中科院上海光机所2018光学设计高级讲习班（第十五届）

培训时间

2018年10月14日-19日（14日报到）

培训地点

中科院上海光学精密机械研究所内(上海市嘉定区清河路390号)

授课老师

朱健强，中科院上海光机所研究员, 博士生导师。主要从事神光II激光驱动器的总体光学和机械设计、结构设计以及相关检测技术和测控技术的研究等，在精密光学机械设计中具有丰富的理论和实践经验。曾入选人事部百、千、万人才工程;获中科院青年科学家二等奖;2002年度上海市科技进步一等奖;首届中国科学院杰出科技成就奖。

黄惠杰，中科院上海光机所研究员，博士生导师。主要从事光机电算一体化技术、仪器与设备的研究与开发，涉及光散射测量技术、光学生物传感技术、光学检测技术、光学光刻技术和光学设计等。已负责完成了国家自然科学基金、863计划等多个项目，正在承担国家科技重大专项课题。在国内外学术刊物上发表论文40余篇，申请专利40余项，其中10项发明专利获得授权。

徐文东，中科院上海光机所研究员，博士生导师。具有丰富的光学系统设计和镜头设计经验。独立或主持设计了原子力显微镜头部光学系统、长程面形仪的光学系统、成像板x射线摄影系统中的光学系统、光刻机对准子系统的光学系统等，三套与SPM配套的CCD观察装置的光学系统、十套显微镜物镜镜头和一套LCD正投式投影机光学系统等通用镜头和光学系统。

杨宝喜，高级工程师，现就职于中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室。主要从事精密光学仪器、光机电一体化技术、光刻机照明技术方面的研究，目前正参与国家重大科技专项02专项课题。在光学系统设计、照明光学设计、光学测量方面具有长期的工作经验，已发表科技论文多篇，申请发明专利二十多项。

王显锋，毕业于长春理工大学，在一家知名日企从事光学设计工作十余年，其中将近四年时间在日本总公司设计部从事光学投影机引擎的设计开发工作。目前在小米下属的一家企业从事VR产品相关的研发工作。 主要结合设计、实际生产经验，通过一些案例，对光学投影机的光学设计方面进行一些讲解。包括投影机的分类；投影照明系统中几种方式的概略模型以及优缺点；投影镜头的主要分类，不同类型的特点；投射镜头的设计中主要注意事项，如：温度漂移的设计模拟，树脂非球面的运用；投影镜头的检测方法，非球面透镜的主要不良内容与表现形式等。

授课内容大纲

一、 光机系统设计和光学加工 主讲：朱健强研究员

本课程的内容涵盖了光机设计的原理、设计方法及常规内容。实例讲解各类光学元件加工的工艺环节及其相关测控技术，培养光学工程师所必需掌握的平面、球面、透镜、棱镜等光学加工技术，非球面加工技术，特种光学元件加工技术，光学检测技术等。原理是相同的，结构是千变万化的，本课程立足工程需求，破除学习中的思维障碍，架起传统教育和实际工作的桥梁。

二、 光学设计实例  主讲：黄惠杰研究员

1、  光学系统设计实例。

通过设计实例，加深对几何光学、相差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用。介绍光学设计软件的基本使用方法，演示几种典型光学系统的优化设计过程，重点演示的光学系统包括单透镜、双胶合透镜、非球面单透镜、非球面双胶合透镜、多重结构激光缩束镜、实用的激光扩束镜、非球面检验光路、高倍显微物镜、双高斯照相物镜等。

2、  从高温镜头出发谈光学系统产品的设计。

以用于高温窑炉工况监控的高温镜头作为产品设计实例，从具体的使用要求出发，讲解光学系统设计的一般步骤，包括需求分析、总体设计、部分设计、结构选择、像质评价等，同时对其中涉及的光学设计方法与概念（如远心光路在光学仪器中的应用）用更多的实例进行展开分析以求深入理解。最后，还演示了多种高温镜头产品的设计结果与使用效果。

