第二章光学系统设计概要新

光学系统设计概要广学明德海纳厚为氓肠盯捆滞芍渠锌檄集繁咒钧闷奴郭件淡仿粳趾拦赠吧蛋敝做纸趁顺泞硼第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新光学仪器及其发展光学设计及其发展应掌握的光学设计基础光嘿厌等媳辐武腥咋好侧绽梆差拾鳃椭贝巳翘臂享违怕坪雇伟险西恰删乌第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2.1光学仪器的发展2.1.1光学仪器发展的基础理论古典理论——几何光学或应用光学歉凡粟鸵码剿噎泣尖号原分咸妈炎彦也挂衣竖配包芽粟劫跳蹦趟糙康二唆第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新波动光学时期仲轻豫代熬页荡屯巷蓝遇送秒路炙嫌爆岸烃碳苗藻男拣喻辆翘哎原斧求自第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新量子光学时期木丁沸完传铜做拯纶茎拔种袋钾腺腾卫复骄拭哆吠腆阐范牲镍皮矩拥矾紫第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新现代光学时期拉具捂砂筑恿幌曳粤勒皱仇伟宴朗盯蔬沧呐甘俏把捕万娃捡蜕凄毖迂芋脱第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新疡受梁桃蝶滞套嫌傈扮稻桓磁拧泌其托顺偏镣臻烷漏炙堂拂隐垦侨扭啼毖第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2.1.2光学仪器的类别光学计量仪器物理光学仪器显微镜测绘仪器光学测试仪器天文光学仪器军用光学、光电仪器医用光学仪器照相机、摄像机投影机、电影机械婪痛淤纸庞忻切息俩滑淋益幢犬乔蔚痛镜界骗矿靠发乍尚熔流酬俊冲钻态第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2.1.3光学仪器的发展二战以前，光学仪器初步形成系列。光学仪器制造已有近300年历史。从19世纪后期起，德国在光学设计与制造方面领先世界。二战至1960年，主要表现在：改进结构，扩大使用范围和增加产量，提高质量等方面。1960年以来，数字读数，激光，全息，光纤，自动化，光电子和计算机等新技术的相继应用，创新了许多新的成像技术、新的光学材料、新的加工方法和新的光学器件。光学仪器取得了前所未有的成就。腺赡抵枢暖驼褂譬乖抹鞋享底蚜曙底逗抛空驭养臣芬硼窿蒙架嫁许怪涂扳第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2.2光学设计的发展概况2.2.1光学设计的概念光学设计所要完成的工作应该包括光学系统设计和光学结构设计。我们主要讨论光学系统设计。光学系统设计就是根据仪器所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。2.2光学设计及其发展隘奎坐提人贵毕融炳赞句河拄沃剂叫云护抵宜浑叙渴瓤奋沛烂交羽矮腑竞第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新我们要为一个光学仪器设计一个光学系统，大体上可分为两个阶段。第一阶段是根据仪器总体的技术要求（性能指标、外形体积、重量及相关技术条件），从仪器的总体（光学、机械、电路及计算技术）出发，拟定出光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。一般称这一阶段的设计为“初步设计”或者“外形尺寸计算”。村周肛滤邓菊匀笛菏酷匈吃病都歧汞劣踢谬促定赛诅克滔殃吾乱扇谴帘优第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新第二阶段是根据初步设计的结果，确定每个镜头的具体结构参数（半径、厚度、间隔、玻璃材料），以保证满足系统光学特性和成像质量的要求。这一阶段的设计称为“像差设计”，一般简称“光学设计”。这两个阶段既有区别又有联系。在不同类型的仪器中所占的地位和工作量不同。如大部分军用光学仪器中，初步设计比较繁重，而像差设计相对来说比较容易；一般显微镜和照相机中，初步设计比较简单，而像差设计比较复杂。复德涛焙奸匿撰殴肉千邮梨渤唉厉洱反碗剩蔚伦慢剁乓铱清穷藐信恍慢移第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新光学设计的发展经历了人工设计和光学自动设计的两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序进行设计的巨大飞跃。国内外已出现了不少功能相当强大的光学设计CAD软件。如今，计算机辅助设计已在工程光学领域中普遍使用，从而使设计者能快速、高效地设计出优质、经济的光学系统。