會員心得:光學設計入門者學習方法

2022-01-04 光行天下

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光學設計入門,檢索「學習」,得到以下參考內容,進行了簡單整理,希望對大家有幫助。 
 
完全依靠軟體的優化去設計鏡頭是很難的,無法對優化好設計有深刻的理解。依靠光學理論,可以對光學設計有一定的指導,從哪裡開始,然後通過約束哪些,變化哪些量,設置什麼樣的評價函數去改進,最後評價結構合理性。 
 
幾何光學與像差理論 


幾何光學:國內,鬱道銀的《工程光學》;國外,《modern lens design》; 
像差理論:王之江《光學設計理論基礎》,張以謨《應用光學》; 
建議看國外的書籍,對原理的解釋很深入,沒有複雜的公式推導。把像差理論的推導看了以後也沒有深刻的理解,看了國外的著作之後才算抓住要點。理解的像差的意義及算法,知道一般的光學軟體是怎麼計算像差就足夠了。等你牛到一定程度很想搞理論的時候,你在慢慢推公式去。  
想要系統的學習理論方面的知識,建議看一看北理李林老師的書,他的書比較易懂,如《計算機輔助光學設計的理論與應用》,這本裡面關於像差圖、最小二乘應和優化算法那該仔細看看,這部分知識是關乎我們是否能高效正確地應用光學仿真軟體的關鍵所在。 
 
光學設計方法[2] 


國內:寫的好的書幾乎沒有。 
國外:Introduction to lens design; Fundamentals to lens design.這些不錯。這些書籍主要介紹了各種像差的產生及校正方法,以及常用的光學設計方法和光學結構。靈活掌握這些知識,就算入門了。 
儘量看光學設計和像差校正的英文教材,如沒有英文書或看英文有些難度,一定要看國內經典教材。 
《光學系統設計》由8358所翻譯的書,這本書很經典,理論跟實際聯繫的好,有一些像差校正方法、像質評價標準和設計實例,對於入門說已經足夠了。 

詳細建議:[3] 


1.要弄明白自己初始設計的光學系統是否能達到要求(要求可能為:焦距,解析度 F數等),再選擇光學初始設計專利或是自己之前設計的FavoriteWork作為初始結構(這樣做不是偷懶是快捷較正確的途徑)  
2.根據採用的光學設計軟體的不同採取不同的優化操作,不必要的或是不從根本影響像質的誤差函數要慎重添加!要明確結構第一,優化第二去進行光學系統設計,結構不好即便像質很好的系統在加工裝調上會存在很大不利因素,結果就是像差很大,功虧一簣。  
3.要會看各種像差圖,在傳函很差時,分析哪種像差過大,現有系統能否優化,再進行相關優化操作符的添加。  
4.別想當然認為傳函解析度越高越好,不同的系統不同的接收器要配合使用的,傳函夠用就好。 
 
ZEMAX學習[4] 


軟體操作,看看demo就能速成,但其中技巧就需要知識與經驗積累了。 
從頭到尾手把手一步步的演示怎麼建立和優化一個鏡頭,對zemax序列成像有了一個初步認識。 
對於zemax軟體如果遇到不明白的應該首先考慮《zemax操作手冊》,到處問別人並不是最優選擇。剛進入光學設計領域時,緊抓一兩個著名的軟體研究就可以了,因為光學軟體的相通性很大。用了很多軟體,但都是在初期水平的話,是沒什麼作用的,完全是在浪費時間和機遇。再就是多與同行溝通、多上網找資料和建議,很多初學者的疑問一般都能在網上找到,這可以省下一些時間和鬱悶的心情。 
因為工作需要,我感覺zemax的non-sequential對我不夠方便,就開始了tracepro,它們是能完全互補的,使我我受益。但最近發現了tracepro的很多不利的地方,於是正在研究ASAP。。。搞光學設計一定要會2D和3D繪圖軟體和編程軟體,每種會一個就可以滿足需求了。最好是還了解電路,因為光電設計通常是互相補充和牽制的。 
 
