工程光學(xué)-光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

工程光學(xué)

——光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計盧春蓮哈爾濱工程大學(xué)

理學(xué)院光學(xué)設(shè)計在哪里？你眼中的光學(xué)設(shè)計？

EKV長1.4m，重54Kg，導(dǎo)引頭由紅外焦平面陣列、冷凝系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡頭和其他軟件硬件組成磁力儀

紅外低溫冷艙系統(tǒng)

低溫準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、光源

拋物槽式太陽能集熱器

學(xué)習(xí)方法？光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的學(xué)習(xí)方法？所花的時間從事的項目開始熟悉達(dá)到精通逐漸精通積累經(jīng)驗一、光學(xué)系統(tǒng)簡介光學(xué)系統(tǒng)作用:

把目標(biāo)發(fā)出的光按儀器工作原理的要求改變它們的傳播方向和位置，送入儀器的接收器，從而獲得目標(biāo)的各種信息，包括目標(biāo)的幾何形狀、能量強(qiáng)弱等。

光學(xué)系統(tǒng)由一系列的折射面和反射面構(gòu)成，這些表面可以是平面、球面和非球面。對光學(xué)系統(tǒng)的要求成像質(zhì)量，成像清晰；物像相似，變形要小。一、光學(xué)系統(tǒng)簡介絕大多數(shù)的透鏡系統(tǒng)都有一條對稱軸線，這樣的軸線稱為“光軸”。無對稱軸的光學(xué)系統(tǒng)稱為“非共軸系統(tǒng)”。球面系統(tǒng)：

在各種不同形式的曲面中，球面和平面生

產(chǎn)較易，所以大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)零件

均由球面構(gòu)成，這種光學(xué)系統(tǒng)稱為球面系統(tǒng)。共軸球面系統(tǒng)：

我們主要研究的就是共軸球面系統(tǒng)和平面

鏡、棱鏡系統(tǒng)。一、光學(xué)系統(tǒng)簡介

物體是由無數(shù)個點(diǎn)構(gòu)成的，每個點(diǎn)均可視點(diǎn)光源。經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，與之對應(yīng)的像若仍為一個點(diǎn)，即由點(diǎn)光源發(fā)出的球面波在像空間仍對應(yīng)一個球面波，則稱為完善成像。

因此，光學(xué)系統(tǒng)完善成像的條件是當(dāng)入射光為球面波時，出射仍為球面波。一、光學(xué)系統(tǒng)簡介光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概述光學(xué)設(shè)計的過程與步驟儀器對光學(xué)設(shè)計的要求光學(xué)系統(tǒng)的像差概述二、光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計的概念傳統(tǒng)光學(xué)儀器日趨成為光學(xué)、機(jī)械、電子和計算機(jī)一體化的現(xiàn)代智能化儀器，如數(shù)碼相機(jī)、投影儀等。對于一個光學(xué)系統(tǒng)而言，無論是成像系統(tǒng)還是照明系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計是實現(xiàn)各種光學(xué)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。隨著光學(xué)儀器的發(fā)展，光學(xué)設(shè)計的理論、優(yōu)化算法、仿真工具、性能評價方法日益完善。光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計的概念何謂“光學(xué)設(shè)計”？

一般認(rèn)為，光學(xué)設(shè)計所要完成的工作應(yīng)該包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

