光学设计最精华、最具竞争力、最难的地方在哪里?

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我心如烟卸 发表于 2023-3-6 16:40:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
1. 此处光学设计指做透镜设计的,不包括那些走在最前沿的那些科学家们
2. 现在软件那么厉害,会不会缩短设计师之间的经验差异。会不会造成一种现象,就是只要稍微入了门大家都一样,往上再无瓶颈,表现差异并不是因为设计师本身,而是其他环境因素。举个例子,某两个人都会zemax,一个在一个加工比较厉害的公司,他优化出来的结构良率比较高,导致他设计了好几个高端的量产结构,另一个人在一个加工不怎么厉害的公司,同样设计了几个低端量产的结构,那么这两个人谁厉害些。
3.可能这些都不能算是个问题,原谅我还是个小白
<hr/>谢谢大家的回答,毕业三年了再回来看这个问题,有很多感触。
在我实际工作中更多的是与供应商撕,与其他部门其他同事撕,与老板撕。
那么一个光学的项目,实际工作中光学的部分被削弱。毕业前肯定有人跟我一样认为光学工程师整天解决光学问题,实际上是解决工程问题。

请问大家是不是也有这种感觉?
同时也还问光学设计最核心的竞争力是什么?是会优化结构?会项目管理?供应商门儿清?那么换了一个公司或者方向,这些优势对职业规划有持续性吗?

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光学设计行业千万不要迷失自己,按规矩办事。
很多人会跑设计就认为很厉害,认为自己的设计比老师傅,行业内出现了很多乱拳打死老师傅的现象。始终记得选择比能力重要,无论是被熟人推荐,还是合伙创业,千万要保护好自己,不然下一个倒霉的就是你了。
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123457080 发表于 2023-3-6 16:41:16 | 显示全部楼层
光学设计最精华,最具有竞争力,最难的其实都在于一点!
它是一个非常集大成的综合学科,光机电算都必须有所了解,才能做出好的设计。而单其中的光又可以分很多类,光学加工,光学检测装配,光学测试,光学设计等等!
可能大家感觉那就学呗,但是光学行业又是一个很吃经验的行业,只有可以加工检测,可以装配出来的设计才是实际的设计,但是这些经验又有谁会告诉您呢?
可以关注下面,我们公众号经常推出光学设计经验帖供大家学习交流!
zemax中光学设计相对照度注解,全文请点击链接https://mp.weixin.qq.com/s/QE4bddMVNg8AekVDp5diBA

最近­很多朋友咨询我一个ZEMAX软件问题,ZEMAX相对照度图表中的值和优化操作数(RELI)中相对照度值不一致,为什么?
相对照度是指像平面不同坐标点的照度和中心点照度之比。目前常用的光学设计软件采用的是像方视场角四次方余弦来计算,因此像方视场角越大,则相对照度越小,压缩像方视场角就是提高照度均匀性的设计方案,像方远心就可以完美实现这一方案,当然相对照度在实际光学系统中还受到渐晕、畸变、透过率等影响。轴外照度公式为:

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廊桥遗梦504 发表于 2023-3-6 16:41:26 | 显示全部楼层
有以下三种工具可在OpticStudio的序列模式中模拟高斯光束传播:
基于光线的方式近轴高斯光束分析物理光学传播
本系列的三篇文章旨在介绍如何创建一个高斯光学、如何分析光束通过光学系统时的传播和如何使用上述三种方式优化至最小光斑。本文也会介绍适用于特定情况的最佳模拟方式。
本文是系列的第三篇,重点介绍如何使用物理光学传播工具来建模高斯光束,以及何时使用哪种工具。
简介

激光工程师经常发现有必要对激光在光学系统中的传播进行建模。与基于光线的方法不同,物理光学传播 (POP) 通过传播相干波前来模拟激光光束,因此允许对任意相干光束进行非常详细的研究。在接下来的章节中,我们将介绍如何使用POP建模光束传播。
物理光学传播

