光学设计学习路线

optkt · 发表于 2023-2-27 15:29:15

〇、序言

从业已快两年，加上在学校学习的时间进入光学这个行业已经快五年时光，虽然说不上经验丰富，但至少也算入门了，具有一定行业经验。因此想写些东西，总结一下本人的光学设计学习路线，一来是对过往职业生涯的复盘，二来是希望这些经验能对在校学生、想进入这个行业以及刚入行不久的工程师有所帮助，个人拙见，请多海涵。
遇到任何光学设计以及就业升学问题，欢迎大家同我私信交流、咨询！
想要入门成像光学，首先肯定是理论知识的学习。世上任何生产活动都离不开理论知识的指导，想要日后能在光学设计上有一番成绩，必定是先丰富自己的理论知识。就算是经验丰富的工程师也是在不断学习新技术新方法，这样才能紧跟世界技术大潮流，不至于落后别国太多。问渠哪得清如许，为有源头活水来，只有持续学习才能为设计能力注入新的生命。
对光学工程师来说，仅仅学习光学设计相关的知识是不够的，据我的经验，成像光学设计工程师涉及到的知识点有：应用光学、光学设计软件操作、光学零件加工及检测、镜头组装测试等等涉及成像镜头从理论到加工以及最后的成像测试全生命周期的知识点，以及还需要了解一些光机电算的相关知识，因为实际产品是各个专业的工程师共同合作加工出来的。了解其它专业的知识，可以在设计过程中考虑更全面，更利于设计工作的开展。因此学那些知识以及如何学习是光学设计工程师面临的第一道考验。下面会介绍一些相关知识以及推荐学习书目。
一、光学理论知识的学习

虽然说现在光学设计软件功能强大，对于光学理论知识薄弱的同学有十分友好，初级工程师也能通过软件的使用设计出简单的光学系统。但是对于一些复杂的光学系统，仅靠软件操作是难以实现，必定是需要经过理论分析，分析光学系统的应用场景、该用什么样的构型、以及光学系统参数的确定等等，然后才能采用相应方法进行设计并优化出满足客户需求指标的光学系统。
因此光学设计光学理论知识肯定是不可或缺的。对于成像光学，本人总结了一些本领域从业者需要掌握的一些理论知识，这些知识点都是本人在实际设计过程中有所涉及的。
最基础的肯定是光线传播原理，斯涅尔定律，高斯公式
七大像差的基本原理
透镜组合焦距计算公式
单透镜焦距、主点、前后焦点计算公式等等。

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二、光学设计软件的操作

有了理论知识的加持，光学设计会更得心应手。接下来就需要熟悉软件操作，提高效率。以便光学工程师在得到设计指标后能够更快速设置相应光学指标进行光学系统的优化。光学设计软件包括成像设计软件诸如CODEV、ZEMAX等，还有非序列光学设计软件用来进行杂散光分析，如TracePro、Lighttools、ASAP，在一些高版本的序列光学设计软件（如ZEMAX）中也有非序列设计功能。

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光学设计软件操作主要就是根据客户的指标，添加相应数量的的透镜、透镜材料的选择以及F数、视场角等参数的设定，并对其进行优化以满足设计指标。
软件操作包括：
视场的设定
透镜的增减
非球面设置
光学系统的缩放
优化操作数的编写
再进阶的就是宏程序的编写，以实现某些功能的自动化设计以及与其它软件Matlab和Python等的联动以增强光学设计软件的功能。

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三、光学元件加工以及检测

光学设计完成以后便需要进行产品的试制，将设计出的光学镜头产品化。主要就是需要将透镜交付给透镜加工商进行加工，这里主要涉及的知识点包括光学零件制图规范，透镜镀膜工艺，透镜材料特性等。高级光学工程师往往还需要学习诸如CAD、Solid works等机械制图软件以绘制透镜加工图纸，以便光学零件加工商能按技术指标进行加工。
除了加工还需要对加工的零件进行检验，检测其各项指标是否满足设计要求，否后续组装好，成像质量达不到设计要求甚至无法成像。没有检测就没有制造，在经典光学加工时代如是，进入纳米制造的今天，检测和制造两则更加形影相随。
例如光学元件表面疵病与镜片加工质量以及镜头成品成像质量有一定影响。设计人员熟悉光学零件加工的表面质量要求的我国标准、他国标准以及国际标准，就可以据本文介绍的有关内容识别判断是哪个国家标准，表示什么意思，相应的要求或换算成我国标准，这样有助于设计人员，加工检验人员及用户及时搞准图纸，而不会因此类问题搞不清楚，而贻误时机商机。这同时也为国际间在光学零件加工的表面质量要求和光学元件的贸易，定货，来料来图纸加工以及国内各厂家，用户之间取得共同语言和标准提供了相应的参考依据。
能绘制光学零件图纸是高级光学工程师需要掌握的一项技能，虽然有些公式将职能细化有专门的机械制图师，同时能够看厂家加工完成后的各种两件检测报告也是必要的，这可以为后续成品镜头组装测试奠定基础，加入最后测试指标未能达到设计要求，就可以从各个镜片的检测报告入手，分析是否因为某些零件未能达到技术要求造成镜头成像指标未达标，有时甚至需要自行检测。
四、镜头装配

光学零件以及机械结构件加工完成后需要将其进行组装，这也是们技术活，不仅仅是简单将零件按图纸组装到一起就完成了，需要对透镜公差的严格把控，加工完的透镜在外形尺寸上有一定公差，包括厚度、偏心、倾斜，在安装时候要充分给予考虑，有些厂家会有专门的镜头装调人员，虽然光学工程师是不直接参与镜头的装调组装的，但是需要指导装调人员对于这些公差进行把控。

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五、镜头成像指标测试

镜头组装完成后，想要了解是否满足设计指标，便需要对其进行成像指标测试，保活清晰度、分辨率、成像距离、视场角、MTF等指标。
由于经验有限，暂时只能写这么多，但个人觉得对于想入门成像光学设计的同学来说，这个学习路线我觉得值得学习，因为我本人的经验就是这么个路线。
推荐书目：
郁道银, 谈恒英. 工程光学.第4版[M]. 机械工业出版社, 2016.
李晓彤, 芩兆丰. 几何光学·像差·光学设计.第3版[M]. 浙江大学出版社, 2014.
李士贤, 李林. 光学设计手册.第2版[M]. 北京理工大学出版社, 1996.
林晓阳. ZEMAX光学设计超级学习手册[M]. 人民邮电出版社, 2014.
丁驰竹赵鑫郑丹. 光学零件CAD与加工工艺[M]. 化学工业出版社, 2013.
以上推荐的学习书籍，这不是要求精读细读，但要对书中大概内容了然于胸，在实际项目过程中遇到相关问题可以在书中寻找解决方法，作为工具书来使用。
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