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鑒于篇幅較長，全文內容請下載文檔：光學系統總體布局設計方法.pdf

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OCAD光學系統自動設計程序提供了一個具有特色的光學系統總體布局平臺，可以利用光學系統的各種結構元件合理布局構建光學系統草圖，直接顯示并方便協調光線走向，實現光學原理，使得在光學系統設計的初期完成光學系統總體布局初始設計，接著還可以利用OCAD程序的其他初始結構設計功能完成光學系統初始結構參數設計，為下一步光學系統成像質量優化及其他后期設計打下基礎。

圖1-1 一般光學系統總體布局設計平臺界面 圖1-2 連續變焦光學系統總體布局（顯示凸輪曲線）界面 圖1-3 多光路光學系統總體組合布局界面 二、 光學系統的設計輸入 在進行光學系統設計之前，首先需要明確總體對光學系統的技術要求，也稱為設計輸入參數，這些屬于整個光學系統設計的依據。

圖2.機械補償變焦系統設計之連續變焦系統設計以下按照兩種不同設計菜單介紹具體操作方法。一、連續變焦光學系統總體布局設計“光學系統總體布局設計”的菜單是一個多功能光學系統總體布局的設計菜單，具有對各種光學系統進行總體布局設計的功能菜單。

圖2.機械補償變焦系統設計之連續變焦系統設計 以下按照兩種不同設計菜單介紹具體操作方法。 一、 連續變焦光學系統總體布局設計 “光學系統總體布局設計”的菜單是一個多功能光學系統總體布局的設計菜單，具有對各種光學系統進行總體布局設計的功能菜單。

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三組元連續變焦系統在進行連續變焦光學系統設計之前，首先在“一般光學系統總體布局設計”的界面上做所需連續變焦光學系統基本結構的布局。布局時必須給定前固定組的焦距值，前固定組可以是一個單一組元，也可以為一組復合結構形式。對于其中變焦組、補償組以及后固定組的焦距值有待于下面求解，可以暫時賦予其焦距值為零，透鏡間隔可以隨意。如圖1所示。

三組元連續變焦系統在進行連續變焦光學系統設計之前，首先在“一般光學系統總體布局設計”的界面上做所需連續變焦光學系統基本結構的布局。布局時必須給定前固定組的焦距值，前固定組可以是一個單一組元，也可以為一組復合結構形式。對于其中變焦組、補償組以及后固定組的焦距值有待于下面求解，可以暫時賦予其焦距值為零，透鏡間隔可以隨意。如圖1所示。

然而，模型玻璃方法存在一個嚴重的缺陷，即在使用模型玻璃方法獲得良好的設計方案之后，必須將模型玻璃轉換為真實的玻璃，然后再使用新選擇的玻璃來重新優化該設計。遺憾的是，對于許多系統，新優化的設計方案的性能可能比模型玻璃方法的設計方案的性能要差。更令人沮喪的是，使用真實玻璃的最佳設計可能與使用模型模型找到的最優設計有不同的結構。為避免以上過程中出現的麻煩，OpticStudio提供了一種玻璃替換工具。

圖5.顯微系統物方數值孔徑的設計系統圖6.顯微系統像方數值孔徑的設計系統為了顯示變焦系統的其他圖形及數據，通過工具條中“變焦”按鈕的子按鈕，如圖7-圖11所示，分別顯示系統運動曲線、變焦定格、凸輪曲線和像面位移曲線等。

圖5.顯微系統物方數值孔徑的設計系統 圖6.顯微系統像方數值孔徑的設計系統 為了顯示變焦系統的其他圖形及數據，通過工具條中“變焦”按鈕的子按鈕，如圖7-圖11所示，分別顯示系統運動曲線、變焦定格、凸輪曲線和像面位移曲線等。

然而，模型玻璃方法存在一個嚴重的缺陷，即在使用模型玻璃方法獲得良好的設計方案之后，必須將模型玻璃轉換為真實的玻璃，然后再使用新選擇的玻璃來重新優化該設計。遺憾的是，對于許多系統，新優化的設計方案的性能可能比模型玻璃方法的設計方案的性能要差。更令人沮喪的是，使用真實玻璃的最佳設計可能與使用模型模型找到的最優設計有不同的結構。

然而，模型玻璃方法存在一個嚴重的缺陷，即在使用模型玻璃方法獲得良好的設計方案之后，必須將模型玻璃轉換為真實的玻璃，然后再使用新選擇的玻璃來重新優化該設計。遺憾的是，對于許多系統，新優化的設計方案的性能可能比模型玻璃方法的設計方案的性能要差。更令人沮喪的是，使用真實玻璃的最佳設計可能與使用模型模型找到的最優設計有不同的結構。

填寫完對光學系統的設計技術要求之后就可以在窗體右側的繪圖框內繪制光學系統方案草圖。繪圖框的基本尺寸默認為一張橫排的A4圖紙。如果根據系統總體尺寸的要求需要調整繪圖框圖紙圖幅的尺寸，可以利用界面是文字框從 “圖幅選擇”中選擇，點擊“圖幅選擇”后會出現一個下拉式菜單，從中選擇所常用的圖幅尺寸代號，如果不滿足還可以選擇“自定義”，給定需要的橫向尺寸和縱向尺寸，如圖3-1。

在一個設計高光譜成像儀的項目中，AEH/Ivory被用于將系統的光學方案作為輸入數據文件導入到MSC Nastran中，通過系統跟蹤所有光學圖像，并報告MSC Nastran計算的探測器上最終圖像的靜態和動態運動。

主要目的是為剛接觸這個課題的設計者提供一個起點，看看 OpticStudio 有哪些方法可使用。 對包括 DOE/metalens 在內的系統進行模擬和設計總是很棘手，沒有通用的方法來處理所有情況。設計師需要根據具體情況決定其設計策略。許多情況下設計過程中需要兩種不同的光學理論/算法來分別處理光束在自由空間和微觀結構中的傳播[1-3]，而也有一些設計單純只使用光線追跡來實現。

由于一組科學家的研究[1, 3–5]，這個問題被解決作為一個專家系統，提供知識統一的光學器件的開發。專家系統是在這一復雜工程領域開啟人工智能方法的第一步。這項研究的目標是向計算機“解釋”，不僅是如何設計透鏡，而且是如何制造透鏡。這是一項非常艱苦的工作，必須吸引鄰近光學專業的光學專家。