工程光学—光学系统设计
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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
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。
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。
• 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。
SAS 小孔光阑
z y
x 三层磁屏蔽筒
可调衰减片
偏振片 1
偏振片 2 偏振片 3
EO-AM l/2 波片
l/2 波片
检测 光
亥姆霍兹线圈
Cs 泡
加热室
l/4 波片 PBS D2
泵 浦光
偏振片 4 l/4 波片
D1
-
EO-AM 驱动
方波信号源
锁相放大器
示波器
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
一、光学系统简介
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。
二、光学设计基础
• 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
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 《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。
工wenku.baidu.com光学
——光学系统设计
卢春莲 luchunlian@hrbeu.edu.cn
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
激光器(894.6nm)
SAS
分束片
激光器(852.3nm)
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。
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。
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。
学习方法？
光学系统设计的学习方法？
逐渐精通
从事的项目
开始熟悉
积累经验
所花的时间
达到精通
一、光学系统简介
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。
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 。
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
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。
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。
• 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。
SAS 小孔光阑
z y
x 三层磁屏蔽筒
可调衰减片
偏振片 1
偏振片 2 偏振片 3
EO-AM l/2 波片
l/2 波片
检测 光
亥姆霍兹线圈
Cs 泡
加热室
l/4 波片 PBS D2
泵 浦光
偏振片 4 l/4 波片
D1
-
EO-AM 驱动
方波信号源
锁相放大器
示波器
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
一、光学系统简介
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。
二、光学设计基础
• 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
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 《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。
工wenku.baidu.com光学
——光学系统设计
卢春莲 luchunlian@hrbeu.edu.cn
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
激光器(894.6nm)
SAS
分束片
激光器(852.3nm)
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。
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。
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。
学习方法？
光学系统设计的学习方法？
逐渐精通
从事的项目
开始熟悉
积累经验
所花的时间
达到精通
一、光学系统简介
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。
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 。