光学设计基础PPT课件

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光学系统设计基础 知识
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第一章 象差综述
§1.几何象差
（1）概述：理想光学系统观点 两个假定
①必须是充分小孔径、视场 ②或是0孔径、0视场 才能成完善像
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实际上这种理想系统是无意义的 ∵ ①必须要以一定宽度的光束（孔径要求）
② 对一定大小的物体（视场要求） 实际成像
∴不再成完善像，出现失真、变形, 并在白光的照明下出现彩色的象 轮廓……这就是象差
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象差研究： （1）象差的分类 （2）象差产生的原因及危害 （3）光学系统对象差的要求及象质评价
所以总的目的 --完成光学系统及光学元件的设计； 象差分析、象差平衡、象质评价
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（2）象差的分类与表示
分类
轴上点 单白色光 ::光 Ll'F',SC C'
象差 轴外点 单 白光 色:光 :yKF' TC' ,KS' ,XT' ,XS' ,XT' S,yZ'
ts
,
X
t
,
X
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K
T
,
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FC
,
y
Z
大视场 摄影物镜 全部七种象差 大孔径 投影物镜
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简单,双胶合 （双分离） 称小象差系统
无须校正轴上点象 差，主要为轴外点 象差，适当校正光 栏球差，比较复杂
复杂 称为大像差系统
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第二章 光学系统设计过程
§1.概述
所谓光学系统设计就是根据使用要求， 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。
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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： 包括横向尺寸和纵向尺寸，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：
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。
设计光学系统原理图，确定基本光学特性，使其满足给定的技术 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。
在进行外形尺寸计算时，首先要根据要求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。其 次是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。最后是确定系统各部件的基本特性，以 便选择各光组的结构。
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象差的表示 简单表示
（A）轴上点象差（单色象差）：L' , SC'
L' L' l ' 实理
SC KS
A
白光：轴上点位置色差
lFClFlC
LFC LFLC
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例如：单透镜
球差
L' L' l ' 实理
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7
正弦差
SC
K
S
A Q
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8
位置色差
实际：LF
C
LF
LC
近轴：lFC lF lC（ 近轴区）
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。 16
二、光学系统设计过程概述
1、外形尺寸计算 2、初始结构的选型与计算 3、像差校正和平衡 4、像质评价
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§2 光学系统的外形尺寸计算
一、外形尺寸计算的任务
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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。
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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。
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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
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§3 光学系统初始结构的计算方法
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。
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一、代数法-PW方法
光学设计中用PW方法目的是按初级象差 理论求取光学系统的初始结构，以供作光路 计算校正象差之用。在求解光学系统的初始 结构时，按初级象差公式计算，并略去透镜 的厚度，因此，它是一个近似解，其近似程 度决定于所设计的系统的视场和孔径。
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PW形式初级像差系数
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SI
即色差在近轴区也存在
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（B）轴外点象差（单色象差）
彗差
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像散、场曲
Xts XtXs
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畸变
桶形 畸变
yZ-yZy
枕形 畸变
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倍率色差（轴重色差）
yFC yFyC
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§2.光学系统的象差要求
类型
象差要求
镜头结构
小视场 显微物镜 大孔径 望远物镜
L,SC,lFC
大视场 目镜
小孔径
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二、 从已有资料中选择初始结构的方法
随着计算机的发展和光学设计技术的提高， 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。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结构，不但会给 设计者节省好多时间，而且也容易获得成功。尤 其是，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。