Компьютерный синтез оптических систем. Часть 2

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
КОМПЬЮТЕРНЫЙ СИНТЕЗ  
ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
 
Часть 2 
 
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по образованию в области 
приборостроения и оптотехники для студентов  
высших учебных заведений, обучающихся по направлению  
подготовки 200200 «Оптотехника» и специальности  
200203 «Оптико-электронные приборы и системы» 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2011 

УДК 535.317.2(075.8) 
ББК 22.34 
  К63 
Рецензенты: В.М. Кахновский, О.В. Рожков 
К63 
Компьютерный синтез оптических систем: учеб. пособие: 
в 2 ч. : ч. 2 / А.В. Крюков, В.Г. Поспехов, Т.С. Ровенская, 
А.Л. Сушков. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. –
62, [2] с.: ил.  
 
Рассмотрено практическое применение программы OSS на 
примерах синтеза оптических систем различного назначения. 
Представлены примеры синтеза пятигруппового панкратического 
объектива и панкратического объектива типа PIN HOLE, светосильного объектива для ИК-области спектра и светосильного объектива типа объектива Петцваля, а также пример синтеза миниатюрного широкоугольного объектива с вынесенным входным 
зрачком. Показаны примеры задания характеристик объективов в 
программе OSS, формирования оптимизационной модели. Рассмотрены вопросы параметрического синтеза тонких компонентов 
и создания рабочего каталога стекол для синтеза. 
Для специалистов и магистров, обучающихся по направлению 
«Оптотехника» и специальности «Оптико-электронные приборы и 
системы». 
УДК 535.317.2(075.8) 
                                                                       ББК 22.34 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Вторая часть учебного пособия посвящена практическому применению программы OSS на примерах синтеза оптических систем 
различного назначения. При этом предполагается, что пользователь 
уже ознакомлен с основами работы с программой OSS (от англ. Optical Systems Synthesis — синтез оптических систем), знает, как запустить программу, загрузить из архива оптическую систему, отредактировать и просмотреть оптическую схему и аберрации 
оптической системы. В первой части учебного пособия [1] подробно 
описаны действия пользователя при создании новой оптической 
системы, ее загрузке, просмотре результатов и редактировании, а в 
работе [2] — основные виды окон, а также приведены теоретические основы синтеза оптической системы. 
В настоящем учебном пособии рассмотрены особенности 
практического применения программы OSS при синтезе и анализе 
различных типов систем, а также при выработке методических рекомендаций для компьютерного моделирования и проведения габаритного расчета и расчета в области аберраций третьего порядка. Изложены случаи моделирования оптических систем: в виде 
тонких компонентов (групп); в виде блока конечной толщины в 
сочетании с группами в виде тонких компонентов. 
Кроме того, в учебном пособии представлены результаты 
практического применения программы OSS при разработке оптических схем панкратических объективов, систем с дискретным 
изменением оптических характеристик, рассмотрены особенности задания плоскостей предмета и изображения при близко расположенном предмете и предмете, удаленном в бесконечность, а 
также различные способы задания положения апертурной диафрагмы (входного зрачка). В пособии также приведена методика 
работы с отечественными и зарубежными каталогами оптических 
стекол, рассмотрены приемы использования текущего рабочего 
каталога и создания нового каталога путем ввода характеристик 
стекол по желанию пользователя.  
Структура учебного пособия основана на принципе последовательного описания этапов синтеза оптических систем различных типов. 
 