物理光学传播通过传播波前来模拟光学系统中的传播。光束由离散采样点的阵列上的数据表示,类似于用光线进行几何光学分析的离散采样。整个阵列通过光学表面之间的自由空间传播。在每个光学表面上,系统会计算一个将光束从光学表面的一边传播到另一边的转换函数。因为光束是由其全部复值电场阵列描述的,所以物理光学传播POP允许仔细研究任意相干光束,包括高斯或任何形式的高阶多模激光束(光束是用户可定义的)、远焦衍射影响或有限镜头孔径的影响(如空间滤波器)。本文将不会深入如何使用物理光学传播工具的细节。建议大家阅读由三篇知识库文章组成的系列文章“如何使用物理光学传播(POP),第一部分:检测光束“,该文章详细介绍了POP工具。

示例

我们将处理和第一和第二部分中同样的问题,用单透镜设计一个使激光聚焦在离激光输出100 mm处的系统。设计要求是一样的:名义波长= 355 nm在距激光出射口 5 mm 处测得光束直径为 2 mm光束发散角为 9 mrad


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已知高斯光束的波长和远场发散角,计算出光束束腰为0.0125 mm,瑞利距离为1.383 mm。

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为了进行分析,我们将从之前在基于光线的方式中使用的相同示例文件“1_rays optimizated .zar”开始操作。在物面之后插入一个新表面,将物面厚度改为零,并将其原厚度106.108 mm设置为表面1的厚度。
在物理光学 (Physical Optics Propagation) …设置 (Settings) …常规 (General) 标签中,输入开始表面为表面1,结束表面为表面6。
在物理光学 (Physical Optics Propagation) …设置 (Settings) …光束定义 (Beam Definition) 标签中,将光束类型设置为高斯束腰,输入X/Y采样为256 x 256,束腰X/Y为0.0125 mm,然后按下自动按钮,让OpticStudio计算合适的采样光束阵列大小。
设置完成后,按下底部的保存按钮。OpticStudio将把所有当前设置保存到一个配置文件中,这些相同的设置将用于计算在评价函数编辑器(Merit Function Editor)中的POPD操作数。
在评价函数编辑器(Merit Function Editor)中,删除所有现有操作数并刷新。为表面3输入 Data 值为23的操作数POPD,它将计算表面3光束X半宽或光束半径,目标尺寸为1 mm。更新评价函数编辑器和POPD操作数,在表面3的光束半径此时显示为1.0037 mm,不是精确的测量尺寸1 mm。

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这意味着高斯束腰的位置稍有偏差。为了将光束在表面3上的半径优化为1 mm,可在第二行增加一个权重为1,目标为1 mm的POPD操作数,并将表面1上的厚度设为变量进行优化。经过优化后,表面1的新厚度为105.689 mm,表面3的POP 光束尺寸现在正好是1 mm。然后在评价函数编辑器的第4行和第6行增加两个操作数GBPS和POPD,以计算近轴高斯光束尺寸和图像平面上的POP光束尺寸。近轴高斯光束得到的光束尺寸为9.97 um,POP得到的光束尺寸为9.811 um。该示例文件为名为“3_POP new waist location.ZAR”的文件。

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我们可进一步进行优化,看看这个结果是否是我们在距离激光输出口100 mm处使用单透镜所能达到的最小光束尺寸。在镜头数据编辑器中,去掉表面1上求解的厚度变量,对单镜头的前后曲率添加变量求解。在评价函数编辑器中,将第6行上的POPD操作数的目标设置为0,权重设置为1。这是为了优化像面上的最小POP光束尺寸。运行优化。
优化后,POPD显示了一个略小的光束半径9.48 um。注意POP计算的光斑尺寸与近轴高斯光束计算的光斑尺寸都为9.45 um,非常吻合。该文件,“ 3_POP new waist location.ZAR”可以在文章附件部分下载。