投影物鏡系統(tǒng)設(shè)計

Cassegrain式反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計的發(fā)展史《墨經(jīng)》中有8條論述了幾何光學(xué)知識，它闡述了影、小孔成像、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡成像，還說明了焦距和物體成像的關(guān)系。春秋戰(zhàn)國時期（BC400），墨子及其弟子。光學(xué)設(shè)計的發(fā)展經(jīng)歷了人工設(shè)計和自動化設(shè)計兩個階段，實現(xiàn)了由手工計算像差、人工修改結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計，到使用計算機(jī)和光學(xué)自動優(yōu)化設(shè)計程序進(jìn)行設(shè)計的巨大飛躍。光學(xué)設(shè)爪計的過失程與步眉驟—光學(xué)設(shè)鍋計的一尸般過程光學(xué)設(shè)魯計的過牙程與步包驟—光學(xué)設(shè)計蜜的具體步故驟以縮放法胞為例，闡膀述光學(xué)設(shè)螞計的具體守步驟光學(xué)設(shè)計迫的過程與標(biāo)步驟—光學(xué)設(shè)扭計的具怎體步驟光學(xué)設(shè)計糕的過程與益步驟—光學(xué)設(shè)計騙的具體步揮驟儀器對光壺學(xué)設(shè)計的槳要求任何一蕩種光學(xué)堡儀器的北使用條饒件和功尾能必然闖會對它瓜的光學(xué)鞏系統(tǒng)提斃出一定測的要求嘆，如外形尺寸浪要求、成懼像質(zhì)量要葵求、機(jī)械紅性能、物替理化學(xué)性據(jù)能等。常見的光璃學(xué)系統(tǒng)的旅基本特性倒參數(shù)有很接多，如相對即孔徑、圣數(shù)值孔級徑、F數(shù)、線證視場、蹲角視場寶、工作伯波段、貪放大率偽、焦距躁、出瞳脾位置、樣入瞳直五徑、光謝闌位置希、后工瞧作距離遺、共軛痛距、折溉射率、耕色散系框數(shù)、透顯鏡厚度獨(dú)、透鏡晨間距、民透鏡面旋型等。對光學(xué)貓系統(tǒng)外灶形尺寸雕的要求光學(xué)系統(tǒng)擋的外形尺尋寸計算要闖確定的結(jié)妥構(gòu)內(nèi)容包蠢括系統(tǒng)的子組成、各寫組元的焦慎距、各組級元的相對位能置和橫榴向尺寸。為了簡仍化各種丟類型光戚組的外莖形尺寸敵計算，絮可以把稈光學(xué)系慶統(tǒng)看成抹是由一倦系列薄布透鏡組已成的光感學(xué)系統(tǒng)拳，經(jīng)過鍛簡化后三的光學(xué)步系統(tǒng)可體以用理床想光學(xué)備系統(tǒng)的文理論和秧公式進(jìn)假行計算逃。但是，不是所有既的光學(xué)系依統(tǒng)或光組厚都可以看束成是薄透盾鏡光組，否如廣角物作鏡、大數(shù)免值孔徑的純高倍率顯塵微物鏡等別。對光學(xué)米系統(tǒng)外錦形尺寸璃的要求在進(jìn)行股光學(xué)系物統(tǒng)的外碑形尺寸雜計算時堤，除了要保證使詳用條件賀決定的環(huán)基本光剪學(xué)特性淡外，還高要考慮接其在技爐術(shù)上和肯物理上潛可否實泰現(xiàn)，并扒且要和暑機(jī)械結(jié)住構(gòu)、電尊氣系統(tǒng)弟有很好礎(chǔ)的匹配衛(wèi)，還要屋具有良密好的工逐藝性和酬經(jīng)濟(jì)性岸。一般而言撲，光學(xué)系演統(tǒng)的外形掩尺寸計算匙要滿足三堵個方面要梅求：1）系統(tǒng)史的孔徑桶、視場盞、分辨炎率、出鳳瞳直徑賤和位置礎(chǔ)；2）幾何尺敲寸，即光庭學(xué)系統(tǒng)的部軸向和徑巷向尺寸、筑整體結(jié)構(gòu)渴布局；3）成像擠質(zhì)量、攻孔徑和煮視場的繪權(quán)重等真。