第2章光学系统设计概要概要

自适应光学
激光
二元光学
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第一节 光学仪器及其发展
• 自适应光学举例
太阳表面原始图像
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
太阳表面自适应校正图像
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第一节 光学仪器及其发展
自 适 应 技 术 拍 摄 太 阳 黑 子
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第一节 光学仪器及其发展
自适应光学是20 世纪50 年代以来迅速发 展起来的光学新技术，在高分辨率天文观测、 高能激光武器、激光通讯，激光核聚变，医 学等方面的应用越来越广泛。
X-射线单晶衍射
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第一节 光学仪器及其发展 原子吸收光谱仪从光源辐射出具有待测 元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气 中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱 线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的 含量。可测到10-9g/mL数量级。
原子吸收光谱仪
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第一节 光学仪器及其发展 因原子吸收光谱仪的灵敏、准确、简便 等特点，现已广泛用于冶金、地质、采矿、 石油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环 境监测等方面的常量及微痕量元素分析。
红外光谱
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第一节 光学仪器及其发展
• 为生物学和医学的需要发明了显微镜与各种人
体窥镜。
显微镜下的雪花
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第一节 光学仪器及其发展
内窥镜
喉镜
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第一节 光学仪器及其发展
• 为观察远距离的目的和军事需要发明了各种望
远镜、瞄准镜。
潜望镜
瞄准镜
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第一节 光学仪器及其发展
• 为满足人们日常生活需要发明了各种静态和高
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本章内容
2.1、光学仪器及其发展 2.2、光学设计及其发展 2.3、应掌握的光学设计基础 2.4、光线追迹及像差校正常用方法 2.5、光学设计的大致类型及各类镜头的设计
差别 2.6、设计举例
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第一节 光学仪器及其发展
光学仪器是人类认识与改造自然的工具。
• 探索物质结构内部的奥秘并对物质进行微量、
件质量，降低成本
• 新器件：基于电子科学发展的光电器件
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第一节 光学仪器及其发展
4、电子技术的发展
世界上第一台电子计算机ENIAC于1946年在美国研制 成功，ENIAC问世以来的短短的四十多年中，电子计算机的 发展异常迅速。迄今为止，它的发展大致已经了下列四代。 第一代（1946~1957年）是电子计算机，它的基本电子元件 是电子管。 第二代（1958~1970年）是晶体管计算机。 1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10年后晶体管取 代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。第三代 （1963~1970年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发 展，1958年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成 电路。 第四代（1971年~目前）是大规模集成电路计算机。 随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超 大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。
自适应光学系统能实时探测由大气扰动、 环境温度起伏、光轴抖动等因素造成的波面 畸变，并通过光学校正系统实时补偿波面误 差，现代地基、天基大型望远镜几乎都采用 了自适应光学系统。
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第一节 光学仪器及其发展
• 自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的 成像过程中波前畸变的最有前景的技术；
• 遥远的星系达到地球表面的望远镜时，因为受大 气扰动和湍流的影响，图像质量大大降低，这也 是为何科学家要将哈勃望远镜送到地球高空轨道 的原因；
原子吸收光谱
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第一节 光学仪器及其发展 红外光谱可以研究分子的结构和化学键， 如力常数的测定和分子对称性等，利用红外 光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此 推测分子的立体构型。
红外光谱仪
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第一节 光学仪器及其发展 红外光谱仪应用于染织工业、环境科学、 生物学、材料科学、高分子化学、催化、煤 结构研究、石油工业、生物医学、生物化学、 药学、无机和配位化学基础研究、半导体材 料、日用化工等研究领域。
• 通过复杂的算法，如果在地面上能通过光学方法 消除大气的影响，则在地面上就相当于在地球高 空轨道上，成本可以大大降低，地面上也可以建 造巨大的望远镜系统；
• 自适应光学就是为达到上述目的而发展起来的。
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第一节 光学仪器及其发展
自适应光学系统组成
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第一节 光学仪器及其发展
LICK 望远镜开启自适应光学系统前后效果对比图
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第一节 光学仪器及其发展
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第一节 光学仪器及其发展
未开启自适应
开启自适应
Keck望远镜观测到的土卫六星云
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第一节 光学仪器及其发展
自 适 应 技 术 校 正 天 王 星
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第一节 光学仪器及其发展
• 傅里叶光学（信息光学）
傅里叶光学运用频谱 分析方法对广泛的光学现象 作了新的诠释。其主要内容 包括标量衍射理论、透镜成 像规律以及用频谱分析方法 分析光学系统性质等；其应 用领域包括空间滤波、光学 信息处理、光学系统质量的 评估、全息术以及傅里叶光 谱学的研究等。
超微量分析而发明了光谱仪器。
X-射线粉末（多晶）衍射仪
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第一节 光学仪器及其发展
X-射线粉末（多晶）衍射用来测量晶体物 质的晶胞参数，可测得晶系，无法知道组成晶体 元素参数和空间群。
X-射线粉末（多晶）衍射
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第一节 光学仪器及其发展
X-射线单晶衍射仪
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第一节 光学仪器及其发展
X-射线单晶衍射测得晶系、空间群、原子 之间键长、键角等。
光电系统设计 ---第二章 光学系统设计概
要
光学系统设计
利用光学原理进行各 种搜索、探测、观察、识 别、测量和分析记录等工 作的仪器称为光学仪器或 光电仪器。
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光学系统设计
• 光学/光电仪
器的发展涉及 光学、精密机 械、电子技术、 计算机的综合 发展。
• 光学系统设
计优劣决定着 光学系统性能 和质量水平。
傅里叶光学
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第一节 光学仪器及其发展
2、新设计的发展
• 光学设计：计算机辅助设计（CAD），譬如
Zemax、Matlab等
• 机构设计：光机一体化，光机电一体化 • 性能、成本的平衡
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第一节 光学仪器及其发展
3、新材料、新工艺、新器件的发展
• 新材料：提高仪器的精度和稳定性 • 新工艺：多层镀膜、高速精磨、精加工，提高元
速照相设备。
高速摄影
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第一节 光学仪器及其发展
• 为研究天体运动规律和探索宇宙奥秘而发展天
文光学仪器。
哈勃天文望远镜
距地球两千八百万光年的宽边帽星系
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第一节 光学仪器及其发展
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第一节 光学仪器及其发展
1、光学理论的发展
古典光学
几何光学 应用光学
物理光学
薄膜光学
傅里叶光学
近代光学
量子光学 纤维光学