光学设计(绪)1.

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1、光 学 设 计 Optical Design 陈智利 显微镜望远镜照相机 激光武器神光3 医用放大镜 光学仪器的分类 n1.家庭消费类 9.激光加工类 n2.办公仪器类 10.红外夜视类 n3.光盘读写类 11.光电对抗类 n4.大地测量类 n5.天体测量类 n6.精密计测类 n7.光纤通信类 n8.医用仪器类 课程说明 一、本课程的性质和任务 光学设计是一门专业课。 二、与其他课程的联系 在学习本课程前必修的课程有：应用光学、物理 光学、工程制图以及简单计算机知识。 三、课程教学的基本要求 掌握基本的光学设计方法和基本类型系统的设计 ，依靠光学自动设计程序能独立完成一般光学系 统的设计工作。

2、 四、教材及参考书目 1. 教材：光学设计 刘钧、高明 国防工业出版社.2012.01 2. 应用光学 张以谟 机械工业出版社 3.光学设计 袁旭沧 北京理工大学出版社，1988 4.ZEMAX中文使用手册 讯技光电科技有限公司 .光学仪器设计手册（上册） 光学仪器设计手册编辑组，国防工业出版社， 1971 课程内容及安排： 第一章 光学设计概述 第二章 像差综述 第三章 光学系统的像质评价和像差容限 第四章 典型光学系统设计 第五章 光学系统的外形尺寸计算 第六章 光学系统初始结构的给定 第七章 光学设计ZEMAX软件简介 第八章 光学制图 第九章 现代光学系统概述 第一章 光学设计概述 1

3、 .1 光学设计的概念 光学设计所要完成的工作包括光学系统 设计和光学结构设计。 所谓光学系统设计，就是根据仪器所提 出的使用要求，设计出光学系统的性能 参数、外形尺寸和各光组的结构等。 一. 设计光学系统的两个阶段： 1. 根据仪器总体的技术要求，拟定光学 系统的原理图，并初步计算系统的外形 尺寸。称为“初步设计”或者“外形尺寸计 算” ； 2. 根据初步设计的结果，确定每个透镜 组的具体结构参数。称为 “像差设计”或 称“光学设计”。 二、光学设计的发展过程 1、用零件拼搭系统； 2、光路计算； 3、用初级像差理论求解初始结构； 4、像差自动校正与光学CAD。 1 .2 光学系统设计的一般

4、过程和步骤 一、光学系统设计的一般过程 1、制定合理的技术参数； 2、光学系统总体设计和布局； 3、光学部件（光组、镜头）的设计； 一般分为选型、确定初始结构参数、像 差校正三个阶段。 （1）选型; （2）初始结构的计算和选择； A、解析法； B、缩放法； （3）像差校正、平衡与像质评价。 4、长光路的拼接与统算； 5、绘制光学系统图、部件图和光学零件 图； 6、编写设计说明书； 7、必要时进行技术答辩。 二、光学设计的具体设计步骤 1、 选择系统的类型； 2、 分配元件的光焦度和间隔； 3、 校正初级像差； 4、 减小残余像差(高级像差)。 1 .3 现代光学仪器对光学系统性能与 质量的要求

5、 一、光学系统的基本特性 二、系统的外形尺寸 三、成像质量 四、仪器的使用条件与环境 此外，在进行光学系统设计时，还要考 虑它应具有良好的工艺性和经济性。 复习： 光学成像的基本理论 几何光学的基本定律 一、直线传播定律 光线在均匀、透明、各向同性介质中沿直 线传播。 二、折射定律 光线在两介质分界面上的折射遵守以下的 规律。 1、入、折光线和透射点的法线三者在同 一平面内； 2、入射角和折射角正弦之比为一个与入 射角大小无关的常数，即 三、反射定律 1、入、反光线和透射点的法线三者在同一 平面内； 2、入射角与反射角的绝对值相等。 四、光的独立传播定律 理想成像的基本公式 一、理想光学系统的

