光学设计绪精品课件

1、光学设计绪第1页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一课程说明一、本课程的性质和任务光学设计是一门专业课。二、与其他课程的联系在学习本课程前必修的课程有：应用光学、物理光学、工程制图以及简单计算机知识。三、课程教学的基本要求掌握基本的光学设计方法和基本类型系统的设计，依靠光学自动设计程序能独立完成一般光学系统的设计工作。第2页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一四、教材及参考书目1. 教材：光学设计 刘钧、高明 国防工业出版社.2012.012. 应用光学 张以谟 机械工业出版社3.光学设计 袁旭沧 北京理工大学出版社，19884.ZEMAX中文使用手册 讯技

2、光电科技有限公司.光学仪器设计手册（上册） 光学仪器设计手册编辑组，国防工业出版社， 1971第3页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一课程内容及安排：第一章 光学设计概述第二章 像差综述第三章 光学系统的像质评价和像差容限第四章 典型光学系统设计第五章 光学系统的外形尺寸计算第六章 光学系统初始结构的给定第七章 光学设计ZEMAX软件简介第八章 光学制图第九章 现代光学系统概述第4页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一复习： 光学成像的基本理论 几何光学的基本定律一、直线传播定律光线在均匀、透明、各向同性介质中沿直线传播。二、折射定律光线在两介质分界面上的

3、折射遵守以下的规律。第5页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一1、入、折光线和透射点的法线三者在同一平面内；2、入射角和折射角正弦之比为一个与入射角大小无关的常数，即三、反射定律1、入、反光线和透射点的法线三者在同一平面内；第6页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一2、入射角与反射角的绝对值相等。四、光的独立传播定律 理想成像的基本公式一、理想光学系统的定义二、单个折射球面和共轴球面系统的近轴成像公式1、正、负号的规定（1）沿轴线段（2）垂轴线段（3）光线与光轴的交角第7页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一（4）光线和法线的交角（5）折射

4、面之间的间隔2、光线经球面折射式的光路计算公式第8页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一3、近轴光及其光路计算公式根据简单关系：第9页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一三个重要公式：第10页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一4、单个折射球面成像的放大率三放大率之间的关系：第11页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一5、共轴球面系统近轴光过渡公式为：共轴系统的拉赫公式为：第12页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一三个放大率：第13页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一6、球面反射镜反

5、射镜物像关系公式三个放大率：拉赫公式：第14页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一7、理想光学系统的物像关系式（1）高斯公式（2）牛顿公式第15页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一（3）f 和 f的关系式（4）无限远物点理想像高计算公式第16页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一8、光学系统的光阑（1）孔径光阑：限制轴上物点进入系统孔径角 u 的光阑，称为孔径光阑或有效光阑；（2）视场光阑：决定物平面或物空间成像范围的光阑，称为视场光阑；（3）消杂散光光阑：只对非成像的杂散光起作用的光阑，称为消杂散光光阑；（4）渐晕光阑：对轴上点光束没有

6、限制，但对由轴外点发出的充满孔径光阑的光束有限制作用。轴外光束被拦截的现象称为“渐晕”，产生渐晕的光阑称为“渐晕光阑”。第17页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第18页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第19页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第20页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第一章 光学设计概述1 .1 光学设计的概念光学设计所要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。所谓光学系统设计，就是根据仪器所提出的使用要求，设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。第21页，共111页，2022年，

7、5月20日，4点0分，星期一一. 设计光学系统的两个阶段：1. 根据仪器总体的技术要求，拟定光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸。称为“初步设计”或者“外形尺寸计算” ；2. 根据初步设计的结果，确定每个透镜组的具体结构参数。称为 “像差设计”或称“光学设计”。第22页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一二、光学设计的发展过程1、用零件拼搭系统；2、光路计算；3、用初级像差理论求解初始结构；4、像差自动校正与光学CAD。第23页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一1 .2 光学系统设计的一般过程和步骤 一、光学系统设计的一般过程1、制定合理的技术参数；

8、2、光学系统总体设计和布局；3、光学部件（光组、镜头）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。第24页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一（1）选型;（2）初始结构的计算和选择；A、解析法；B、缩放法；（3）像差校正、平衡与像质评价。4、长光路的拼接与统算；5、绘制光学系统图、部件图和光学零件图；6、编写设计说明书；7、必要时进行技术答辩。第25页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一二、光学设计的具体设计步骤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)。第26页，共111页，2022

9、年，5月20日，4点0分，星期一1 .3 现代光学仪器对光学系统性能与质量的要求一、光学系统的基本特性二、系统的外形尺寸三、成像质量四、仪器的使用条件与环境此外，在进行光学系统设计时，还要考虑它应具有良好的工艺性和经济性。第27页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第二章 像差综述 2 .1 轴上点球差 一、球差的定义和表示方法AA,光学系统高斯像面,U,-U-T,L, ,A0,第28页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一A-Um高斯像面A,4L,mU,m-T,5321 ,第29页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一轴上点发出的同心光束经光

