光學工程與系統(tǒng)設計

1、光學工程光學工程 與與 系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計 近年來，光學技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)代光學技術(shù)與電近年來，光學技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)代光學技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合更加快了光學技術(shù)的發(fā)展。具體體現(xiàn)在：子技術(shù)的結(jié)合更加快了光學技術(shù)的發(fā)展。具體體現(xiàn)在：在經(jīng)典光學基礎上創(chuàng)立了新的光學技術(shù)，如衍射光學和在經(jīng)典光學基礎上創(chuàng)立了新的光學技術(shù)，如衍射光學和全息光學；在傳統(tǒng)光學元件基礎上創(chuàng)造出新的光學元件，全息光學；在傳統(tǒng)光學元件基礎上創(chuàng)造出新的光學元件，如非球面透鏡、全息透鏡、二元光學元件、微陣列透鏡；如非球面透鏡、全息透鏡、二元光學元件、微陣列透鏡；在一般光學淹沒技術(shù)基礎上發(fā)展和采用光學和全息加工、在一般光學淹沒技術(shù)基礎上發(fā)展和采

2、用光學和全息加工、衍射光學元件和微光學元件加工、精密模壓成型等現(xiàn)代衍射光學元件和微光學元件加工、精密模壓成型等現(xiàn)代高新制造技術(shù)。高新制造技術(shù)。 光學技術(shù)的快速發(fā)展，使越來越多的科技人員從光學技術(shù)的快速發(fā)展，使越來越多的科技人員從事光學及其相關專業(yè)，光學研究的領域也逐漸擴大，包事光學及其相關專業(yè)，光學研究的領域也逐漸擴大，包括許多新的應用。隨著對新型光學儀器可應用性的認識，括許多新的應用。隨著對新型光學儀器可應用性的認識，人們會迫切的需要熟悉光學技術(shù)。尤其是現(xiàn)代光學工程人們會迫切的需要熟悉光學技術(shù)。尤其是現(xiàn)代光學工程方面的認識。方面的認識。 概述概述概述概述 作為光學工程專業(yè)的學生，我們更需要建

3、立扎實的作為光學工程專業(yè)的學生，我們更需要建立扎實的光學工程的基礎知識，并掌握現(xiàn)代光學工程的新技術(shù)，光學工程的基礎知識，并掌握現(xiàn)代光學工程的新技術(shù)，了解光學工程技術(shù)發(fā)展的新動態(tài)。經(jīng)過本科光學工程專了解光學工程技術(shù)發(fā)展的新動態(tài)。經(jīng)過本科光學工程專業(yè)的學習，我們已經(jīng)具備了一定的專業(yè)基礎知識。本課業(yè)的學習，我們已經(jīng)具備了一定的專業(yè)基礎知識。本課程的學習是要在此基礎上進一步深入學習光學工程的理程的學習是要在此基礎上進一步深入學習光學工程的理論、技術(shù)、和方法。提高我們對光學工程理論及技術(shù)的論、技術(shù)、和方法。提高我們對光學工程理論及技術(shù)的認識、分析及設計能力。認識、分析及設計能力。 本課程采用世界著名光學

4、專家本課程采用世界著名光學專家Warren J. Smith 先生的原著先生的原著 Modern Optical Engineering - The design of optical system 作為教材及參考書，概述作為教材及參考書，概述內(nèi)容豐富概述內(nèi)容，不僅有成熟的光學工程理論基礎、內(nèi)容豐富概述內(nèi)容，不僅有成熟的光學工程理論基礎、計算公式和分析方法，而且包括了對光學工程問題的討計算公式和分析方法，而且包括了對光學工程問題的討論和解決方案。不僅考慮到光學技術(shù)還涉及到經(jīng)濟成本。論和解決方案。不僅考慮到光學技術(shù)還涉及到經(jīng)濟成本。作為工科學生，這是一本不可多得的好教材作為工科學生，這是一本不可

5、多得的好教材內(nèi)容內(nèi)容光學基礎知識光學基礎知識幾何光線與波陣面光的反射光的折射光的色散透鏡對光波的影響透鏡對光波的影響棱鏡對光波的影響棱鏡對光波的影響像的形成像的形成 一級光學一級光學（first order opticsfirst order optics）（高斯光學）（高斯光學）光學系統(tǒng)的基本參數(shù)光學系統(tǒng)的基本參數(shù)常用參數(shù)和術(shù)語Object distance Image distance Object to image total trackFocal length /number (or numerical aperture) Entrance pupil diameterEntrance

