光學設計基礎演示文稿

光學設計基礎演示文稿當前第1頁\共有59頁\編于星期日\19點光學設計基礎當前第2頁\共有59頁\編于星期日\19點第一章象差綜述

§1.幾何象差（1）概述：理想光學系統(tǒng)觀點兩個假定

①必須是充分小孔徑、視場

②或是0孔徑、0視場才能成完善像當前第3頁\共有59頁\編于星期日\19點實際上這種理想系統(tǒng)是無意義的∵①必須要以一定寬度的光束（孔徑要求）

②對一定大小的物體（視場要求）實際成像∴不再成完善像，出現(xiàn)失真、變形,并在白光的照明下出現(xiàn)彩色的象輪廓……這就是象差當前第4頁\共有59頁\編于星期日\19點所以總的目的--完成光學系統(tǒng)及光學元件的設計；象差分析、象差平衡、象質評價象差研究：（1）象差的分類（2）象差產(chǎn)生的原因及危害

（3）光學系統(tǒng)對象差的要求及象質評價當前第5頁\共有59頁\編于星期日\19點（2）象差的分類與表示分類當前第6頁\共有59頁\編于星期日\19點象差的表示簡單表示（A）軸上點象差（單色象差）：白光：軸上點位置色差當前第7頁\共有59頁\編于星期日\19點例如：單透鏡

球差當前第8頁\共有59頁\編于星期日\19點正弦差當前第9頁\共有59頁\編于星期日\19點位置色差當前第10頁\共有59頁\編于星期日\19點（B）軸外點象差（單色象差）彗差當前第11頁\共有59頁\編于星期日\19點像散、場曲當前第12頁\共有59頁\編于星期日\19點畸變桶形畸變枕形畸變當前第13頁\共有59頁\編于星期日\19點倍率色差（軸重色差）當前第14頁\共有59頁\編于星期日\19點§2.光學系統(tǒng)的象差要求類型象差要求鏡頭結構小視場大孔徑顯微物鏡望遠物鏡簡單,雙膠合（雙分離）稱小象差系統(tǒng)大視場小孔徑目鏡無須校正軸上點象差，主要為軸外點象差，適當校正光欄球差，比較復雜大視場大孔徑攝影物鏡投影物鏡全部七種象差復雜稱為大像差系統(tǒng)當前第15頁\共有59頁\編于星期日\19點第二章光學系統(tǒng)設計過程

所謂光學系統(tǒng)設計就是根據(jù)使用要求，來決定滿足使用要求的各種數(shù)據(jù)，即決定光學系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組的結構等?！?.概述當前第16頁\共有59頁\編于星期日\19點一、對光學系統(tǒng)的要求任何一種光學儀器的用途和使用條件必然會對它的光學系統(tǒng)提出一定的要求。1、光學系統(tǒng)的基本特性：NA或D/f′，2y或2ω，β，f′2、系統(tǒng)的外形尺寸：包括橫向尺寸和縱向尺寸，在設計光學系統(tǒng)時，外形尺寸計算以及各光組之間光瞳的銜接都是很重要的。3、成像質量：成像質量的要求和光學系統(tǒng)的用途有關。對于望遠系統(tǒng)和一般的顯微鏡只要求中心視場有較好的成像質量；對于照相物鏡，要求整個視場都要有較好的成像質量。4、儀器的使用條件：根據(jù)儀器的使用條件，要求光學系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性、抗振性、耐熱性和耐寒性等，以保證儀器在特定的環(huán)境下能正常工作。當前第17頁\共有59頁\編于星期日\19點二、光學系統(tǒng)設計過程概述1、外形尺寸計算2、初始結構的選型與計算3、像差校正和平衡4、像質評價當前第18頁\共有59頁\編于星期日\19點§2光學系統(tǒng)的外形尺寸計算一、外形尺寸計算的任務在進行外形尺寸計算時，首先要根據(jù)要求擬定光學系統(tǒng)的原理圖。合理的光學系統(tǒng)原理圖能夠保證系統(tǒng)得到良好的成像質量。其次是按技術要求確定光學系統(tǒng)的基本特性和外形尺寸。對某些光學系統(tǒng)還要進行光能量計算。最后是確定系統(tǒng)各部件的基本特性，以便選擇各光組的結構。設計光學系統(tǒng)原理圖，確定基本光學特性，使其滿足給定的技術要求，即確定NA或D/f′、2y或2ω、β、f′、共軛距、后工作距、光闌位置和外形尺寸。當前第19頁\共有59頁\編于星期日\19點為了簡化各種類型光組的計算，可以把光學系統(tǒng)看成是由一系列無限薄的光組組成的。經(jīng)過簡化后的光學系統(tǒng)就可以用理想光學系統(tǒng)的理論和公式進行外形尺寸計算。有些光學系統(tǒng)可以是這種簡化的系統(tǒng)，如：低倍顯微鏡、開普勒望遠鏡、具有棱鏡或透鏡轉像系統(tǒng)的望遠鏡等；也有一些光學儀器不能認為是薄透鏡光組，如：照相物鏡、廣角物鏡、大數(shù)值孔徑的高倍顯微物鏡等。對于這種光學系統(tǒng)的外形尺寸計算要與求解初始結構一起進行，它的外形尺寸就是像差校正好以后的結構尺寸。當前第20頁\共有59頁\編于星期日\19點二、典型光學零件的外形尺寸計算1.理想成像理論2.漸暈系數(shù)3.棱鏡轉像系統(tǒng)4.透鏡轉像系統(tǒng)5.場鏡當前第21頁\共有59頁\編于星期日\19點§3光學系統(tǒng)初始結構的計算方法

