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1、绪论绪论我们身边有哪些光学系统和仪器想当它们的设计师吗？如果我们已经较好地掌握了以下内容几几 何何 光光 学学像像 差差 理理 论论光光 学学 系系 统统波像差与像质评价波像差与像质评价 本章要点1. 波像差概念，瑞利判据，与几何像差关系，离焦原则2. 参考点移动引起的波像差，焦深3. 色差引起的波像差，球色差、几何色差与波色差的关系4. 光学系统的像差容限5. 光学系统的像质评价（几何像差曲线、点列图、波像差、传递函数）6. 光学系统的像质检验（星点检验、分辨率、传递函数，波面测量）10-1 波像差及其与几何像差的关系光线波面的法线 波像差实际波面对理想波面的偏离轴上点 A 以单色光成像存在
2、球差,AM交理想波面于M，即为波差。（以理想波面为基准，右负左正）一、轴上点的波像差及其与球差的关系一、轴上点的波像差及其与球差的关系返回本章要点球差相当的波像差为以 u2为纵坐标，以 L为横坐标的球差 曲线与纵轴所围面积的一半 【推导】当物方无穷远时，u=h/f讨论讨论1.当仅有初级量时以波长为单位时，边缘处波像差最大。移动接收面，以接收面为基准，则球差将改变，波像差 曲线随之改变。称之为离焦离焦离焦，返回本章要点2. 当有初级和二级球差时当， 当对边光校正球差时，0.707 带光有最大剩余球差若离焦，使图中三部分面积相同，则应轴向离焦，此时3. 若再有三级以上球差，则像差平衡的原则是： 尽
3、可能离焦后有多个大小相等、符号相反的小面积 以下动画是一个实际光学系统成像质量随离焦量变化的情况以下动画是一个实际光学系统成像质量随离焦量变化的情况返回本章要点二、轴外点的波像差及其与垂轴像差的关系二、轴外点的波像差及其与垂轴像差的关系返回本章要点轴外任意一点的像差，可以用两个分量表示波差 W 应表示成与这两个分量之间的关系可导出 沿子午截线的波像差推导曲线对 sinU轴所围的面积表征波像差的大小。参考点为高斯像点.但高斯像点亦不一定是最佳参考点离焦垂轴离焦：对各条光线 y均改变同样值。-坐标平移离焦沿轴离焦：纵轴转一角度,以形成尽可能相等的大小相同、符号相反的小面积注意注意返回本章要点1.
4、垂轴离焦只为评价像质，轴向离焦才为确定最佳像面位置。2. 沿轴离焦只能对某一视场而言，不同的视场有不同的沿轴离焦要求，不能同时满足。3. 轴向离焦中与也不能同时满足。应寻求最佳平衡10-2 波像差的一般表示式返回本章要点波面等光程面，等光程面的变形波像差。 光学系统的物方光线由 y, 决定，像方光线由 y,决定考虑光学系统是旋转对称光束关于子午面对称当 y=0 时为轴上点 所以波差的一般表达 式式中第一行为轴向离焦与垂轴离焦项，第二行为初级单色像差引起的波像差，第三行为二级单色 像差引起的波像差。 计算时应根据所取孔径、视场大小确定应取的项计算时应根据所取孔径、视场大小确定应取的项10-3 参
5、考点移动引起的波像差，焦深返回本章要点由轴向离焦：垂轴离焦：当光学系统为理想系统时，高斯面上波像差为零。若像面移动l，则可按上式计算新的 W。若则可认为该系统仍为理想系统。这时焦深为 2l。由上可得所以焦深与像方孔径有关。像方孔径大则焦深小。焦深与像方孔径有关。像方孔径大则焦深小。例：10-4 色差的波像差表示返回本章要点一、波色差一、波色差几何像差W某一孔径带的光线与近轴光线的光程之差。二二. .（D-dD-d）法求波色差的优点）法求波色差的优点返回本章要点 1. 不需再计算 F、C 的实际光路； 2. 校正 WFC，可通过 n 的改变达到，而保持 nD不变 3. 通过修改 rk使 Dk改变
6、，可以校正残余的 WFC4. 计算精度较高10-5 球色差、几何色差与波色差的关系 返回本章要点一、球色差一、球色差边光环带的 F、C 波面相交，但 F、C 光由于球差存在，在其它环带波面不相交，称球色差。 二、几何色差与波色差的关系二、几何色差与波色差的关系一般光学系统：，校正色差要求：此时当 0.707 环带相当于校正色差几何色差带光消波色差边光消，0.707 带有最大剩余波色差，该最大值为极小。10-6 光学系统的像差容限 返回本章要点像差校正到什么程度的像差是允许的？（根据使用条件）一、小像差系统（如目视光学仪器）一、小像差系统（如目视光学仪器）瑞利判据瑞利判据（要求）1. 色差2.