10、学系统各个球面折射以后，不再是同心光束，其中与光轴成不同角度的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点有不同的偏离，这种偏离称之为球差，具体定义为；第30页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一球差是入射高度或孔径角的函数,可将球差表示为 或者式中，第一项称为初级球差，第二项称为二级球差，第三项称为三级球差；二级以上球差称为高级球差。 第31页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一球差可用初级和二级两项来表示，即系统的球差可以表示成系统每个面对球差的贡献之和，即所谓的球差分布式。当对实际物体成像时，对于由k个面组成的光学系统，球差的分布式为：第32页，共111页

11、，2022年，5月20日，4点0分，星期一式中 称为光学系统的球差系数， 为每一个面上的球差分布系数，且第33页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一初级球差可以表示为：式中， 称为初级球差系数(也称第一赛得和数)， 为每个面上的初级球差分布系数。第34页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一 二、球差的校正球差是孔径的偶次方函数，因此，校正球差只能使某带的球差为零。 第35页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一对于仅含初级和二级球差的光学系统，当对边缘光校正球差时，在h=0.707hm的带光具有最大的剩余球差。其值是边缘光高级球差的-1/4，

12、如图a所示。若以（h/hm）2为纵坐标，画出球差曲线和初级球差曲线，如图b所示。第36页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第37页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一对单个折射球面而言，由每个面的球差分布式可知，当物点处于三个位置时，其S，可以不产生球差。这三个位置是： ，即。表示物点和像点均位于球面的曲率中心，或者说，垂轴放大率。 ，此时，即物点和像点均位于球面顶点时，不产生球差。第38页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一 ，即，故得同理，像点的位置也可相应地求出 由上两式可见，这一对不产生球差的共轭点在球面的同一边，且都在球心之外，

13、不是使实物成虚像，就是使虚物成实像。这一对共轭点通常称为不晕点或齐明点。 第39页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一对平行平板第40页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一这就是平行平板的精确球差公式。平行平板的初级球差表示式为：第41页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一对单块薄透镜，根据公式 若将球差分布系数公式应用于薄透镜的两个面，经一系列变换和化简后可得初级球差随而变的表示式。对于物体在无穷远的情况，此关系式比较简单，有第42页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一或将其写成第43页，共111页，2022年，5月20

14、日，4点0分，星期一鉴于正负透镜产生不同符号的球差，因此，欲获得一个消球差的系统，必须以正、负透镜适当组合才有可能，最简单的形式有双胶合光组和双分离光组 。第44页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一 2 .2 正弦差及彗差一、彗差子午彗差 第45页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一对于轴外物点，对称于主光线的同心光束，经光学系统后，它们不再相交于一点，在垂轴方向也不与主光线相交，即相对主光线失去对称性。子午彗差的计算公式为：第46页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一弧矢彗差可直接表示为：弧矢彗差 第47页，共111页，2022年，5月

15、20日，4点0分，星期一根据彗差的定义，彗差是与孔径和视场都有关的像差。彗差的级数展开为 式中第一项为初级彗差，第二项为孔径二级彗差，第三项为视场二级彗差 。第48页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一与此相应，初级子午彗差的分布式为：初级弧矢彗差的分布式为：第49页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一上式中， 称为初级彗差系数（或第二塞得和数），而 为系统各面的初级彗差分布（初级彗差分布系数）。第50页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第51页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第52页，共111页，2022年，5月2

16、0日，4点0分，星期一第53页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一值得指出的是，包括彗差在内的所有轴外点垂轴像差，对于对称式光学系统以 成像时，是等于零的。 二、正弦差正弦差表示小视场时宽光束成像的不对称性。垂直于光轴平面内两个相邻点，一个是轴上点，一个是靠近光轴的轴外点，其理想成像的条件是：第54页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一上式为正弦条件。当光学系统满足正弦条件时，若轴上点理想成像，则近轴物点也理想成像，即光学系统既无球差也无正弦差，这就是所谓不晕成像。当物体在无限远时，正弦条件可以表示成第55页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星

17、期一对于近轴物点，用宽光束成像时也不能成完善像，故只能要求其成像光束结构与轴上点成像的光束结构一致，也就是说，轴上点和近轴点有相同的成像缺陷。欲满足上述要求，光学系统必须满足如下条件：这个条件称为等晕条件 。它是当光学系统轴上点成像有剩余球差时，近轴点或垂轴小面积成同质像的充要条件。 第56页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一当物体位于无穷远时，上式可表示为：等晕成像如图所示： 第57页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一表示近轴点与轴上点的成像质量不一致则其差以 表示，即是正弦差。当物体在有限远时，其正弦差为：当物体在无限远时，其正弦差为：第58页，共1

18、11页，2022年，5月20日，4点0分，星期一 显微镜物镜和望远镜物镜等小视场系统，轴上点球差一般校正得很好，虽有很少量的剩余球差，可认为是近于完善的，因此也认为它们是满足正弦条件的。这种计算，要对计算过轴上点球差的所有光线进行，并将其画成曲线，称为正弦差曲线。如下图所示，为一显微物镜的正弦差曲线。第59页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第60页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一由正弦差的表示式可知，它与视场无关，只是孔径的函数，其随孔径变化的规律与球差一样，故其级数展开式可写成第一项称为初级正弦差，第二项为二级正弦差，其余类推。 第61页，共111

