光学设计方法及有关重要说明

§ 3－3 从已有资料中选择 初始结构的方法 人们已经设计出很多性能优良的 各种光学系统，并把这些资料载 入技术档案和专利文献中。结构， 不但会给设计者节省好多时间， 而且也容易获得成功。设计高性 能的复杂物镜时，一般都从专利 文献中选择初始结构。
有些光学设计手册也 专门收集了有关设计 资料。如能从这些专 利文献中选择一些光 学特性与所设计的物 镜尽可能接近的结构 做为初始
§ 4－4 像差的综合
在设计一个较复杂的光学 系统时，常常整个系统分 成几部分，对每个部分单 独进行光学设计，然后再 将几个部分组合在一起成 为整个系统
在采用这种方法进行设计时，就 必须找出各部分的像差与整个系 统的组合像差之间的关系，以便 由已知的各单独部分的像差求出 它们组合成整个系统的组合像差， 这就是像差的综合问题。另外， 常常选用像差已知的光学部件组 合成整个系统，然后用像差综合 的办法评定其成像质量。
§ 4－6 初级像差系数的校正
1、单参数修改 2、整体弯曲
3、交换光焦度
§ 4－7 减小剩余像差的方法
1、重新分配光焦度
可使高级像差大的那个 光组的光焦度减小曲率半径 增大，因此原来高级像差大 的面的入射角也就显著减小， 从而减小了高级像差。
2、选用高折射率的玻 璃 在光焦度一定时， 折射率越高，曲率半 径也就越大，高级像 差越小。
成像质量的要求和光学系统 的用途有关。
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，要求整个视 场都要有较好的成像质量。
4、仪器的使用条件： 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 热性和耐寒性等，以保 证仪器在特定的环境下 能正常工作。
二、光学系统设计过程概 述 根据使用要求，来决定 满足使用要求的各种数 据， 即决定光学系统的性能 参数、外形尺寸和各光 组的结构等
二、典型光学零件的外形尺 寸计算 1. 理想成像理论 2. 渐晕系数
3. 棱镜转像系统 4. 透镜转像系统
5. 场镜
三、开普勒望远镜的外形尺寸计算
已知筒长L、Γ 、ω ，求开普勒望远镜外形尺寸。
例：一开普勒望远镜，筒长L=175mm，Γ=-6，2 ω=7°， D′= 4mm，求外形尺寸。
第三章 光学系统初始 结构的计算方法
为了保持色差不变（或变 化很小），更换玻璃时， 应尽量选用色散（或阿贝 常数）接近的玻璃。另： 若选择的初始结构单色像 差很好，而色差不好，也 可用更换玻璃的方法校正 色差。
四、估算高级像差
在选择已有结构时，有很 多光学特性相近的结构供 我们选择，这要由结构的 高级像差来决定，应该选 高级像差小的那个结构作 为初始结构。
4、像质评价：
根据剩余像差的大小 判断光学系统的成像 质量。剩余像差应在 像差容限内。
第二章 光学系统的外 形尺寸计算
一、外形尺寸计算的任务
拟定光学系统的原理图。合 理的光学系统原理图能够保 证系统得到良好的成像质量。
按技术要求确定光学系统 的基本特性和外形尺寸。 对某些光学系统还要进行 光能量计算。 确定系统各部件的基本特 性，以便选择各光组的结 构。
设计步骤： 一、物镜选型 在光学系统整体设计完 成以后，应根据计算的光 学特性，选择镜头的结构 型式，确定其结构参数r、 n、 d 。
二、缩放焦距 结构选型选好后，它 的焦距不一定完全符 合设计要求，因此必 须缩放焦距。
三、更换玻璃
在国外的专利文献中，物镜选 用的玻璃牌号与国产牌号很多是 不相符的，尤其是一些高性能的 物镜多数采用高折射率的玻璃。 这些玻璃价格昂贵，加工性能差， 在满足设计要求的前提下尽量少 选用这些玻璃，因此必须对已有 的结构更换玻璃
三、像差方程自由项的 选择
方程右边自由项的选择和高级像 差、透镜的厚度有关。因为上述像 差方程式是在假定系统只有初级像 差，并且由薄透镜组成的条件下得 出的。而实际系统的各个透镜都有 一定厚度和存在高级像差，所以为 了补偿这些影响，应该给自由项一 定的数值。