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不同情况对应工具

基于光线的方式和物理光学传播的基于波前的方式代表光束在自由空间传播时的两种不同的表现形式。光线沿直线传播,不会相互干涉;波前传播时光束将发生自相干效应。光线法快速、灵活,但光线不适用于建模特定情况,主要是衍射情况。
OpticStudio提供了一些基于光线的衍射计算,如衍射MTF或PSF。这些衍射计算作了一个简化的近似:所有重要的衍射效果都发生在从出瞳到成像的过程中,这有时被称为“一步近似”。光线被用来传播来自物体的光束,通过所有的光学器件和干涉空间,一直到成像空间的出瞳。通过出瞳的光线分布,结合透射振幅和累计的相位光程差(OPD)来计算相位,形成复振幅波前。然后,用一步近似的衍射计算将这种复杂振幅波前传播到近焦点区域。几何光学和一步近似在大多数传统光学设计中广泛应用,在这些设计中,光束不在除了最终成像位置之外的任何其他近焦位置聚焦成像。但是该模型在几个重要的情况下失效:
当光束具有中间焦点时,尤其是附近光学器件将截断光束时(光线本身不能预测近焦点的正确分布)。
当对远焦的衍射效应感兴趣时(光线将在振幅和相位上保持均匀分布,而波前将形成具体振幅和相位结构)。
当传播长度较长且光束接近准直时(准直的光线在任何距离上都保持准直,真实的光束会衍射和发散)。
物理光学传播通过传播波前来模拟光学系统,其中光束由一组离散采样点表示,描述了光束通过光学系统时电场的完整复杂振幅和相位。该工具使对任意相干光束的详细研究成为可能。
一般来说,物理光学模型在预测远离焦点的光束的详细振幅和相位结构时比传统的光线追迹更准确。下表总结了几个光线法可能不适用,而应该使用物理光学传播POP的特殊场景。
不推荐使用光线法的三种情况:

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ps: 需要源文件联系小编。

#阅读延伸

设计与检测 |Zemax 基本操作26 模拟激光光束传播:第二部分 使用近轴高斯光束工具来模拟高斯光束
设计与检测 |Zemax 基本操作25 模拟激光光束传播:第一部分-高斯光束理论和基于光线的方式

设计与检测 |Zemax 基本操作24 多模光纤耦合

设计与检测 |zemax 光学系统23  照明系统

设计与检测 | 单模光纤耦合
设计与检测 |zemax 光学系统22 远心系统

设计与检测 | zemax 光学系统21 反摄远物镜

设计与检测 | 光谱成像系统(1)

光电微课堂 | 拉曼光谱仪分光系统设计

光电微课堂 |巡天光学舱(中国的“哈勃”)

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设计与检测 | zemax 基本操作20 (激光扩束系统)

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芊芊551 发表于 2023-3-6 16:42:21 | 显示全部楼层
我认为是取舍

