光学工程与系统设计

1、光学工程光学工程 与与 系统设计系统设计 近年来，光学技术发展迅速，现代光学技术与电近年来，光学技术发展迅速，现代光学技术与电子技术的结合更加快了光学技术的发展。具体体现在：子技术的结合更加快了光学技术的发展。具体体现在：在经典光学基础上创立了新的光学技术，如衍射光学和在经典光学基础上创立了新的光学技术，如衍射光学和全息光学；在传统光学元件基础上创造出新的光学元件，全息光学；在传统光学元件基础上创造出新的光学元件，如非球面透镜、全息透镜、二元光学元件、微阵列透镜；如非球面透镜、全息透镜、二元光学元件、微阵列透镜；在一般光学淹没技术基础上发展和采用光学和全息加工、在一般光学淹没技术基础上发展和采

2、用光学和全息加工、衍射光学元件和微光学元件加工、精密模压成型等现代衍射光学元件和微光学元件加工、精密模压成型等现代高新制造技术。高新制造技术。 光学技术的快速发展，使越来越多的科技人员从光学技术的快速发展，使越来越多的科技人员从事光学及其相关专业，光学研究的领域也逐渐扩大，包事光学及其相关专业，光学研究的领域也逐渐扩大，包括许多新的应用。随着对新型光学仪器可应用性的认识，括许多新的应用。随着对新型光学仪器可应用性的认识，人们会迫切的需要熟悉光学技术。尤其是现代光学工程人们会迫切的需要熟悉光学技术。尤其是现代光学工程方面的认识。方面的认识。 概述概述概述概述 作为光学工程专业的学生，我们更需要建

3、立扎实的作为光学工程专业的学生，我们更需要建立扎实的光学工程的基础知识，并掌握现代光学工程的新技术，光学工程的基础知识，并掌握现代光学工程的新技术，了解光学工程技术发展的新动态。经过本科光学工程专了解光学工程技术发展的新动态。经过本科光学工程专业的学习，我们已经具备了一定的专业基础知识。本课业的学习，我们已经具备了一定的专业基础知识。本课程的学习是要在此基础上进一步深入学习光学工程的理程的学习是要在此基础上进一步深入学习光学工程的理论、技术、和方法。提高我们对光学工程理论及技术的论、技术、和方法。提高我们对光学工程理论及技术的认识、分析及设计能力。认识、分析及设计能力。 本课程采用世界著名光学

4、专家本课程采用世界著名光学专家Warren J. Smith 先生的原著先生的原著 Modern Optical Engineering - The design of optical system 作为教材及参考书，概述作为教材及参考书，概述内容丰富概述内容，不仅有成熟的光学工程理论基础、内容丰富概述内容，不仅有成熟的光学工程理论基础、计算公式和分析方法，而且包括了对光学工程问题的讨计算公式和分析方法，而且包括了对光学工程问题的讨论和解决方案。不仅考虑到光学技术还涉及到经济成本。论和解决方案。不仅考虑到光学技术还涉及到经济成本。作为工科学生，这是一本不可多得的好教材作为工科学生，这是一本不可

5、多得的好教材内容内容光学基础知识光学基础知识几何光线与波阵面光的反射光的折射光的色散透镜对光波的影响透镜对光波的影响棱镜对光波的影响棱镜对光波的影响像的形成像的形成 一级光学一级光学（first order opticsfirst order optics）（高斯光学）（高斯光学）光学系统的基本参数光学系统的基本参数常用参数和术语Object distance Image distance Object to image total trackFocal length /number (or numerical aperture) Entrance pupil diameterEntrance

6、 and exit pupil location and sizeWavelength band Full field of view Magnification (if finite conjugate) Zoom ratio (if zoom system) Back focal distance Image surface size and shape Optical performance:Transmission Relative illumination (vignetting) Encircled energyMTF as a function of line pairs/mm

7、Distortion Field curvature Number of elements Aspheric surfaces Diffractive surfaces Coatings光学系统的基点与基面光学系统的基点与基面光学系统的基点与基面光学系统的基点与基面有效焦距与前、后焦距有效焦距与前、后焦距单透镜的主面位置单透镜的主面位置弯月透镜与反射镜弯月透镜与反射镜正透镜成像负透镜成像物像位置的变化规律负透镜成像规律放大率角放大率角放大率数值孔径和数值孔径和F数数公式汇总公式汇总符号的物理意义符号的物理意义各符号的物理意义各符号的物理意义双光组无限远成像双光组无限远成像双光组有限远成双光组有

8、限远成像像组元的焦距组元的焦距光学不变量光学不变量n对给定的光学系统以下物像关系是一个常数n对任一面 为常数，称为cnnyunun)(cnnyununppp)(pppyyunnuunnu)(ppppyuuynynunuyppppuynunyynunuy用光学不变量计算其它参量用光学不变量计算其它参量n放大率：放大率：物、像面上的不变量物、像面上的不变量n无穷远物体的像高：无穷远物体的像高：透镜面与像面透镜面与像面n望远系统的放大率：望远系统的放大率：入瞳面和出瞳面入瞳面和出瞳面用光学不变量计算其它参量用光学不变量计算其它参量n任意光线的数据可以用两条已知光线来计算：任意光线的数据可以用两条已知