初始結構的計算目的就是要確定系統(tǒng)的初始結構參數(shù)：曲率半徑、透鏡的厚度、間隔、玻璃折射率和色散等。它的計算方法有兩種：一種是根據(jù)初級像差理論用代數(shù)法求解初始結構；另一種是從已有的專利文獻資料中選擇初始結構。當前第22頁\共有59頁\編于星期日\19點一、代數(shù)法-PW方法

光學設計中用PW方法目的是按初級象差理論求取光學系統(tǒng)的初始結構，以供作光路計算校正象差之用。在求解光學系統(tǒng)的初始結構時，按初級象差公式計算，并略去透鏡的厚度，因此，它是一個近似解，其近似程度決定于所設計的系統(tǒng)的視場和孔徑。

當前第23頁\共有59頁\編于星期日\19點PW形式初級像差系數(shù)當前第24頁\共有59頁\編于星期日\19點二、

從已有資料中選擇初始結構的方法

隨著計算機的發(fā)展和光學設計技術的提高，人們已經(jīng)設計出很多性能優(yōu)良的各種光學系統(tǒng)，并把這些資料載入技術檔案和專利文獻中。有些光學設計手冊也專門收集了有關設計資料。如能從這些專利文獻中選擇一些光學特性與所設計的物鏡盡可能接近的結構做為初始結構，不但會給設計者節(jié)省好多時間，而且也容易獲得成功。尤其是，設計高性能的復雜物鏡時，一般都從專利文獻中選擇初始結構。當前第25頁\共有59頁\編于星期日\19點設計步驟：一、物鏡選型在光學系統(tǒng)整體設計完成以后，應根據(jù)計算的光學特性，選擇鏡頭的結構型式，確定其結構參數(shù)r、n、d。二、縮放焦距結構選型選好后，它的焦距不一定完全符合設計要求，因此必須縮放焦距。三、更換玻璃在國外的專利文獻中，物鏡選用的玻璃牌號與國產(chǎn)牌號很多是不相符的，尤其是一些高性能的物鏡多數(shù)采用高折射率的玻璃。這些玻璃價格昂貴，加工性能差，在滿足設計要求的前提下盡量少選用這些玻璃，因此必須對已有的結構更換玻璃。為了保持色差不變（或變化很?。鼡Q玻璃時，應盡量選用色散（或阿貝常數(shù)）接近的玻璃。另：若選擇的初始結構單色像差很好，而色差不好，也可用更換玻璃的方法校正色差。當前第26頁\共有59頁\編于星期日\19點四、估算高級像差在選擇已有結構時，往往有很多光學特性相近的結構供我們選擇，這要由結構的高級像差來決定，應該選高級像差小的那個結構作為初始結構。由像差理論可知，當系統(tǒng)的邊緣孔徑或視場校正了像差以后，在系統(tǒng)各帶區(qū)孔徑或帶區(qū)視場有最大剩余像差，它的大小完全由高級像差決定。因此我們可以用剩余像差大小來估算高級像差。五、檢查邊界條件在進行像差校正之前一定要檢查邊界條件，因為經(jīng)過縮放以后的結構往往會出現(xiàn)透鏡中心厚度變薄邊緣變尖的情況，在設計時要隨時檢查，以免浪費時間。對于正透鏡要檢查邊緣厚度是否變尖；對于負透鏡要檢查中心厚度是否太薄。此外還應注意工作距是否滿足要求。邊界條件滿足后再開始像差校正就不會出問題了。當前第27頁\共有59頁\編于星期日\19點§4像差校正與平衡當前第28頁\共有59頁\編于星期日\19點結構參數(shù)的輸入當前第29頁\共有59頁\編于星期日\19點入瞳的輸入當前第30頁\共有59頁\編于星期日\19點視場的輸入當前第31頁\共有59頁\編于星期日\19點波長的輸入當前第32頁\共有59頁\編于星期日\19點二維圖當前第33頁\共有59頁\編于星期日\19點光線光路計算數(shù)據(jù)當前第34頁\共有59頁\編于星期日\19點光線像差光程差MTF當前第35頁\共有59頁\編于星期日\19點點列圖當前第36頁\共有59頁\編于星期日\19點§5.象質評價①評價觀點幾何光學觀點：方法簡單方法近似點象的能量分布觀點物理光學觀點：波差原理，方法較繁雜一、概述當前第37頁\共有59頁\編于星期日\19點②常用方法（理論分析、計算）瑞利判斷高質量的小象差系統(tǒng)，一種切實可行的評價方法點列圖適合大象差系統(tǒng)，主要是攝影物鏡分辨率：比較適合大象差系統(tǒng)傳遞函數(shù)（MTF）

