第10章工程光学 郁道银 第二版ppt课件
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r1 60.48, r2 44.533, r3 44.533, r4 135.19 或 r1 18.804, r2 70.472, r3 18.802, r4 15.689
对带光消色差的要求：带光的像差：
0.254 Lm OSCm 0.000577 0.000 Lch
2 3n 2 n 3 2 2 2 n n 1
L0
1 A n , I , 2 , I AII nII , II , 2 , II 2 I I 2nu 2 a 2 b2 c
8
1 L0 A n , I , 2 , I AII nII , II , 3 , II 2 I I 2nu a112 a2 32 b11 b2 3 c
S
1 k
k
I
hP
1
k
S
1 k
II
h P J W
z 1 1 k
k
k
1 1 nu nu h r n nn
S
1 k
III
S
1 k
IV
k k hz 2 hz 1 u 2 P 2J W J h h n 1 1 1 h k n n 2 J nnr 1
7
二、薄透镜的初级球差：
1 1. 单薄透镜： L0 2nu2
1 SI 2nu2
4 h A
h lu
1 r 1 l
n 2 2 2n 1 2 4n 4 3n 1 2 A 2 2 2 2 n n n 1 n 1
1 r要求的 ＝ 1 r原值 ＋ ,要求的－ Lch ,原值 Lch (nF nC )( LF LC )r原值
13
消色差，得到 r3 123.98 对这一新的面元重新光路计算
L 'ch , z 0.001 L 'm 0.012 f 0.0355
一、薄透镜的初级位置色差： 1. 单薄透镜：
1 2 CI h , lch CI l 2 nu
2
物无穷远： 2. 薄透镜系统：
lch
f
1 nu 2
lch
C
I
1 2 0 1 2 1 2
1 1 1 2 2 2 1 2
2
实际光学系统的设计：非常复杂，一般分为六步：
a) 光学系统的外形尺寸、
b) 初始结构参数、
c) 像差校正、 d) 像质评价、 e) 确定各光学元件的公差， f) 和绘制光学系统图等。
3
初级像差理论求解满足成像质量的初始结构
PW 法
1-1.简单物镜结构计算：单组元镜头，胶合，间隙很小的双分离：孔径视场小 A.双胶合物镜 （小视场，校正色差，球差，近轴慧差）--胶合面：有足够大的 正球差抵消1,3面的负球差，伴随大孔径要求，导致大的正高级 球差（大于1,3面的负高级量和），系统因此有正高级球差。
OSC 0.00049
如果球差需要矫正，采用对透镜组整体弯曲的方法，基本上保持 色差不变
中间的空气间隔，是带球差和正弦差矫正的因素
14
I 0.02013, II 0.01013
2 0.022455, 3 0.022457 或 2 0.014190， 3 0.053187
三、Βιβλιοθήκη Baidu透镜的正弦差：OSC 1 0 2J
S
II
SII luni p (i i)(i i ) S I
ip i
1 2 n 1 2n 1 n 2 OSC0 h 1 1 2 n n n 1
或
1 2 n 1 2n 1 n 2 OSC0 h 2 2 2 n n n 1
i h 第i个透镜组总光焦度
n
i
组成第i个透镜组的各个透镜的光焦度
两种特殊情况：1） 相接触的单组薄透镜（双胶合） ——光线的高度 h 相同
S S S S
I II
hP hz P JW hz 2 hz P 2J W J 2 总 h h 2 J
2
2
（ / n）
0
当光阑与薄透镜组重合，参量P仅表示初级球差，W仅表征初级慧差， 像散为常数，畸变为0. 色差中初级倍率色差也自动为0.所以单个 双胶合镜组在校正好位置色差的基础，同时P=W=0 可行。
P W ==镜组的的内部结构参数，物体的位置 有关。 分离方法 P W 求两类 （1） 任意位置是的P W；（2） 物无穷远处的
3 2
III
IV
hz hz 2 hz SV h2 P 3J h2 W J h 总 3
两种特殊情况：2） 与光阑重合的接触薄透镜 ——第二近轴在镜组上的高度 hz =0 相同
S S S S S
I II
hP JW J 总
2
III IV V
J J
2 0.02282, r2 43.82
OSC (1.3459 2 0.03022) 0.00049 0.0025
11
1 0.01617, r1 61.84, 3 0.007761, r3 128.85