7、球差当 U 很小，当 U 有一定大小，（边光不一定恰好校正到零，允许残余 1 倍焦深）3. 正弦差返回本章要点以上是小视场系统容限，以下是大视场系统容限弧矢彗差4. 像散5. 像面弯曲：在人眼调节范围之内6. 畸变7. 倍率色差：二、大像差系统（如摄影物镜）二、大像差系统（如摄影物镜）应校正全部像差应校正全部像差 此时不可用瑞利判据，而要求 畸变 24% （要求观察者看不出像的明显变形）返回本章要点 10-7 像质评价方法一、一、几何像差曲线几何像差曲线 返回本章要点1、球差曲线：球差曲线纵坐标是孔径，横坐 标是球差（色球差），使用这 个曲线图，一要注意球差的大 小，二要注意曲线的形状特别 是
8、代表几种色光的几条曲线之 间的分开程度，如果单根曲线 还可以，但是曲线间距离很大， 说明系统的位置色差很严重。2、轴外细光束像差曲线这一般是由两个曲线图构成 图中左边的是像散场曲曲线， 右边的是畸变，不同颜色表 示不同色光，T 和 S 分别表 示子午和弧矢量，同色的 T 和 S 间的距离表示像散的大 小，纵坐标为视场，右图横 坐标是场曲，左图是畸变的 百分比值，左图中几种不同 色曲线间距是放大色差值。二、二、点列图点列图光束的光亮度 返回本章要点由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了 一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。，点列图是在现代光学设计
9、中最常用的评价方 法之一。图中的几个图分别表示给定 的几个视场上不同光线与像 面交点的分布情况。使用点 列图，一要注意下方表格中 的数值，值越小成像质量越 好。二根据分布图形的形状 也可了解系统的几何像差的 影响，如，是否有明显像散 特征，或彗差特征，几种色 斑的分开程度如何，有经验 的设计者可以根据不同的情 况采取相应的措施。 RMS RADIUS：均方根半径值； GEO RADIUS：几何半径（最大半径）三、三、传递函数传递函数 返回本章要点调制传递函数 MTF：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映不同空间频率、不同 对比度的传递能力。一般而言，高频传递函数反映了物体细节传递能
10、力，低频传递函数反映物 体轮廓传递能力，中频传递函数反映对物体层次的传递能力。1、MTF 曲线图图中不同色的曲线表示不同 视场的复色光（白光）MTF 曲线，T 和 S 分别表示子午 和弧矢方向，最上方黑色的 曲线是衍射极限。横坐标是 空间频率 lp/mm（每毫米线 对），纵坐标是对比度，最 大是 1。曲线越高，表明成 像质量越好。返回本章要点2、传函与离焦关系曲线图此图表明对设定空间频率不 同视场的子午、弧矢 MTF 与 离焦量的关系，图中横坐标 是离焦量，纵坐标是对比度， 通过此图可以看出各视场的 最佳焦面是否比较一致，MTF 是否对离焦比较敏感。此图 在光学设计后期，精细校正 时很有用。四
11、、四、波像差波像差 返回本章要点1、光程差曲线图中几个曲线图分别是不 同视场子午和弧矢方向上 的光程差，不同颜色表示 不同色光。下方表格的数 据为纵坐标（光程差）的 最大值，单位一般用波长。返回本章要点2、波面三维图此图是设定视场和色光的 波像差三维分布图，下方 表格中的数字给出了波差 的大小返回本章要点PEAK TO VALLEY 波差的 峰谷值（最大最小） RMS 波差均方根值3、干涉图这是模拟系统波差在干涉 仪上测出的干涉图图形。 图中给出的是设定视场和 色光的干涉图。返回本章要点10-8 光学系统像质检验简介一、一、星点检验星点检验这是一种光学车间里，特别是显微物镜生产中非常常用的检验
