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phoenixzqy 2014-04-30 22:17

掌握光学设计原理,获得光学设计乐趣

可能很多人都觉得光学设计是很枯燥的工作。 cSB_b.@"1  
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。 .!L{yU,  
能不能获得好的结果大部分时间也是靠运气。 !m~r0M7  
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。 l lcq~*zz  
9v;[T%%  
这样做,确实很枯燥。 Q~ Ad{yC  
G)NqIur*Z  
我们崩溃,软件也很崩溃. q({-C  
巧妇难为无米之炊: R"HV|Dm|m  
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。 b|k^   
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。 &E0^Jz  
VhLfSN>W  
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。 q%q+2P>  
Z]{=Jy !F  
就拿玻璃的选择来说吧,大家都知道: X=f%!  
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。 g.!k>_g`  
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。 lY@2$q9BT  
u@:[ dbJ  
以上并不是玻璃选择对光学系统影响的全部作用。 >)NS U  
E>-I |X"L1  
玻璃的选择在一些光学系统中,有其他方面的作用:玻璃的选择,会影响到透镜长度(在这里,指:第一片玻璃到最后一片距离)、视场角,相对孔径等等,或者说,为了达到某一设计要求,要尽量选择这样的玻璃组合。 p ]jLs|tat  
以三片镜为例,这个比较典型:玻璃的折射率,对三片镜光学系统整体性能影响很大,大家可以对三片镜的个专利比较一下,相似结构,采用K9和ZK或者LAK系列的玻璃,获得的光学性能差距很大。在设计三片镜时,正透镜最好选择玻璃图左上方的玻璃。负透镜可以设置为变量优化,或者直接按照其他光学要求、经验选取,尽量不要把正片的材料当做变量来优化(负片优化,一般能获得普通F或者ZF玻璃)。选择高折射率的玻璃作为正透镜,有利于提升三片镜的整体光学性能。 ucz~y! 4L{  
A:y^9+Da  
另:设计一个视场角较大的三片镜,三片镜间距将缩小,尤其是第一片与第二片间距,此时,两片透镜的V差将会减小。 Oh10X.)i  
,d lq2  
所以在设计这类光学系统的时候,比如我们手头有一个视场角较小的三片镜结构,没有找到合适视场的系统(实际中专利很多,应该是能找得到的,在这里只是以此为例,能说明问题就好)。那么,在逐步增大三片镜视场的优化过程里,间距以及玻璃,都应当适时的设置为变量,而不是固定不变。也可以根据经验,手动修改负片的V值,或者正片V值以及透镜之间的间距(一般是减小正片V值,减小间距)。再让软件逐步优化,可以相信,了解三片镜的光学特性之后,用软件优化会更有效率,软件和设计者,崩溃的次数会降低,获得成就感的机会也会提高不少。 r7V !M1  
qhTVsZ:{C  
为提升三片镜或者天塞的光学性能,比如,提高球差的校正情况。有些设计会把第一片正片分裂为两片,增加变量。如果直接让程序优化,有时候优化结果是让人十分崩溃的,分裂之后,优化很多圈,和原来的设计效果差不多。为什么呢?因为程序此时的评价函数已经到一个局部最小值了(分裂前后,都是局部最小),虽然增加了变量的数量,但是软件并不能从这个低谷走出,翻越山峰,去寻找全局最低点。这个时候,就需要设计师干预程序了:将分裂出来的两片透镜,第一片近似平凸,第二片近似弯月的形状,看一下像差变化,稍微手动调整一下形状,使前两片组合接近球差最小状态(他们两个的组合接近球差最小状态,而不是整个光学系统,这个时候整个光学系统还没优化呢,说不定这俩透镜欠校正球差小了之后,整个光学系统的球差已经变成很大的过校正了。),然后把透镜曲率设置为变量,重新优化,这时,应该就会发现,整个系统的带球差将会变小。 R#y"SxD()  
9 5j`^M)Q  
另外还有一些大孔径的系统,喜欢使用空气间隔,有时会用一个控制面,让其产生高级像差,去抵消掉过校正或者校正不足。大部分高级像差产生面,都是可以通过光线走向及在这个面上的入射角,看出来的,对这些面型的认识、了解应该说,不是很难。松纳物镜里的控制面很明显,大家可以看一下这方面专利。 *'H\`@L  
F?FfRzZ[  
前面提到的反常胶合,也就是新的胶合透镜,在普罗塔物镜、天塞物镜,以及很多高斯物镜里都有使用。这个大家可以看一下专利,比较分析一下其作用。很明显的一点是对降低Petzval和有好处。 %zY5'$v `  
~@Bw(!  
