毕业设计光学设计软件OSLO的应⽤
⼀、光学系统设计概述
1.光学系统设计基本步骤
⼀、确定设计指标
⼆、光学系统外形尺⼨计算，可⾏性分析，设计指标修正
三、光学系统初始结构设计
四、像差平衡，必要时修改初始结构
五、像质评价与公差分析
六、绘制光学系统图、零件图
七、完成设计报告
光学系统的种类繁多，由于其结构参数与成像质量之间的复杂关系，即使简单的镜头，也不能从像质要求
直接求解得可⽤的结果。因此，光学系统设计是⼀个⾮常复杂的过程，通常是先根据镜头的性能参数和像差要求选择适当的结构形式，再基于初级像差理论求解或从⽂献中查最佳的初始结构参数，然后对像差进⾏逐步平衡，直到满⾜像质要求。
光学系统初始结构设计⽅法包括计算法、经验法、计算结合经验法、查资料法（即根据孔径、视场、波长、焦距，进⾏整体缩放）等。
光学设计软件的应⽤并没有改变这⼀过程，只是使这⼀过程的进程⼤为加快，使设计质量和效率⼤为提⾼。
2.光学⾃动设计概述
（⼀）结构参数和像差函数
光学系统的结构参数包括各表⾯的曲率半径与⾯形、各透镜中⼼厚度与间隔、光学材料参数（折射率、阿贝数等）。各种像差可以认为是结构参数的函数，结构参数变化，像差随之发⽣变化。由于结构参数的变化不全是任意的，各种像差之间存在相关性，应根据需要对像差进⾏综合平衡。
（⼆）评价函数
光学设计必须校正系统的像差，但既不可能也⽆必要把像差校正到完全理想的程度。因此，既需要选择像差的最佳校正⽅案，也需要确定校正到怎样的程度才能满⾜使⽤要求，即确定像差容限。这属于光学系统质量评价的问题。
评价函数是综合评价像质好坏的函数，它的⼀般形式为：
其中f1、f2……f m为各像差函数，如⼏何像差、波像差、畸变、⾊差等，f1*、f2*……f m*为各像差⽬标值，W1、W2……W m 为权重因⼦。
评价函数值越⼩，光学系统的像质越好，所以评价函数也称为⽬标函数。
在光学设计中，根据不同的情况修改权重因⼦的⼤⼩是⼀项主要的⼯作。要严格控制的像差W⼤，控制⽐较松的像差W⼩，不控制的像差W=0。
3.像质评价
任何物体可以分解为点，也可以分解为各种频率的谱，两种不同的分解⽅法构成两类评价光学系统的⽅法。
第⼀类以物点所发出的光能在像空间的分布状况作为质量评价的依据。
第⼆类将物体分解为⼀系列不同频率的谱，它们经光学系统传递到像⽅时频率不变，但对⽐度要下降，并截⽌与某⼀频率。
1.分辨率
能被光学系统分辨开的两个物点（或像点）之间的最⼩距离，称为光学系统的分辨率。对⼤部分光学系统都应有分辨率的要求，它反映了光学系统分辨物体细微结构的能⼒，是评价光学系统的质量指标之⼀。它⽐较容易测量，被⼴泛应⽤于光学仪器质量检验中。
2.点列图
由⼀点发出的许多光线经过光学系统后，因像差使其与像⾯的交点不再集中于同⼀点，⽽形成了⼀个散布在⼀定范围的弥散图形，称为点列图。点列图忽略了衍射效应。在⼤像差系统的点列图中，点的分布能近似代表点像的能量分布。因此，⽤点列图中点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣。
3.点扩散函数和光学传递函数
物⾯上⼀个亮点经光学系统后的光强分布函数，即像斑的复振幅分布函数，称为点扩散函数。对于衍射
受限的成像系统，这个函数反映了系统的衍射效应。对于有像差的成像系统，这个函数反映系统的衍射和像差的共同效应。
对于⾮相⼲成像系统，可以把物的光强分布看作是⽆数物点的线性组合，那么像的光强分布函数就是这些点扩散函数的线性组合。设物⾯和像⾯的分布函数分别为o(x, y)和i(x, y)，点扩散函数为h(x, y)，则
设o(x, y)、i(x, y)、h(x, y)的傅⾥叶变换分别为O(s, t)、I(s, t)、H(s, t)，它们之间有如下简单关系：