D2 D2 D2 d x1 tm x2 ＋tm＝ ＋tm 8r1 8r2 8 f (n 1)
焦距f‘mm 相对孔径D/f’ 50 1:3 100 1:3.5 150 1:4 200 1:5 300 1:6 500 1:8 1000 1:10
如果后面有厚度的平行平板，还需保留相当的负色差和球差补 偿平板产生的正的像差
nF nD nC
球差 n
4
1、缩放法
光学技术手册，专利文献，找到与目标光学特性相近的 结构，在此基础作整体缩放
nF 1.52196, nF 1.68747,
n 1.51389 C n 1.66662 C
1 1 1 2 2 2 1 2
I 0.02013, II 0.01013
2 L0 (19090 2 871.33 2 9.943) 0
看出，初级像差已经过矫正，所以必须对高级像差迚行校正， 顺序为先色差，再球差。正弦差通过选择玻璃来满足。 色差的矫正量不大时，一般修改最后一面半径～相当于在最后一 块透镜上加一块相同材料的薄透镜（r1为原 r3 ，r2为修改后半径
LC LF LC 1 1 LF (nF nC ) LC LF LF LC r1 r2
球差和正弦差都需要校正
光学系统的 7 种初级像差，分别被 7 个和数决定
初级像差—二条近轴光线在折射面上的高度和 P，W 的函数
2 2 u u u u u u P (1/ n) n 1/ n 1/ n n n u u u u u u W (1/ n) n 1/ n 1/ n n n
S
1
V
1
k
k k k hz 3 hz 2 hz 3 u n n 1 1 2 3 P 3 J W J J 2 h2 h2 h h n nnr n2 1 1 1 h
若干薄透镜组成的薄透镜系统
S
1 k
k
I
hi Pi
1
k
S
2 2 u u u u u u P (1/ n) n 1/ n 1/ n n n u u u u u u W (1/ n) n 1/ n 1/ n n n
S V ( S III S IV )
k
ip i
色差
1 位置色差： lch nu2
dn dn C , C luni I I n n 1 ip 1 k 倍率色差： ych CII , CII CI 6 nu 1 i
d1 4, d2 2
r 1 61.84 r2 43.83
r3 128.85
d1 4
d2 2
K9 ZF2
12
已知参数，d光边缘光线（h＝12.5），近轴光线，和F, C 光的 带光线（h＝8.8375）光路计算边光球差和带光色差
Lm l 98.023 97.863 0.160 Lm ,Z LF LC 97.967 97.906 0.061 Lch
9
1 OSC0 h 2 BI (nI , I , I， 2 ）＋B II (nII , II , II， 2 ） 2
OSC0 D D2 3 E
2 1 1
10
K 9: n D 1.51637, 64.1 , ZF 2: n D 1.67268, 32.2,
1 k
II
hzi Pi J Wi
1 1 k k hzi 2 hzi 2 Pi 2 J W J i hi hi 1 1 1 k k
k
k
S
1 k 1 k
III
2 S J IV i i 1 k k hzi 3 hzi 2 hzi 2 S V 2 Pi 3 J 2 Wi J i 3 hi hi hi 1 1 1 1 k
第十章 光学设计
• • • • • • • • 第一节 PW形式的初级像差系数 第二节 薄透镜的基本像差参考量 第三节 双胶合薄透镜组基本像差参考量 第四节 单薄透镜 第五节 用PW方法求解初始结构参数实例 第六节 像差校正方法 第七节 优化设计 第八节 实例
1
实例部分
• • • • 第八节 显微物镜的优化设计 第九节 激光光束聚焦物镜优化设计 第十节 激光扫描物镜优化设计 第十一节 非球面镜头优化设计实例
光学系统的 7 种初级像差，分别被 7 个塞得和数决定 单色像差
1 球差： L0 2nu 2
S
1
k
I
, S I luni (i i )(i u )
k ip 1 弧矢慧差： K so S II , S II S I 2nu 1 i k ip 1 像散： xsp S III , S III S II 2 2nu 1 i k 1 2 n n 像曲：x S IV , S IV J p 2 2nu 1 nnr k 1 畸： y SV , p 2nu 1
2、代数法
初级像差理论求解满足成像质量的初始结构 PW法
P ni(i i )(i u) W (i i )(i u )
