仪器光学系统设计及成像系统

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可见光：400-760nm 单色光：同一种波长 复色光：由不同波长的光波混合而成
频率和光速，波长的关系
c

在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变
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几何光学的研究对象和光线概念

几何光学研究对象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象

特 点 不考虑光的本性，把光认为是光线
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第一节
光波与光线
一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待，
光波波长
λ
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光的本质是电磁波 光的传播实际上是波动的传播
研究光的本性，并由此来研究各种光学现象
物理光学：
几何光学： 研究光宏观的传播规律和传播现象
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可见光：波长在400-760nm范围 红外波段：波长比可见光长 紫外波段：波长比可见光短
广义多元微分为零 将四条基本定律进行统一概括 光程：几何路径与折射率的乘积 理解：揭示的是光传播的稳定性，即光程具有极 值，光程是极大、极小还是其他定值可以通过变 微分公式算出
少介质，走过什么样的路径，其光程是稳定的。（具有 稳定值或极值）
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6、马吕斯定律
马吕斯定律： 光线束在各向同性均匀介质中传 播时，始终保持与波面的正交性，并且入射波 面与出射波面各对应点之间的光程为定值
用棱镜代替反射镜：减少光能损失
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4、独立传播定律
不同光源发出的光在空间某点相遇，彼此 不发生影响，各自独立传播
理解：独立传播定律与干涉现象区别
不认识的人（不共源，性质差异大）-相遇-各自回家-独立传 播定律 认识的熟人（同源；性质差异小（相位/振幅））-相遇-聊一 会-相互影响-干涉现象
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如果一个物点对应唯一的像点 则平面成像为平面
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符合点对应点，直线对应直线，平面对应平面的像称为 理想像
能够成理想像的光学系统称为理想光学系统
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共轴理想光学系统的成像性质
1.轴上点成像在轴上
B
A’
A
B’
2.过光轴的某一截面内的物点对应的像点位在同一平面内
3.过光轴任一截面内的成像性质是相同的 空间的问题简化为平面问题，系统可用过光轴的一个截面来 代表
A和A′称为共轭点。 A’与A互为物像关系，在几何光学 中称为“共轭”。
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透镜成像原理 正透镜：正透镜中心比边缘厚，光束中心部分走的慢，边 缘走的快。
P P’
A
Q
O
O’
A’
Q’
成实像
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负透镜: 负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，光束 中心部分走得快，边缘走得慢。
A
A’
成虚像
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名词概念
实物空间：系统第一面以前的空间 虚物空间：系统第一面以后的空间 整个物空间包括实物和虚物空间
注意： 虚物的产生 虚像的检测
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第四节
理想像和理想光学系统
为什么要定义理想像 通俗理解：如果要成像清晰，必须一个物点成像为一个像 点 波前理解：入射面为球面波，出射面也为球面波 光束形态理解：入射光为同心光束，出射光也为同心光束 光程理解：同系统任意两条光线走过的光程相等
像：出射光线的交点 实像点：出射光线的实际交点 虚像点：出射光线延长线的交点

• 物：入射光线的交点
•
•
实物点：实际入射光线的交点
虚物点：入射光线延长线的交点
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像空间：像所在的空间
实像空间：系统最后一面以后的空间 虚像空间：系统最后一面以前的空间 整个像空间包括实像和虚像空间
物空间：物所的空间
仪器光学系统设计
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课程基本内容
第一章 几何光学基本 原理 第二章 仪器光学设计 基本理论 第三章 典型成像仪器光学系统设计 第四章 非成像仪器光学系统设计 第五章 仪器光学系统装调理论及方法
2
第一章
几何光学基本原理
3
应用光学讲稿
参考书籍
• • • • • 《工程光学》-郁道银、谈恒英（工科经典） 《应用光学与光学设计基础》-迟泽英（内容全面） 《几何光学》-张以谟（使用广泛） 《应用光学》-王文生（光学设计详细） 《光学原理》-马科斯.波恩（德）；埃米尔.沃尔夫 （美）（经典，全面详细）
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共轴理想光学系统的成像性质
4.当物平面垂直于光轴时，像平面也垂直于光轴
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5. 当物平面垂直于光轴时，像与物完全相似
像和物的比值叫放大率
y' y
所谓相似，就是物平面上无论什么部位成像，都是按同一放大 率成像。即放大率是一个常数。
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第二章 仪器光学设计基本理论
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参考书籍
《光学仪器总体设计》-王家琪（航天相机方面 权威） 《光学系统设计》-Milton.Laikin（美）（光学 设计常用） 《光学设计》-刘钧，高明（内容详实全面） 《光机系统设计》-Paul R.Yoder（光机结构最 权威经典参考书） 《反射棱镜与平面镜系统》-连铜淑（装调与稳 像领域最权威详实的著作） 《实用光学技术手册》-机械工业出版社（精简 版光学手册，偶尔闲翻最佳书品）

系统外形尺寸 系统的外形尺寸，即系统的轴向尺寸和径向尺寸。 成像质量要求 按其用途不同的光学系统具有不同的成像质量。望远系统和显微系统中心 视场成像质量要求较高，照相物镜要求整个视场都具有较好的成像质量。


