光学设计-导论

真不是我干的的 · 发表于 2023-2-27 17:30:41

1 导论
1.1 光学设计
按照知乎的特点，首先解释什么是光学设计，然后再开展光学设计的介绍与学习。
1.1.1 定义
用百度和必应搜了一下，没有找到光学设计的概念（有谁找到了我补充上）。
这里我自己表达一下我的理解，或者说是归纳总结。
从系统论的角度理解，光学设计是根据一个给定的输入和一个要求的输出，利用光学原理和相关学科知识，通过设计、优化、测试、反复等过程，统筹考虑人、机、料、法、环等因素，给出一个可以满足要求的高性价比系统。
从产品的角度理解，光学设计是针对某一个明确或不明确的光学需求，通过光学设计师与客户的沟通、讨论与相互妥协，最终达成共识，形成满足需求的可量化可测量的光学指标，然后据此开展包括光学透镜、结构、尺寸、重量、价格、工期、工艺、材料、强度、温度等等因素在内设计工作，最终形成满足要求的光学系统。
1.1.2 分类
波长分：可见光系统、红外系统、紫外系统、微光夜视系统等。
应用分：照相物镜、天文望远镜、显微物镜、手机照相机、监控镜头等。
光学原理分：成像光学系统、非成像光学系统、激光光学系统、测量光学系统等。
光行天下这个帖子分类很好的说明了光学按照应用分类的情况，可以借鉴参考。

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1.1.3 应用
应用范围很广，这个应该有目共睹。但是也是个小众专业，这个应该也是业内共识。
试着举几个例子：
1)照相机、手机拍照模组、放大镜。
2)汽车车灯、仪表盘照明、路灯、家庭照明、工作照明。
3)投影仪、激光电视、背投电视的背投模组。
4)监控镜头。
5)显微镜、内窥镜、潜望镜、天文望远镜、量子通信系统。
6)VR/AR光学模组。
7)激光谐振腔、激光设备、激光核聚变系统。
8)光刻设备。
9)军用光学设备、医疗光学设备、生物光学设备等。
10) ......
1.1.4小结
上面从广义的角度进行了光学设计的理解，给出了广义层面的定义、分类与应用。
狭义上，光学设计与镜头设计彼此通用，也是行业内应用比较多的说法。狭义上，光学设计，或者说镜头设计，是利用透光材料（光学玻璃、红外晶体等）的光学特性，根据光学原理，使用专用光学软件，结合光学设计师自己的知识与经验，进行的光学系统设计工作，通过对像差、像质、照度等的迭代优化设计，得到满足要去的光学系统。
1.2光学软件
光学软件是光学设计的工具，是根据光学原理、数学物理原理等，通过计算机代码的形式提供的产品，满足光学设计师的工作需求。
和其它领域的软件一样，光学软件的发展也是随着计算机的发展而逐步发展起来的。最早，光学设计是一门门槛很高的学科，在计算机尚未普及的时代，需要专门的计算组进行光线的追迹计算。计算机出现后，昂贵的价格和专用的光学计算软件，将大部分工程师拦在了光学设计的围墙外。现在，计算机的计算能力飞速发展，商业软件种类繁多，各有特点，光学设计能力已经作为一种光学专业的基本能力而存在，各行各业的工程师们都可以借助于光学设计软件进行或简单或复杂的光学设计工作。
在狭义的光学设计范围内，主要使用的光学设计软件有：成像光学设计软件ZEMAX、Code V、OLSO等，以上三款软件是国内应用比较普遍的。
ZEMAX由于价格便宜，同时进入国内的时间早，使用范围最为广泛。ZEMAX比较好的方面是材料的开放性好，可以使用最新的光学玻璃库或其它测量出来的光学材料，无热化功能做的比较方便，相信工程方面工作较多的同仁会有同感。另外很多ZEMAX使用者也表示ZEMAX让设计师有掌控的感觉，可以在自己的意图下慢慢优化。
ZEMAX缺点是优化算法几十年如一日，更新程度不大，导致在优化速率以及发现新结构方面效率低下，特别是系统稍一复杂，比如像变焦系统、十几片以上的透镜系统等，优化时间需要的很长。
Code V优化能力强大，优化算法持续更新，属于目前国际上最优秀的光学设计软件。价格昂贵，不过众所周知的原因，使用的人也很多。Code V寻找新结构的能力可以配得上无以伦比。全局优化算法藐视其它光学设计软件。新版本优化算法不断改进，陆续增加了Step优化功能、公差优化功能等，真是不能给更多赞了。
说到Code V就忍不住吐槽一下其槽糕的光学材料库，相比于ZEMAX的开放性，其封闭性强，导致国内成都光明、新华光等最新的玻璃使用比较麻烦。当然也不是不能解决，利用私有玻璃
OLSO软件仅只试玩过，目前没有使用它做过实际产品。其市场位置比较尴尬，基本上性能在上面两个软件的中间，价格也在两个中间，加上国内推广力度也不够，使用者较少。OLSO软件二次开发能力较强，适合于光学设计高手使用，目前在美国、欧洲范围内应用较广。
最后说一句，光学软件真是工具，真正的灵魂还是设计师。笔者曾见过光学设计领域的大师专家级人物，虽然使用ZEMAX软件，但是设计效率以及设计结果好的令人发指，可见关键还是光学设计的知识与经验。深刻的理解可以带来简洁强大的光学系统。
非成像光学设计软件有LightTools、TracePro、ASAP、Fred等通用光线追迹软件，以及LucidShape等车灯照明软件、Rsoft等微纳光学软件、VirtualLab等激光类软件等等。也有可以作为插件在结构设计软件SolidWorks、Pro/E中使用的软件，比如OptisWorks等。也有光机热协同分析的软件，比如COMET软件等。感兴趣的可以网上查看相关资料，都是些软件介绍，就不展开论述了。
可以看到，光学虽然是小众专业，但是从其领域内的专业软件数量来说，也是个“大专业”。
建议
下面给出从事光学设计领域，学习相关软件的一些建议：
几何光学领域：ZEMAX/Code V、LightTools/TracePro/ASAP/Fred两大类中各选1款软件就可以满足日常设计要求。一旦1款软件掌握了，使用同类型的软件也会很快，后期根据工作需求慢慢跟进学习即可。偏结构的工程师可以尝试一下OptisWorks软件等。
物理光学领域：在几何光学仿真软件的种类上，根据研究领域选择学习Rsoft、VirtualLab、FDTD、OptiWave等软件。
工程领域：除以上几何和物理仿真软件外，需要进行光机热协同分析，需要使用结构设计软件、有限元分析软件、动力学分析软件、科学计算软件、协同仿真平台等。目前协同软件Comet在国内推广工作做得不错，不过由于价格昂贵，也只有不差钱的体制内研究所买得起。
贴一个光行天下论坛的光学软件板块抓图。目前的光学软件基本上都在里面了。

