工程光学—光学系统设计1

工程光学——光学系统设计卢春莲[e-mail]哈尔滨工程大学理学院光学设计在哪里？你眼中的光学设计？EKV长1.4m，重54Kg，导引头由红外焦平面阵列、冷凝系统、望远镜头和其他软件硬件组成 磁力仪分束片激光器(894.6nm)SAS激光器(852.3nm)SASEO-AM方波信号源EO-AM驱动锁相放大器示波器PBSD1D2-三层磁屏蔽筒可调衰减片Cs泡l/4波片zxy亥姆霍兹线圈泵浦光检测光加热室l/2波片偏振片1l/2波片偏振片2偏振片3偏振片4小孔光阑l/4波片红外低温冷舱系统低温准直光学系统、光源抛物槽式太阳能集热器学习方法？光学系统设计的学习方法？所花的时间从事的项目开始熟悉达到精通逐渐精通积累经验一、光学系统简介光学系统作用:把目标发出的光按仪器工作原理的要求改变它们的传播方向和位置，送入仪器的接收器，从而获得目标的各种信息，包括目标的几何形状、能量强弱等。光学系统由一系列的折射面和反射面构成，这些表面可以是平面、球面和非球面。对光学系统的要求成像质量，成像清晰；物像相似，变形要小。一、光学系统简介•绝大多数的透镜系统都有一条对称轴线，这样的轴线称为“光轴”。无对称轴的光学系统称为“非共轴系统”。•球面系统：在各种不同形式的曲面中，球面和平面生产较易，所以大多数光学系统中的光学零件均由球面构成，这种光学系统称为球面系统。•共轴球面系统：我们主要研究的就是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统。一、光学系统简介物体是由无数个点构成的，每个点均可视点光源。经光学系统成像后，与之对应的像若仍为一个点，即由点光源发出的球面波在像空间仍对应一个球面波，则称为完善成像。因此，光学系统完善成像的条件是当入射光为球面波时，出射仍为球面波。一、光学系统简介•光学设计的发展概述•光学设计的过程与步骤•仪器对光学设计的要求•光学系统的像差概述二、光学设计基础光学设计的发展概况•光学设计的概念o传统光学仪器日趋成为光学、机械、电子和计算机一体化的现代智能化仪器，如数码相机、投影仪等。o对于一个光学系统而言，无论是成像系统还是照明系统，光学设计是实现各种光学系统的重要基础。o随着光学仪器的发展，光学设计的理论、优化算法、仿真工具、性能评价方法日益完善。光学设计的发展概况•光学设计的概念o何谓“光学设计”？一般认为，光学设计所要完成的工作应该包括光学系统设计和光学系统结构设计。 投影物镜系统设计Cassegrain式反射系统结构设计光学设计的发展概况•光学设计的发展史o《墨经》中有8条论述了几何光学知识，它阐述了影、小孔成像、平面镜、凹面镜、凸面镜成像，还说明了焦距和物体成像的关系。春秋战国时期（BC400），墨子及其弟子。o光学设计的发展经历了人工设计和自动化设计两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参数进行光学设计，到使用计算机和光学自动优化设计程序进行设计的巨大飞跃。光学设计的过程与步骤—光学设计的一般过程光学设计的过程与步骤—光学设计的具体步骤以缩放法为例，阐述光学设计的具体步骤光学设计的过程与步骤—光学设计的具体步骤光学设计的过程与步骤—光学设计的具体步骤仪器对光学设计的要求任何一种光学仪器的使用条件和功能必然会对它的光学系统提出一定的要求，如外形尺寸要求、成像质量要求、机械性能、物理化学性能等。常见的光学系统的基本特性参数有很多，如相对孔径、数值孔径、F数、线视场、角视场、工作波段、放大率、焦距、出瞳位置、入瞳直径、光阑位置、后工作距离、共轭距、折射率、色散系数、透镜厚度、透镜间距、透镜面型等。对光学系统外形尺寸的要求光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组成、各组元的焦距、各组元的相对位置和横向尺寸。为了简化各种类型光组的外形尺寸计算，可以把光学系统看成是由一系列薄透镜组成的光学系统，经过简化后的光学系统可以用理想光学系统的理论和公式进行计算。但是，不是所有的光学系统或光组都可以看成是薄透镜光组，如广角物镜、大数值孔径的高倍率显微物镜等。对光学系统外形尺寸的要求在进行光学系统的外形尺寸计算时，除了要保证使用条件决定的基本光学特性外，还要考虑其在技术上和物理上可否实现，并且要和机械结构、电气系统有很好的匹配，还要具有良好的工艺性和经济性。一般而言，光学系统的外形尺寸计算要满足三个方面要求：1）系统的孔径、视场、分辨率、出瞳直径和位置；2）几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸、整体结构布局；3）成像质量、孔径和视场的权重等。