6、定义 二、单个折射球面和共轴球面系统的近 轴成像公式 1、正、负号的规定 （1）沿轴线段 （2）垂轴线段 （3）光线与光轴的交角 （4）光线和法线的交角 （5）折射面之间的间隔 2、光线经球面折射式的光路计算公式 3、近轴光及其光路计算公式 根据简单关系： 三个重要公式： 4、单个折射球面成像的放大率 三放大率之间的关系： 5、共轴球面系统 近轴光过渡公式为： 共轴系统的拉赫公式为： 三个放大率： 6、球面反射镜 反射镜物像关系公式 三个放大率： 拉赫公式： 7、理想光学系统的物像关系式 （1）高斯公式 （2）牛顿公式 （3）f 和 f的关系式 （4）无限远物点理想像高计算公式 8、光学系统的

7、光阑 （1）孔径光阑：限制轴上物点进入系统孔径角 u 的光阑，称为孔径光阑或有效光阑； （2）视场光阑：决定物平面或物空间成像范围的 光阑，称为视场光阑； （3）消杂散光光阑：只对非成像的杂散光起作用 的光阑，称为消杂散光光阑； （4）渐晕光阑：对轴上点光束没有限制，但对由 轴外点发出的充满孔径光阑的光束有限制作用。 轴外光束被拦截的现象称为“渐晕”，产生渐晕的 光阑称为“渐晕光阑”。 第二章 像差综述 2 .1 轴上点球差 一、球差的定义和表示方法 A A, 光学系统高斯像面 , U , -U -T, L, , A0, A -Um 高斯像面 A, 4 L,m U ,m -T, 532 1 ,

8、 轴上点发出的同心光束经光学系统各个球 面折射以后，不再是同心光束，其中与光 轴成不同角度的光线交光轴于不同的位置 上，相对于理想像点有不同的偏离，这种 偏离称之为球差，具体定义为； 球差是入射高度或孔径角的函数,可将球差 表示为 或者 式中，第一项称为初级球差，第二项称 为二级球差，第三项称为三级球差；二 级以上球差称为高级球差。 球差可用初级和二级两项来表示，即 单个折射球面产生的球差，即 对单个折射球面而言，由每个面的球差分 布式可知，当物点处于三个位置时，其S ，可以不产生球差。这三个位置是： ，即 。表示物 点和像点均位于球面的曲率中心，或者说 ， ，垂轴放大率 。 ，此时 ，即物点

9、和像 点均位于球面顶点时，不产生球差。 ，即 ，故得 同理，像点的位置也可相应地求出 由上两式可见，这一对不产生球差的共轭点 在球面的同一边，且都在球心之外，不是使 实物成虚像，就是使虚物成实像。这一对共 轭点通常称为不晕点或齐明点。 球差可用初级和二级两项来表示，即 系统的球差可以表示成系统每个面对球 差的贡献之和，即所谓的球差分布式。 当对实际物体成像时，对于由k个面组成 的光学系统，球差的分布式为： 式中 称为光学系统的球差系数， 为每 一个面上的球差分布系数，且 初级球差可以表示为： 式中， 称为初级球差系数(也称第一 赛得和数)， 为每个面上的初级球差 分布系数。 对单块薄透镜，根据

10、公式 若将球差分布系数公式应用于薄透镜的两个面，经 一系列变换和化简后可得初级球差随而变的表示 式。对于物体在无穷远的情况，此关系式比较简单 ，有 或将其写成 鉴于正负透镜产生不同符号的球差，因此 ，欲获得一个消球差的系统，必须以正、 负透镜适当组合才有可能，最简单的形式 有双胶合光组和双分离光组 。 二、球差的校正 球差是孔径的偶次方函数，因此，校正 球差只能使某带的球差为零。 对于仅含初级和二级球差的光学系统，当 对边缘光校正球差时，在h=0.707hm的带光 具有最大的剩余球差。其值是边缘光高级 球差的-1/4，如图a所示。 若以（h/hm）2为纵坐标，画出球差曲线和 初级球差曲线，如图