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1.3光学系统基本参数
光学系统基本参数，主要是想介绍一下光学一阶参数，属于几何光学的范畴，公式有点麻烦就不贴了，可以找一本几何光学教材学习学习。
几何光学基本概念
1）光线：几何光学对光做了假设，存在光线的概念，很多光线形成光线束。从波动光学的理论出发，光线是光波的法线，光线束就是法线束。目前在成像光学软件的像差计算中使用光线的定义，进行光线追迹计算像差。非成像光学软件比如LightTools等，更是依赖光线的概念进行杂光、照明等设计与分析。

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（图片摘自沃伦史密斯的现代光学工程，仅用于学习研究，侵删）
2）光线的直线传播定律：这个前提是在同种均匀介质中。其它不在赘述。
3）折射与反射定律：发生在两种均匀介质的交界处。

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（图片摘自沃伦史密斯的现代光学工程，仅用于学习研究，侵删）
曾有行业大牛半认真半开玩笑说过，光学设计入门，前提只要知道这三个概念，基本上及可以了。虽属于玩笑话，不过细思也有一定道理，至少几何光学范围内基本正确。当然，从归纳演绎的角度理解，一个原理就可以了，即----费马原理。费马原理的提出有哲学理念在里面，后来可以从电磁理论给出解释。
成像光学的概念：
物、像基本概念

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（图片摘自沃伦史密斯的现代光学工程，仅用于学习研究，侵删）
其它需要了解的概念：

平面镜与反射镜
理想光学系统
近轴光学系统：需了解近轴光线追迹公式
旁轴光学系统：这个稍微啰嗦两句，旁轴光学系统在计算非球面特别是自由曲面等非常规成像光学系统的焦距时比较有用。这点上ZEMAX做的比较好，Code V稍差。
实际光学系统
拉格朗日不变量
主点、主平面、焦点、焦平面、节点、节平面、物方空间、像方空间
符号规则：也啰嗦两句，光学设计中，上来首先要搞明白软件采用的符号规则，后面理解概念以及搭建光学系统模型会比较容易。

（图片摘自沃伦史密斯的现代光学工程，仅用于学习研究，侵删）
焦距
视场
下面图中给出了有效焦距和后焦距的区别与联系。也给出了节点和节点平面的示意图。

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（图片摘自沃伦史密斯的现代光学工程，仅用于学习研究，侵删）
照明光学基本概念(习惯上也成为非成像光学)