2 2 u u u u u u P (1/ n) n 1/ n 1/ n n n u u u u u u W (1/ n) n 1/ n 1/ n n n
对带光消色差的要求：带光的像差：
0.254 Lm OSCm 0.000577 0.000 Lch
2 3n 2 n 3 2 2 2 n n 1
L0
1 A n , I , 2 , I AII nII , II , 2 , II 2 I I 2nu 2 a 2 b2 c
8
1 L0 A n , I , 2 , I AII nII , II , 3 , II 2 I I 2nu a112 a2 32 b11 b2 3 c
S
1 k
k
I
hP
1
k
S
1 k
II
h P J W
z 1 1 k
k
k
1 1 nu nu h r n nn
S
1 k
III
S
1 k
IV
k k hz 2 hz 1 u 2 P 2J W J h h n 1 1 1 h k n n 2 J nnr 1
7
二、薄透镜的初级球差：
1 1. 单薄透镜： L0 2nu2
1 SI 2nu2
4 h A
h lu
1 r 1 l
n 2 2 2n 1 2 4n 4 3n 1 2 A 2 2 2 2 n n n 1 n 1
1 r要求的 ＝ 1 r原值 ＋ ,要求的－ Lch ,原值 Lch (nF nC )( LF LC )r原值
13
消色差，得到 r3 123.98 对这一新的面元重新光路计算
L 'ch , z 0.001 L 'm 0.012 f 0.0355
一、薄透镜的初级位置色差： 1. 单薄透镜：
1 2 CI h , lch CI l 2 nu
2
物无穷远： 2. 薄透镜系统：
lch
f
1 nu 2
lch
C
I
1 2 0 1 2 1 2
1 1 1 2 2 2 1 2
2
实际光学系统的设计：非常复杂，一般分为六步：
a) 光学系统的外形尺寸、
b) 初始结构参数、
c) 像差校正、 d) 像质评价、 e) 确定各光学元件的公差， f) 和绘制光学系统图等。
3
初级像差理论求解满足成像质量的初始结构
PW 法
1-1.简单物镜结构计算：单组元镜头，胶合，间隙很小的双分离：孔径视场小 A.双胶合物镜 （小视场，校正色差，球差，近轴慧差）--胶合面：有足够大的 正球差抵消1,3面的负球差，伴随大孔径要求，导致大的正高级 球差（大于1,3面的负高级量和），系统因此有正高级球差。
OSC 0.00049
如果球差需要矫正，采用对透镜组整体弯曲的方法，基本上保持 色差不变
中间的空气间隔，是带球差和正弦差矫正的因素
14
I 0.02013, II 0.01013
2 0.022455, 3 0.022457 或 2 0.014190， 3 0.053187
三、Βιβλιοθήκη Baidu透镜的正弦差：OSC 1 0 2J
S
II
SII luni p (i i)(i i ) S I
ip i
1 2 n 1 2n 1 n 2 OSC0 h 1 1 2 n n n 1
或
1 2 n 1 2n 1 n 2 OSC0 h 2 2 2 n n n 1
i h 第i个透镜组总光焦度
n
i
组成第i个透镜组的各个透镜的光焦度
两种特殊情况：1） 相接触的单组薄透镜（双胶合） ——光线的高度 h 相同
S S S S
I II
hP hz P JW hz 2 hz P 2J W J 2 总 h h 2 J
2
2
（ / n）
0
当光阑与薄透镜组重合，参量P仅表示初级球差，W仅表征初级慧差， 像散为常数，畸变为0. 色差中初级倍率色差也自动为0.所以单个 双胶合镜组在校正好位置色差的基础，同时P=W=0 可行。
P W ==镜组的的内部结构参数，物体的位置 有关。 分离方法 P W 求两类 （1） 任意位置是的P W；（2） 物无穷远处的
3 2
III
IV
hz hz 2 hz SV h2 P 3J h2 W J h 总 3
两种特殊情况：2） 与光阑重合的接触薄透镜 ——第二近轴在镜组上的高度 hz =0 相同
S S S S S
I II
hP JW J 总
2
III IV V
J J
2 0.02282, r2 43.82
OSC (1.3459 2 0.03022) 0.00049 0.0025
11
1 0.01617, r1 61.84, 3 0.007761, r3 128.85
D2 D2 D2 d x1 tm x2 ＋tm＝ ＋tm 8r1 8r2 8 f (n 1)
