掌握光学设计原理，获得光学设计乐趣

phoenixzqy

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。
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来自圈子: 应用光学

phoenixzqy

掌握光学设计原理，获得光学设计乐趣

phoenixzqy

五一劳动节，劳动最光荣！
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phoenixzqy

phoenixzqy

zhengzhua1982

讲得真好.
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phoenixzqy

zhengzhua1982 发表于 2014-5-20 13:25
讲得真好.
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常交流！

henryyue007

这才是高手

phoenixzqy

henryyue007 发表于 2014-5-22 09:26
这才是高手

没有了。大家多交流。

k0184990

phoenixzqy

k0184990 发表于 2014-6-14 01:05

。。。。。。。。。

stevenwu