光学设计CAD软件应用基础精.docx

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光学设计CAD软件应用基础精

第9章光学CAD软件应用基础

9.1国内外光学CAD软件概述

9.1.1光学CAD软件的发展历史

9.1.2几种代表性光学CAD软件简介

9.2OSLO简介

9.2.1OSLO的版本

9.2.3OSLO的基本概念

9.3OSLOLT6.1用户界面

9.3.1主窗口

9.3.2工具条

9.3.3面数据编辑表

9.3.4图形窗口

9.3.5文本窗口

9.3.6文件菜单

9.3.7透镜菜单

9.3.8评价菜单

9.3.9优化菜单

9.3.10公差菜单

9.3.11光源菜单

9.3.12工具菜单

9.3.13窗口菜单

9.3.14帮助菜单

9.4OSLOLT6.1基本操作

9.4.1OSLO的镜面操作规定

9.4.2建立无限远像距镜头文件

9.4.3建立有限远像距透镜文件

9.4.4像质评价

9.4.5优化

9.5OSLOLT6.1应用实例

9.5.115x广角目镜设计

9.5.25x激光扩束准直镜设计

9.1国内外光学CAD软件概述

9.1.1光学CAD软件的发展历史

光学系统像差的自动校正,也称计算机辅助光学设计,其历史可以追溯到半个世纪之前。

20世纪50年代美国国家标准局首先使用电子计算机进行模拟光线追迹,经过了几年的研究开发,积累了一些使用电子计算机进行自动光学设计的经验,这为后来转入自动光学设计软件开发阶段奠定了基础。

半个世纪以来,很多科技工作者在光学计算机辅助设计这一领域里不断探索创新,辛勤耕耘,取得了许多优秀成果,惠及工程光学乃至整个光学学科,并逐步形成了光学计算机辅助设计即光学CAD这一光学分支。

在光学CAD领域中国际知名的学者有:

美国哈佛大学的贝克,英国曼彻斯特大学的布莱克、霍普金斯,美国柯达公司的梅隆以及格雷、齐哈德、格拉采尔等。

国内的长春光机所、上海光机所、西安光机所、上海光学仪器研究所、北京大学、清华大学和南京大学等单位和个人,从20世纪60年代初开始先后将电子计算机应用于光学设计。

70年代初,北京理工大学等单位也加入此行列。

随着像差分布计算程序、空间光线计算程序、点列图计算程序、传递函数、光学系统公差计算程序和变焦系统的像差自动校正程序的相继投入使用,初步形成了一套比较完整的光学设计软件包。

到了20世纪80年代,北京理工大学袁旭沧教授等在原先的微机用光学设计软件包的基础上,研发了“SOD88微机用光学设计软件包”,这是目前国内研发的应用最广的具有自主知识产权的光学CAD软件。

2004年北京理工大学李林、安连生教授所著的《计算机辅助光学设计的理论与应用》一书是一本关于光学CAD软件的数学模型及编程特点的专著,填补了我国在此领域的空白。

9.1.2几种代表性光学CAD软件简介

对于光学CAD的研究半个世纪以来一直在持续发展着,高质量的光学设计软件产品已被世界各地的光学工程师和科研人员广泛使用。

在这里选择几个有影响的光学设计软件做一简介。

•OSLO（美国

OSLO软件由美国LambdaResearchCorporation出品。

OSLO程序由透镜数据输入、优化、像差分析、MTF分析、点列图分析、公差计算等多个功能强大的子程序构成。

本章后续部分将对OSLO软件作详细的介绍。

•SIGMA（英国

由英国KidgerOptics公司出品。

SIGMA软件是具有20世纪90年代世界先进水平的、成熟可靠、在欧洲应用很广的光学自动设计软件。

除了能进行常规光学设计外,还具有以下功能:

自动优化数据、计算光学传递函数、计算倾斜和非共轴系

统、光栅和光全息计算等等。

•ZEMAX（美国

ZEMAX是由FocusSoftware公司出品的光学设计软件。

它有SE（标准版、XE（完整版和EE（专业版三个版本。

ZEMAX软件可模拟并建立反射、折射、衍射、分光、镀膜等光学系统模型,可以进行几何像差、点列图、光学传递函数（MTF、干涉和镀膜等分析。

此外ZEMAX还提供优化的功能来帮助设计者改善其设计,而公差容限分析功能可以帮助设计者来分析其设计在装配时所造成的光学特性误差。

•CODE-V（美国

CODE-V是由OpticalResearchAssociates出品的大型光学设计软件。

它具有光学设计、分析、照度计算等功能,提供了超过2400种以上的光学设计实例。

CODE-V的功能非常强大,但价格也相当昂贵。

•SOD88（中国

SOD88光学设计软件包是由北京理工大学光电工程系技术光学教研室研制的,是我国在光学仪器行业和高校、科研院所应用最广的具有自主知识产权的光学设计软件。

它具有像质评价（几何像差、点列图、光学传递函数等、变焦距系统像差计算与像差自动校正、公差计算等功能。

尽管国产软件在功能和迭代收敛速度方面不如国外产品,但由于其价格性能比低,还是值得推介的。

此外,国外比较流行的光学设计软件还有BEAMFOUR、OPTICA等,中科院长春光机所开发的光学设计软件CIOES虽不及SOD88应用面广,但其功能亦是相当优秀。

光学CAD软件的出现并不断完善,为光学科技工作者提供了更广阔的施展空间。

它能使光学设计者的工作环境更具智能色彩,能改变设计人员的思考方法和工作方式,大大减轻了设计人员的劳动强度,更充分地利用前人的设计成果,快速、高效地设计出性能更加优良的光学系统。

利用光学CAD软件不仅能节约大量的人力资源,缩短设计周期,还可以开发出更多质量更高、结构更简单的光学仪器与产品。

9.2OSLO简介

OSLO是OpticsSoftwareforLayoutandOptimization的缩写。

七十年代在Rochester大学开发了最初的OSLO,1976年开发出了第一个商业化的版本,后来LambdaResearch公司购买下了OSLO程序,并不断推出新的版本。

目前的最高版本已经到了OSLO6.4。

本书中将介绍OSLO6.1版本的功能特点和应用。

9.2.1OSLO的版本

早期的OSLO5.0系列有三个版本:

OSLOLight、OSLOPRO、OSLOSIX。

OSLOLight是SinclairOptics公司提供的一套免费教育软件,通过学习使用OSLO程序,可以使读者对光学系统设计的操作有初步的了解,进而使用功能更强的高级软件OSLOPRO和OSLOSIX。

现在的OSLO6.0系列有四个版本:

教学版（Education、初级版

（Light、标准版（Standard和高级版（Premium,每个版本的功能依次递增。

其中教学版相当于OSLOLT54,提供免费下载,下载网址。

OSLOLT54只能进行不超过11个面的光学系统设计,OSLOEDU6和OSLOLT6都只能进行不超过9个面的光学系统设计,而OSLOSTD6和OSLOPRE6则没有面数限制。

9.2.2OSLO的基本概念

在学习用OSLO进行光学系统设计之前,必须建立起这样一个概念:

“镜头亦文件”。

因为设计镜头就是用结构参数、光学参数、公差、图形等信息把镜头模拟出来,所有的这些信息都包含在一个文件中。

OSLO文件的扩展名为.len或.osl。

OSLO的数据主要分为4种类型:

面数据、操作条件、程序环境设定和编辑表数据缓存。

1、面数据（Surfacedata

面数据包括透镜的所有结构参数,如曲率半径、厚度、孔径半径、玻璃种类、非球面类型等等。

在OSLO中用4种方式输入或修改面数据:

（1在面数据编辑表（Surfacedataspreadsheet中输入。

（2各项数据直接由命令行（Commandline输入。

（3打开内部透镜编辑器（Internallenseditor输入面数据。

（4离线输入。

可以脱离OSLO用任何文本编辑器来编辑面数据。

2、透镜操作条件（Operatingconditions

透镜操作条件是指对整个透镜组的相关参数进行设定,如孔径、视场、波长、误差函数、绘图等设定。

透镜操作设定数据是附在透镜数据之中,与面数据一起存储在透镜文件中。

透镜操作条件只针对某一个透镜,当打开这个透镜文件时自动导入相关数据,如果新建一个透镜文件则要重新设定该透镜的操作条件。

3、程序环境设定（Preferences

程序环境设定与透镜操作条件设定不同,它是设定整个OSLO程序的操作环境,对所有透镜都起作用。

如图形窗口颜色、文本字体、工具栏和状态栏设置等等。

大多数选项一旦被设定好后就立即生效,但有一部分设定必须重新启动OSLO才能生效。

一旦程序设定确定了,其内容就会被存入配置设定文档（configurationfile（*.ini,在程序启动时就会被读取。

4、编辑表数据缓存（SpreadsheetBuffer

编辑表数据缓存是OSLO数据结构中一个重要部分,它是连接程序与用户之间的主要通道。

编辑表数据缓存附在每个文本窗口之中,OSLO将浮点数字输出到文本窗口时,将备份暂存于编辑表数据缓存内,并保留全部数据精确度。

编辑表数据缓存是以矩阵形式保存数据,矩阵的列数规定为10列,行数没有限制。

10列名称分别用a、b、c、d、e、f、g、h、i和j来表示,行名称以行数来表示。

在文本窗口中点击输出数据,在命令行下面的信息输出区就会显示该数据所处的行列及其数值。

如c2=0.012,表示在第二行第三列存储的数据是0.012。

9.3OSLOLT6.1用户界面

本节将介绍OSLOLT6.1版本的用户界面和使用方法。

为方便起见,如无特殊说明,后面都将OSLOLT6.1简称为OSLO。

9.3.1主窗口

和大多数基于Windows的应用程序一样,OSLO的主窗口也是由标题栏、菜单栏、工具栏和状态栏等组成。

除此之外OSLO中还有命令输入行,因为OSLO支持命令输入操作方式。

比如说在命令输入行输入file_open,再按回车键,就会出现打开文件窗口,其结果与点击File->Open菜单项完全相同。

点击命令输入行最右边的下拉按钮会看到前面各操作命令的历史纪录。

面数据编辑表、文本窗口和图形窗口是OSLO最常用的三种用户界面,光学系统设计的主要操作都是在这三个界面中进行;工具栏提供了一些常用命令的快捷方式;菜单里包括了所有的操作命令,后面将对这几部分分别作详细的介绍。

面数据

编辑表

文本

窗口

图形

口

标

题栏菜单

栏具栏

态

栏

命令输

入行图9.1OSLOLT6.1主窗口

9.3.2工具条

工具条提供快速的方法来执行常用命令。

如图9-2所示,OSLO的工具条分为5组,每一组中的工具执行相关的命令,若某工具颜色变为灰色即表示当前不能使用该工具。

如果想要看某工具的简要注释,将鼠标移到此工具上就会立刻显示。

图9-2工具条

1、工具条菜单。

点击第一个工具弹出工具条菜单,如图9-3

所示。

图9-3工具条菜单

该菜单分为两栏,上栏是对窗口和工具条的一些设置,具体功能如下:

·排列窗口（Tilewindows:

把打开的不规则放置的多个窗口自动整齐排列。

·新建图形窗口（Newgraphicswindow:

打开一个空白图形窗口。

·切换文本窗口（Switchtextwindow:

在两个文本窗口之间切换,OSLO允许最多同时打开两个文本窗口。

·右击动作（SSright-clickacitons:

在面数据编辑表中点击右键,弹出菜单,这和直接在面数据编辑表中点击右键功能一样。

·设置工具条/行（SetToolbars/Row:

弹出对话框,输入在工具条第一行允许的最多工作条数。

下栏是5组工具条,分别为标准工具（StandardTools、优化工具（OptimizationTools、公差（Tolerancing、高斯光束（GaussianBeams、扩展光源（ExtendedSources。

下面详细说明各工具功能及其对应的菜单项。

2、标准工具:

打开面数据编辑表。

（File->NewLens:

新建镜头文件。

（File->OpenLens:

打开镜头文件。

（File->SaveLens:

保存文件。

（Window->Editor->Open:

打开文本编辑器。

（File->LensLibrary->EditFoldersList:

打开数据库编辑表。

（Optimize->Slider-wheelDesigner:

打开滚动条编辑表。

3、优化工具

（Evaluate->Autofocus->Paraxialfocus:

为得到轴上点最佳成像位置而

自动聚焦。

（Optimize->GenerateErrorFunction->GENIIRayAberration:

生成误差函数。

（Optimize->Iterate:

执行优化操作。

（Optimize->Operands:

打开优化操作数编辑表。

（Optimize->OptimizationConditions:

打开优化条件编辑表。

4、公差

（Tolerance->UpdateTolerance

Data->Surface:

打开面公差编辑表。

（Tolerance->UpdateToleranceData->Component:

打开组件公差编辑表。

:

打开公差操作数编辑表。

（User-definedTolerancing:

用户自定义公差。

5、高斯光束

（Source->ParaxialGaussianBeam（ABCD:

打开高斯光束编辑表。

（Source->SkewGaussian

Beam:

打开高斯光束追迹对话框。

（Source->FiberCoupling:

打开单模光纤耦合编辑对话框。

6、扩展光源

（Source->EditExtendedSources:

编辑扩展光源。

（Source->ViewExtendedSource

Image:

分析扩展光源的像。

（Source->PixelatedObject:

像素化光源分析。

除了主窗口的工具条以外,在图形窗口和文本窗口也有多个功能丰富的工具条,能够非常方便地执行各种命令,在后面的小节中将具体介绍各工具。

9.3.3

面数据编辑表

控制区

数据编辑表

按钮

区系统参数区

面数据

输入

区

工具条按钮图9-4面数据编辑表

面数据编辑表是OSLO中最重要的一个数据表格,我们对镜头的大部分操作都是在这个表中进行。

如图9-4所示,面数据编辑表主要由窗口控制区、系统参数区、面数据输入区、数据编辑按钮区和工具栏图标区等五个部分组成。

1、窗口控制区

窗口控制区可以控制面数据表的打开和关闭,当操作界面切换到其他的编辑表格或关闭所有编辑表时这个区域也始终存在。

:

确定按钮。

点击该按钮表示接受当前的数据输入并关闭当前面数据编辑表。

注意这个按钮并不等于保存数据,如果要保存当前数据必须要点击主窗口工具栏上的按钮。

:

取消按钮。

点击该按钮表示拒绝当前的数据输入并关闭当前面数据编辑表。

:

帮助按钮。

根据面数据编辑表和命令行的不同状态,帮助系统将打开不同的页面。

命令输入行:

输入命令,按回车键执行该命令。

OSLO有上千条用SCP和CCL语言编写的宏命令,关于这两种语言在9.4.6节中有简要介绍。

2、系统参数区

系统参数区显示的是光学系统主要的几个系统参数值,包括透镜名称（Lens、有效焦距（Ef1、入射光束半径（Entbeamradius、视场角（Fieldangle和主波长（Primarywavln等。

如果是有限物距系统入射光束半径和视场角会由物高和物方数值孔径替代。

有效焦距值是由所输入的面数据值自动计算得到,不能人工修改。

3、面数据输入区

面数据输入区显示透镜各面的光学参数。

表的纵列从左到右依次为面序号（SRF、曲率半径（RADIUS、厚度（THICKNESS、孔径半径（APERTURERADIUS、玻璃（GLASS和特殊设置（SPECIAL;横行表示光学系统的每个面,其中第零面为物面,用OBJ表示,最后一面为像面,用IMS表示,中间各面用1到n的序号表示。

点击面序号可以选中整个行,再点击右键弹出快捷菜单,可以对该行进行剪切、复制、删除、插入、反转等操作。

点住行序号然后向下拖动鼠标就可以选择多行,再点击右键弹出快捷菜单,可以对选中的多个行进行操作,例如元件分组（ElementGroup命令可以将选中的面编为一组,这些面将作为一个整体,其内部的面对外是屏蔽的。

如果想打散组可以选中该组序号,点击右键选择打散组（Ungroup命令。

面数据有两种输入方式:

直接输入数据和由目录透镜数据库调入镜头。

半径、厚度和孔径半径值可以直接输入。

点击每个数据格右边的灰色按钮会弹出一个菜单,里面有关于该数据值的一些特殊计算方式。

玻璃可以从点击灰色按钮弹出的菜单中选择玻璃目录中的牌号,也可以自建玻璃名称和折射率。

特殊设置菜单中包括坐标变换（Coordinates、非球面（PolynomialAsphere、样条轮廓（SplineProfile、衍射面（DiffractiveSurface和梯度折射率（GradientIndex等对该面的特殊功能设置。

在行序号上点击右键,在弹出菜单中选择插入目录透镜（InsertCatalogLens,打开OSLO自带的目录透镜数据库对话框,如图9-5所示。

图9-5目录透镜数据库

点击对话框最下面的目录（Catalog按钮,弹出目录数据库菜单,有十几个数据库可供选择,右边显示出所选数据库包括的透镜列表。

每个数据库中有若干已设计好的透镜,大部分是单透镜和双胶合结构,因为这两种结构是构成复杂光学结构的基础。

透镜类型（LensTypes有三个选项:

单透镜（Singlets、双透镜（Doublets和其他（Others,分类根据（Sortby有三个选项:

有效焦距（Ef1、直径（Thickness和零件名称（Part。

下面两项是选择中心焦距（CentralEf1和中心直径（CentralDia值,及其正负范围,用这两项可以缩小选择范围。

比如中心焦距设为50mm,范围为正负10mm,那么表中就会列出焦距从40mm到60mm之间的透镜,这样查找所需要的透镜更为方便。

选择一个透镜就会在图中画出它的结构,在结构图下面显示该透镜的名称、焦距、直径、厚度等参数值,然后点击按钮返回面数据编辑表,所选透镜就输入了表中。

4、数据编辑表按钮区

这个区是OSLO6.1版本与OSLO54版本相比在界面上增加的部分,它可以更方便的帮助我们进行各种系统参数的设置。

该区中按钮包括常规设置（Gen、近轴设置（Setup、波长设置（Wavelength、变量设置（Variable、自动绘图打开/关闭（DrawOn/DrawOff、组/面显示切换（Group/Sur和系统注释（Notes。

（1点击常规设置按钮会打开常规设置编辑表,如图9-6所示。

表中包括控制透镜特性或者操作环境的各种常规选项,如评价模式（Evaluationmode、单位（Units、光线瞄准模式（Rayraimmode、波前参考球面位置（Wavefrontrefsphpos、

孔径检查（Aperturechecking、像差模式（Aberrationmode等等。

一般使用系

统默认的设置就可以,没有特殊需要不用修改这些设置。

图9-6常规条件编辑表

（2点击近轴设置编辑按钮打开近轴设置编辑表,如图9-7

所示。

图9-7近轴设置编辑表

表中分孔径（Aperture、视场（Field和共轭（Conjugates三个纵栏,每个纵栏中又有一条横线将其分成物方和像方两部分。

孔径栏物方参数有入射光束半径（Entrbeamrad、物方数值孔径（ObjectNA,像方参数有出射光线斜率（Ax.Rayslope、像方数值孔径（ImageNA、工作f（workingf-nbr数等;视场栏物方参数有视场角（Fieldangle、物高（Objectheight,像方参数有高斯像高（Gausimageht;共轭栏物方参数有物距（Objectdist、物面距物方主面距离（ObjecttoPP1,像方参数有高斯像距（Gausimgdist、像方主面到像面距离（PP2toimage、放大率（Magnification等。

下面两项是对光学系统孔径的设置和对高斯光束孔径的设置。

最下面是系统自动计算的光学系统外形尺寸,包括光学系统总长度（Overalllenslength、入瞳半径/位置（Entrpuprad/pos、拉格朗日不变量（Lagrangeinvariant、有效焦距（Effectivefocallength、总光路长度（Totaltracklength、出瞳半径/位置（Extpuprad/pos、匹兹万半径（Petzvalradius等。

（3点击波长设置按钮会打开波长编辑表,如图9-8所示。

系统默认的当前主波长为0.58756μm,对0.48613μm和0.65627μm两种波长的光线校正初级色差,对这三种光线校正二级色差。

点击每个波长值会弹出一个波长列表,列表中有从0.3650μm到1.1523μm之间的典型的23种波长,可以从其中任选你所需要的波长。

选中了某个波长行,点击右键弹出的菜单中有对该行剪切、复制、粘贴、插入、删除等各种操作。

Weight是该波长在计算色差时的权重,默认都为

1。

图9-8波长编辑表

（4点击变量按钮打开变量设置编辑表,如图9-9所示。

变量是在优化过程中可以任意改变值以使误差函数最小化的镜面参数,如镜面曲率半径、厚度等。

表中前两行是设置默认的空气层厚度范围和玻璃厚度范围。

中间三个按钮分别可以将所有的曲率半径（allcurvatures、所有的厚度（allthickness和所有的空气层（allair

spaces设为变量。

图9-9变量编辑表

（5点击自动绘图打开/关闭按钮可以在自动绘图和非自动绘图之间切换。

自动绘图可以实时跟踪我们对镜面数据的修改,当改变某个半径值或者厚度值时,在绘图窗口中就会立刻改变镜片的外形,这样有利于我们及时发现设计过程中镜片结构可能会出现的问题。

（6点击组/面显示切换按钮设置面数据编辑表中显示的光学系统是以组的形式还是以各面单独列出的形式来显示。

通常在使用OSLO自带的目录数据库中的镜头时数据是以组的形式存储的,如果选择面显示方式就会自动把组打开,组里面的各面的参数值也会显示出来。

（7点击注释按钮打开注释输入表。

注释的长度不能超过5行,每行不超过80