这⼀结果的意义是：⼀个任意的⾮相⼲的光强分布，可以看作是各种空间频率的光强度分布的组合。光学系统对o(x, y)成像的过程，就是将o(x, y)中每⼀频谱分量O(s, t)乘上⼀个相应的因⼦H(s, t)，构成像i(x, y)的谱I(s, t)。H(s, t)反映了光学系统对各频谱分量的传递特性，也就完全反映了光学系统的成像特性，称为光学传递函数（OTF）。它是⼀个复数，模和相位分别是调制传递函数（MTF）和相位传递函数（PTF）。
这是⽬前认为较好的⼀种像质评价⽅法，它既有明确的物理意义，⼜和使⽤性能有密切联系，可以计算和测量，对⼤像差系统和⼩像差系统均适⽤，是⼀种有效、客观、全⾯的像质评价⽅法。
4.光学软件属性
光学软件依照计算⽅式不同分为Ray Tracing、BPM、FDTD等。其中Ray Tracing分Sequential ray trace（序列描光）和Non-Sequential ray trace（⾮序列描光）两类。
序列描光的特点是以光学⾯来建⽴模型，每个⾯有编号；使⽤单⼀光源，按照光学⾯的顺序计算光线，每个⾯仅作⼀次计算，不考虑分光；计算光线数少，速率快，可做优化计算及公差分析。
⾮序列描光的特点是以对象来建⽴模型；有多个光源；不考虑对象或光线顺序，同⼀个⾯可做多次计算，同时考虑部分穿透、反射、吸收、散射等情况，最接近真实世界的光线⾏为；需要计算⼤量光线，⽆法做优化设计。
⼆、OSLO简介
OSLO软件只是⼀个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进⾏光学设计，⽽只是能对你设计的光学系统进⾏性能的优化以达最佳成像质量。所以，在进⾏光学辅助设计之前，要先学习光学设计的有关知识：⾸先是⼏何光学基础。⼏何光学是光学设计的基础，要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺⼨计算⽅法，了解各种典型光学系统的设计⽅法和设计过程。其次是像差理论知识。对于⼀个光学系统，⼀般存在7种⼏何像差，分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置⾊差以
及倍率⾊差。另外，还必须了解⼀点材料的选择和公差的分配⽅⾯的知识，以及⼀些光学⼯艺的知识，包括切割，粗磨，精磨，抛光和磨边，镀膜和胶合等。
三、OSLO界⾯⼊门
⼯具栏
Setup Window / Toolbar，选择在⼯具栏上显⽰的⼯具。
命令输⼊栏
⽤户可以直接在命令输⼊栏输⼊指令。
⽂本窗⼝
⽂本窗⼝显⽰的数据在OSLO后台对应⼀个数据矩阵，⽤户可以通过⼀定的指令在⾃⼰的程序中调⽤这些数据；⽤户可以通过Window菜单开启新的⽂本窗⼝。
图形窗⼝
图形窗⼝⽤来显⽰光路结构、像⾯光斑（点列图）、像差等图形数⽤来显⽰光路结构、像⾯光斑（点列图）、像差等图形数
据；⽤户可以通过Window菜单开启新的图形窗⼝。
数据表（Spreadsheets）
OSLO采⽤表格形式设定系统参数和透镜、光路数据。
按钮表⽰接受所有设定并关闭数据表；按钮表⽰取消所有更改并关闭数据表；
按钮⽤来提⽰表中⽂字的具体含义。
⾯数据表（Surface Spreadsheet）
⾯数据表是OSLO中最常⽤的数据表之⼀，包含系统参数（视场、波长、⼊射光束⼝径）设定、光路光路中每个⾯的参数（折射半径、通光⼝径、距离、材料和特殊设定等。
球⾯镜实例
以半径为16mm的凹球⾯镜为例，输⼊⾯形数据，并评价成像质量。
输⼊⾯形数据：
1.单击“Draw Off”打开Autodraw窗⼝。
2.Lens名称设为“Spherical mirror”。
3.设凹⾯镜的半径为16mm，将surface 1（AST）的RADIUS改为-16（mm）。
4.将surface 1（AST）的材料由AIR改为Reflect(hatch)或者Reflect。
5.将THICKNESS改为-8（mm）。
6.确认。
绘图设置：
1.菜单栏上单击Lens，选择Lens Drawing Conditions…