對光學(xué)系燒統(tǒng)成像質(zhì)須量的要求對光學(xué)系敢統(tǒng)成像質(zhì)項量的要求緣瑞和光學(xué)系留統(tǒng)的用途孟及其類型棉有關(guān)，不彼能一概而茅論。比如，先對于望鑄遠(yuǎn)系統(tǒng)燦和一般昨的顯微碧鏡系統(tǒng)嬸，一般薄只要求語中心視盤場應(yīng)該盯有較好色的成像鋼質(zhì)量；朽又如，軟對于照落相物鏡緒系統(tǒng)，智則要求餓整個視誰場都要井有較好壺的成像己質(zhì)量。傳統(tǒng)的成優(yōu)像光學(xué)系燙統(tǒng)由于有昆明確的物像共軛關(guān)系，吹因此設(shè)藍(lán)計這一類類型的欺光學(xué)系核統(tǒng)旨在后通過光慨學(xué)系統(tǒng)灘的作用鄰，即利物用反射抬定律和袋折射定載律改變星光線的鐘傳播方蠢向，從到而獲得老高質(zhì)量既的像，蔑其設(shè)計乓著眼點(diǎn)扔在于信息傳買遞的真樂實性（光如有無燦畸變）隙和有效早性（如讓是否清哲晰）。對光學(xué)逗系統(tǒng)成部像質(zhì)量珠的要求對于非軋成像光廈學(xué)系統(tǒng)抽，如照縫明光學(xué)消系統(tǒng)，依其設(shè)計著眼點(diǎn)在謀于光能量啄傳輸效率鴨的最大化銷，以及被儲照面上的懂照度大小切和分布情屑況。這類系統(tǒng)孔徑角和品倍率較低辟，一般情掛況下對像再差要求不卻嚴(yán)格?？紤]到光絲式照的均勻瓣性，孔徑栽角和倍率遼稍大的照閉明系統(tǒng)需隱要適當(dāng)減劃小球差，卸對于光照艙均勻性要以求較高的普情況還需客要考慮減乏小彗差和患色差。對光學(xué)系納統(tǒng)使用條師件的要求根據(jù)光脊學(xué)儀器樣的使用婚條件，級一般要咳求光學(xué)軌系統(tǒng)具攪有一定物的物理撞穩(wěn)定性辯、化學(xué)坊穩(wěn)定性媽、力學(xué)偽性能和戲熱學(xué)性恢能等要熔求，以拌保證儀弦器在特施定環(huán)境騰下能正均常工作躬。如，太斬空衛(wèi)星濫上的光惰學(xué)系統(tǒng)仙，由于睜在太空貧中白天景和晚上貸溫度差憶異可達(dá)一百多給度，因此這掉類光學(xué)系貪統(tǒng)的設(shè)計炒要求使用這的材料要味有小的熱琴膨脹系數(shù)毀，其最外現(xiàn)層的玻璃幫也要有較府好的耐輻件射性能等極。再如，遵水下工作堡的攝像鏡牧頭就要滿頸足防水密祝封性，其毫最外層玻怪璃也應(yīng)避脹免使用水圍解反應(yīng)嚴(yán)參重的材料炒。在對光笨學(xué)系統(tǒng)墻提出使異用要求蔥時，主疾要是考填慮在技術(shù)柏上和物將理上的抱實現(xiàn)可霧能性。對光學(xué)妄系統(tǒng)使得用條件囑的要求有時對品光學(xué)系呀統(tǒng)提出誦的要求偽是互為憶制約的眉，甚至攀是矛盾妖的。此部時，應(yīng)倡深入分冶析、全烈面考慮該、抓住謀主要矛壯盾，切忌因需為提出貿(mào)不合理裝的要求深導(dǎo)致設(shè)伙計任務(wù)調(diào)非常困廉難完成壞，甚至蠢根本無默法實現(xiàn)。例如，在設(shè)忍計照相物且鏡時，為名了使相對垂孔徑、視事場角和焦犬距三者之澤間的選擇者更加合理沃化，應(yīng)該撞參照下式銹來選取參建數(shù)：Cm=0.2丑2~0.描26，常稱附為“物嘩鏡的質(zhì)露量因數(shù)槳”。對光學(xué)系歡統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性孫的要求評價一個抱光學(xué)系統(tǒng)兼設(shè)計優(yōu)劣鞭的主要依冒據(jù)是：①成像質(zhì)殃量、②復(fù)雜程度。即一終個好的繩設(shè)計應(yīng)辱是在功桂能（成夢像質(zhì)量當(dāng)、光學(xué)雪性能等俱）能滿泉足用戶稿要求的碌情況下點(diǎn)，追求勁結(jié)構(gòu)最圾簡單化兇（成本棚最低化坑）。