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。 Zw{?^6;cS  
bFL2NH5  
以上仅提及了部分光学设计原理。还有很多未提及。 +3XaAk  
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。 -CFy   
60ciI,_`  
常交流! 9* 3;v;F  
+!ljq~%  
祝大家:逐步掌握光学设计原理,获得光学设计的乐趣。 nvwf!iU6  
6!itr"  
OJA_OqVp$K  
[r Nd7-j <  
:Sd`4"AA  
以下是一些网友对光学原理及光学软件应用的看法: f<rn't{  
IaO R%B g  
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。 8b-mW>xsA  
个人愚见....
@x!+_z  
s3@mk\?qMe  
你说的很好。 KTot40osj  
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。  tKh  
<ty]z!B  
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。 +`1~zcu  
l. cp[  
光学设计的基本原理、技巧,是非常重要的。 0,@^<G8?  
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。 2T?Y  
只去用软件,太枯燥了,也搞不出好的设计。 ^\`a-l^  
XHJ` C\xR  
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。 +kE~OdZG  
]=i('|YG  
S!gzmkGcj  
[S~Bt78d%r  
phoenixzqy 2014-04-30 22:19
祝大家:逐步掌握光学设计原理,获得光学设计的乐趣。
phoenixzqy 2014-04-30 22:25
欢迎指正,欢迎交流。
cyqdesign 2014-04-30 22:46
不错的帖子,前排支持!
phoenixzqy 2014-04-30 23:28
cyqdesign:不错的帖子,前排支持! (2014-04-30 22:46)  Z^4+ 88  
+'olC^?5 }  
多谢站长!
phoenixzqy 2014-05-01 12:25
欢迎交流。 L'aB/5_%  
m F+8Q  
五一劳动节,劳动最光荣。
andy03 2014-05-01 16:20
听说  学习OSLO光学设计软件, 就是在学好光学设计~~ whHuV*K}  
>s"/uo  
不知LZ对此看法如何!!
gangjiyiqu 2014-05-01 18:09
通过设计原理去指导光学设计,从本质上解决设计,应该是一个很有趣的过程。学习了,很好的帖子,希望站内多出些此类关于光设原理指导的好帖子。
phoenixzqy 2014-05-01 19:30
andy03:听说  学习OSLO光学设计软件, 就是在学好光学设计~~ V|sV U  
不知LZ对此看法如何!! (2014-05-01 16:20)  gVzIEE25  
]|,}hsN  
我觉得你说反了。 m26YAcip}  
学好光学设计理论,才能用好软件。 @d 7V@F0d  
(Ll'j0]k>  
oslo也不例外,虽然它给用户提供了很多编辑修改模块的途径,但都是在光学理论掌握之后的事情。没有光学理论的支撑,oslo的优势也体现不出来。
phoenixzqy 2014-05-01 19:31
gangjiyiqu:通过设计原理去指导光学设计,从本质上解决设计,应该是一个很有趣的过程。学习了,很好的帖子,希望站内多出些此类关于光设原理指导的好帖子。 (2014-05-01 18:09)  8/dMvAB1So  
?%Nh4+3N>  
恩,最近公司事情太多,有时间了会多发帖子的。 0g|5s  
常交流。
phoenixzqy 2014-05-01 19:33
andy03:听说  学习OSLO光学设计软件, 就是在学好光学设计~~ BK%B[f*[OA  
不知LZ对此看法如何!! (2014-05-01 16:20)  !mUJ["#  
[//i "Nm  
光学设计学好了,用哪个软件都能解决问题。 Io3-\Ff  
Pa3-0dUr  
应用至今的经典光学结构,都是在现在的商用光学软件之前出现的。
longyou520 2014-05-02 22:32
说的有 道理,现在都叫光学计算师了,很少有设计的思想加进去
john.yang 2014-05-03 08:55
很不错的贴,学习了
superyu2009 2014-05-03 16:50
嗯 这样交流很好啊 X<;.  
