光學設計基礎(一)

一. 光學設計概念

1.何爲光學設計: 光學設計所要完成的工作應該包括光學系統設計和光學系統結構設計。

2. 光學設計步驟:一般分爲以下兩個階段

1. 初步設計階段。根據光學儀器總體的技術要求，如性能指標、外形等，從光學儀器的總體出發,擬定光學系統的原理圖,並初步計算光學系統的外形尺寸，確定結構類型，以及分配個光組之間光焦度等。

2. 像差設計階段。根據初步設計結果，確定每個透鏡組的具體結構參數，如曲率半徑、厚度、間隔和材料等，以滿足系統光學特性和成像質量的要求。

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二. 光學設計的過程與步驟

1.具體步驟：

1. 查資料庫，找到光學系統特性與所設計任務最爲接近的初始結構
2. 物鏡選型, 在同類結構中選擇高級像差最小的結構
3. 縮放焦距,把查出的結構參數乘以所要設計系統的焦距來進行縮放
4. 更換玻璃，國內外玻璃的牌號不同，價格也不同
5. 估計高級像差，如高級球差、高級慧差、場曲等
6. 檢測邊界條件，優化公差，參數樣板處理化
7. 像質滿足設計要求任務後輸出CAD圖

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三. 儀器對光學設計的要求

1. 對光學系統外形尺寸的要求

1. 系統的孔徑、視場、分辨率、出瞳直徑和位置等
2. 幾何尺寸，既光學系統的軸向和徑向尺寸、整體結構的佈局等
3. 成像質量、孔徑和視場的權重等

2. 對光學系統成像質量的要求

1. 信息傳遞的真實性(如無畸變)和有效性(如是否清晰)
2. 像差、球差、慧差、色差要小

3. 對光學系統使用條件的要求

1. 物理穩定性，化學穩定性，力學穩定性，熱力學穩定性

4. 對光學系統經濟性的要求

價值工程公式:
$V = F/C$
V是價值，F是功能,C是成倍。爲了使V提供，有一下幾種策略

1. 增加功能，降低成倍
2. 增加功能，成本基本不變
3. 大大增加功能，但成本略微增加
4. 略微降低功能，但成本大大降低
5. 功能基本不變，但成本降低

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光學設計實例：單透鏡設計

1. 設計任務：

設計一個焦距爲80mm，相對孔徑爲0.25的單透鏡系統，全視場2ω爲8°，物距爲無限遠，在可見光下工作，選有K9玻璃，光闌設置在入射光線遇到的透鏡第一個光學表明。

1. 輸入入瞳直徑值：焦距×相對孔徑
   

2. 輸入視場，這裏選擇的5個視場分別爲：ω，0.707ω，0.5ω，0.3ω，0.
   

3. 輸入波長範圍,直接選擇F,d,C，以d爲主波長
   

4. 輸入透鏡數據
   

5. 查看外形
   

6. 很顯然沒有聚焦，這裏進行優化設置
   

7. 優化，點擊Automatic即可自動優化
   

8. 查看優化後的外形
   

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此單透鏡設計任務到此就完成了。

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