但光学系统是各种各样的， 不同的系统，高级像差也 不一样，很难给出恰当的 数值。对于未知的新系统 只能给零；对于类似的系 统可参考同类结构的像差 数据给出一定的数值。
§ 3－2 用代数法求解初始 结构
一、代数法基本方程 1、和外部参数有关 的像差方程式
（1）光焦度分配 h
（2）校正位置色差 CI
（3）校正倍率色差 CII （4）校正场曲 SIV
求系统各光组的光焦 度、间隔、光线入射 高度和玻璃材料等外 部参数。
2、和内部参数有 关的像差方程式
3、复杂化 将高级像差大的透 镜分裂成两块单透镜 或双胶合透镜，并使 分裂后的总光焦度等 于原来单透镜的光焦 度。
4、加入无光焦度校正板 或不晕透镜 5、利用折射球面的反常 区 6、利用胶合面的折射率 差 7、利用非球面
第五章 光学零件图
§ 5－1 概述
1、光学零件图应在左上角画出“对材料的要求”与“对零件的要 求”的专用表格。若对零件有气泡度要求，可根据需要填写。 2、曲率半径过大时，其曲率允许夸大绘制；透镜表面为平面时， 应标注R∞ 。 3、光学零件图上一般用图形和文字表明倒角要求。若倒角尺寸在 图形上小于2mm，可不绘制倒角图形，只需在倒角处引出细实线， 标注倒角尺寸或用文字说明，不允许倒角的棱应用细实线引出，并 注明尖棱字样。
应保证光组的后主点到下一光 组的前主点之间的距离等于相 应的薄透镜光组之间的距离； 入瞳到第一光组前主点的距离 等于入瞳到薄透镜光组的距离。
因此，过渡后系统的光学 特性基本不变，基本像差 参量P∞ 、W∞ 也不变， 但初级像差系数要发生变 化，因为在实际光学系统 中，由于透镜加厚，使光 线高度h和hZ发生变化。
§ 4－5 计算结果的处理方法
光学系统在计算机上算出各种像 差数据之后，再画出各种像差曲 线。通过像差曲线，可以找出哪 些像差影响光学系统的成像质量， 采取什么样的方法来校正这些像 差，像差经校正和平衡后怎样处 理才能更好的提高成像质量
可以通过改变系统的结构 参数和适当的调整光阑位 置，使系统的像差得到校 正和平衡。然后再通过拦 光和离焦的处理还可使系 统的成像得到进一步的提 高。
第四章 计算结果处理与像差 校正和平衡方法 § 4－1 概述
选好初始结构后，要在计算机上进 行光路计算。算出全部像差，并画 出各种像差曲线。
从像差曲线上就可以找出主 要是哪些像差影响光学系统 的成像质量，从而找出改进 方法，开始进行像差校正。 在着手进行像差校正之前， 要确定一个既满足使用要求， 又能使像差达到最佳校正的 平衡方案。
第一章
引言
一、对光学系统的要 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。
1、光学系统的基本特性：
NA或D/f′，2y或 2ω ，β ，f′
2、系统的外形尺寸：
横向尺寸 纵向尺寸 在设计光学系统时，外形 尺寸计算以及各光组之间 光瞳的衔接都是很重要的。
3、成像质量：
1、外形尺寸计算 设计光学系统原理图，
确定基本光学特性， 满足给定的技术要求，
即确定NA或D/f′、 2y或2ω、β、f′、共 轭距、后工作距、光 阑位置和外形尺寸
2、初始结构的计算和选择 1）根据初级像差理论求解 初始结构： 根据外形尺寸计算百度文库到的基 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 定系统各光学零件的 曲率半径、透镜厚度 和间隔、玻璃折射率 和色散等。
由像差理论可知，当系统的 边缘孔径或视场校正了像差 以后，在系统各带区孔径或 带区视场有最大剩余像差， 它的大小完全由高级像差决 定。因此我们可以用剩余像 差大小来估算高级像差。
五、检查边界条件
在进行像差校正之前一定要检查边界条件， 因为经过缩放以后的结构往往会出现透 镜中心厚度变薄边缘变尖的情况，在设 计时要随时检查，以免浪费时间。对于 正透镜要检查边缘厚度是否变尖；对于 负透镜要检查中心厚度是否太薄。此外 还应注意工作距是否满足要求。边界条 件满足后再开始像差校正就不会出问题 了。
§ 4－2 计算结果的图示法
一、光路图
二、各种像差曲线图 三、渐晕图