对光学系统成像质量的要求对光学系统成像质量的要求和光学系统的用途及其类型有关，不能一概而论。比如，对于望远系统和一般的显微镜系统，一般只要求中心视场应该有较好的成像质量；又如，对于照相物镜系统，则要求整个视场都要有较好的成像质量。传统的成像光学系统由于有明确的物像共轭关系，因此设计这一类型的光学系统旨在通过光学系统的作用，即利用反射定律和折射定律改变光线的传播方向，从而获得高质量的像，其设计着眼点在于信息传递的真实性（如有无畸变）和有效性（如是否清晰）。对光学系统成像质量的要求对于非成像光学系统，如照明光学系统，其设计着眼点在于光能量传输效率的最大化，以及被照面上的照度大小和分布情况。这类系统孔径角和倍率较低，一般情况下对像差要求不严格。考虑到光照的均匀性，孔径角和倍率稍大的照明系统需要适当减小球差，对于光照均匀性要求较高的情况还需要考虑减小彗差和色差。对光学系统使用条件的要求根据光学仪器的使用条件，一般要求光学系统具有一定的物理稳定性、化学稳定性、力学性能和热学性能等要求，以保证仪器在特定环境下能正常工作。如，太空卫星上的光学系统，由于在太空中白天和晚上温度差异可达一百多度，因此这类光学系统的设计要求使用的材料要有小的热膨胀系数，其最外层的玻璃也要有较好的耐辐射性能等。再如，水下工作的摄像镜头就要满足防水密封性，其最外层玻璃也应避免使用水解反应严重的材料。在对光学系统提出使用要求时，主要是考虑在技术上和物理上的实现可能性。对光学系统使用条件的要求有时对光学系统提出的要求是互为制约的，甚至是矛盾的。此时，应深入分析、全面考虑、抓住主要矛盾，切忌因为提出不合理的要求导致设计任务非常困难完成，甚至根本无法实现。例如，在设计照相物镜时，为了使相对孔径、视场角和焦距三者之间的选择更加合理化，应该参照下式来选取参数：Cm=Df'tanwf'100Cm=0.22~0.26，常称为“物镜的质量因数”。对光学系统经济性的要求评价一个光学系统设计优劣的主要依据是：①成像质量、②复杂程度。即一个好的设计应是在功能（成像质量、光学性能等）能满足用户要求的情况下，追求结构最简单化（成本最低化）。在光学系统设计中应用价值工程的原理，对提高光学仪器产品质量和降低产品成本有重要的意义。价值工程公式：V=FCV是价值（Value）；F是功能（Function）；C是成本（Cost）光学系统的像差概述•实际使用的光学系统对一定大小的物体所成的像是不完善的，它与理想像之间总是存在有差异，这种差异就称为光学系统的像差。•光学系统设计的重要工作就是要校正各种像差，使光学系统的成像质量达到技术要求。光学系统的像差概述•光学系统的像差主要包括：光学系统的像差概述球差光学系统的像差概述彗差光学系统的像差概述像散光学系统的像差概述场曲光学系统的像差概述畸变光学系统的像差概述位置色差 光学系统的像差概述 倍率色差光学系统的像差概述•光学系统的像差主要包括：光学系统的像差概述柔焦效果图光学系统的像差概述鱼眼效果光学系统的像差概述数码相机物镜设计要求图像传感器规格：物镜规格：光学系统的像差概述光学系统的结构参数光学系统的像差概述光学系统的结构参数光学系统的像差概述光学系统的结构参数式中，c为曲面顶点的曲率，K为二次曲面系数，a4,a6,a8,a10,a12为高次非球面系数。光学系统的像差概述K值K0K=00K1K=1K1面形双曲面抛物面椭球面球面扁球面不同的面形，对应不同的面形系数，例如球面：K＝1，a4=a6=a8=a10=a12=0二次曲面：K≠1，a4=a6=a8=a10=a12=0二次曲面面型光学系统的结构参数光学系统的像差概述如果系统中有光阑，则把光阑作为系统中的一个平面来处理。选择3～5个波长。用人眼观察的目视光学仪器采用C(656.28nm)，D(589.30nm)，F(486.13nm)3种波长；用感光底片接收的照相机镜头，则采用C，D，g(435.83nm)这3种波长。光学系统的结构参数光学系统的像差概述光学系统的结构参数物距L物高y或视场角ω物方孔径角正弦(sinU)或光束孔径高(h)孔径光阑或入瞳位置渐晕系数或系统中每个面的通光半径光学系统的像差概述光学系统的结构参数物距：代表从系统第一面顶点O1到物平面A的距离。物平面位在无限远时，用L＝0代表。光学系统的像差概述光学系统的结构参数物高y或视场角ω用来表示成像范围：当物平面位在有限距离时，用物高y表示物平面位在无限远时，用视场角ω表示。光学系统的像差概述光学系统的结构参数物方孔径角正弦(sinU)或光束孔径高(h)物平面位在有限距离时，光束孔径用轴上点边缘光线和光轴夹角U的正弦(sinU)表示；当物平面位在无限远时则用轴向平行光束的边缘光线孔径高(h)表示。