2.在Image space rays后选择Draw rays to image surface。
3.底部的表格设置显⽰的光线。在Rays列中将Frac Y Obj = 0.00000的光线数设为11。
4.单击绿⾊⼩钩图标关闭设置。
四、风景物镜实例
1.引⾔
这是⼀个⾮常基础的练习，包括如何在OSLO中输⼊镜头数据和进⾏简单的优化。本教程的结尾描述了如何使⽤slider wheels，可以了解如何改变你的系统参数。在⾮真实优化时，slider wheels可以帮助你理解不同设计条件时的系统变化情况。
本章⽬的不仅是要学习如何输⼊数据，⽽且还学习如何使⽤OSLO的⼀些标准⼯具，以理解简单照相镜头的光学性能。可以从这个练习⾥⾯看出OSLO与⼤多数的其它设计软件不同点。建⽴系统，然后按Aut
o键，计算机不可能就⾃动为你优化好。⽽是在交互模式下，分步运⾏，以便知道怎么得到最后的⽅案。
2.纲要
本练习步聚如下：
1.镜头输⼊（Lens entry）——输⼊⼀个平凸透镜，其后放置⼀个孔阑。
物距为⽆穷远，⼊射光束半径（entrance beam radius）为10mm，视场⾓（field angle）为±20度
凸⾯的初始曲率半径为50，玻璃为BK7，厚度为4mm
孔阑到透镜的初始距离为10mm
⽤marginal ray height solve设置孔阑到像⾯的距离
2.透镜绘图（Lens Drawing）——设置绘图条件，以显⽰所要求的光线轨迹。
记得要勾选绘制像⾯
3.优化（Optimization）——进⾏优化，消除彗差，焦距为100
建⽴⼀个误差函数（error function）：控制有效焦距为100，记住可以控制边缘（近轴）光线的斜率来控制；让三级彗差为0。
记住，在优化的时候让⼀些参数为变量。这⾥可以是第⼀个⾯的半径（改变光焦度）和孔阑的位置（光栏的位置直接影响彗差）。
4.滑动器设计（Slider-wheel design）——将滑块（sliders）和参数结合在⼀起，所以可以
分析系统的平衡（记住在孔阑⾯上放⼀个厚度的求解（thickness solve））
将透镜的第⼆个⾯的曲率半径和滑块结合在⼀起，另⼀个和像⾯的曲率半径结合
调整滑块，观察轴上和轴外的点列图（spot diagrams）情况
通过调整像⾯的曲率半径，观察轴外点列图的⽔平和垂直位置
3.详细步骤
在开始本节之前，⽤同⼀种OSLO配置。如果你在开始本练习之前，通过删除private/bin/⽂件夹下的oslo.ini⽂件，就可以把程序配置恢复到原⼚状态。⼀般情况下，不需要这么做。镜头数据输⼊
详细步聚如下：
1)打开OSLO软件，选择"Start a new lens"，或从菜单中选择"File>>New Lens…"
2)在"File new"对话框中输⼊⽂件名"Landscape1"，选择Custom lens和输⼊3个⾯，然后点
OK。
3)⽤下列数据填写固定的部分：
"Lens:"的右边输⼊"Landscape 1"，将⼊射光束半径改为5，将视场⾓改为20，其它的栏⽬⽤缺省值。
4)在滚动区域（scrolled area）做以下改变：
4a) 在第⼀个⾯的"GLASS"栏⽬输⼊"BK7"，这样使第⼀个⾯和第2个⾯之间的光学材料为"BK7"。可以参考《OSLO Optics Reference》中的Quick Start⼀章。
4b) 在第3⾯"APERTURE RADIUS"单元中点按钮，然后从弹出式菜单中点"Aperture Stop"。
注：第3⾯的⾏按钮会显⽰为"AST"，并且在"APERTURE RADIUS"栏中会加⼀个A。
4c) 点第1⾯的"RADIUS"单元，输⼊曲率半径50
4d) 点第1⾯的"THICKNESS"单元，输⼊4
4e) 在第2⾯的"THICKNESS"单元，输⼊10
5)在第3⾯中，不直接输⼊厚度，在厚度单元上点⼀下，选择"Solves(S)>>Axial ray height…