11、b所示。 对平行平板 这就是平行平板的精确球差公式。 平行平板的初级球差表示式为： 2 .2 正弦差及彗差 一、彗差 子午彗差 轴外像差 彗差轴外点宽光束像差 像散轴外点细光束像差 场曲同上 畸变同上 B A 入瞳（出瞳） z 子午面与弧矢面 B A 子午面 （Tangential Plane ） 弧矢面 （Sagittal Plane ） 子午面上、下光线的交点 Ba 到主光线在垂直 光轴方向的偏离，称为子午彗差，用符号KT 表示，其符号规定：以主光线为原点，向上为 正，向下为负。 Bz z Ba Bb a b -KT 辅轴 A B 入瞳 C 光轴 a-上光线，b-下光线，z-主光线 2 .

12、2 正弦差及彗差 一、单折射球面子午彗差 对于轴外物点，对称于主光线的同心光束 ，经光学系统后，它们不再相交于一点， 在垂轴方向也不与主光线相交，即相对主 光线失去对称性。 光学系统子午彗差 子午彗差是以轴外子午光束的上、下光线在高 斯像面上交点高度（分别为Ya、Yb）的平均 值与主光线的交点高度（Yz）之差来表示 KT = 0.5（ Ya+ Yb）- Yz a Yz Ya YbBT -KT 入瞳 A B b z a b z 弧矢彗差 弧矢面内前、后光线的交点BS到主光 线在垂直光轴方向的偏离，称为弧矢彗 差，用符号KS表示，其符号规定：以 主光线为原点，向上为正，向下为负。 c d BS -

13、KS Yz Yc=Yd=Y s 高斯像面 z 出瞳 x y 弧矢彗差可直接表示为： 弧矢彗差 彗差的特点 轴外宽光束垂轴像差 实质上为轴外的球差 与孔径、视场有关 能量集中在主光线 A CD B 出瞳 x y z c d BS BP -KS-KT A,B C,D BT a b 彗 差 A B CD E FG H P. 出瞳 A,B C,D F,HE,G P. 像面 彗 差 彗差的危害 由于折射后的光束失去了对称性， 因此，其弥散斑不再对称于主光线 ，此时主光线偏到了弥散斑的一边 。 整个弥散斑的形状是一个以主光线 与高斯像面的交点为顶点的锥形弥 散斑，形似彗星状，因而破坏了轴 外视场成像的清晰

14、度。 彗差的性质 由于彗差是轴外物点以宽光束成像时所 产生的一种单色像差。因此，它一方面 随视场大小而变化；另一方面，对于同 一视场，它又随孔径的不同而变化。 慧差的展开式为 第一项为初级彗差 ，第二项为孔径二级 彗差 、第三项为视场二级彗差 与此相应，初级子午彗差的分布式为： 初级弧矢彗差的分布式为： 上式中， 称为初级彗差系数（或第二 塞得和数），而 为系统各面的初级彗差 分布（初级彗差分布系数）。 彗差的校正彗差的校正 彗差能够通过移动 光阑和有选择的增 加透镜来消除 通过移动孔径光阑 或选择增加透镜来 控制彗差 透镜曲率对球差和彗差的影响透镜曲率对球差和彗差的影响 值得指出的是，包括彗差在内的所有轴外 点垂轴像差，对于对称式光学系统以 成像时，是等于零的。 二、正弦差 正弦差表示小视场时宽光束成像的不对称性。 垂直于光轴平面内两个相邻点，一个是轴上点 ，一个是靠近光轴的轴外点，其理想成像的条 件是： 上式为正弦条件。当光学系统满足正弦条 件时，若轴上点理想成像，则近轴物点也 理想