所谓像差平衡就是在高级像差 一定的情况下，用改变初级像差 的方法使初级像差和高级像差取 得很好的平衡，在高级像差不能 降低时，要用异号的高级像差补 偿，使各种像差得到最佳匹配， 整个系统达到尽可能好的成像质 量。
§ 4－3 像差平衡方法
§ 3－1 引言
初始结构的计算目的就是 要确定系统的初始结构参数： 曲率半径、透镜的厚度、间 隔、玻璃折射率和色散等。
它的计算方法有两种： 一种是根据初级像差 理论用代数法求解初 始结构；另一种是从 已有的专利文献资料 中选择初始结构。
代数法的实质就是根 据初级像差和结构参 数之间的线性关系建 立一系列像差方程式， 求解这个线性方程组， 得到一个满足像差要 求的初始结构。
四、解方程求初始结构参数
解方程组时，可能会出现两种情况：一种 情况是未知量比方程个数少，这时必须 忽略某种像差，减少方程个数才能求解， 但忽略的像差不能影响系统的成像质量。 第二种情况是未知数比方程个数多，这 时可以增加一些附加条件，再组成一个 方程式，以校正某种像差，但这些附加 条件要合理。
求解时，首先解和外部参 数有关的像差方程式，求 出h、hZ、φ 、n和υ D ， 然后再将这些参数代入和 内部参数有关的像差方程 式中，
（1）校正球差
（2）校正彗差
SI
SII
（3）校正象散
（4）校正畸变
SIII SV
方程式和透镜的弯曲有关， 解这组方程式就可以求 出系统内部参数 Pi 和 Wi ，从而确定系统的 结构参数（r、n、d）
二、校正像差的选择 七种像差没有必要都同时 进行校正，应根据使用要求， 选择一些重要的像差加以校 正。被校正像差数目的选择 和系统的用途、相对孔径、 视场角以及成像质量的要求 有关。
则方程组只包含未知参量 P和 W，再将其规划成 P∞ 、W∞ ，最后解出 P∞ 、W∞ ，再将它变 成P0，再根据 P0 和 CI 选择玻璃组合，计算结构 参数r、d、n。
五、向厚透镜过渡
用代数法求得的初始结构，只 有对薄透镜系统才能保证得到 给定的光学特性。在实际光学 系统中各透镜都有一定厚度， 因此必须将薄透镜系统过渡到 厚透镜。过渡时，必须保持各 光组的焦距及第一近轴光线与 光轴的交角不变。
2）从已有的资料中选择 初始结构： 大视场和大孔径及结构 复杂的光学系统，从已 有的技术资料和专利文 献中选择其光学特性与 所要求的相接近的结构 作为初始结构。
3、像差校正和平衡： 初始结构选好后，要上 机进行光路计算，或用像 差自动校正程序进行像差 自动校正。
根据计算结果画像差曲 线， 分析像差找出原因， 反复进行像差校正和平 衡， 直到满足成像质量要求 为止。
为了简化各种类型光组的计 算，可以把光学系统看成是 由一系列无限薄的光组组成 的。经过简化后的光学系统 就可以用理想光学系统的理 论和公式进行外形尺寸计算。
有些光学系统可以是 这种简化的系统，如： 低倍显微镜、开普勒 望远镜、具有棱镜或 透镜转像系统的望远 镜等；
也有一些光学仪器不能认为是薄 透镜光组，如：照相物镜、广角 物镜、大数值孔径的高倍显微物 镜等。对于这种光学系统的外形 尺寸计算要与求解初始结构一起 进行，它的外形尺寸就是像差校 正好以后的结构尺寸。
此外，还应很好了解 初级像差的性质，知 道哪些像差是无法校 正的，一定要排除那 些无法校正的像差。
在入瞳与光组重合时， 2 J S III， hZ=0
是一个常量，无法校正；
S
V
0
初级畸变自动校正；单透镜、双 胶合透镜、双分离透镜、分离的 两个正光组都无法校正场曲，只 有正负透镜分离或厚透镜才能校 正场曲。了解这些像差性质，就 不会再选择那些无法校正的像差 了。
根据瑞利判据，有特 征意义的是波像差的 最大值，因此最佳像 面选择的标准应该是 使原有波像差的最大 值变为最小。
选择最佳像面位置的原则： 1）像差曲线被最佳像面位 置的纵轴截成尽可能多的 分段，从而将面积分为正 负相间的小块，亦即像差 曲线和最佳像面位置的纵 轴有尽可能多的交点。
2）截出的小面积两两 相等。 3）为使面积相等，像 差曲线应对称于中点。 像差曲线为奇次时是 对称，为偶次时是镜 对称。