6、 and exit pupil location and sizeWavelength band Full field of view Magnification (if finite conjugate) Zoom ratio (if zoom system) Back focal distance Image surface size and shape Optical performance:Transmission Relative illumination (vignetting) Encircled energyMTF as a function of line pairs/mm

7、Distortion Field curvature Number of elements Aspheric surfaces Diffractive surfaces Coatings光學系統(tǒng)的基點與基面光學系統(tǒng)的基點與基面光學系統(tǒng)的基點與基面光學系統(tǒng)的基點與基面有效焦距與前、后焦距有效焦距與前、后焦距單透鏡的主面位置單透鏡的主面位置彎月透鏡與反射鏡彎月透鏡與反射鏡正透鏡成像負透鏡成像物像位置的變化規(guī)律負透鏡成像規(guī)律放大率角放大率角放大率數(shù)值孔徑和數(shù)值孔徑和F數(shù)數(shù)公式匯總公式匯總符號的物理意義符號的物理意義各符號的物理意義各符號的物理意義雙光組無限遠成像雙光組無限遠成像雙光組有限遠成雙光組有

8、限遠成像像組元的焦距組元的焦距光學不變量光學不變量n對給定的光學系統(tǒng)以下物像關系是一個常數(shù)n對任一面 為常數(shù)，稱為cnnyunun)(cnnyununppp)(pppyyunnuunnu)(ppppyuuynynunuyppppuynunyynunuy用光學不變量計算其它參量用光學不變量計算其它參量n放大率：放大率：物、像面上的不變量物、像面上的不變量n無窮遠物體的像高：無窮遠物體的像高：透鏡面與像面透鏡面與像面n望遠系統(tǒng)的放大率：望遠系統(tǒng)的放大率：入瞳面和出瞳面入瞳面和出瞳面用光學不變量計算其它參量用光學不變量計算其它參量n任意光線的數(shù)據(jù)可以用兩條已知光線來計算：任意光線的數(shù)據(jù)可以用兩條已知

9、光線來計算：n焦距計算：焦距計算：n入瞳入瞳矩陣光學矩陣光學折射方程折射方程過渡方程過渡方程單個折射面成像方程單個折射面成像方程在空氣中在空氣中通用通用Y-Y 圖圖物面與像面物面與像面物面傾斜，像面也傾斜，傾斜的規(guī)則如圖示，像面相對物面有梯形畸變小角度的物像傾斜符合垂軸放大率大角度的物像傾斜符合 Scheimpflug（沙伊姆弗勒）條件投影物鏡向上投影相當于傾斜像面，將產(chǎn)生拱形畸變。如果保持物像面平行，投影軸傾斜，可避免上述畸變。第二章第二章 像差像差光線追跡圖光線追跡圖像差多項式像差多項式Notice that in the A terms the exponents of s and h

10、are unity. In the B terms the exponents total 3, as in s3, s2h, sh2, and h3. In the C terms the exponents total 5, and in the D terms, 7. These are referred to as the first-order, third-order, and fifth-order terms, etc. There are 2 first order terms, 5 third-order, 9 fifth-order, andnth-order terms

11、. In an axially symmetrical system there are no even order terms; only odd-order terms may exist (unless we depart from symmetry as, for example, by tilting a surface or introducing a toroidal or other nonsymmetrical surface).各項的級次各項的級次 It is apparent that the A terms relate to the paraxial (or firs

12、t-order) imagery discussed in Chap. 2. A2 is simply the magnification (h/h), and A1 is a transverse measure of the distance from the paraxial focus to our “image plane.” All the other terms in Eqs. 3.1 and 3.2 are called transverse aberrations. They represent the distance by which the ray misses the

13、 ideal image point as described by the paraxial imaging equations of Chap. 2. The B terms are called the third-order, or Seidel, or primary aberrations. B1 is spherical aberration, B2 is coma, B3 is astigmatism, B4 is Petzval, and B5 is distortion. Similarly, the C terms are called the fifthorder or

14、 secondary aberrations. C1 is fifth-order spherical aberration; C2 and C3 are linear coma; C4, C5, and C6 are oblique spherical aberration; C7, C8, and C9 are elliptical coma; C10 and C11 are Petzval and astigmatism; and C12 is distortion. The 14 terms in D are the seventh-order or tertiary aberrati

