光学设计与光学工艺

工难度和加工成本，因此公差分析工作至关重要。
公差分析宗旨:
使最差情况下的传递函数由于工艺因素的总下降 量不大于0.15，以便探测器仍能分辨它对应的空 间频率。
二、光 学 设 计 过 程
性能合理镜头的首选公差
参数 半径 对样板的光焦匹配 表面不规则度 厚度 空气间隔 楔角/同心度 公差 ±0.001mm 样板的测量精度 3个光圈 1个光圈（0.3） ±0.05mm ±0.05mm 0.025mm TIR 参数 倾斜 偏心 折射率 阿贝数 玻璃不均匀性 公差 0.05mm TIR ±0.05mm ±0.001 ±0.8% ±0.0001
A B C D
>0.10～0.25 >0.25～0.5 >0.5～1.00 >1.00～2.00
1、光学设计中的材料选择
光学玻璃的物理、化学特性
相对研磨硬度 显微硬度 耐潮稳定性 耐酸稳定性
双面抛光的玻璃样品置于 70 ±1℃的饱和 采用pH2.9的醋酸、pH4.6 的标准醋酸盐、 同等研磨条件下，被测玻璃相对 玻璃抵抗硬物压入的能 水蒸气条件下，七昼夜后，测定玻璃表 pH6 的水作为测定介质，抛光玻璃表面被介质 标准玻璃（ K9）的研磨硬度，用 影响光学加工难度和 力，用克氏显微硬度 HK 面散射率 TB 侵蚀后，在白光灯下观察玻璃表面出现紫蓝干 A表示A＝V0/V ， A，再和标准白板时的散射率 越大表明玻璃 光学系统的使用寿命 TA表示。 相比， H＝TB/TA×100％，H值即表示 涉色的时间（此时侵蚀破坏层的光学厚度为 硬度越大。 玻璃表面“生雾率”。 135nm ）或表面呈现杂光或脱落现象的时间， 据此可对光学玻璃耐酸性进行递减式分类定级。
开始
结束
绘制光学系统图与零件图
二、光 学 设 计 过 程
1、初始结构的计算和选择
根据初级象差理论求解初始结构 从已有的资料中选择初始结构
一个不好的初始结构， 再好的自动设计程序和 有经验的设计者也无法 使设计获得成功
二、光 学 设 计 过 程
2、象差校正和平衡
用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差 及各种象差曲线;
光学系统设计(Optical System Design)
二、光 学 设 计 过 程
像差校正与平衡
2 3
像质评价
初始结构 计算与选择
1
设计 过程
4
样板匹配
出设计图纸
6
5
公差分析
二、光 学 设 计 过 程
提出合理技术指标 是 重新计算 外形尺寸? 否 是否可能满足要求 改变初始 结构? 是 否 否 像质是否达到要求 是 公差设计与工艺校核 是 初始结构设计 像差平衡 否 是否满足 工艺要求 是 理想光学系统外形尺寸计算 否
玻璃中部光程差δ（nm/cm） 2 4 6 10
1、光学设计中的材料选择


边缘应力 按《GB/T7962.6-1987》规定的方法进行测量。 玻璃毛坯边缘应力双折射以距边缘5%直径或边长处单位 厚度上的最大光程差Δδmax表示。 边缘应力分为5级
级别
S1
玻璃边缘光程差Δδmax（nm/cm） 3 5
瑞利判断 分辨率
适用于小象差系统如： 望远物镜、显微物镜等。 实际波面与理想波面之 间的最大波象差不超过 1/4 波长
象质评价 的方法
用于评价大象差系统
点列图 光学传递 函数
客观、可靠、便于计算 和测量，不仅能用于光 学设计结果的评价，还 能控制光学系统设计的 过程、镜头检验、光学 总体设计等各方面。
手工匹配 (File Name)>>手工输入样板库中有的样板。 选择匹
配方式(Method手工匹配原则： of Fit)>>进行匹配 先输入曲率半径小的，再输入曲率半径大的， 每输入一次要进行一次自动优化。
二、光 学 设 计 过 程
5、公差分析
公差分析的目的:给出合理的加工要求，合理的
加工要求既能保证加工的可行性，同时又能降低加
1、光学设计中的材料选择
f.气泡