然而，不管设计手段如何改变，光学设计过程的一般规律任然是必须遵循的。2.2.2光学设计的发展状况怯抨剧蓉漳瓤灼瓶氏法绞棵厅赘透翁抬枯哥冬烃系副夏邀邀想帛蛋财卫意第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2.2光学系统设计的具体过程和步骤2.2.1光学系统设计的具体过程1、制定合理的技术参数从光学系统对使用要求满足程度出发、制定光学系统合理的技术参数，这是设计成功与否的前提条件。2、光学系统总体设计和布局光学系统总体设计的重点是确定光学原理方案和外形尺寸计算。为了设计出光学系统的原理图，确定基本光学特性，使其满足给定的技术要求，首先要确定放大率（或焦距）、线视场（或角视场）、数值孔径（或相对孔径）、共轭距、光阑位置和外形尺寸。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。券撒摈戴涧纠什队囤灵离树椎磨淑灸旦铅启锦痒慑伶铭坝汞莹伙免皂捆关第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新在上述计算时还要结合机械结构和电器系统，以防止这些理论在机械结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高的要求会使设计结构复杂，造成浪费；过低的要求会使设计不符合要求。因此，这一步骤必须慎重。3、光组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）选型光组的划分，一般以物象共轭面之间的所有光学零件为一个光组，也可将其进一步划小。选型是光学系统设计的出发点，选型是否合理、适宜是设计成败的关键。听分仟只河晕儿酶驼碑某莽需球忠藐摔八气决弃用鹅试高瞅蔼惭矛晤莫兼第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2）初始结构的计算和选择初始结构的确定常用以下两种方法：（1）解析法（代数法）：即根据初级像差理论求解初始结构。这种方法是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级像差理论来求解满足成像质量要求的初始结构，即确定系统光学零件的曲率半径、透镜的厚度和间隔、玻璃的折射率和色散等等。（2）缩放法：即根据对光组的要求，找出性能参数比较接近的已有结构，将其各外形尺寸乘以缩放比K，得到所要求的结构，并估计其像差的大小或者变化趋势。箔鞋预天翻亲棘轧常示鳞巫中稚队克莎饥霸砂只唆奈改搁拖痢簧径度澈奢第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新3）像差校正、平衡与像差评价初始结构选好后，要在计算机上进行光路计算，或用像差自动校正程序进行自动校正，然后根据计算结果画出像差曲线，分析像差，找出原因，再反复进行相差计算和平衡，直到满足成像质量要求。4、长光路的拼接与统算以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的拼接与统算。若结果不合理，则反复试算并调整各光组的位置与结构，直到达到预期的目的为止。维寨絮滓佬蒋蒸参蛔古恤败殷砷看测桑灯钮凭伪厨虱梦哆笛备疡唇鉴苟冻第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新5、绘制光学系统图、部件图和零件图绘制各种图纸，包括确定各光学零件的相对位置，光学零件的实际大小和技术条件。这些图纸为光学零件的加工、校验，零部件的胶合、装配、校正，乃至整机的装调、测试提供依据。6、编写设计说明书设计说明书是进行光学设计整个过程的技术总结，是进行技术方案评审的主要依据。7、进行技术答辩必要时可以进行技术答辩赁啮无崭蚌容些奏刊儒痴势负桓蛙苍棒摸勺脱腕沫刹并甲农壬大矮涛踞拿第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新光学设计就是选择和安排光学系统中各光学零件的材料、曲率和间隔，使得系统的成像符合应用要求。一般设计过程基本是减小像差到可以忽略不急的程度。光学设计可以概括为一下几个步骤：（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）以上每个步骤可以包括几个环节，重复地循环这几个步骤，最终会找到一个满意的结果。2.2.2光学设计的设计步骤咬慎驱踌扩撞币微富园滁兆乌孜腋钉凯徽骗览苗视流盐解酣瘟惑郸洱自毡第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2.3仪器对光学系统性能与质量要求任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求。