15、ons; D1 is the seventh-order spherical aberration.系數(shù)的意義系數(shù)的意義球差：球差：焦點隨孔徑的變化焦點隨孔徑的變化軸向球差軸向球差垂軸球差垂軸球差球差有正負之分：負球差相當于未校正的正透鏡產(chǎn)生的球差，故稱欠校正球差；負透鏡常被用來校正正透鏡的球差，因為負透鏡產(chǎn)生正球差，故正球差又稱為過校正球差。球差曲線球差曲線軸向球差曲線軸向球差曲線垂軸球差曲線垂軸球差曲線彗差：彗差：放大率隨孔徑變化放大率隨孔徑變化彗差定義彗差定義彗差特征彗差特征光闌面光闌面像面像面光束截面光束截面象散和場曲象散和場曲象散象散場曲場曲象散和場曲曲線畸變畸變枕形畸變枕形畸變桶形

16、畸變桶形畸變畸變曲線色差色差 軸向色差軸向色差 垂軸色差垂軸色差透鏡形狀和位置對像差的影響透鏡形狀和位置對像差的影響球差和彗差隨透鏡形狀的變化球差和彗差隨透鏡形狀的變化（光闌位于透鏡處）（光闌位于透鏡處）透鏡形狀變化對像差的影響透鏡形狀變化對像差的影響光闌與透鏡重合時的像差光闌與透鏡重合時的像差n球差隨透鏡的形狀改變球差隨透鏡的形狀改變n彗差隨透鏡的形狀改變，球差最小時彗差為彗差隨透鏡的形狀改變，球差最小時彗差為0n光闌與透鏡重合時，若干種像差：象散、場曲光闌與透鏡重合時，若干種像差：象散、場曲、軸向色差為常數(shù)，與透鏡形狀無關、軸向色差為常數(shù)，與透鏡形狀無關n畸變與放大率色差均為畸變與放大率色

17、差均為0n光闌位置的改變不會影響球差和位置色差光闌位置的改變不會影響球差和位置色差n光闌位置移動對其余像差均有影響，其中影響光闌位置移動對其余像差均有影響，其中影響最大的是象散和彗差最大的是象散和彗差光闌在不同位置時對斜光束入射光闌在不同位置時對斜光束入射的影響的影響光闌位置移動對像差的影響光闌位置移動對像差的影響（透鏡形狀固定）（透鏡形狀固定）光闌位置移動對像差的影響光闌位置移動對像差的影響光闌位于光闌位于Nature位置時透鏡形狀變化位置時透鏡形狀變化對像差的影響對像差的影響光闌位于光闌位于Nature位置時透鏡形位置時透鏡形狀變化對像差的影響狀變化對像差的影響像差隨孔徑和視場的變化像差隨

18、孔徑和視場的變化波像差波像差實際波面與理想波面之差實際波面與理想波面之差像差校正像差校正球差的校正與剩余球差球差的校正與剩余球差色差的校正與剩余色差色差的校正與剩余色差二級光譜二級光譜色差隨孔徑的變化色差隨孔徑的變化色球差色球差場曲與象散的校正場曲與象散的校正光線相交曲線與像差的級次光線相交曲線與像差的級次欠校正球差過校正球差欠校正帶球差欠校正彗差三級和五級彗差欠校正軸向色差典型的軸外像差曲線第三章第三章 棱鏡和反射鏡系統(tǒng)棱鏡和反射鏡系統(tǒng)n棱鏡分為兩類：折射與反射n折射棱鏡主要用于產(chǎn)生色散：如光譜儀n反射棱鏡主要用于轉(zhuǎn)折光路色散棱鏡色散棱鏡薄棱鏡n垂直入射n一般入射n色散消色差棱鏡：消色差棱鏡

19、：（光線偏折但不產(chǎn)生色散）（光線偏折但不產(chǎn)生色散）偏轉(zhuǎn)色散求解直視棱鏡：直視棱鏡：（光線不偏折但有色散）（光線不偏折但有色散）設偏轉(zhuǎn)D12為0，但色散dD12不為0，可以得到直視棱鏡如果需要較大的色散，可以將多塊棱鏡組合構(gòu)成直視棱鏡反射棱鏡n反射棱鏡大多依靠全反射實現(xiàn)光束反射n反射棱鏡依照反射定律反射光線n反射成像引起坐標變化n成像系統(tǒng)中的反射棱鏡相當于平行平板反射棱鏡成像直角棱鏡恒定偏角棱鏡和道威棱鏡屋脊棱鏡正像棱鏡系統(tǒng)多種正像棱鏡系統(tǒng)斜方棱鏡和光束分列器設計棱鏡系統(tǒng)棱鏡的口徑計算第四章 光闌與孔徑典型的孔徑光闌和視場光闌什么是入瞳和出瞳如何在光路中查看光瞳、孔徑光闌和視場光闌漸暈消雜光光闌

