 光管、光纤连接器等通信系统和元器件 ★ 车灯等各种照明系统设计和分析 ★ DVD、VCD 激光读写头 ★ LCOS、DLP等各种投影仪及光学引擎设计 ★ 干涉仪、全息光学 ★ 光通信元器件设计分析：有源及无源器件、光纤耦合效率计算、光纤
用于光学系统自动设计的电子计算机， 70年代趋向 于使用大型机， 80年代则有趋向于改用微机的势头。这 一方面当然是为了节省设计费用，另一方面也说明设计 过程需要进行多次人工“干预”，这种“干预”过程无 疑是设计者运用像差理论和设计经验的过程。
归结起来，光学设计方法就是：
a) 根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学 中“不可能''的要求去掉 (“手工”完成 )；
b) 用高斯光学理论，给出高斯结构 (多数由“手工” 设计 )；
c) 平衡初级像差和实际像差，使系统残留像差达 到公差允限 (一般用优化技术，由电子计算机来 实现 )；
d) 公差计算和画光学系统图，零件图 (可由电子计 算机完成 )。
光学设计的基本观点指南
? 提供给光学系统设计者广泛而有益的入门指南：
CCD( Charge-coupled Device)数码照相机的镜头
光学设计与CAD(computer assisted design)
? 利用计算机可以进行准确、快速、复杂的计算 ? 更为方便的进行优化和设计 ? 利用优化技术，平衡初级像差和实际像差，使系
统残留像差达到公差允限 ? 计算机直接给出光学系统图 ? 丰富的可编程操作及接口
光学设计理论的作用
挑选合பைடு நூலகம்的初始结构，设计指标，
尽量少用光线就能对现状作出判断 包括初始要求是否合理，可能不可能达到要求。 判断修改的方向
光学设计方法
光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子 计算机之前的方法统称为“手工”设汁法。那时主要通 过追迹光线，计算像差和逐次修改结构参数使之接近使 用要求的方法来做设计。 电子计算机的使用，使得对 光学系统 (特别是复杂系统 )的分析计 算更加完善了，进 而使光学自动设计逐步发展起来。
? 光学系统
光学系统的基本要求
? 性能
?提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体 ?像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配 ?有效孔径和透过率必须足够满足设计要求
? 构形选择
?设计形式必须能满足所需的性能 ?特殊的技术要求比如在扫描系统，在红外系统中的光阑等， 要符合要求
? 可制造性考虑
?最小尺寸 /成本/重量/环境影响