3

1. СИНТЕЗ ПЯТИГРУППОВОГО ПАНКРАТИЧЕСКОГО 
ОБЪЕКТИВА 
Требуется провести аберрационный расчет оптической системы панкратического объектива для работы в видимом диапазоне 
длин волн с изменяемыми параметрами: фокусным расстоянием 
f  = 100…385 мм, относительным отверстием 1 : К = 1 : 5,6, линейным полем в пространстве изображений 2y = 30 мм. Конструкция компонента 1 оптической системы известна: блок, склеенный из двух линз. Известны значения радиусов кривизны 
поверхностей, толщины линз блока, марки стекол, световые диаметры. Компоненты 2, 3, 4, 5 тонкие. Количество компонентов, их 
оптические силы и расстояния между ними известны из габаритного расчета. Таким образом, целью аберрационного расчета является разработка конструкции тонких компонентов 2, 3, 4 и 5. 
1.1. Задание характеристик системы в исходном состоянии 1  
с помощью блока редактирования оптической системы 
(Optical System Editor) 
После открытия программы OSS нажмем кнопку Editor, открывающую окно блока редактирования с пустым полем для описания 
оптической системы. Вызовом команд File — Save As… создадим 
файл с именем URS_01.os в папке C:\..\OSS_\dat\.  
Порядок составления задания изложен ниже. 
Спектральные характеристики (основная длина волны λ0 = 
= 0,54607 мкм и спектральный диапазон λ1 = 0,48613 мкм и λ2 =  
= 0,65628 мкм) задаются следующим образом: 
WL 0.54607 0.48613 0.65628 
Отметим, что опорной (основной) длиной волны является первая: 
REF 1 
Апертурные характеристики зададим с помощью диаметра 
входного зрачка EPD: 
EPD 17.8 
 
4 

а полевые характеристики — величиной изображения YIM: 
YIM 15.0 
Далее представлено описание задания конструктивных данных 
компонента 1. Последовательно для каждой поверхности компонента 1 указываются: s — символ начала массива параметров поверхности, значение радиуса кривизны поверхности, толщина линзы или 
воздушный промежуток, коды стекла и оптического каталога: 
S 97.2187 26.8405 564608_CHANCE 
S -101.646 9.3875 748278_CHANCE 
S -390.241 19.376 
Код стекла первой линзы блока наиболее соответствует параметрам стекла ТК1, код стекла второй линзы — к параметрам 
стекла ТФ4. 
Аберрационные и габаритные параметры компонента 2 зададим следующим образом: 
S 0.0 64.597 
FI -0.0236625 
P 0.0 
W 0.00 
C 0.00 
По аналогии зададим аберрационные и габаритные параметры 
компонентов 3—5. 
Для компонента 3: 
S 0.0 27.3 
FI 0.00787278 
P 0.000 
W 0.00 
C 0.00 
STO 
 
5

Для компонента 4: 
S 0.0 61.062 
FI 0.00843811 
P 0.00 
W 0.0 
C 0.00 
Для компонента 5: 
S 0.0 0.0 
FI -0.00416837 
P 0.00 
W 0.00 
C 0.00 
1.2. Задание характеристик системы переменного увеличения 
в состояниях 2 и 3 
Зададим конструктивные параметры состояний 2 (марка оператора ZOO 2) и 3 (марка оператора ZOO 3) с помощью операторов 
EPD и THI, задающих воздушные промежутки между компонентами (закон движения компонентов): 
ZOO 2 
EPD 36 
THI S3 66.475 
THI S4 41.562 
THI S5 3.236 
ZOO 3 
EPD 68.6 
THI S3 84.702 
THI S4 7.42 
THI S5 19.151 
 
6 

1.3. Создание оптимизационной модели 
На первом этапе создания оптимизационной модели выберем 
типы исправляемых аберраций с учетом номера состояния оптической системы. Положим, что для состояния 2 необходимо исправить сферическую аберрацию, меридиональную кому, сагиттальный и меридиональный астигматические отрезки. Для всех 
состояний исправим астигматизм (AST), хроматизм увеличения 
(LAT), суммы Зейделя cz1, cz2, хроматизм положения cc1 с заданием желаемого значения весового коэффициента. 
Для повышения вероятности получения технологически реализуемого решения зададим ограничение на значение параметра 
Pmin с учетом номера поверхности оптической схемы, номера состояния и значения весового коэффициента: 
abr SA Z2 
abr TSO Z2 
abr TAS Z2 
abr SAS Z2 
abr Pmin s* z* 1 0.01 
abr ast z* 
abr lat z* 
abr cz1 z* 0.0 0.01 
abr cz2 z* 0.0 0.01 
abr cc1 z* 0.0 0.01 
На втором этапе создания оптимизационной модели зададим 
варьируемые параметры с учетом номера поверхности оптической 
схемы, номера состояния и желаемого диапазона значений аберрационного параметра: 
Var  P  
s*  
z* 
Var  W  
s*  
z*  
-3  
5 
Var  C  
s*  
z* 
 
7