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    [原创]掌握光学设计原理，获得光学设计乐趣 [复制链接]

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    离线phoenixzqy
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    只看楼主 正序阅读 楼主  发表于: 2014-04-30
    可能很多人都觉得光学设计是很枯燥的工作。 M8 ^ziZY  
    或许因为一直在和软件作斗争,不断的设置像差控制参数、优化。 ;&7qw69k  
    能不能获得好的结果大部分时间也是靠运气。 )VSGqYr#  
    看到某像差不合适的时候，就去用像差控制操作数，设置操作数，添加巨大的权重，优化结果却很差，此像差或许确实有提高，整个光学系统却基本崩溃掉了。 Z(Ls#hp  
    ul5::  
    这样做，确实很枯燥。 7+A-7ci  
    J\Oc]gi\L  
    我们崩溃，软件也很崩溃. %>x0*T$$  
    巧妇难为无米之炊： -Y!=Iw 4  
    在设置操作数、优化系统之前，有没有去想过，正在优化的这个光学系统，是否有足够的能力满足我们提出的所有要求呢？是否设置了相互矛盾的要求（比如用两个分离的薄透镜同时校正轴向色差、垂轴色差）？设置变量的时候，哪些应该固定，哪些应当放开，交给软件优化呢？包括玻璃折射率、阿贝数应该固定，还是设置为变量？等等。 5jj5 7j"  
    得不到要的效果，原因很多，但大多是因为对光学设计原理的不了解造成的。 A-@-?AR  
    rsq'60  
    光学设计，以及软件使用，其实是很有讲究的，是需要设计理论作支撑的。 MOH,'@&6^  
    unbcz{&Hb[  
    就拿玻璃的选择来说吧，大家都知道： |eVTxeq  
    合适的玻璃对，比如K系列和F系列，可以用来消除色差；并且也知道：旧的玻璃对组合，可以使透镜在消除像差的时候，同时获得小的球差和小的彗差，但同时会增大Petzval和，比同焦距单透镜的还要大；也可以根据实际要求，选择不同的折射率、阿贝数组合，使球差较小时，有大的彗差，彗差为正或者为负，均可实现；新的玻璃对组合：高折低色散为正片，低折高色散的玻璃为负片的胶合片，可降低Petzval和，但是球差会是欠校正的，孔径增大时，或许还会带来更高级的像差。 /M{)k_V  
    以上这些，以及选择合适玻璃组消除二级光谱，这些大家应该都非常了解了。 CM@"lV_  
    s>"WQ|;6  
    以上并不是玻璃选择对光学系统影响的全部作用。 $D2Ain1  
    1nX68fS.9  
    玻璃的选择在一些光学系统中，有其他方面的作用：玻璃的选择，会影响到透镜长度（在这里，指：第一片玻璃到最后一片距离）、视场角，相对孔径等等，或者说，为了达到某一设计要求，要尽量选择这样的玻璃组合。 U`vt/#j 1  
    以三片镜为例，这个比较典型：玻璃的折射率，对三片镜光学系统整体性能影响很大，大家可以对三片镜的个专利比较一下，相似结构，采用K9和ZK或者LAK系列的玻璃，获得的光学性能差距很大。在设计三片镜时，正透镜最好选择玻璃图左上方的玻璃。负透镜可以设置为变量优化，或者直接按照其他光学要求、经验选取，尽量不要把正片的材料当做变量来优化（负片优化，一般能获得普通F或者ZF玻璃）。选择高折射率的玻璃作为正透镜，有利于提升三片镜的整体光学性能。 QtO[g  