光學鏡頭案例 


國內的資料只有光學技術手冊,國外的書裡modern lens design;Lens design 介紹了很多鏡頭案例。通過分析別人的案例,理解別人的設計思路和這種結構的特點,你就能會找合適的初始結構,對某些結構的最優化結果有數。 
教材上會有一些三片的初級結構:一方面練習軟體的操作,一方面了解鏡頭設計的大致步驟,這裡是把一個大概抽象的認知具體化的過程。例如鏡頭的光圈F數,越小越好,在軟體裡怎樣去給具體的數值,選擇什麼樣的口徑類型是需要練習著去好好體會的。把書上的三片鏡頭、高斯鏡頭、望遠鏡、顯微鏡練習一遍基本上軟體也熟悉了對鏡頭分類和設定優化都有了一點了解。 
然後就是深化。例如你想練習目鏡的設計原來是口徑5的你改成看能不能設計中間是用什麼操作數加鏡片還是換結構,可以去查光學設計手冊,也可以去查專利。深化的就比較困難,看想要學習那種鏡頭的設計,物鏡、目鏡、雷射、照明、變焦、先選工作中能接觸到的,去查專利。7片、8片、9片、的孔徑2的1.5的1的0.8的去慢慢熟悉摸索,不懂得去知網看專利、看論文一個點一個點突破。 
光學加工 


想做成像的話,個人建議不要急著做什麼設計鏡頭軟體之類,先從工藝做起吧。如果工藝做的時候再反過來琢磨設計,感覺就不一樣了。因為鏡頭設計不是完全靠軟體的,zmx和codev你可以當做一個計算器,主要設計還是你工藝積累的鏡頭知識、以及鏡片冷加工知識、塑料鏡片磨具成型等知識 。 

一句話成像設計是一個非常綜合的,光看書或者光學軟體沒意義的,也是很打擊人的。  我13年出來,當然本人運氣比較好,遇到一個好師傅。就是如此方向安排我的。先工藝半年,再機種量減少同時半天學軟體和鏡頭,再做一個相對簡單鏡頭自己帶出來量產,最後邊做設計邊協助工藝部門處理工藝問題。 現在我還會一直處理工藝問題。希望可以幫助你,謝謝!(@feijiang) 
 
變焦鏡頭設計[5][6] 


光學設計的思路有兩種:一種是不斷地改進,不斷地提高鏡頭性能;另一種為以最低價的成本實現用戶的需求。第一種思路是一個光學設計者的追求,光學設計的魅力就在於不斷的改進和提高,這種思路有利於這個學科的發展。第二種思路是工程應用的基本思路,追求最優化。兩種思路沒有好和壞的區別,只是從事的工作不同罷了。 

對於從已有專利出發,難點不是在優化過程,而是對於每個焦距位置,凸輪曲線是否可靠的驗證問題,這個必須用宏完成,宏的功能大概就是能夠輸出每個焦距位置的MTF、彌散斑和垂軸色差(當然也可以輸出更多的內容,只要你的機器夠快)。  

如果用pwc求解,第一步求解框架(每組焦距和間隔),這個可以看陶純堪《變焦距光學系統設計》,或者張以謨《應用光學》再或者王之江《實用光學技術手冊》相應章節都有相關公式,可以根據設計要求進行推導。光焦度分配,是後續pwc能否得到合理解的關鍵,這個步驟沒有相關的公式可以量化,只能藉助經驗,我的方法是藉助已有專利的光焦度分配比例來做(如果你有什麼好方法可以教教我,相互學習)。實體化過程可以看高國欣專版的PWC相關章節,由於對於變焦系統變量個數小於像差方程個數(多組態),對於方程組沒有一個確定的解,這步就充分利用zemax 的最小二乘和優化操作數,收斂得到pwc的解,這個過程還得自己領悟。  
 
光學設計參考資料 
經常來光行天下查查資料 ,可以去小木蟲也可以去zemax knowlege base ,可以去各大光學公司的網站找模型,也可以去看一些光學展會的資料。
[1] http://www.opticsky.cn/read-htm-tid-66196.html infrared  

[2] http://www.opticsky.cn/read-htm-tid-55119.html jllvbo  
[3] http://www.opticsky.cn/read-htm-tid-55119.html jllvbo  
[4] http://www.opticsky.cn/read-htm-tid-824.html roadwu  
[5] http://www.opticsky.cn/read-htm-tid-65260.html hhxxgg00  
[6] http://www.opticsky.cn/read-htm-tid-95913.html ziteng3315

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