在光學(xué)系織統(tǒng)設(shè)計中鞏應(yīng)用價值劉工程的原揚(yáng)理，對提喪高光學(xué)儀消器產(chǎn)品質(zhì)拆量和降低笨產(chǎn)品成本糠有重要的扇意義。價值工程茫公式：V是價值仍（Val爸ue）；F是功能（Func杜tion）；C是成本（Cost）光學(xué)系統(tǒng)胳的像差概載述實際使用忠的光學(xué)系渠統(tǒng)對一定呼大小的物裳體所成的庫像是不完善的，它到與理想舅像之間蓮總是存革在有差行異，這陽種差異瓦就稱為味光學(xué)系巖統(tǒng)的像差。光學(xué)系統(tǒng)愛設(shè)計的重搏要工作就賄是要校正社各種像差表，使光學(xué)莫系統(tǒng)的成薪像質(zhì)量達(dá)端到技術(shù)要訪求。光學(xué)系裕統(tǒng)的像今差概述光學(xué)系輕統(tǒng)的像光差主要?dú)w包括：光學(xué)系擱統(tǒng)的像饒差概述球差光學(xué)系調(diào)統(tǒng)的像慣差概述彗差光學(xué)系那統(tǒng)的像廉差概述像散光學(xué)系顏統(tǒng)的像遞差概述場曲光學(xué)系統(tǒng)漆的像差概皮述畸變光學(xué)系息統(tǒng)的像別差概述位置色動差光學(xué)系統(tǒng)監(jiān)的像差概聯(lián)述倍率色差光學(xué)系統(tǒng)懶的像差概豈述光學(xué)系統(tǒng)握的像差主顛要包括：光學(xué)系鳳統(tǒng)的像卡差概述柔焦效果咽圖光學(xué)系煙統(tǒng)的像輛差概述魚眼效顫果光學(xué)系敢統(tǒng)的像效差概述數(shù)碼相機(jī)街物鏡設(shè)計膊要求圖像傳袋感器規(guī)熊格：物鏡規(guī)格絮：光學(xué)系統(tǒng)財?shù)南癫罡叛甘龉鈱W(xué)系統(tǒng)產(chǎn)的結(jié)構(gòu)參協(xié)數(shù)光學(xué)系寬統(tǒng)的像附差概述光學(xué)系焰統(tǒng)的結(jié)辨構(gòu)參數(shù)光學(xué)系株統(tǒng)的像摩差概述光學(xué)系統(tǒng)街的結(jié)構(gòu)參射數(shù)式中，c為曲面頂父點(diǎn)的曲率吐，K為二次曲堆面系數(shù)，a4,a6,a8,a10,a12為高次非善球面系數(shù)稻。光學(xué)系統(tǒng)禮的像差概父述K值K<0K=00<K<1K=1K>1面形雙曲面拋物面橢球面球面扁球面不同的亞面形，方對應(yīng)不且同的面話形系數(shù)倍，例如球舟面：K＝1，a4=a6=a8=a10=a12=0二次曲舞面：K≠1，a4=a6=a8=a10=a12=0二次曲面吉面型光學(xué)系箭統(tǒng)的結(jié)循構(gòu)參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)棟的像差概振述如果系統(tǒng)鐮中有光闌鬧，則把光崖闌作為系織統(tǒng)中的一嬸個平面來省處理。選擇3登～5個會波長。個用人眼它觀察的加目視光浮學(xué)儀器郵采用C(656晉.28n涂m)，D(589傲.30n味m)，F(xiàn)(48損6.1枝3nm感)3種波長；繡用感光底共片接收的趨照相機(jī)鏡倒頭，則采納用C，D規(guī)，g(435打.83n蹲m)這3種波歌長。光學(xué)系佩統(tǒng)的結(jié)棕構(gòu)參數(shù)光學(xué)系大統(tǒng)的像硬差概述光學(xué)系統(tǒng)單的結(jié)構(gòu)參裹數(shù)物距L物高y或視場角ω物方孔徑丟角正弦(sinU)或光束束孔徑高淚(h)孔徑光傻闌或入餃瞳位置漸暈系數(shù)甜或系統(tǒng)中遷每個面的向通光半徑光學(xué)系統(tǒng)周的像差概承述光學(xué)系統(tǒng)村的結(jié)構(gòu)參柜數(shù)物距：代表從系庭統(tǒng)第一面憐頂點(diǎn)O1到物平面A的距離王