焦距f‘mm 相对孔径D/f’ 50 1:3 100 1:3.5 150 1:4 200 1:5 300 1:6 500 1:8 1000 1:10
如果后面有厚度的平行平板，还需保留相当的负色差和球差补 偿平板产生的正的像差
nF nD nC
球差 n
4
1、缩放法
光学技术手册，专利文献，找到与目标光学特性相近的 结构，在此基础作整体缩放
nF 1.52196, nF 1.68747,
n 1.51389 C n 1.66662 C
1 1 1 2 2 2 1 2
I 0.02013, II 0.01013
2 L0 (19090 2 871.33 2 9.943) 0
看出，初级像差已经过矫正，所以必须对高级像差迚行校正， 顺序为先色差，再球差。正弦差通过选择玻璃来满足。 色差的矫正量不大时，一般修改最后一面半径～相当于在最后一 块透镜上加一块相同材料的薄透镜（r1为原 r3 ，r2为修改后半径
LC LF LC 1 1 LF (nF nC ) LC LF LF LC r1 r2
球差和正弦差都需要校正
光学系统的 7 种初级像差，分别被 7 个和数决定
初级像差—二条近轴光线在折射面上的高度和 P，W 的函数
2 2 u u u u u u P (1/ n) n 1/ n 1/ n n n u u u u u u W (1/ n) n 1/ n 1/ n n n
S
1
V
1
k
k k k hz 3 hz 2 hz 3 u n n 1 1 2 3 P 3 J W J J 2 h2 h2 h h n nnr n2 1 1 1 h
若干薄透镜组成的薄透镜系统
S
1 k
k
I
hi Pi
1
k
S
2 2 u u u u u u P (1/ n) n 1/ n 1/ n n n u u u u u u W (1/ n) n 1/ n 1/ n n n
S V ( S III S IV )
k
ip i
色差
1 位置色差： lch nu2
dn dn C , C luni I I n n 1 ip 1 k 倍率色差： ych CII , CII CI 6 nu 1 i
d1 4, d2 2
r 1 61.84 r2 43.83
r3 128.85
d1 4
d2 2
K9 ZF2
12
已知参数，d光边缘光线（h＝12.5），近轴光线，和F, C 光的 带光线（h＝8.8375）光路计算边光球差和带光色差
Lm l 98.023 97.863 0.160 Lm ,Z LF LC 97.967 97.906 0.061 Lch
9
1 OSC0 h 2 BI (nI , I , I， 2 ）＋B II (nII , II , II， 2 ） 2
OSC0 D D2 3 E
2 1 1
10
K 9: n D 1.51637, 64.1 , ZF 2: n D 1.67268, 32.2,
1 k
II
hzi Pi J Wi
1 1 k k hzi 2 hzi 2 Pi 2 J W J i hi hi 1 1 1 k k
k
k
S
1 k 1 k
III
2 S J IV i i 1 k k hzi 3 hzi 2 hzi 2 S V 2 Pi 3 J 2 Wi J i 3 hi hi hi 1 1 1 1 k
第十章 光学设计
• • • • • • • • 第一节 PW形式的初级像差系数 第二节 薄透镜的基本像差参考量 第三节 双胶合薄透镜组基本像差参考量 第四节 单薄透镜 第五节 用PW方法求解初始结构参数实例 第六节 像差校正方法 第七节 优化设计 第八节 实例
1
实例部分
• • • • 第八节 显微物镜的优化设计 第九节 激光光束聚焦物镜优化设计 第十节 激光扫描物镜优化设计 第十一节 非球面镜头优化设计实例
光学系统的 7 种初级像差，分别被 7 个塞得和数决定 单色像差
1 球差： L0 2nu 2
S
1
k
I
, S I luni (i i )(i u )
k ip 1 弧矢慧差： K so S II , S II S I 2nu 1 i k ip 1 像散： xsp S III , S III S II 2 2nu 1 i k 1 2 n n 像曲：x S IV , S IV J p 2 2nu 1 nnr k 1 畸： y SV , p 2nu 1
2、代数法
初级像差理论求解满足成像质量的初始结构 PW法
P ni(i i )(i u) W (i i )(i u )
2 2 u u u u u u P (1/ n) n 1/ n 1/ n n n u u u u u u W (1/ n) n 1/ n 1/ n n n