(完整版)第二章光学系统设计概要_新
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光学系统设 计概要
广学 明德 海纳 厚为
❖光学仪器及其发展 ❖光学设计及其发展 ❖应掌握的光学设计基础
2.1 光学仪器的发展
2.1.1光学仪器发展的基础理论 ❖ 古典理论——几何光学或应用光学
波动光学时期
量子光学时期
现代光学时期
2.1.2光学仪器的类别
❖ 光学计量仪器 ❖ 物理光学仪器 ❖ 显微镜 ❖ 测绘仪器 ❖ 光学测试仪器 ❖ 天文光学仪器 ❖ 军用光学、光电仪器 ❖ 医用光学仪器 ❖ 照相机、摄像机 ❖ 投影机、电影机械
3）像差校正、平衡与像差评价
初始结构选好后，要在计算机上进行光路计算，或用像差 自动校正程序进行自动校正，然后根据计算结果画出像差曲线 ，分析像差，找出原因，再反复进行相差计算和平衡，直到满 足成像质量要求。
4、长光路的拼接与统算
以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的 拼接与统算。若结果不合理，则反复试算并调整各光组的位置 与结构，直到达到预期的目的为止。
2.2 光学系统设计的具体过程和步骤 2.2.1 光学系统设计的具体过程
1、制定合理的技术参数 从光学系统对使用要求满足程度出发、制定光学系统 合理的技术参数，这是设计成功与否的前提条件。 2、光学系统总体设计和布局 光学系统总体设计的重点是确定光学原理方案和外形 尺寸计算。为了设计出光学系统的原理图，确定基本光学 特性，使其满足给定的技术要求，首先要确定放大率（或 焦距）、线视场（或角视场）、数值孔径（或相对孔径） 、共轭距、光阑位置和外形尺寸。一般都按理想光学系统 的理论和计算公式进行外形尺寸计算。
Leabharlann Baidu
2.3 仪器对光学系统性能与质量要求
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。因此，在进行光学设计 之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起 来有以下几个方面。
2.3.1 光学系统的基本特性
必要时可以进行技术答辩
2.2.2 光学设计的设计步骤
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急的程度。光学设计 可以概括为一下几个步骤：
（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） 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。
2.2光学设计及其发展
2.2 光学设计的发展概况 2.2.1 光学设计的概念
光学设计所要完成的工作应该包括光学系统设 计和光学结构设计。我们主要讨论光学系统设计。
光学系统设计就是根据仪器所提出的使用要求 ，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学 系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
我们要为一个光学仪器设计一个光学系统， 大体上可分为两个阶段。第一阶段是根据仪器总 体的技术要求（性能指标、外形体积、重量及相 关技术条件），从仪器的总体（光学、机械、电 路及计算技术）出发，拟定出光学系统的原理图 ，并初步计算系统的外形尺寸，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”。
第二阶段是根据初步设计的结果，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 差设计相对来说比较容易；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。
2.2.2 光学设计的发展状况
光学设计的发展经历了人工设计和光学自动设计的 两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参 数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序 进行设计的巨大飞跃。国内外已出现了不少功能相当 强大的光学设计CAD软件。如今，计算机辅助设计已在 工程光学领域中普遍使用，从而使设计者能快速、高 效地设计出优质、经济的光学系统。然而，不管设计 手段如何改变，光学设计过程的一般规律任然是必须 遵循的。
2.1.3光学仪器的发展
❖ 二战以前，光学仪器初步形成系列。光学仪器制造已有 近300年历史。从19世纪后期起，德国在光学设计与制 造方面领先世界。
❖ 二战至1960年，主要表现在：改进结构，扩大使用范围 和增加产量，提高质量等方面。
❖ 1960年以来，数字读数，激光，全息，光纤，自动化， 光电子和计算机等新技术的相继应用，创新了许多新的 成像技术、新的光学材料、新的加工方法和新的光学器 件。光学仪器取得了前所未有的成就。
2）初始结构的计算和选择 初始结构的确定常用以下两种方法： （1）解析法（代数法）：即根据初级像差理论求解 初始结构。这种方法是根据外形尺寸计算得到的基本特 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，即确定系统光学零件的曲率半径、透镜的厚度和 间隔、玻璃的折射率和色散等等。 （2）缩放法：即根据对光组的要求，找出性能参数 比较接近的已有结构，将其各外形尺寸乘以缩放比K，得 到所要求的结构，并估计其像差的大小或者变化趋势。
在上述计算时还要结合机械结构和电器系统，以防止这 些理论在机械结构上无法实现。每项性能的确定一定要合 理，过高的要求会使设计结构复杂，造成浪费；过低的要 求会使设计不符合要求。因此，这一步骤必须慎重。
3、光组的设计
一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段
1）选型
光组的划分，一般以物象共轭面之间的所有光学零件为 一个光组，也可将其进一步划小。选型是光学系统设计的 出发点，选型是否合理、适宜是设计成败的关键。
5、绘制光学系统图、部件图和零件图
绘制各种图纸，包括确定各光学零件的相对位置， 光学零件的实际大小和技术条件。这些图纸为光学零件 的加工、校验，零部件的胶合、装配、校正，乃至整机 的装调、测试提供依据。
6、编写设计说明书
