光学设计-2012光学系统设计 典型成像光学系统

光学系统设计课堂教学16学时典型成像光学系统成像质量评价成像光学系统设计的一般步骤设计作业测量显微镜光学系统设计考核内容ZEMAX光学系统设计问题讨论上机16学时ZEMAX软件练习设计一显微镜系统典型成像光学系统1眼睛2目视光学系统3摄影系统和投影系统4光学系统的外形尺寸设计视度、调节能力、景深1眼睛的调节能力表示为称为远点视度，2调节能力A与年龄的关系14年龄调节能力A03调节能力、近视眼、远视眼、景深R和P分别表示远点和近点到眼睛物方主点的距离称为近点视度1眼睛光路图中的眼睛眼睛光路图中的眼睛眼睛眼睛的缺陷及其矫正近视眼的矫正远视眼的矫正分辨率和瞄准精度1）眼睛能分辨两个很靠近的点的能力称为眼睛的分辨率。极限分辨角为1,在明视距离处对应的线距离约为00725毫米。2）在光学测量中，常用某种标志对目标在垂直于光轴的方向上进行重合或置中，这一过程称为瞄准，此标志即瞄准标志。瞄准后，偏离完全重合或置中的程度称为瞄准精度分辨率和瞄准精度1123）分辨率和瞄准精度的关系4）分辨率概念适用于观察仪器，而瞄准精度概念适用于测量仪器。不同瞄准方式有不同的值。视觉放大率1）定义是直接看物体时物体对眼睛的张角，是通过目视光学系统观察物体时，其像对眼睛的张角。应用在目视光学系统。2）其它的放大率及应用1、横向（垂轴）放大率2、角放大率3、轴向放大率放大镜和目镜显微镜显微镜称为光学筒长物镜的垂轴放大率，目镜的视觉放大率或ZEMAX中的显微镜光路物镜目镜棱镜显微镜1）显微物镜的数值孔径NANSINU与显微镜的物方分辨率的关系2）显微镜的线视场为3）显微镜的景深随着倍率的增大，显微镜景深会急速减小。景深大好还是小好4）显微镜有效放大率的确定观察显微镜测量显微镜显微镜的物镜1）显微镜物镜的光学性能参数主要性能参数是数值孔径NA和垂轴放大率。2）显微镜物镜的类型物镜折射式反射式折反射式消色差物镜复消色差物镜平像场（复）消色差物镜显微镜物镜的类型低倍物镜36倍中倍物镜820倍高倍物镜40倍平像场复消色差物镜反射式物镜显微镜物镜显微镜的目镜显微镜目镜的光学性能参数1）像方视场角2）焦距3）出瞳距4）视度调节目镜轴向移动5）工作距离S常用目镜型式冉斯登目镜开涅尔目镜对称式目镜无畸变目镜艾尔弗目镜目镜光路图眼睛显微镜的照明系统透射光照明系统临界照明柯拉照明反射光照明系统显微镜的照明系统例一台生物显微镜的分辨率，求该显微镜的放大率、物镜和目镜的放大率、物镜的数值孔径、物镜的焦距以及工作距离。解1）显微镜的有效放大率2）物镜的数值孔径3）考虑到物镜的放大率与数值孔径的关系，取物镜的放大率为则目镜的放大率为4）一般生物显微镜共轭距国家规定为195毫米，则工作距离，取实际放大率为MM物镜的焦距MM显微镜视觉放大率或望远镜望远镜分类1）观察（分辨）2）瞄准、测量3）平行光束的扩束、缩束4）改变光束发散角5）改变组合系统的焦距望远镜的作用望远镜场镜和渐晕望远镜的放大率的确定1根据望远镜的用途确定视觉放大率对于观察望远镜，有对于测量望远镜，有2根据物镜口径确定视觉放大率根据衍射理论和瑞利判据，有为充分利用望远镜的分辨率，有望远镜的放大率的确定例经纬仪望远镜视觉放大率，使用夹线瞄准形式，求望远镜的瞄准精度。解夹线瞄准形式下眼睛的瞄准精度，则望远镜的瞄准精度例天文望远镜物镜口径D1000MM，问视觉放大率应取多少解实际放大率可取该值的两倍，望远镜的物镜1望远物镜的光学特性望远物镜的光学特性用焦距相对孔径视场角22望远物镜的类型折射式望远物镜反射式望远镜物镜折反射式望远物镜摄影系统和投影系统摄影系统的工作原理1摄影系统的工作原理2摄影物镜的光学参数及其作用1）焦距（长焦、短焦、变焦）2）相对孔径作用（线/毫米）1、物镜的像面分辨率2、视场中心的像面照度3）视场角2相对孔径倒数值，称其为F数与光圈数。摄影物镜的类型普通摄影物镜长焦距摄影物镜（摄远物镜）短焦距摄影物镜（反摄远物镜）变焦距摄影物镜摄远物镜焦距300MM反摄远物镜焦距50MM投影系统1）照明系统可分为透射照明和反射照明。为实现物面均匀照明，可采用柯拉照明方式。2）选用倒置的摄影物镜作为投影物镜一般能满足投影系统对相对孔径和视场的要求。3）有的投影系统（如光刻投影系统）对畸变有极高要求。光学系统的外形尺寸设计设计步骤1确定光学系统的结构原理方案2进行外形尺寸的计算设计实例例设计个万能工具显微镜主显微镜系统（不包括照明系统）。主显微镜系统的瞄准精度，工作距离为60MM。解1）确定系统的结构原理方案如图所示，物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合，两者一同经目镜成一放大的虚像。棱镜的型式为斯米特屋脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折45角，以便于观察和瞄准。为简便起见，物镜和目镜均按薄透镜处理。为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。光学系统结构示意图反射棱镜作用转折光轴、转像、倒像、扫描平行平板A棱镜B棱镜展开玻璃平板C等效空气平板等效光路原理图（2）外形尺寸计算1首先绘出光学系统的光路原理图。如图所示，首先将棱镜作为等效空气平板处理。2求实际放大率系统的有效放大率由系统的瞄准精度决定。用米字形虚线瞄准被测件轮廓，得系统有效放大率由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜的放大率均不宜过大。取实际放大率为3求数值孔径4求物镜和目镜的放大率物镜的放大率取小一些，目镜的放大率可适当取大一些，但也不能太大，以免镜目距过短。再综合考虑到物镜放大率和数值孔径的关系以及目镜放大率的通用性，取物镜的放大率目镜的放大率5求目