光源：激光光源、可见光光源、红外光源、紫外光源、
辐射通量、辐射强度、辐射照度
光通量、光强度、光照度、光亮度
像面照度的余弦定理
光学扩展量
其它非成像光学概念：照明光学我个人没有做过太多工作，不过有兴趣的可以查找非成像光学的书查看相关内容。

激光光学、光纤光学等
非擅长领域，有兴趣的可以一起探讨。
探测器

像面照度的余弦定理
探测器的波长灵敏度曲线

光学材料

光学玻璃
红外晶体材料
材料的温度-光学特性

1.4光学设计步骤
这部分给出光学设计的步骤，其中我认为有三个阶段：需求明确和参数确定阶段；初始结构获取及光学设计优化；光学加工装调检测等工艺可行性分析。
强调一点（属于个人观点），光学设计的目的是在最低成本下最大程序满足产品性能需求，所以建议警惕过度设计的倾向，当然欠设计的情况是必须避免的。
一个好的光学设计的标准：像质满足要求（注意，不是像质好或像质完美，是满足需求）、成本低、工艺成熟简单、适合批量、强度高、温度湿度适应等环境适应性强等。

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1.5参考书目
几何光学：
北理安连生的应用光学

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浙大王子余的几何光学像差光学设计

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长理工王文生的应用光学
工程光学-郁道银（这个版本应用光学使用的是张以谟应用光学的底本，不过书中错误较多，特别公式部分。天大的不要拍我^-^）
光学像差与光学设计
光学设计-北理工袁旭沧版（我的光学设计入门教材，当年所有的像差公式全部推导了一遍，获益匪浅）
光学工艺类
光学设计手册-北理工版
国内外的国标/国军标
成都光学玻璃参数手册，其网站上有下载。
新华光玻璃参数手册，其网站上有下载。
其它光学材料、光学晶体、光学塑料的资料
照明光学
Introduction to nonimaging optics，作者：Julio Chaves。（读书时学习过，内容好！）
其它，国内目前有1本翻译教材(照明工程：非成像光学)，1本自编教材（非成像光学设计），有兴趣可以买来看看。我没有看过，书的好坏不知。
光学设计入门
Introduction to lens design with ZEMAX (英文不习惯的，网上有台湾版的翻译，可以采用。强烈推荐！)
现代光学工程（沃伦.史密斯），周海宪老师翻译，品质有保证。
光机设计入门与精进
光机系统设计，周海宪翻译，品质有保证。强烈推荐！
机械设计、制图等相关书籍
其它
物理光学的相关教材（物理光学-梁铨廷、物理光学-谢敬辉版、物理光学与应用光学-石顺祥版等）
全息光学，推荐周海宪编著的同名书。
激光光学、光线光学、微纳光学、集成光学方面的相关教材（不熟，无法推荐）
最后：光学方面的教材国内国外都有非常好的教材。我这里列出的主要是我熟悉的，不代表其它。实际上，任何一本国内国外大牛写的教材，只要仔仔细细研读，都会有收获，会有精进。
最后的最后，感谢培养我的老师们！感谢培养我的学校！

本章完。。。

作者：王庆丰
光学设计导论-知乎专栏
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尹以为荣 · 发表于 2023-2-27 17:30:54

世上没有“海拉之光”这么个软件，这个名字是国内的盗版贩子臆造出来的。正确的名字是lucidshape。

xinting_6ym · 发表于 2023-2-27 17:31:41

solidworks拼写错了

风男人1984 · 发表于 2023-2-27 17:31:47

更正下，是solidworks 和optisworks ，拼写错了哈

唰唰冷呵映 · 发表于 2023-2-27 17:31:58

加油！！！

optkt · 发表于 2023-2-27 17:32:55

应用光学国内还有几本书，一本是郁道银老师写的工程光学，前半本几何光学，后半本物理光学，还有张以漠老师写的应用光学，最后还有一本王文生老先生写的应用光学，还有一本书也是物光和应光的合本，全名不记得了，希望给题主点补充

俺乃小潜mg · 发表于 2023-2-27 17:33:49

回寝室看了一下，最后那本是西安电子科技大出版，石顺详老师编写的物理光学与应用光学

大圆镜2015 · 发表于 2023-2-27 17:34:04

求光学设计工具书推荐，我找的都是95年版本的，有没有新版本的谢谢

郭光庆 · 发表于 2023-2-27 17:34:43

我使用较多的是北理工的光学设计手册，版本也挺老，不过满足使用要求。相关的国标倒是好的工具书，推荐。

也曾相识825 · 发表于 2023-2-27 17:34:58

谢谢！

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