三、 光学系统设计基础知识  主讲：徐文东研究员

1、 光学系统的基本要求

光学系统的基本要求；光学系统技术要求；典型规格

2、 高斯光学

子午光线光路计算，近轴光线光路，像差；线性系统，ABCD矩阵；高斯光学（电子光学……)理想光学系统的一般性质；波导、光纤、光学系统、激光之间相干耦合；一些基本公式

3、 初级像差理论

球差；球差与折射率的关系；F/2透镜的球差，实际光学追迹；球差；彗差；透镜曲率对于球差和彗差的影响；畸变；像散；场曲；光线轨迹图解；典型横向像差曲线；光阑和光瞳；渐晕；光程差；波像差，对称性，Seidel系数；几何像差；光阑移动使像差系数变化；物面移动使像差系数变化；球面初级像差系数；色差；非球面；非轴对称光学系统的像差，柱面系统；轴上色差；倍率色差；SCHOTT光学玻璃图、玻璃选择；光学玻璃表（SCHOTT）；玻璃的选择；二级光谱（表达式指波像差）；选择减小二级光谱的玻璃；相对部分色散与阿贝数对应关系；消色差双胶合透镜参数分析：玻璃﹠F#；f/4 球面双胶合透镜色球差分析；红外材料的折射率和透射波段；通常红外材料的透过率；通常的红外光学材料；折射率-V值 (在3～5μm及8～12μm位置的红外材料）相互关系；非球面的使用；非球面在反射系统中的应用

4、 光学系统的结构

光学系统结构；光学系统结构的选择；确定结构的步骤；近代照相物镜；变焦；摄影物镜；光刻物镜；显微物镜；目镜；折射系统和反射系统的比较；反射式光学系统的结构；光学系统中的杂散光；光学系统中杂散光的影响；反射式卡塞林系统的杂散光路径；典型光学系统的能量传递；在可见光范围，用极坐标图表示的来自涂黑表面的相对反射能量分布图；光学系统的缩放

5、 像质评价

衍射效应；衍射成像理论；成像质量；瑞利判据；OPD P-V值和波前RMS的关系；光程差介绍；光程差与面型；焦深；理想光学系统的PSF；有球差的PSF；有彗差的PSF；像散及彗差，PSF；不同球差的点扩散函数；不同中心遮拦的点扩散函数；调制传递函数（MTF）；典型调制传递函数（MTF）；方孔时的MTF；分辨率模拟图解；做为中心遮拦函数的MTF；MTF与波前RMS的关系；各类波像差导致的MTF下降

四、 光学设计中的优化控制  主讲：杨宝喜高级工程师

1、 优化过程中的光线约束

介绍基于光线追迹法的几何像差概念，像差计算过程中坐标系定义、光线设置方法、光线参数计算，并以单透镜、离轴反射系统和远心系统为例介绍光线设置方法和优化技巧。

2、 变焦距光学系统的结构约束

介绍变焦光学系统原理、分类、结构特点和优化过程中的光学结构参数控制技巧。

3、 非球面结构参数的约束

介绍非球面的类型，矢高和最佳球面的计算方法，以及非球面光学系统优化技巧。

4、 像面照度均匀性优化设计

介绍像面照度概念、影响因素和均匀性计算方法，并以光刻机照明系统中一个中继镜为例，介绍在优化过程中如何通过控制主光线入射角度、视场畸变、光阑像差、像方数值孔径NA、透镜表面光线入射角度、各视场主光线穿过的玻璃厚度等方式，使其满足对像面照度均匀性的要求。

五、 光学投影机的光学设计 主讲：王显锋研发总监

主要结合设计、实际生产经验，通过一些案例，对光学投影机的光学设计方面进行一些讲解。包括投影机的分类；投影照明系统中几种方式的概略模型以及优缺点；投影镜头的主要分类，不同类型的特点；投射镜头的设计中主要注意事项，如：温度漂移的设计模拟，树脂非球面的运用；投影镜头的检测方法，非球面透镜的主要不良内容与表现形式等。

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