仪器使用要求 根据仪器的使用条件，光学系统应具有一定的稳定性、抗振性、耐热性和 耐寒性，保证仪器在特定的环境下能正常工作。 光学系统的使用要求应考虑技术和物理上实现的可能性。例如：生物显微 镜500NA<Г<1000NA，望远镜0.2D≤Г≤0.75D。
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如果一个物点对应唯一的像点
则直线成像为直线
直线OO为入射光线，其对应的出射光线为QQ，需要证明QQ是OO的像。
在OO上任取一点A，OO可看作是A点发出的很多光线中的一条，A的唯一
像点为A’，A’是所有出射光线的会聚点，A’当然在其中的一条QQ上。 因为A点是在OO上任取的，即OO上所有点都成像在QQ上，所以QQ是OO 的像
第二阶段：根据初步设计结果，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。
I1
R1
O I2
C N
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全反射现象
现象
空气
O1
I2 O2 O3 I0 O4
水
A
I1 R 1
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发生全反射的条件
必要条件： n1>n2 由光密介质进入光疏介质 充分条件： I1>I0 入射角大于全反射角
n2 sin I 0 n1
1870年，英国科学家丁达尔全反射实验
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全反射的应用
4
光学要解决的问题
光的内在？
经典物理学 ·
波动 学说
光的本性问题
物理光学
·
量子物理学
量子光学
几何光学
光线概念
光子 学说
光的外在？
光的传播规律
5
第一节
光波与光线
研究光的意义: 90%信息由视觉获得,光波是视觉的载体 光是什么？弹性粒子－弹性波－电磁波－波粒二象性 1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子 1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波 1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波 1905年：爱因斯坦提出光子假设 20世纪：人们认为光具有波粒二象性
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。
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2.5、光学系统设计要求
光学仪器的用途和使用条件对其光学系统提出了特定要求，在光学 设计之前一定要了解这一特定要求，大致有以下几个方面：

光学系统基本特性 数值孔径或相对孔径、线视场或角视场、系统放大率或焦距。 相关参数：光瞳大小和位置、共轭距等。
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2.6、光学系统设计评价
点列图 弥散斑对应于成像点或光线，集中30%以上的点或光线的圆形 区域为实际有效的弥散斑。适合大像差光学系统。

光学传递函数MTF 傅里叶光学认为光学系统是线性不变系统，传递频率不变。 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。与像差和衍射效果有关。
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2.4、光学系统设计步骤
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 忽略不计的程度。光学设计可以概括为以下几个步骤： （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）
理解：马吕斯定律定义了光线传播方向，同时从波前角度阐 释了光线传播过程中光程的特征
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第三节
光学系统类别和成像的概念
各种各样的光学仪器 显微镜:观察细小的物体 望远镜:观察远距离的物体 各种光学零件——反射镜、透镜和棱镜
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光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求
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光学系统分类
光路可逆
光路可逆 1、现象
原因：光直线传播定律 （光线基本原理） 物象共轭原理 （光学系统基本原理）
A
B
门上猫眼？ 狙击手最怕看到什么？
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应用 光路可逆： 求焦点 光学设计中，逆向计算：目镜，显微物镜等
焦距仪原理？
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5、费马原理
费马原理： 光从一点 A 传播到另一点 B ，无论经过多

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2.7、光学系统应用领域
摄像机、照相机（光学防抖） 光存储（如超大孔径读写物镜） 光通信（如梯度折射率光学材料，微透镜阵列） 光显示（大视场、大孔径物镜） 芯片技术（制造、检测） 医疗设备（治疗、诊断） 紫外、红外观测 军事国防应用 遥感、遥测、侦查
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2.6、光学系统设计评价

光学系统成像质量 点成像弥散斑尺寸，衍射效应或几何像差，弥散斑尺寸 及能量分布，图像对比度衰减，系统整体质量。

像质评价方法
a瑞利判断：实际波面与理想波面之间的最大波像差小于
1/4波长，此波面可看作是无缺陷的。
b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
1、光在同一种介质中的传播； 2、光在两种介质分界面上的传播。
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二、几何光学基本定律
1、光线在同一种均匀透明介质中时：
成分均匀
透光
直线传播定律·
2、光线在两种均匀介质分界面上传播时，
反射定律
3、 折射定律
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AO: 入射光线 OB: 反射光线
A
N
B
OC: 折射光线
NN: 过投射点所做的分界面法线 I1: 入射光线和分界面法线的夹角 ，入射角 R1: 反射光线和分界面法线的夹 角， 反射角 I2: 折射光线和分界面法线的夹角 ，折射角
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2.1、仪器光学理论-概念
仪器光学课程主要讲述光学理论在仪器设计领域的工程应用 what：仪器中的光学总体技术

when：1979年，薛鸣球院士首次提出，仪器中光学总体设计
why： 光学总体设计是光学仪器设计的先行和关键 how： 技术指标 光学方案 机电控一体化
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2.2、仪器光学理论-课程内容
会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转
负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜
发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转
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透镜作用－－－成像
A
A’
A’点称为物体A通过透镜所成的像点。而把A称为物点
A′为实际光线的相交点，如果在A′处放一屏幕，则可以
在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。
按有无对称轴分： 共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统：没有对称轴线 按介质分界面形状分： 球面系统：系统中的光学零件均由球面构成
非球面系统：系统中包含有非球面
共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一条 对称轴线
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成像基本概念 透镜类型 正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜
人眼光学系统 放大镜光学系统 成像光学系统设计 显微光学系统 望远光学系统 仪器光学设计 照相光学系统
照明光学系统（能量）
非成像光学系统设计
激光光学系统（测量）
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2.3、光学系统设计
设计仪器中的光学系统，大体上可分为两个阶段。

第一阶段：根据仪器总体技术要求（性能指标、外形体积、重量及相 关技术条件），从仪器总体（光学、机械、电路及计算技术）出发， 拟定光学系统原理图，并初步计算系统外形尺寸，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”。
光线是能够传输能量的几何线，具有方向 光波的传播问题就变成了几何的问题所以称之为 几何光学
当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、 衍射时，再采用物理光学的原理
光线是光学系统简化设计的重要前提，是成像光学系统设计 的理论基础
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第二节
几何光线基本定律
一、光的传播现象的分类
灯泡
空气
玻璃
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光的传播可以分类为：