设计说明书是进行光学设计整个过程的技术总结， 是进行技术方案评审的主要依据。
7、进行技术答辩
广学 明德 海纳 厚为
❖光学仪器及其发展 ❖光学设计及其发展 ❖应掌握的光学设计基础
2.1 光学仪器的发展
2.1.1光学仪器发展的基础理论 ❖ 古典理论——几何光学或应用光学
波动光学时期
量子光学时期
现代光学时期
2.1.2光学仪器的类别
❖ 光学计量仪器 ❖ 物理光学仪器 ❖ 显微镜 ❖ 测绘仪器 ❖ 光学测试仪器 ❖ 天文光学仪器 ❖ 军用光学、光电仪器 ❖ 医用光学仪器 ❖ 照相机、摄像机 ❖ 投影机、电影机械
3）像差校正、平衡与像差评价
初始结构选好后，要在计算机上进行光路计算，或用像差 自动校正程序进行自动校正，然后根据计算结果画出像差曲线 ，分析像差，找出原因，再反复进行相差计算和平衡，直到满 足成像质量要求。
4、长光路的拼接与统算
以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的 拼接与统算。若结果不合理，则反复试算并调整各光组的位置 与结构，直到达到预期的目的为止。
2.2 光学系统设计的具体过程和步骤 2.2.1 光学系统设计的具体过程
1、制定合理的技术参数 从光学系统对使用要求满足程度出发、制定光学系统 合理的技术参数，这是设计成功与否的前提条件。 2、光学系统总体设计和布局 光学系统总体设计的重点是确定光学原理方案和外形 尺寸计算。为了设计出光学系统的原理图，确定基本光学 特性，使其满足给定的技术要求，首先要确定放大率（或 焦距）、线视场（或角视场）、数值孔径（或相对孔径） 、共轭距、光阑位置和外形尺寸。一般都按理想光学系统 的理论和计算公式进行外形尺寸计算。
Leabharlann Baidu
2.3 仪器对光学系统性能与质量要求
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。因此，在进行光学设计 之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起 来有以下几个方面。
2.3.1 光学系统的基本特性
必要时可以进行技术答辩
2.2.2 光学设计的设计步骤
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急的程度。光学设计 可以概括为一下几个步骤：
（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） 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。
2.2光学设计及其发展
2.2 光学设计的发展概况 2.2.1 光学设计的概念
光学设计所要完成的工作应该包括光学系统设 计和光学结构设计。我们主要讨论光学系统设计。
光学系统设计就是根据仪器所提出的使用要求 ，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学 系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
我们要为一个光学仪器设计一个光学系统， 大体上可分为两个阶段。第一阶段是根据仪器总 体的技术要求（性能指标、外形体积、重量及相 关技术条件），从仪器的总体（光学、机械、电 路及计算技术）出发，拟定出光学系统的原理图 ，并初步计算系统的外形尺寸，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”。
第二阶段是根据初步设计的结果，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 差设计相对来说比较容易；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。
2.2.2 光学设计的发展状况
光学设计的发展经历了人工设计和光学自动设计的 两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参 数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序 进行设计的巨大飞跃。国内外已出现了不少功能相当 强大的光学设计CAD软件。如今，计算机辅助设计已在 工程光学领域中普遍使用，从而使设计者能快速、高 效地设计出优质、经济的光学系统。然而，不管设计 手段如何改变，光学设计过程的一般规律任然是必须 遵循的。
2.1.3光学仪器的发展
❖ 二战以前，光学仪器初步形成系列。光学仪器制造已有 近300年历史。从19世纪后期起，德国在光学设计与制 造方面领先世界。
❖ 二战至1960年，主要表现在：改进结构，扩大使用范围 和增加产量，提高质量等方面。
❖ 1960年以来，数字读数，激光，全息，光纤，自动化， 光电子和计算机等新技术的相继应用，创新了许多新的 成像技术、新的光学材料、新的加工方法和新的光学器 件。光学仪器取得了前所未有的成就。
2）初始结构的计算和选择 初始结构的确定常用以下两种方法： （1）解析法（代数法）：即根据初级像差理论求解 初始结构。这种方法是根据外形尺寸计算得到的基本特 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，即确定系统光学零件的曲率半径、透镜的厚度和 间隔、玻璃的折射率和色散等等。 （2）缩放法：即根据对光组的要求，找出性能参数 比较接近的已有结构，将其各外形尺寸乘以缩放比K，得 到所要求的结构，并估计其像差的大小或者变化趋势。
在上述计算时还要结合机械结构和电器系统，以防止这 些理论在机械结构上无法实现。每项性能的确定一定要合 理，过高的要求会使设计结构复杂，造成浪费；过低的要 求会使设计不符合要求。因此，这一步骤必须慎重。
3、光组的设计
一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段
1）选型
光组的划分，一般以物象共轭面之间的所有光学零件为 一个光组，也可将其进一步划小。选型是光学系统设计的 出发点，选型是否合理、适宜是设计成败的关键。
5、绘制光学系统图、部件图和零件图
绘制各种图纸，包括确定各光学零件的相对位置， 光学零件的实际大小和技术条件。这些图纸为光学零件 的加工、校验，零部件的胶合、装配、校正，乃至整机 的装调、测试提供依据。
6、编写设计说明书
设计说明书是进行光学设计整个过程的技术总结， 是进行技术方案评审的主要依据。
7、进行技术答辩