确实跟楼主有同感
phoenixzqy 2014-05-03 17:50
longyou520:说的有 道理,现在都叫光学计算师了,很少有设计的思想加进去 (2014-05-02 22:32)  $mGzJ4&  
' /HShS!d  
常交流。。。。。
phoenixzqy 2014-05-03 17:50
john.yang:很不错的贴,学习了 (2014-05-03 08:55)  ~fkcal1@  
h<&GdK2U+  
客气,常交流。
phoenixzqy 2014-05-03 17:50
superyu2009:嗯 这样交流很好啊 | I:@:  
确实跟楼主有同感 (2014-05-03 16:50)  nQV0I"f]?]  
5XX)8gAo  
欢迎交流。
phoenixzqy 2014-05-03 22:43
欢迎交流。。。
xiaobing 2014-05-04 10:10
顶一下
智慧之光 2014-05-04 11:02
讲的很好
csdww 2014-05-04 11:23
软件只是一种工具,设计思想还是来自设计师,理论很重要
strategy 2014-05-04 13:07
LZ这里列举的东西,《modern lens design》一书中都有,授人鱼不如授人渔,大家真想融会贯通,大量的时间功夫是少不了的,花几千大洋去培训几天,实在是 。。。
swoptical 2014-05-04 17:50
strategy:LZ这里列举的东西,《modern lens design》一书中都有,授人鱼不如授人渔,大家真想融会贯通,大量的时间功夫是少不了的,花几千大洋去培训几天,实在是[表情] 。。。 (2014-05-04 13:07)  J \|~k2~  
zqt<[=O  
我觉得培训跟看书是两种不同的体验。 $+J39%Y!^  
培训可以面对面地交流,实践中有疑问可以提出来,或许老师指点你一两句你就茅塞顿开了。而通过看书比较难达到这种效果。
swoptical 2014-05-04 17:51
strategy:LZ这里列举的东西,《modern lens design》一书中都有,授人鱼不如授人渔,大家真想融会贯通,大量的时间功夫是少不了的,花几千大洋去培训几天,实在是[表情] 。。。 (2014-05-04 13:07)  6flO;d/v  
W'k&DKhTqF  
当然公司出钱比较爽。
star17111 2014-05-05 11:32
对于培训,由于不是针对某个人的,所以不可能全部的东西都是你需要的,所以,更多的交流才能更快的成长
hxg189 2014-05-06 09:27
非常好!!!
quanliwei 2014-05-06 20:16
我认为,光学设计的难点在于初期结构的选型,这个需要理论基础去建造一个相差分配合理的结构,剩下的基本上就是软件应用的问题。
风火山林 2014-05-06 20:17
光学设计初级阶段还是靠软件挣扎中,后期要从原理上下手了
lanseyudi 2014-05-06 21:08
很棒!