这么认为,主要是来自于Erwin Puts的《Three generations of optical design: Berek, Mandler, Kolsch》这篇文,可以去他的网站找到
这里节选Berek的部分
……he had to accommodate his designs to the limited number of glasses available, and the lack of high refractive glass was quite restricting. If we study the image characteristics of the lenses that have been designed by Berek (most lenses from 1925 to 1948), we recognize this approach. Focal length and aperture are always within the limits of practical design ( a 4.5/135 and a 6.3/28) and when the aperture becomes larger (2/50 or 1.5/85) Berek will accept a slight loss of ‘pure’ performance at the wider openings to allow the overall design to be balanced and deliver harmonious imagery. Berek’s designs and approach were acknowledged in his days, but his accomplishments were not properly valued. In the many handbooks of those period, he is often mentioned, but Merte, Bertele, Tronnier, Lee and others were the opinion leaders……
……when stopping down Berek’s designs performed remarkably well. At the smaller apertures only the central portion of the lens is being used and the small aperture only allows a narrow bundle of light rays. In this area only the primary Seidel aberrations are effectively degrading the image quality. But Berek had a tight grip on these errors and had them very well balanced in the overall design. The resulting performance is very commendable. The well-known atmosphere in the images by Eisenstaedt, Doisneau and many others, this almost velvety depiction of the human condition, the sympathetic and even emphatic rapport between the camera and the subject, is most certainly and decisively influenced by the characteristics of the Berek designs……
描述一支镜头的设计,可以从目标孔径、对应靶面、色彩还原、分辨率、制造成本等入手,这些因素相互之间有所影响,因此设计者在其中,需要求得平衡。
若是不加以限制的话,可以制造超乎想象的镜头,但实际情况很难允许这样。
我的话,很赞同里面的这个描述:……will accept a slight loss of ‘pure’ performance at the wider openings to allow the overall design to be balanced and deliver harmonious imagery…… 更多的选择整个画面的柔滑阶调,而非大孔径光圈的完美表现
这一点,则是取舍。
然后是Mandler的部分
……Curvature of field was not at the center of the design priorities and to offset this aberration, one had to accept this characteristic. Why CoF was neglected is part of the Leica myth. As a fact we may note that Leitz designs were optimized to finetune the inherent traits of the double-gauss principle……
对场曲的保留,也是取舍。
至于第三段Kolsch的,我认为,这是在追求完美的光学素质和容易的维修保养中,做取舍。经验来自ASPH的M镜头保养。
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XY890 发表于 2023-3-6 16:42:41 | 显示全部楼层
我主要想从个人角度讲讲我导(男)师(神)在高校做光学设计的情况。我导师是国内较早接触光学CAD的一批学者,这些年来给国防、航天和企业做了很多设计工作,有不少在轨镜头,也有(疑似)装备了的量产镜头,以及其他各式各样的镜头非常多,从非成像镜头到光刻机镜头,从内窥镜到望远镜,从紫外波段到长波红外波段,都有涉及。我跟他接触了几年时间,他在光学设计上给我留下了几方面较深的印象。
1. 光学成像理论理解深刻。这个理解不仅仅包括书上的成像公式和理论推导,更体现在,甲方提一个完全没有先例的需求,我导师可以迅速确定理论上能不能设计出来,然后一般可以在一两天之内设计出足以投标的结果。而我们初学者拿着模糊的需求,尤其是初始结构不好的情况下,对优化有没有可行解一般是没信心的。曾经我参与过一个折衍混合镜头的设计,尝试了一段时间遇到了困难,找导师求助。导师从折射色散和衍射色散的传播和光焦度分配上分析了需求之后很快就解决了,而我只大概知道折衍元件的基本性质和简单计算,对这种可以做深入的定量分析的能力真是心悦诚服。
2. 基于经验的直觉。我们做设计需要考虑杂散光和鬼像的抑制,导师有一套抑制方法的经验,他也讲不出为什么,但是每次拿笔一比划就知道大概如何达到最优的状态,神乎其技。镜头优化停滞的时候一般需要放约束条件,导师分析残差分布之后很快就基本知道修改什么数值(有时候甚至是不起眼的数值),从而快速跳出局部极值。根据设计需求和优化过程调整约束条件是非常考验设计师经验的环节,一个稍复杂的镜头可以有上百个变量和大量的约束条件,如果把设计镜头考虑成解高阶非线性方程组,没有人工参与的情况下,目前单纯靠软件是很难在有限时间内解出来的。
3. 对加工误差和装配误差非常熟悉。光学设计的过程中要尽可能地把公差合理分配掉,降低单片透镜承担的压力。我导师在这方面的考虑主要体现在一些极端镜头的设计上,如光刻物镜、Gigapixel的显微物镜设计等,由于他也做光学检测,所以对光学元件的加工水平有一定的了解,加之他有个研究光学装配的好朋友,从而对实际值与理论值的偏差基本做到心中有数。当然,公差在高校和研究所的光学设计中不是最关键的考虑因素,但是在需要保证良率的公司生产中就很重要了,这一点我在公司实习的时候有很深的体会。
4. 亲力亲为,积极尝试新技术。最后一点是我最佩服我导师的地方,作为一个60后三级教授,拿项目、开会和行政事务本身就非常繁忙的情况下,大部分时候还坚持亲力亲为地做设计,对光学设计领域中出现的新技术也非常感兴趣,乐于去尝试和研究。另外,他虽然自己基本上全年无休,但是对学生非常地宽松友好,支持和鼓励非常多,他乐观从容的心态也常常感染着我们。这种对未知的好奇心、对工作的投入和对生活的热情,我觉得是成为一个优秀的光学工程工作者的根本。
以上。
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王俊杰2017 发表于 2023-3-6 16:43:36 | 显示全部楼层
公差的分配和控制,很有讲究。
初始结构的选择,也需要经验的积累。
光学系统的设计指标是否合理,需要设计师根据不同情况,结合理论进行判断。
软件,只是一个计算工具,将设计师从繁琐的计算中解放出来,让设计师更快速的完成设计,试制样品,发现错误,积累经验;更有精力去发挥自己的灵感。
车间加工精度很高,或许可以将一些公差很严的光路加工出来,可是,成本会增加。
我觉得作为一名设计师,能设计出来性能稳定,易于加工组装的光路,才叫真的入门。
会用软件优化出看似不错的光路,这是不算会设计的。
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