1、.,第二章 光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)原理和程序,.,沒(méi)有計(jì)算機(jī)時(shí)代：人工校正像差,有計(jì)算機(jī)時(shí)代：計(jì)算機(jī)計(jì)算像差，計(jì)算機(jī)模 擬人工校正像差,.,對(duì)光學(xué)系統(tǒng)兩方面的要求:光學(xué)特性和成像質(zhì)量,光學(xué)特性：不隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)改變的常數(shù)。如：物距L，孔徑高H或孔徑角正弦sinU，視場(chǎng)角或物高y，入瞳或孔徑光闌的位置，以及軸外光束的漸暈系數(shù)K+，K-等等。在計(jì)算和校正光學(xué)系統(tǒng)像差的過(guò)程中這些參數(shù)永遠(yuǎn)保持不變，它們是和自變量（結(jié)構(gòu)參數(shù)）無(wú)關(guān)的常量。,.,對(duì)光學(xué)系統(tǒng)兩方面的要求:光學(xué)特性和成像質(zhì)量,像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)：隨結(jié)構(gòu)參數(shù)改變的參數(shù)。它們包括代表系統(tǒng)成像質(zhì)量的各種幾何像差或波像差。同時(shí)也包括某些近軸光學(xué)特性參數(shù)，例如焦距 ，

2、放大率，像距，出瞳距等等。,.,第二類(lèi)參數(shù)統(tǒng)稱為像差。設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)就是在滿足系統(tǒng)全部要求的前提下，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。,像差:,像差方程組,結(jié)構(gòu)參數(shù):,.,像差方程組,像差方程組是一個(gè)十分復(fù)雜的非線性方程組,.,光學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，就是建立和求解這個(gè)像差方程組。也就是根據(jù)系統(tǒng)要求的像差值 ，從上述方程組中找出解 ，它就是我們要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)。,實(shí)際中，找不出函數(shù)的具體形式，只能在給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，用數(shù)值計(jì)算的方法求出對(duì)應(yīng)的函數(shù)值。,.,以前的設(shè)計(jì)方法：首先選定一個(gè)原始系統(tǒng)，按要求的光學(xué)特性，計(jì)算出系統(tǒng)的各個(gè)像差值。如果像差不滿足要求，則依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和像差理論知識(shí)，對(duì)系統(tǒng)的

3、部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改，然后重新計(jì)算像差，這樣不斷反復(fù)，直到像差值符合要求為止。,計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后，立即被引入光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，大大提高了計(jì)算像差的速度。 。,.,光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型：,把像差和結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，近似用線性方程式來(lái)代替,以上公式中F0為原始系統(tǒng)的像差值， 為原始系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，F(xiàn)為像差的目標(biāo)值。 為像差對(duì)各個(gè)自變量的一階偏導(dǎo)數(shù)。,.,偏導(dǎo)數(shù)用差商（ ）來(lái)近似代替,把原始系統(tǒng)的某個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)改變一個(gè)微小增量，使 ，重新計(jì)算像差值得到相應(yīng)的像差增量 。用像差對(duì)該自變量的差商 代替微 。對(duì)每個(gè)自變量重復(fù)上述計(jì)算，就可以得到各種像差對(duì)各個(gè)自變量的全部偏導(dǎo)數(shù)。利用這些近似的偏導(dǎo)數(shù)值就能列

4、出一個(gè)像差和自變量之間的近似的線性方程組,.,利用這些近似的偏導(dǎo)數(shù)值就能列出一個(gè)像差和自變量之間的近似的線性方程組,.,稱為像差線性方程組，用它來(lái)近似代替像差方程組,.,求解 按 對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行修改，當(dāng)p足夠小時(shí)，總可以獲得一個(gè)比原系統(tǒng)有所改善的新系統(tǒng)。,把新得到的系統(tǒng)作為新的原始系統(tǒng)，重新建立像差線性方程組進(jìn)行求解。這樣不斷重復(fù)，直到各種像差符合要求為止。,.,定義一個(gè)函數(shù)組,稱為“像差殘量”，即,.,取各像差殘最的平方和構(gòu)成另一個(gè)函數(shù) ： 稱為“評(píng)價(jià)函數(shù)”，能夠使 =0的解（即 ），就是像差線性方程組的準(zhǔn)確解。當(dāng)mn時(shí)，它實(shí)際上是不存在的。改為求 的極小值解，作為方程組的近似解。,.,典型光

5、學(xué)設(shè)計(jì)軟件介紹,國(guó)內(nèi)實(shí)用軟件 SOD88-北京理工大學(xué)研制 GOLD-北京理工大學(xué)研制 CIOES-長(zhǎng)春光機(jī)所研制,.,國(guó)外著名軟件,CODE V CODE V是美國(guó)ORA公司研制的具有國(guó)際領(lǐng)先水平的大型光學(xué)工程軟件，是目前世界上分析功能最全、優(yōu)化功能最強(qiáng)的光學(xué)軟件。,.,ZEMAX,ZEMAX是Focus Software公司推出的一個(gè)綜合性光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。這一軟件集成了包括光學(xué)系統(tǒng)定義、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、分析、公差等諸多功能，并通過(guò)簡(jiǎn)便直觀的用戶界面，為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)方便快捷的操作手段。由于其優(yōu)越的性價(jià)比，近幾年來(lái)ZEMAX在光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域所占份額越來(lái)越大，在全球已經(jīng)成為最廣泛采用的軟件之一。在我國(guó)，使用ZEMAX進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員也與日俱增。,.,ZEMAX主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾大功能：,（1）光源及光學(xué)系統(tǒng)建模