20、防眩光光闌擋板光闌遠心光闌孔徑與像面照度n孔徑光闌與像面的照度有關軸外像面的照度下降為軸上點照度的cos4角度景深與焦深景深光學系統(tǒng)的分辨力n光學系統(tǒng)的衍射 物點所成的像受光闌的限制，實際為一衍射斑 衍射斑的大小決定了系統(tǒng)的理論分辨率 光譜儀的分辨力棱鏡光譜儀的分辨力光柵光譜儀的分辨力第九章 光學器件n望遠系統(tǒng)望遠系統(tǒng)的應用望遠系統(tǒng)的應用n望遠系統(tǒng)可用作激光擴束器；n當望遠系統(tǒng)插入在另一光學系統(tǒng)的平行光路中時，可以改變該系統(tǒng)的焦距、光焦度、視場角等；n望遠系統(tǒng)可對近距離物體成像，其物像放大率為一常數(shù)，即為MP的倒數(shù)。n如果將光闌設置在第一透鏡組的焦面上，可以獲得雙遠心光路場鏡與中繼透鏡場鏡與中

21、繼透鏡 場鏡置于中間想的位置 場鏡不改變原系統(tǒng)的光焦度 場鏡可減小后續(xù)透鏡的高度 場鏡的連續(xù)使用即成為中繼透鏡 中繼透鏡用來長距離傳輸圖像（如潛望鏡、內(nèi)窺鏡）內(nèi)窺鏡的最優(yōu)結(jié)構(gòu)內(nèi)窺鏡的最優(yōu)結(jié)構(gòu)n以限定的最大橫向尺寸確定場鏡的直徑；n物鏡的焦距為場鏡的直徑除以全視場角；n中繼透鏡的位置為中繼透鏡的直徑乘以物鏡的F數(shù)n中繼透鏡的焦距以確保物鏡所成的像以一倍的放大率（絕對值）方式傳輸。n所有的中繼透鏡和場鏡具有同樣的參數(shù)漸暈與場鏡放大鏡與顯微系統(tǒng)放大鏡與顯微系統(tǒng)測距儀的工作原理測距儀的工作原理菲涅爾透鏡測距系統(tǒng)單反鏡頭采用的測距系統(tǒng)測距系統(tǒng)有三個組件：物鏡，場鏡，目鏡。場鏡由圖所示的菲涅爾透鏡構(gòu)成：

22、外部區(qū)域相當于場鏡的作用，將邊緣視場送入目鏡； 中心部分，測距。 中部區(qū)域由三角錐形棱鏡構(gòu)成，將未聚焦的圖像夸大模糊輻射計與紅外探測器通常由物鏡與縮像的光學器件組成，后者是為了減小光斑的尺寸，滿足小尺寸的接收器的需求。光錐縮小光斑導光管勻光器件光纖傳像光纖束梯度折射率光纖變形系統(tǒng)變焦系統(tǒng)n物像共軛位置不變，成像系統(tǒng)的焦距連續(xù)變化使得放大率連續(xù)變化的光學系統(tǒng)為變焦系統(tǒng)n比較系統(tǒng)為光學變焦和機械變焦，機械變焦可以做到焦距連續(xù)變化，但非線性變化n光學變焦可以實現(xiàn)特定的焦距變化。單透鏡變焦變焦與補償變焦凸輪曲線光學變焦第十一章 像質(zhì)評價n波像差n點列圖n中心點亮度n傳遞函數(shù)波像差波像差的構(gòu)成含有初級球差及離焦的波像差離焦至1/2球差位置時n此時最大波像差發(fā)生在Y=0.707處，最大波像差值是理想像點位置處的1/4倍n對應的邊緣球差五級球差情況波像差最佳離焦點Y=1處波像差最大波像差位于五級球差且邊光球差校正為0波差多項式比較中心點亮度幾何能量分布點擴散函數(shù)和線擴散函數(shù)一物體被光學系統(tǒng)成像，每一點或每一線將被光學系統(tǒng)所成的像為以模糊點或模糊線，這個點或這條線的截面圖就是點擴散函數(shù)或線擴散函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制度（對比度）不同頻