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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