    Di5Op(S((  
    另：设计一个视场角较大的三片镜，三片镜间距将缩小，尤其是第一片与第二片间距，此时，两片透镜的V差将会减小。  hE?GO,  
    w-q=.RSTn=  
    所以在设计这类光学系统的时候，比如我们手头有一个视场角较小的三片镜结构，没有找到合适视场的系统（实际中专利很多，应该是能找得到的，在这里只是以此为例，能说明问题就好）。那么，在逐步增大三片镜视场的优化过程里，间距以及玻璃，都应当适时的设置为变量，而不是固定不变。也可以根据经验，手动修改负片的V值，或者正片V值以及透镜之间的间距（一般是减小正片V值，减小间距）。再让软件逐步优化，可以相信，了解三片镜的光学特性之后，用软件优化会更有效率，软件和设计者，崩溃的次数会降低，获得成就感的机会也会提高不少。 swe8  
    `zvT5=*-#  
    为提升三片镜或者天塞的光学性能，比如，提高球差的校正情况。有些设计会把第一片正片分裂为两片，增加变量。如果直接让程序优化，有时候优化结果是让人十分崩溃的，分裂之后，优化很多圈，和原来的设计效果差不多。为什么呢？因为程序此时的评价函数已经到一个局部最小值了（分裂前后，都是局部最小），虽然增加了变量的数量，但是软件并不能从这个低谷走出，翻越山峰，去寻找全局最低点。这个时候，就需要设计师干预程序了：将分裂出来的两片透镜，第一片近似平凸，第二片近似弯月的形状，看一下像差变化，稍微手动调整一下形状，使前两片组合接近球差最小状态（他们两个的组合接近球差最小状态，而不是整个光学系统，这个时候整个光学系统还没优化呢，说不定这俩透镜欠校正球差小了之后，整个光学系统的球差已经变成很大的过校正了。），然后把透镜曲率设置为变量，重新优化，这时，应该就会发现，整个系统的带球差将会变小。 @?($j)9}  
    S+E3;' H  
    另外还有一些大孔径的系统，喜欢使用空气间隔，有时会用一个控制面，让其产生高级像差，去抵消掉过校正或者校正不足。大部分高级像差产生面，都是可以通过光线走向及在这个面上的入射角，看出来的，对这些面型的认识、了解应该说，不是很难。松纳物镜里的控制面很明显，大家可以看一下这方面专利。 `b,g2XA  
    07HX5 Hd  
    前面提到的反常胶合，也就是新的胶合透镜，在普罗塔物镜、天塞物镜，以及很多高斯物镜里都有使用。这个大家可以看一下专利，比较分析一下其作用。很明显的一点是对降低Petzval和有好处。 *^&iw$Qx3  
    EZu  
    透镜弯曲、光焦度分配校正像差的理论和方法，在实际设计中也会经常用到。以畸变为例，假如一高斯物镜，畸变4%，想做到2%，这个时候，用光焦度分配或者说转移，效果就会比较明显了。将高斯物镜的光阑前面单片正透镜和后面单正透镜，光焦度做少量转移，转移之前分析一下移动放下，别搞反了。桶形畸变，边缘的像比中心的缩小了，那就要把光阑后的光焦度稍微转移到前面。然后再让程序优化，以平衡手动修改带来的其他像差改变。也可让软件自动优化，不手动调整，但尽量不要固定各镜片光焦度。 L 52z  
    U]R|ej  
    以上仅提及了部分光学设计原理。还有很多未提及。 B+e~k?O]1  
    但所有的光学设计的原理加起来也并不多，大家掌握起来也不难。这些原理的应用，在专利里都可以找得到，可以通过分析专利，逐步掌握。 4tN~UMw?  