對于大象差系統(tǒng)，無論是高對比或是低對比都是適合的，是一種非常積極的方法，并且與檢驗方法配合很好。當前第38頁\共有59頁\編于星期日\19點目視分辨率板

方法簡單，意義明確，其對細節(jié)分辨率有定量的表示，但對于較粗線條的成像質量不能作定量評價。③檢驗方法（測試）當前第39頁\共有59頁\編于星期日\19點有時兩個物鏡分辨率一樣，但其粗線條的明晰程度可能不一樣。

但是分辨率是反映不出來的

∴往往看“象質”補償（主觀性）存在問題當前第40頁\共有59頁\編于星期日\19點星點檢驗法觀察點光源通過物鏡所得到象斑的形狀（a）物鏡沒有象差時或接近沒有象差時--象斑是艾利圓。（b）同心度不好，玻璃不均勻或留有工藝應力都會使星點形狀不對稱或不規(guī)則。特點：

①適合高質量物鏡檢查

②主觀性大，因人而異當前第41頁\共有59頁\編于星期日\19點傳遞函數(shù)（OTF）

看成對星點的定量說明當前第42頁\共有59頁\編于星期日\19點二、瑞利判斷定義：波面和參數(shù)球面最大差別不超過時，此波面可看成無缺陷的，稱為瑞利判斷以最大波象差作為成像質量的標準，并且特點：①計算方便、簡單②判斷明了、迅速③能直觀判斷修正參數(shù)的變更方向只適合小象差系統(tǒng)當前第43頁\共有59頁\編于星期日\19點例如：小象差系統(tǒng)一個概念：焦深，縱向象差的度量單位

象差容限當前第44頁\共有59頁\編于星期日\19點①顯微、望遠物鏡系統(tǒng)僅有初級球差系統(tǒng)同時具有初級和二級球差當前第45頁\共有59頁\編于星期日\19點②③當前第46頁\共有59頁\編于星期日\19點目鏡像差容限：當前第47頁\共有59頁\編于星期日\19點三、分辨率定義：光學系統(tǒng)的分辨率和鑒別率是光學系統(tǒng)區(qū)分很細小和位置非常靠近的物象細節(jié)的能力。表示：兩個點或兩條線之間的最小距離評定方法：①對望遠物鏡采用角量

②對攝影和顯微用線量當前第48頁\共有59頁\編于星期日\19點望遠物鏡的分辨率顯微物鏡攝影物鏡當前第49頁\共有59頁\編于星期日\19點結論分辨率與使用要求有較為密切聯(lián)系，與象差的聯(lián)系不密切相對孔徑（或NA）照明條件，觀測對象及背景、接收器

當前第50頁\共有59頁\編于星期日\19點所以在小象差系統(tǒng)時，僅為使用條件的標志，不反映象差情況。在大象差系統(tǒng)中，尤其是攝影系統(tǒng)，分辨率作為質量指標之一來評價。當前第51頁\共有59頁\編于星期日\19點四、點列圖一般評價范圍：天文望遠物鏡，攝影物鏡定義：由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)光學系統(tǒng)之后，由于象差存在，其與象面的交點不再位于同一點，而是形成散開的圖形，稱之為點列圖當前第52頁\共有59頁\編于星期日\19點作法：把入射光瞳的一半分成極坐標或直角坐標（1）光線均勻地分布在入射面上（2）光點密度程度可以用來衡量光學系統(tǒng)的質量優(yōu)劣當前第53頁\共有59頁\編于星期日\19點缺點：計算量特別大因為追跡的光線越多，評價就越精確，越能反映出象上光強分布的情況。當前第54頁\共有59頁\編于星期日\19點例如：入瞳分布400等分半部為200等分4個視場5個色光5次離焦，找最佳象面∴追跡光線的量為200x4x5x5=200000顯然，如果劃分越細，離焦次數(shù)越多，計算量就越大當前第55頁\共有59頁\編于星期日\19點①分辨率是矩形波光柵