max11 2014-05-07 16:38
说了些实话 ,具体实施办法不是那么简单的。
phoenixzqy 2014-05-07 20:18
strategy:LZ这里列举的东西,《modern lens design》一书中都有,授人鱼不如授人渔,大家真想融会贯通,大量的时间功夫是少不了的,花几千大洋去培训几天,实在是[表情] 。。。 (2014-05-04 13:07)  WHF:> 0B  
F{<r IR  
看书浪费时间,而且效果不好。且自己理解的不一定正确。 UuA=qWC  
只看书是不够的,尤其是目视系统。
phoenixzqy 2014-05-07 20:20
swoptical:我觉得培训跟看书是两种不同的体验。 K|1^?#n  
培训可以面对面地交流,实践中有疑问可以提出来,或许老师指点你一两句你就茅塞顿开了。而通过看书比较难达到这种效果。 (2014-05-04 17:50)  3 \WdA$Wx  
\)"qN^we  
是的。 Tp6ysjao  
F^~#D, \  
而且仅仅看书根本不够,有时候理解都是错的。需要更多的是和实际的结合及灵活运用。
wk19901113 2014-05-07 20:22
很在理
phoenixzqy 2014-05-07 20:22
quanliwei:我认为,光学设计的难点在于初期结构的选型,这个需要理论基础去建造一个相差分配合理的结构,剩下的基本上就是软件应用的问题。 (2014-05-06 20:16)  x/<. ?[A  
0.5_,an3  
我觉得没必要自己去分配。只要把典型结构了解清楚了,通过复杂化或简化手段,都能把现有的系统修改为需要的。
phoenixzqy 2014-05-07 20:24
风火山林:光学设计初级阶段还是靠软件挣扎中,后期要从原理上下手了 (2014-05-06 20:17)  ^J_hkw~gO  
]lY9[~ v  
写反了吧?开始做设计,就要从原理入手的。 jo*9QO  
校正得差不多了,后期略微的调衡,靠软件就行。
phoenixzqy 2014-05-07 20:28
wk19901113:很在理 (2014-05-07 20:22)  GB3B4)cX4Y  
K7c8_g*>4=  
常交流。。。
phoenixzqy 2014-05-07 20:30
xiaobing:顶一下 (2014-05-04 10:10)  C/Bx_j((  
 a|uZJ*  
多谢。。。。
phoenixzqy 2014-05-07 20:31
智慧之光:讲的很好 (2014-05-04 11:02)  @i-@mxk6<  
oHd0 <TO  
常交流。。。共同进步。。。
phoenixzqy 2014-05-07 22:41
swoptical:[表情]当然公司出钱比较爽。 (2014-05-04 17:51)  xgqv2s>L  
],}afa!A  
一般都是公司报销的。
cyan 2014-05-08 15:46
哥们,写本书卖吧,我可以帮你画图
phoenixzqy 2014-05-08 18:45
cyan:哥们,写本书卖吧,我可以帮你画图 (2014-05-08 15:46)  "X{aS}  
Xlqz8cI  
哈哈,今年准备先写一个照明光学设计的。 eFj6p<  
Y9@dZw%2  
再翻译几本成像方面的英文书籍,附上我对这些书籍的一些理解。 Oz#EGjz  
这些都做完了,再考虑写不写成像的。
phoenixzqy 2014-05-09 19:04
欢迎交流哦
八极阿川 2014-05-09 22:24
很受益,谢谢分享。
tassy 2014-05-10 01:26
光学设计原理,合我的口味
phoenixzqy 2014-05-11 21:26
tassy:光学设计原理,合我的口味 (2014-05-10 01:26)  aW=By)S!Y  
yWv<A^C &  
那多交流啊。
phoenixzqy 2014-05-11 21:26
八极阿川:很受益,谢谢分享。 (2014-05-09 22:24)  }A4nJ>`tq  
XMN?;Hj>  
客气。常交流。
龙的传人牛 2014-05-11 22:37
正准备学
phoenixzqy 2014-05-12 09:43
龙的传人牛:正准备学 (2014-05-11 22:37)  &EAk z  
kWB, ;7  
恩,肯定能学会的。做光学设计,其实没有多少个要掌握的技巧和知识。
2007121132 2014-05-12 12:52
谢谢楼主分享
phoenixzqy 2014-05-12 15:23
2007121132:谢谢楼主分享 (2014-05-12 12:52)  }04Dg '  
A:/}`  
客气,常交流。
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