    {3 yws 4  
    常交流！ :Q%yW%St$  
    h hNFp  
    祝大家：逐步掌握光学设计原理，获得光学设计的乐趣。 tI(t%~>^  
    }e;p8)]Wl  
    f<x t3  
    M. UUA?d<'  
     oU{-B$w  
    以下是一些网友对光学原理及光学软件应用的看法： kQ:>j.^e  
    ,hcBiL/  
    其实光学知识还是要深入研究的 软件只是一个工具 正像老前辈们说的，再好的光学软件也不会帮你设计出好的镜头来 还是要看光学设计师理论的扎实度以及更“智慧”的运用软件。 u>-uRz<)t  
    个人愚见....     PeR<FSF ,i  
    ]`+"o[  
    你说的很好。 i OA3x 8J  
    亚利桑那大学的光学设计书籍，第一页就说：软件没有办法设计出一个合理的透镜。软件只是一些固定、机械的算法的集成，一个符合要求的设计的灵感，来自设计师。 ,jdKcWy'  
    9cHNwgD>v  
    确实是，一个教授说过，现在很多人不应该叫做光学设计师，应该叫光学计算师，都是单纯的使用软件计算，没能更多的加入设计师的思想。 OTr!?xi  
    _KlPbyLU  
    光学设计的基本原理、技巧，是非常重要的。 i_Q4bhVj  
    掌握了这些之后，才会慢慢发现光学设计的乐趣，运用技巧，让光学系统达到所需要求。 Pp")hFx  
    只去用软件，太枯燥了，也搞不出好的设计。 .cn w?EI  
    [O =)FiY-  
    特别是有时候，光学系统细微的调整一下像差，手动的指向性更明确、更快速。 os0"haOI9h  
    |@uhq>&  
    iS^^Z ZyR  
    S&g -  
    [ 此帖被phoenixzqy在2021-03-31 23:17重新编辑 ]
    共2条评分 ，光币+25
    reuben 光币 +5 - 2024-01-02
    cyqdesign 光币 +20 不错的帖子，前排支持！ 2014-04-30
     
    2024年6月28-30日于上海组织线下成像光学设计培训，欢迎报名参加。请关注子在川上光学公众号。详细内容请咨询13661915143（同微信号）
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    只看该作者 113楼 发表于: 2022-09-28
    回 光强 的帖子
    光强:现在很多人不应该叫做光学设计师，应该叫光学计算师，都是单纯的使用软件计算，没能更多的加入设计师的思想。 (2018-10-28 20:59)  faeyk]u  
    Tp.iRFFkP  
    叫计算师也不太合适，他们也没计算什么啊。这种顶多只能算是光学软件操作 爱好者，还没入门光学设计。
    2024年6月28-30日于上海组织线下成像光学设计培训，欢迎报名参加。请关注子在川上光学公众号。详细内容请咨询13661915143（同微信号）
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    离线phoenixzqy
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    只看该作者 112楼 发表于: 2022-09-28
    回 光强 的帖子
    光强:现在很多人不应该叫做光学设计师，应该叫光学计算师，都是单纯的使用软件计算，没能更多的加入设计师的思想。 (2018-10-28 20:59)  \5_^P{p7<  
    B)NB6dCp  
    叫计算师也不太合适，他们也没计算什么啊。这种顶多只能算是光学软件操作爱好者，还没入门光学设计。
    2024年6月28-30日于上海组织线下成像光学设计培训，欢迎报名参加。请关注子在川上光学公众号。详细内容请咨询13661915143（同微信号）
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    离线daicl11
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    只看该作者 111楼 发表于: 2022-04-06
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    离线碳氢氧
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    只看该作者 110楼 发表于: 2021-12-01
    大师啊，行业专家
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    离线光强
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    只看该作者 109楼 发表于: 2018-10-28
    现在很多人不应该叫做光学设计师，应该叫光学计算师，都是单纯的使用软件计算，没能更多的加入设计师的思想。
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    离线jpzhangniaot
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    只看该作者 108楼 发表于: 2018-10-26
    写的非常好，谢谢 f6)H!SI  
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    离线laser-lily
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    只看该作者 107楼 发表于: 2018-06-04
    不错，说的很好
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    离线phoenixzqy
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    只看该作者 106楼 发表于: 2017-09-23
    回 drpeng_2011 的帖子
    drpeng_2011:一看就是大牛写的 (2017-08-19 17:38)  `8I&(k<wLe  
    ; OsN^   
    写的不好，请多多指教！
    2024年6月28-30日于上海组织线下成像光学设计培训，欢迎报名参加。请关注子在川上光学公众号。详细内容请咨询13661915143（同微信号）
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    离线drpeng_2011
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    只看该作者 105楼 发表于: 2017-08-19
    一看就是大牛写的
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