9、光线来计算：n焦距计算：焦距计算：n入瞳入瞳矩阵光学矩阵光学折射方程折射方程过渡方程过渡方程单个折射面成像方程单个折射面成像方程在空气中在空气中通用通用Y-Y 图图物面与像面物面与像面物面倾斜，像面也倾斜，倾斜的规则如图示，像面相对物面有梯形畸变小角度的物像倾斜符合垂轴放大率大角度的物像倾斜符合 Scheimpflug（沙伊姆弗勒）条件投影物镜向上投影相当于倾斜像面，将产生拱形畸变。如果保持物像面平行，投影轴倾斜，可避免上述畸变。第二章第二章 像差像差光线追迹图光线追迹图像差多项式像差多项式Notice that in the A terms the exponents of s and h

10、are unity. In the B terms the exponents total 3, as in s3, s2h, sh2, and h3. In the C terms the exponents total 5, and in the D terms, 7. These are referred to as the first-order, third-order, and fifth-order terms, etc. There are 2 first order terms, 5 third-order, 9 fifth-order, andnth-order terms

11、. In an axially symmetrical system there are no even order terms; only odd-order terms may exist (unless we depart from symmetry as, for example, by tilting a surface or introducing a toroidal or other nonsymmetrical surface).各项的级次各项的级次 It is apparent that the A terms relate to the paraxial (or firs

12、t-order) imagery discussed in Chap. 2. A2 is simply the magnification (h/h), and A1 is a transverse measure of the distance from the paraxial focus to our “image plane.” All the other terms in Eqs. 3.1 and 3.2 are called transverse aberrations. They represent the distance by which the ray misses the

13、 ideal image point as described by the paraxial imaging equations of Chap. 2. The B terms are called the third-order, or Seidel, or primary aberrations. B1 is spherical aberration, B2 is coma, B3 is astigmatism, B4 is Petzval, and B5 is distortion. Similarly, the C terms are called the fifthorder or

14、 secondary aberrations. C1 is fifth-order spherical aberration; C2 and C3 are linear coma; C4, C5, and C6 are oblique spherical aberration; C7, C8, and C9 are elliptical coma; C10 and C11 are Petzval and astigmatism; and C12 is distortion. The 14 terms in D are the seventh-order or tertiary aberrati

15、ons; D1 is the seventh-order spherical aberration.系数的意义系数的意义球差：球差：焦点随孔径的变化焦点随孔径的变化轴向球差轴向球差垂轴球差垂轴球差球差有正负之分：负球差相当于未校正的正透镜产生的球差，故称欠校正球差；负透镜常被用来校正正透镜的球差，因为负透镜产生正球差，故正球差又称为过校正球差。球差曲线球差曲线轴向球差曲线轴向球差曲线垂轴球差曲线垂轴球差曲线彗差：彗差：放大率随孔径变化放大率随孔径变化彗差定义彗差定义彗差特征彗差特征光阑面光阑面像面像面光束截面光束截面象散和场曲象散和场曲象散象散场曲场曲象散和场曲曲线畸变畸变枕形畸变枕形畸变桶形

16、畸变桶形畸变畸变曲线色差色差 轴向色差轴向色差 垂轴色差垂轴色差透镜形状和位置对像差的影响透镜形状和位置对像差的影响球差和彗差随透镜形状的变化球差和彗差随透镜形状的变化（光阑位于透镜处）（光阑位于透镜处）透镜形状变化对像差的影响透镜形状变化对像差的影响光阑与透镜重合时的像差光阑与透镜重合时的像差n球差随透镜的形状改变球差随透镜的形状改变n彗差随透镜的形状改变，球差最小时彗差为彗差随透镜的形状改变，球差最小时彗差为0n光阑与透镜重合时，若干种像差：象散、场曲光阑与透镜重合时，若干种像差：象散、场曲、轴向色差为常数，与透镜形状无关、轴向色差为常数，与透镜形状无关n畸变与放大率色差均为畸变与放大率色

17、差均为0n光阑位置的改变不会影响球差和位置色差光阑位置的改变不会影响球差和位置色差n光阑位置移动对其余像差均有影响，其中影响光阑位置移动对其余像差均有影响，其中影响最大的是象散和彗差最大的是象散和彗差光阑在不同位置时对斜光束入射光阑在不同位置时对斜光束入射的影响的影响光阑位置移动对像差的影响光阑位置移动对像差的影响（透镜形状固定）（透镜形状固定）光阑位置移动对像差的影响光阑位置移动对像差的影响光阑位于光阑位于Nature位置时透镜形状变化位置时透镜形状变化对像差的影响对像差的影响光阑位于光阑位于Nature位置时透镜形位置时透镜形状变化对像差的影响状变化对像差的影响像差随孔径和视场的变化像差随