"，会弹出⼀个对话提⽰输⼊solve的值。接受缺省值0，点OK。这会使⾯3的厚度保持更新，使近轴光线的⾼度在第4⾯上为0。
6)点第3⾯的"SPECIAL"栏，选择"Surface Control(F)>>General"，会出现⼀个新的电⼦表格
覆盖当前的电⼦表格。
6a) 在"Surface appearance in lens drawings"中点按键"Automatic"，然后选择"Drawn"，这使OSLO画surface 3
6b) 然后点绿⾊的对号，关闭电⼦表格，并返回到surface data电⼦表格
6c) 这时可以看到第3⾯的special按钮上有⼀个F。
7)在第4⾯重复步聚6－6c。
完成了以上镜头的数据输⼊后，电⼦表格的数据如下：
注：物⾯是"OBJ"，像⾯是"IMS"。在所有的系统中都有⼀个物⾯和像⾯，因为在这个镜头中。只有1个⾯，有另外⼀个标记为"AST"，这是因为当前⾯是孔径光栏⾯（Aperture Stop surface）。
注：在OSLO中，关闭Surface Data窗⼝（通过点绿⾊对号或红⾊的“X“实现）后，结果如下：
要使Surface Data表格回来，从菜单中选择"Lens>>Surface Data Spreadsheet"。
8)为了确认所有数据正确，只要确认具有相同的Efl (effective focal length)，所有按钮上的
标记相同。厚度按钮上的S的意思是指此值是由solve (the axial ray height solve)确定的。
孔径按钮上的S的意思也是此孔径由solve确定的。这是孔径的缺省⾏为，它是由⼊射光束半径和视场⾓决定的。
radius软件9)点绿⾊的对号关闭电⼦表格，⽤"File>>Save Lens…"保存镜头⽂件。
镜头绘图
10)在镜头电⼦表格的固定区域点"Draw Off"，会出现⼀个标有"Autodraw"的窗⼝显⽰所输⼊
的镜头。如果点第2个⾯的任何⼀个单元，可以看到第2个⾯会变成虚线。如果镜头的数据改变，图形会⾃动更新。Autodraw 窗⼝是⼀个特殊的窗⼝，它没有通常的图形窗⼝的全部功能，但可以⾃动更新，这和普通图形窗⼝不同。从Lens菜单中，选择Lens Drawing Conditions，得到电⼦表格，选择"Image space rays:"，改变"Final dist"，观察图形变化。
将"Final dist"选为"Draw to image surface"。现在可以看到透镜成像的详细情况。明显，轴外的像不太好。看到主要像差是场曲。
优化
本部分是讲解优化。需要定义⼀个误差函数（即评价函数、优化函数）error function，使焦距为100mm，还要消除三阶塞得彗差。
11)选择"Optimize>>Generate Error Function>>Aberration Operands…"，建⽴⼀个OSLO进⾏
优化的error function。
"Operands Data Editor"中"NAME"栏是每个操作数的识别符号，"DEFINITION"栏的OCM列元素是每个操作数定义的值。每个操作数控制"NAME"栏中的⼀些系统参数。例如操作数#6 "PLC"控制"横向⾊差（Paraxial Lateral Color）"。在优化过程中，不需要控制所有这些参数，所以要确定⽤哪些项。
12)本例⼦中，要保留的操作数为CMA3和EFL。其它的都删除掉。CMA3表⽰像差的3级
"Coma"，EFL表⽰"Effective Focal Length"。权重都设为1。
需要提到的是，在OSLO中，所有操作数的⽬标值是0。即优化算法会使所有项最⼩。因为EFL操作数是有效焦距，不能让它为0，⽽是100。
我们将第⼆个操作数设置为OCM21-100，并将其名字改为EFL_ERR。

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