到底什么是光学设计？

大头226 · 发表于 2023-2-27 17:20:26

我指的是普通的光学系统设计，导师说用zemax优化不是光学设计，那光学设计到底是什么？难道要自己画光路然后通过zemax仿真？网上说控制优化的方向、参数的控制可以说是光学设计，这个说法到底对不对？学光学设计的核心是什么？

Creseda · 发表于 2023-2-27 17:21:18

大家说的都对，光学设计的核心在于找到平衡成本可加工性后最适合的解而不是找到nominal像质最优的理论解；光学设计是在理解像差理论的基础上去熟悉各种构型的光学系统并而不是直接无脑跑Zemax……
但是！题主是个还没入门的学生，这个时候，毫无疑问，直接通过Zemax入门是最最合适的。学会软件操作，得到对应的光学直观认知，同时去看像差理论的书以及学习关于加工检测的知识，这是事半功倍的事情。
最好的学习路径，就是要在第一时间上手标准软件。否定only Zemax是对的，否定Zemax那就是属于掉个书袋，说句装逼话，没意思。

更强 · 发表于 2023-2-27 17:22:08

可以看看这几篇文章，做了一些总结，希望能帮到各位。
成像光学设计如何入门？光学设计经验法则
光学设计结构除了找初始结构，经验丰富的设计师能够依赖自己的丰富经验从无到有生成初始结构。有经验的设计师往往能根据需求方提出的像质要求，在了解镜头焦距、孔径以及视场等参数的前提下，决定采用简单结构还是复杂结构，大致需要几组、几片透镜，正、负透镜如何组合，光焦度如何分配，能够大致搭建光学系统架构并根据色差校正的基本原理提出初步的透镜材料搭配方案，然后将初步搭建的光学系统架构输入光学系统设计软件（如ZEMAX、CODEV等），根据二维图中显示的结构与光线走向再手工修改参数，光线没有明显错乱，并能达到像平面后就可以编写优化操作数进入优化步骤，优化过程中再根据像质变化情况施加人工干预直到设计结构满足设计要求。
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！

到底什么是光学设计？-1.jpg

这里总结一些常用的经验法则：
1、对同一类型的光学系统，如果不采用特殊面型的话，像质要求与系统复杂程度密切相关。
2、通常需要采用正负光焦度透镜组合来校正像差，如果对像质有一定的要求，就不要寄希望于仅使用若干正透镜或者负透镜，除非是如聚光镜那样的照明系统或对特定位置成完善像的齐明透镜系统。
3、每个光学表面不要承担太大的光焦度．即光线在各透镜表面上的偏角不要太大，光线与光轴的夹角不要大起大落。因为光线在表面上的偏角越大，该表面的相对孔径也就越大，所产生的高级像差越大，这会导致像差平衡困难。
4、对于宽光谱成像系统则必须考虑色差问题，这就要求采用不同的光学材料组合，并且越是长焦距系统，色差的影响就越严重，有的需要采用超低色散材料．如萤石等。只要是需要校正色差的光学系统，总要用到冕牌玻璃和火石玻璃的组合，通常在正光焦度的光组中，正透镜用冕牌玻璃，负透镜用火石玻璃；而在负光焦度的光组中，负透镜用冕牌玻璃、正透镜用火石玻璃。<a href="http://www.zhihu.com/search?q=%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93&search_source=Entity&hybrid_search_source=Entity&hybrid_search_extra=%7B%22sourceType%22%3A%22answer%22%2C%22sourceId%22%3A2695416053%7D" class="internal">半导体光学材料在中远红外光学系统中所起的作用也相当于冕牌玻璃和火石玻璃。

红外光学材料锗的特性

5、大视场光学系统如果要校正像面弯曲，只有正负光焦度分离这一种方法，可以采用弯月形厚透镜或正负薄透镜分离。
6、一些新技术应用于成像光学系统会带来意想不到的效果，如非球面的应用可以大大简化系统的结构，并提高像质。二元光学元件由于具有与常规元件完全不同的色差特性．在校正宽光谱色差方面表现优异，这种元件也具有良好的热像差特性，利用它可以使光学系统在较大的温度范围内保持良好像质。