玻璃中的气泡是玻璃在熔炼过程中， 气体来不及逸出所致。
玻璃中允许气泡含量等级是由100cm3玻璃中所含气泡 （直径Φ≥0.05mm～2mm）的总截面积来确定的。 气泡度分为7级
级别 A00 A0 直径Φ≥0.05mm气泡总截面积（mm/100cm3） ≤0.003～0.03 >0.03～0.10
二、光 学 设 计 过 程
6、出设计图纸
设计图纸是指导加工的依据，图纸
必须要规范，避免引起误解
二、光 学 设 计 过 程
光学系统实例：
三、光 学 设 计 注 意 问 题
零件技术指标 2
3
标准零件图纸
材料选择 1
注意 问题
4
加工工艺及成本
加工超差补救 6
5
检验方案
三、光 学 设 计 注 意 问 题
折射率的高低
化学成分的不同
特殊玻璃在玻璃表中不占专门的区域——TK和TF.
1、光学设计中的材料选择
折射率
折射率≤1.6, V≥50:冕牌玻璃；V<50:火石玻璃 折射率≥1.6，V≥55:冕牌玻璃；V<55:火石玻璃
阿贝数
肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线,将阿贝图 分成许多区，将光学玻璃分类。
1、光学设计中的材料选择 • 国际玻璃码的表示:
1、光学设计中的材料选择
b.光学均匀性
光学均匀性是指同一块玻璃中，各部分折射
率变化的不均匀程度。
光学不均匀性产生原因：退火温度不均匀或
内部残余应力。
对于大尺寸光学零件，如果光学不均匀性存在的面 积较大，将降低光学系统的分辨率及成像质量。
1、光学设计中的材料选择

尺寸小于150mm的玻璃毛坯的光学均匀性的测量方法：
10 20
S2
S3 S4
S5
80
1、光学设计中的材料选择
d.光吸收系数
光学系统成像的亮度与玻璃的透 明度成比例关系。
用球形光度计按《GB/T7962.9-1987》规定进行测量。 玻璃光吸收系数等于1cm光路上被玻璃吸收的白光光通量 与开始进入该光路前入射光光通量之比。 光吸收系数分为8级
级别 00 0 1 2 光吸收系数不大于 0.001 0.002 0.004 0.006 级别 3 4 5 6 光吸收系数不大于 0.008 0.010 0.015 0.030
二、光 学 设 计 过 程
观察目标特性(可见光,红外) 或应用领域(激光) 视场 观察范围 探测器 成像要求 (点扩散函 数传递函数 透过波前 分辨率)
能量
波谱范围
客户 需求
焦距
口径
成像质量要求大 设计难度要求小 探测器能量响应要求 合适
视场 口径 焦距 成像要求
镜头设计(Lens Design)
1 2 3
材料选择的问题
零件技术指标的问题
标准零件图纸的问题
加工工艺及成本的问题 检验方案的问题 加工超差补救的问题
4 5
6
1、光学设计中的材料选择
材料选择的宗旨：
既能满足设计要求，同时有利于加工， 价格合理
在绘制图纸阶段须对材料提出严格要求，材料 本身问题引发的后续问题在后续阶段很难发现。 材料性能、加工成本及加工难度相差很大，有 些大口径光学材料是很难购得的。
光学设计与光学工艺
（第Baidu Nhomakorabea讲）
光学设计过程中需注意的问题
目录
一
引
言
二
光学设计过程
三
光学设计过程中考虑问题 六倍放大镜的加工
四
光学系统实现过程
光学设计 光学零件加工 机械零件加工
客户 提出需求
光学机械设计 光学零件检验 机械零件检验
系统总体装调及检验
一、引
言
光学设计宗旨：
满足技术 要求
便于制造
节省成本
找出影响光学系统成象质量的主要象差是哪些 ;
找出改进办法，进行象差校正;
反复进行象差分析、校正及平衡，直到满足成
象质量要求为止。
二、光 学 设 计 过 程
3、象质评价
光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允
许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的 大小判断光学系统的成象质量。
二、光 学 设 计 过 程
1、光学设计中的材料选择
e.条纹度