12、方法，检验时使用带有微孔的 星点板，一般用眼睛直接观察星点板的星点像，对于显微物镜等小像差系统主要看星点像的大小 和形状，同时也可以看出物镜的装配质量，如偏心等误差的情况。需要检验者有一定的经验。返回本章要点 二、二、分辨率测量分辨率测量观测或测量光学系统能够分辨的最小空间频率1、投影鉴别率左图是光学车间常用的投 影鉴别率仪，使用时只要 将被测镜头装夹好，将投 影图调至最清晰就可以对 各个方向上的分辨率进行 判度，适用于大批量生产 的光学检验，或调试使用。 （仪器是浙江大学现代光 学仪器重点实验室的设备）2、鉴别率板左图是测试数码相机分 辨率的 ISO12233 鉴别率 板使用时按照相应标准
13、的照明要求照明，使用 数码相机对此板实拍后 对数码照片可以判读出 相机的分辨率。望远镜等可以使用加在 平行光管上的鉴别率板 测试三、三、传函测量传函测量 返回本章要点传函测量要使用光学传递函数测试仪，下图是一台传函测试仪，使用时只要将被测物镜装夹好， 将光点调到最小，就可以得到这个物镜传函曲线图。（仪器是浙江大学现代光学仪器重点实验室 的设备）四、四、波面测量波面测量返回本章要点波面测量使用的是波面 干涉仪，左图是浙江大 学现代光学仪器重点实 验室的 ZYGO 数字波面干 涉仪，可以测量光学表 面的面型，和光学系统 的波差等，功能很强本章要点本章要点1. 第一近轴光和第二近轴光2. 近轴光线的
14、初始条件3. 近轴光线的光路计算4. 子午面内实际光线的初始条件5. 子午面内实际光线的光路计算6. 沿主光线的细光束计算初始条件7. 沿主光线的细光束像点的计算8. 光路计算的后处理引言引言 返回本章要点返回本章要点 返回本章要点11-1 近轴光线的光路计算 返回本章要点返回本章要点返回本章要点返回本章要点返回本章要点11-2 子午面内光线的实际光路计算 返回本章要点返回本章要点返回本章要点返回本章要点10-3 轴外点沿主光线的细光束像点位置的计算 返回本章要点返回本章要点本章要点本章要点1. 结构参数与像差函数2. 评价函数3. 加权阻尼最小二乘法4. 边界条件5. 光学系统图画法6. 光
15、学零件图画法7. 光学零件公差光学设计基本步骤光学设计基本步骤 【返回本章要点】返回本章要点【返回本章要点】光学自动设计概述光学自动设计概述【返回本章要点】【返回本章要点】【返回本章要点】常用评价函数球差曲线【返回本章要点】像散、场曲、畸变曲线【返回本章要点】光程差曲线【返回本章要点】点列图【返回本章要点】调制传递函数 MTF 曲线【返回本章要点】【返回本章要点】光学工程图 返回本章要点一、一、光学系统图光学系统图【返回本章要点】二、二、胶合件图胶合件图【返回本章要点】三、三、光学零件图光学零件图【返回本章要点】【返回本章要点】光学系统装配【返回本章要点】【返回本章要点】【返回本章要点】【返回
16、本章要点】光学零件工艺要求光学零件工艺要求光学图纸示例光学图纸示例部分光学系统结构部分光学系统结构光学设计软件简介光学设计软件简介光学设计软件成像设计：CodeV（ORA 公司产品，USA）Zemax（ZEMAX Development CorporationOSLO( LambdaLambda ResearchResearch CorporationCorporation 公司，USA)USA)照明设计：Lightools（ORA 公司产品）ASAPTraceproODIS光通讯设计软件：OptiWave薄膜设计：TFCalc, Filmstar 等 nCodeVCodeV（ORAORA 公司产品，