衍射光学透镜的特点

但新技术的应用通常需要付出额外的代价，如成本提高、检测困难、非球面公差更严重、二元面会产生多级衍射杂光等，因此在应用时需要权衡利弊。
整理了一些光学设计的学习资料，有兴趣的可以私信向我获取。资料包括，zemax、CODE V、Lighttools、TracePro等光学设计软件学习资料，一些作为光学工程师工具书的书籍，光学系统设计教程等等，有需要可以私聊。
<hr/>关注我！学习更多光学知识！

poney · 发表于 2023-2-27 17:22:18

光学设计的核心，永远都是寻找合适解，而不是最优解。在学校和在工作当中的光学设计最大的区别就是，你在学校可能一直在做最优解，而实际的工程项目，是要你找到最合适的解。
以设计经典的成像镜头为例，二者最大的区别在于，在学校，你的需求输入是一堆系统参数，你只需要通过初始结构计算或者借助CAD软件（如zemax）来达到每一个目标参数的最优，这是你的优化核心。而在实际工作过程中，你可能要受总体尺寸或者局部尺寸，工艺水平（决定你的公差要求，公差要求反过来影响你的最优解），镜片材料选择（如材料批次限制，价格限制），镜片类型选择（如非球面，球面，还有库存镜片），镜片数量，消色差方案，实际像差要求与整个光学设计的通盘折中，等等等等，实际限制因素是非常多的，你会发现你在学校设计的案例在实际工作中一点用处都没有。而往往，大多数常规镜头也不会让你从头到尾都是你的心血，往往你只需要完成其中的20%而已。甚至有些镜头厂，有初中毕业的在用zemax协助优化。
以上只是常规理解的镜头，现在的光学设计更加趋近现代化，多样化，各行各业都离不开光学应用，大多是没有初始结构的，比如很多医疗设备光路，还有很多照明光路，还有很多带振镜的激光扫描光路，AR的光波导光路，光刻光路，激光雷达光路，颜色混合光路，高端的灯具，哪怕汽车车大灯以及装饰灯条等等等等等等，应用是非常多样且灵活多变的，反而上述的什么常规镜头设计显得不是那么高精尖。这些现代光学设计都是需要你有很多光器件的使用选型经验，光路搭建经验，工艺经验，……各种经验，都是原理你一听就懂，但是会让你有无法着手的痛感。
什么是光学设计？我可以回答你，用最稳定可靠，最廉价，满足产品或项目或客户要求的光学实现就是光学设计，而这类应用是相当丰富多彩的，很多没有入行的总是下意识的认为光学设计就是设计镜头，不要狭隘的理解光学设计这个行当，相当吃经验，要耐得住寂寞。

鬼子进了村部 · 发表于 2023-2-27 17:22:29

我觉得你导师的意思应该是让你们把几何光学理论完全搞明白，把基本功弄扎实了，而不是一上手就直接用软件设计，把设计完全依赖软件。最终软件只是辅助作用，设计人还是你自己。
我还记得我当初念书的时候，老师把最小阻尼二乘法什么的讲的很详细，但作为学渣的我是一句没听进去，当时想都有软件了，还学他干毛？你老师的想法应该跟当初我们老师一样，都是想让你们在完全理解的基础上再用软件辅助设计。
抱歉乱七八糟说了一堆，只想说，理论是根基，软件是辅助，虽然后来只用软件不去翻书了哈哈

心随674 · 发表于 2023-2-27 17:23:14

嫌弃zemax优化不是光学设计可以改用codeV来优化啊……
顺带我很好奇，不用zemax这类光学设计软件，难不成你老板是自己写套Python 或者MATLAB代码去做3D raytracing？

到底什么是光学设计？

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