由于玻璃内部的化学成分不均匀所 产生的局部缺陷，缺陷处的折射率 不同于主体的折射率。
用点光源和透镜组成的条纹仪，从最容易看见条纹的方向 上，与标准试样作比较检查。 条纹度分为4级 级别 A B C D 条纹程度 在规定检测条件下无肉眼可见的条纹 在规定检测条件下有细而分散的条纹 在规定检测条件下有轻微的平行条纹 在规定检测条件下有明显的平行条纹
二、光 学 设 计 过 程
性能合理镜头的首选公差
Radius（半径） Fringes（光圈） Irregular（表面不规 则度） Thickness（厚度/间 隔） 楔角/同心度/倾斜
Decenter（偏心）
样板的检测精度，光学设计 偏心包括两种，一种是简单的横 包括光学元件的厚度和机械元件 师应该与光学加工师沟通 支撑的间隔。 向偏心（上、下），另一种是使元 N=λ/2 ，普通的光学加工一般控制 在使用 ZEMAX软件模拟公差时， 件始终保持与机架座接触的“滚 在 5个光圈，较好的精度应该控制 公差操作数 TTHI有两个参数， 动”。两种偏心模型实际上完全不 在3个光圈以内。 表面不规则度可以通过局部 int1是用来定义公差的表面编号， 同。在滚动的情况下，与机架座接 光圈（△ N）来考察，工艺上 而int2 是作为补偿的表面编号， 触良好的左侧半径被良好地校准， 可以做到 0.3个光圈。 表面倾斜只发生的右侧表面上。 最小值和最大值是以镜头长度单 在ZEMAX里TSDX、TSDY用来 位表示的极值偏差。 实际上，有楔角的元件 与 光轴相 模拟一个标准表面的偏心公差，单 对于其机械轴倾斜 位为镜头长度（ mm的元件完全相 ）,而TEDX、 同，当旋转元件时，元件具有边缘 TEDY是用来模拟一个元件的偏心 厚度差。 公差，可以是标准面也可以是非标 准面，int1、int2定义了一个镜头 组的边界面。
用九位数字表示，形式为：
xxxxxx.xxx
折射率nd小数 点后头三位数 阿贝数Vd头三位 数，不计小数点 玻璃的密度，不 计小数点
例如K10玻璃, nd=1.50137 小数点后头三位数=501; Vd=56.41 头三位数，不计小数点=564; 密度=2.52；不计小数点=252; K10 的国际玻璃码是501564.252
1、光学设计中的材料选择
常用光学材料
光学玻璃牌号分类
注意
国际玻璃码的表示
1、光学设计中的材料选择
常用的光学材料：
光学玻璃（包括无色光学玻璃、有色光学玻璃和
特种光学玻璃）
微晶玻璃 光学晶体 塑料
1、光学设计中的材料选择 光学玻璃的牌号分类
冕牌玻璃——“K” 火石玻璃——“F” “轻”——“Q” “重”——“Z” 钡冕 ——BaK 钡火石——BaF 镧冕 ——LaK 镧火石——LaF 阿贝数的不同
根据《GB/T7962.1-1987》规定测量。

光学均匀性分为四级
级别 1 α/ α0 星点图像 该方法是根据放在平行光管光束中的玻璃 1.0 中央是一个明亮的圆斑，外面是些同 试样引起该装置分辨率的变化规定的。如果 心圆的圆环，这些圆环无断裂，尾翘、 平行光管给出具有理论分辨率 α0的像，而当 畸角及扁圆变形现象 α，那么玻璃 玻璃试样放入后，分辨率倍增至 α/ α0来表示 1.0 的不均匀性可用其比值 中间是明亮的圆斑，外面是一些变形 的圆环，圆环同样无断裂，尾翘、畸 角等现象 1.1
1、光学设计中的材料选择
光学均匀性
b
折射率、色散系数 允差及一致性
应力双折射
a c
光学玻璃的
质量指标
f d
气泡度
光吸收系数
e
条纹度
1、光学设计中的材料选择
a.折射率、色散系数的允差及一致性
nd——光学玻璃对钠光d谱线的折射率； nF——对F谱线（波长等于0.486um的蓝光）的折射率； nC——对C谱线（波长等于0.656um的红光）的折射率；
nF- nC——中部色散；
Vd——阿贝数：Vd= （nd-1）/（nF- nC）； Vd值越大，色散作用愈小。
1、光学设计中的材料选择

折射率nd和阿贝数Vd与标准值的允许偏差分为3级
级别 1 2 3
折射率允许偏 差Δnd ±30×10-5 ±50×10-5 ±100×10-5
级别 1 2 3
阿贝数允许偏差 ΔVd％ ± 0.5 ± 0.8 ± 1.0
二、光 学 设 计 过 程
4、样板匹配
HENGYI.TPD就是恒益公司的样板库 对于球面元件，一般根据厂家样板库来进行曲率半 径选择。 Zemax>>Tools>>Test

厂家样板库
Plates>> Test Plate 自动匹配 利用软件自带的样板匹配功能 进行自动匹配； Fitting>>选择样板库
2
3
1、光学设计中的材料选择
c.应力双折射


中部应力 按《GB/T7962.5-1987》规定的方法进行测量。 玻璃毛坯中部应力双折射以最长边中部单位长度上的光程差 δ表示。 中部应力分为5级
玻璃的导热系数小，在熔炼降温过程 中，内部温度总比外层温度高， 难以均衡，故产生内部应力。
级别 1 1a 2 3