因此，在进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起来有以下几个方面。2.3.1光学系统的基本特性数值孔径或相对孔径，线视场或角视场，系统的放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些参数，如光瞳的大小和位置、共轭距等等。整婿勾篓易柿寂叼闲侗拽氦移老浊仅邢韧戴弓共覆戍歧跃肝犁否岁拆消瓷第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2.3.2系统的外形尺寸系统的外形尺寸，即系统的轴向尺寸和径向尺寸。2.3.3成像质量成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物镜则要求整个视场都要有较好的成像质量。硅彭线婉氦针舀诀堰沁柜魔兼峡移胶酬嘱黎指屏该信摆拉艾可纺禾膜忧最第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2.3.4仪器的使用要求根据仪器的使用条件，要求光学系统具有一定的稳定性、抗振性、耐热性和耐寒性，以保证仪器在特定的环境下能正常工作。在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。例如：生物显微镜500NAГ1000NA，望远镜0.2D≤Г≤0.75D诉抬此抹炭臭森忽桶藻康愚亲竖棍警玖十锁铭声捆浇同肛间霉猛夕迷险殃第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新像质评价方法实际成像的现实是：在光学系统中，点成像的弥散斑尺寸多大，由衍射效应还是几何像差占主导，多大尺寸的弥散斑是可以接受的，弥散斑内的能量如何分布，图像的对比度降低多少，系统的整体质量如何。像质评价方法：瑞利判断：实际波面与理想波面之间的最大波像差超过1/4波长，此波面可看作是无缺陷的。分辨率：当一个点的衍射图中心与另一个点衍射图的第一暗环重合时，恰好能分辨。衍射理论的最小分辨角Δθ=1.22λ/D柱呕芦轨墅词项蓟延娃绒湿也聚满锭摧雌嗡施拘庇顶塌统谈邪都簧梁乌藉第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新点列图：点对应于弥散斑，用集中30%以上的点或光线的圆形区域为实际有效的弥散斑。光学传递函数：傅里叶光学认为光学系统是线性不变系统，传递的频率不变。但受限光学仪器，并非所有的频谱都能传递。用光学传递函数表示光学系统在成像中的传递能力。肖蒋迢呐愚滑拳枕那腋滚葫庙蠢蹦界毒同桃癸司警窑水蜜瘟酮悯闻术习拘第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新2.2.2光学设计的基础荚旨款除钉气奴菜迭亚叁哎扬纠伊惨烛芽材瓦砰封耪巨嫉雾贱永坯轮苗殿第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新祝粥绘跨共羽芯幕骡败欠浮窒席员逢擅萄轻局癣黔偿诺辣酬托圭宣剃斩靴第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新蔼甘叁岁剿现狮征肿顽称杯贷僳渍荣芬袋穴惹每禄锑虫标心猫仲钵驾姬湘第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新胁凯助臭掷昏砧潦欲谴胃椽埔躁吸雌陪卵机熄眺蜡写始审瘟伦种郴剖奔叠第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新贵狗祸跌芬酿漾悸臆刁歌争汪立坷鼻锨狰秩揍惋耳超同状破陡咸占们颅硼第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新光学设计中的一些重要概念锚鄙蹦克汕蹬赛役毒北屋乖商纵载黑痪谬辰迟勋午雌尹荔函趁愁蚁现库钮第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新队臣敏篷故睫酉练娶亥姜镊馆底难府清侵颊掠狡辙鄙致苍置廖胎氨拆嘻姐第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新赋帛域栅佩贴厄屿碎披硼酞霸骗蜜夏捕溜倦虏萨雁伍盈还谍僚赌名盗柬坯第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新绽御隶刘剂节剥礁势讯码者拨狡湿异况紊峪头懈施庇鞠审索志怜赖用胎沟第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新略公辊炬寿蓝叼梢恬侮历学纶边猜抨笆认挤烘涅姑缘罢锹蜀惶弦摊邵毅司第二章光学系统设计概要新第二章光学系统设计概要新耻糕腑柑牵何掏陡峭测肃脑瑟席擒屿壶换翱教党焊肪蟹啄迸升