掌握光学设计原理，获得光学设计乐趣

phoenixzqy · 发表于 2014-4-30 21:49:04

可能很多人都觉得光学设计是很枯燥的工作。
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。
能不能获得好的结果大部分时间也是靠运气。
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。
这样做，确实很枯燥。
我们崩溃，软件也很崩溃，因为是你在戏弄他！
巧妇难为无米之炊：
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。
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。
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。
就拿玻璃的选择来说吧，大家都知道：
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。
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。
以上并不是玻璃选择对光学系统影响的全部作用。
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。
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。
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。
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，在这里只是一次为例，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。
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。
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。
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。
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。
以上仅提及了部分光学设计原理。还有很多未提及。
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。
常交流！
祝大家：逐步掌握光学设计原理，获得光学设计的乐趣。
以下是一些网友对光学原理及光学软件应用的看法：
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。
个人愚见....
你说的很好。
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。
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。
光学设计的基本原理、技巧，是非常重要的。
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。
只去用软件，太枯燥了，也搞不出好的设计。
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。
该贴已经同步到 phoenixzqy的微博

phoenixzqy · 发表于 2014-4-30 21:49:38

掌握光学设计原理，获得光学设计乐趣

phoenixzqy · 发表于 2014-5-1 11:51:51

五一劳动节，劳动最光荣！
欢迎交流。

phoenixzqy · 发表于 2014-5-1 19:11:18

phoenixzqy · 发表于 2014-5-12 09:46:16

zhengzhua1982 · 发表于 2014-5-20 13:25:49

讲得真好.
赞

phoenixzqy · 发表于 2014-5-21 16:38:29

zhengzhua1982 发表于 2014-5-20 13:25
讲得真好.
赞

常交流！

henryyue007 · 发表于 2014-5-22 09:26:59

这才是高手

phoenixzqy · 发表于 2014-5-24 13:48:56

henryyue007 发表于 2014-5-22 09:26
这才是高手

没有了。大家多交流。

k0184990 · 发表于 2014-6-14 01:05:21

phoenixzqy · 发表于 2014-6-15 11:52:06

k0184990 发表于 2014-6-14 01:05

。。。。。。。。。

stevenwu · 发表于 2014-6-18 15:55:57


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掌握光学设计原理，获得光学设计乐趣

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