18、孔径和视场的变化波像差波像差实际波面与理想波面之差实际波面与理想波面之差像差校正像差校正球差的校正与剩余球差球差的校正与剩余球差色差的校正与剩余色差色差的校正与剩余色差二级光谱二级光谱色差随孔径的变化色差随孔径的变化色球差色球差场曲与象散的校正场曲与象散的校正光线相交曲线与像差的级次光线相交曲线与像差的级次欠校正球差过校正球差欠校正带球差欠校正彗差三级和五级彗差欠校正轴向色差典型的轴外像差曲线第三章第三章 棱镜和反射镜系统棱镜和反射镜系统n棱镜分为两类：折射与反射n折射棱镜主要用于产生色散：如光谱仪n反射棱镜主要用于转折光路色散棱镜色散棱镜薄棱镜n垂直入射n一般入射n色散消色差棱镜：消色差棱镜

19、：（光线偏折但不产生色散）（光线偏折但不产生色散）偏转色散求解直视棱镜：直视棱镜：（光线不偏折但有色散）（光线不偏折但有色散）设偏转D12为0，但色散dD12不为0，可以得到直视棱镜如果需要较大的色散，可以将多块棱镜组合构成直视棱镜反射棱镜n反射棱镜大多依靠全反射实现光束反射n反射棱镜依照反射定律反射光线n反射成像引起坐标变化n成像系统中的反射棱镜相当于平行平板反射棱镜成像直角棱镜恒定偏角棱镜和道威棱镜屋脊棱镜正像棱镜系统多种正像棱镜系统斜方棱镜和光束分列器设计棱镜系统棱镜的口径计算第四章 光阑与孔径典型的孔径光阑和视场光阑什么是入瞳和出瞳如何在光路中查看光瞳、孔径光阑和视场光阑渐晕消杂光光阑

20、防眩光光阑挡板光阑远心光阑孔径与像面照度n孔径光阑与像面的照度有关轴外像面的照度下降为轴上点照度的cos4角度景深与焦深景深光学系统的分辨力n光学系统的衍射 物点所成的像受光阑的限制，实际为一衍射斑 衍射斑的大小决定了系统的理论分辨率 光谱仪的分辨力棱镜光谱仪的分辨力光栅光谱仪的分辨力第九章 光学器件n望远系统望远系统的应用望远系统的应用n望远系统可用作激光扩束器；n当望远系统插入在另一光学系统的平行光路中时，可以改变该系统的焦距、光焦度、视场角等；n望远系统可对近距离物体成像，其物像放大率为一常数，即为MP的倒数。n如果将光阑设置在第一透镜组的焦面上，可以获得双远心光路场镜与中继透镜场镜与中

21、继透镜 场镜置于中间想的位置 场镜不改变原系统的光焦度 场镜可减小后续透镜的高度 场镜的连续使用即成为中继透镜 中继透镜用来长距离传输图像（如潜望镜、内窥镜）内窥镜的最优结构内窥镜的最优结构n以限定的最大横向尺寸确定场镜的直径；n物镜的焦距为场镜的直径除以全视场角；n中继透镜的位置为中继透镜的直径乘以物镜的F数n中继透镜的焦距以确保物镜所成的像以一倍的放大率（绝对值）方式传输。n所有的中继透镜和场镜具有同样的参数渐晕与场镜放大镜与显微系统放大镜与显微系统测距仪的工作原理测距仪的工作原理菲涅尔透镜测距系统单反镜头采用的测距系统测距系统有三个组件：物镜，场镜，目镜。场镜由图所示的菲涅尔透镜构成：

22、外部区域相当于场镜的作用，将边缘视场送入目镜； 中心部分，测距。 中部区域由三角锥形棱镜构成，将未聚焦的图像夸大模糊辐射计与红外探测器通常由物镜与缩像的光学器件组成，后者是为了减小光斑的尺寸，满足小尺寸的接收器的需求。光锥缩小光斑导光管匀光器件光纤传像光纤束梯度折射率光纤变形系统变焦系统n物像共轭位置不变，成像系统的焦距连续变化使得放大率连续变化的光学系统为变焦系统n比较系统为光学变焦和机械变焦，机械变焦可以做到焦距连续变化，但非线性变化n光学变焦可以实现特定的焦距变化。单透镜变焦变焦与补偿变焦凸轮曲线光学变焦第十一章 像质评价n波像差n点列图n中心点亮度n传递函数波像差波像差的构成含有初级球差及离焦的波像差离焦至1/2球差位置时n此时最大波像差发生在Y=0.707处，最大波像差值是理想像点位置处的1/4倍n对应的边缘球差五级球差情况波像差最佳离焦点Y=1处波像差最大波像差位于五级球差且边光球差校正为0波差多项式比较中心点亮度几何能量分布点扩散函数和线扩散函数一物体被光学系统成像，每一点或每一线将被光学系统所成的像为以模糊点或模糊线，这个点或这条线的截面图就是点扩散函数或线扩散函数调制传递函数调制度（对比度）不同频