光学设计的一般流程

在进行光学设计时，设计任务提出方提出的设计任务往往存在过于理想化的要求，如“无像差”、“无畸变”等要求，或者提出的设计指标过于笼统化，如“像差尽可能小”、“结构尽量小”等。例如作者就曾遇到过一个类似的问题，要求匀光系统的透镜组在长度上尽可能短。面对这些问题，设计者要从专业化的角度，并根据实际制造工艺水平，提出具体、合理的设计指标及其参数。

根据光学系统使用条件和性能要求制定合理的技术参数，是设计能否成功和能否完成设计任务的关键，也是确定设计难度和设计工作量及其报酬的重要参考依据。

在进行光学系统总体设计时，其重点是确定光学原理方案和外形尺寸计算。在进行计算时，还要结合机械结构和电气系统，以防止这些理论计算值在机械结构上无法实现。每一项性能的确定一定要合理，如光焦度分配，过高的要求会使设计结果复杂，造成成本过高；过低的要求会使设计不符合要求。因此，这一步务必要慎重。

光组的设计一般分为三个阶段：选型阶段、确定初始结构参数阶段和像差校正阶段。所谓“光组”，一般是以一对物像共轭面之间的所有光学零件为一个光组，也可进一步细分，如现有的常用镜头可分为物镜和目镜两个光组。镜头在选型时，首先要依据工作波长范围、相对孔径（或数值孔径）、线视场（或角视场）、有效焦距、后工作距离及共轭距等参数来选定镜头的类型，如长波红外系统常选择反射式系统类型。这里要特别注意各类镜头类型所能实现和承担的最大相对孔径、最大视场和最大光焦度等指标。选型常常利用现有的专利库和积累的工作经验来选定，选型是否合理直接影响设计的难度、设计的成本和设计成功率，是光学设计的关键。

初始结构的确定常有两种方法：一是解析法，即根据初级像差理论，通过像差计算求解初始结构参数，如透镜的面型、曲率半径、玻璃厚度、元件间距、折射率、色散系数、视场、渐晕系数和光阑位置等初始结构参数；二是缩放法，即根据对光学系统设计的要求，找出性能参数比较接近的已有结构，如从专利库中查到的相似结构，将其各尺寸乘以缩放比得到所要求的初始结构，并估算其像差大小和变化趋势，对像差影响较为敏感的参数，在优化设计过程中要谨慎对待。(www.xing528.com)

图1-1　光学设计的一般过程示意图

确定好初始结构后，利用光学设计软件在计算机上进行光学仿真，输出其像差曲线，分析像差类型、大小和原因，以及减小像差对策，再反复进行像差计算和平衡，直至像差满足要求为止。这里要注意的是，在优化的过程中要限定边界条件和优化函数类型及其大小，待成像质量较好时再进一步使参数符合实际制造企业光学元件样板标准化的要求。根据国家或国际光学制图标准绘制各类CAD 图纸，包括确定各光学元件之间的相对位置、装调后的实际大小和技术条件。这些CAD 图纸为光学元件的加工、检验，组件的胶合、装调、校正，甚至整机的装调和测试提供依据。

根据以上的描述，现给出光学设计的一般过程，如图1-1 所示。在设计任务完成后往往还需要编写设计说明书，有必要的情况下还需要设计成果答辩。一般来说，设计说明书是进行光学设计整个过程的技术总结，是进行技术方案评审的主要依据。最后，就是交付满足设计要求的设计任务。