19、页，2022年，5月20日，4点0分，星期一初级正弦差的分布式可以写成：式中， 称为初级彗差系数（或第二赛得和数），而 为系统各面的初级彗差分布（初级彗差分布系数）。第62页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一因分布式中含有与光阑位置有关的项 ，因此光阑的位置可以使正弦差发生变化。 ，即光阑在球面的曲率中心； ，即物点在球面顶点； ，即物点在球面曲率中心 ； ，即物点在 处。均不产生正弦差。 第63页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一通常认为，正弦差之值小于0.00250.00025时，系统已满足了等晕条件。对平行平板:第64页，共111页，2022年，5

20、月20日，4点0分，星期一平行平板初级彗差系数为：初级正弦差为：初级彗差与正弦差的关系为 ：第65页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一2 .3 像散和场曲一、像散第66页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一轴外物点沿主光线的细光束锥中，子午面上的子午光束在主光线上的会聚点t 与弧矢面上的弧矢光束在主光线上的会聚点s 各处于主光线上的不同位置，这种现象称为像散现象，与像散现象产生相应的成像缺陷，就是像散。像散使进入系统的球面波面变成像散面。第67页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第68页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星

21、期一第69页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第70页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第71页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一像散是以子午像点和弧矢像点之间的距离来描述的，它们都位于主光线上，通常将其投影到光轴上，以两者之间的沿轴距离来度量，以 表示：同理，宽光束的子午像点和弧矢像点也不重合，两者之间的轴向距离称为宽光束的像散，以 表示：第72页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第73页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一二、场曲和轴外球差第74页，共111页，2022年，5月20日，4点0分

22、，星期一 由于像散是与视场密切相关的，随着视场增大而变化的。不同视场的子午像点和弧矢像点的位置是不同的。这些由子午像点所组成的曲面称为子午像面；由弧矢像点组成的曲面称为弧矢像面。这两个曲面一定与高斯像面的中心相切，并且是对称于光轴的旋转曲面。 子午像面对高斯像面的偏离称为子午场曲；弧矢像面对高斯像面的偏离称为弧矢场曲。第75页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一 子午场曲用xt表示，弧矢场曲用xs表示，它们是以高斯像面为基准度量的像散和场曲的关系第76页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一轴外子午宽光束的交点与细光束的交点沿光轴方向的偏离称为轴外子午球差，用

23、 表示：同理，轴外弧矢球差，用 表示： 第77页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第78页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一细光束的场曲与孔径无关，只是视场的函数。故场曲的级数展开式为：式中第一项为初级场曲，第二项为二级场曲，其余类推 。像散和像面弯曲是两种既有联系，又有区别的像差。即使像散为零，子午像面和弧矢像面合二为一时，像面弯曲仍然存在，这种场曲称为匹兹伐场曲。 第79页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第80页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一对匹兹伐像面：式中： 称为匹兹伐和数（第四赛得和数），它表征光学

24、系统匹兹伐面弯曲的程度； 是系统的初级场曲分布系数。 第81页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一初级子午场曲和弧矢场曲的分布式为：第82页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一初级像散的分布式为：式中， 称为初级像散系数（第三赛得和数）， 是系统的初级像散分布系数。第83页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一当 时，有此时子午像面和弧矢像面重合，得到消像散的清晰像。 第84页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第85页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一第86页，共111页，2022年，5月20日，4点0

25、分，星期一2 .4 畸变第87页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一在一对共轭平面上的垂轴放大率不为常数时 ,就会使物、像失去了相似性，这种成像缺陷即为畸变。 畸变是主光线的像差，不同视场的主光线通过光学系统后与高斯像面上的交点高度y z与理想像高y 之差，用线畸变yz表示：第88页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一在光学设计中，通常用相对畸变来表示：枕形畸变是由于随着视场的增大垂轴放大率增大而产生的；桶形畸变是由于随着视场的增大垂轴放大率减小而产生的。第89页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一由畸变的定义可知，畸变是垂轴像差，它只改变

26、轴外物点在理想像面上的成像位置，使像的形状产生失真，但不影响像的清晰度。第90页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一畸变仅与物高（或）有关，随的符号改变而变号，故其级数展开式为： 第一项为初级畸变，第二项为二级畸变。初级畸变的分布式为：第91页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一2 .5 色差一、介质的色散和光学系统的色差光实际上是波长为400760nm的电磁波。不同波长的光具有不同的颜色，一般把光的颜色分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种。白光是由各种颜色的光混合而成的。不同波长的光线在真空中传播的速度是一样的。 第92页，共111页，2022年，5月20日

27、，4点0分，星期一虽然光线在真空中传播的速度是一样的，但在透明介质（例如.玻璃等）中传播的速度随波长而改变。可见，在介质中的传播速度大，折射率 就小；反之，速度小，折射率就大。因此，红光的折射率最小，紫光的折射率最大。第93页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一二、位置色差：第94页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一若 重合于 ，则 ，称为光学系统对F光和C光消色差，通常所指的消色差系统，就是指对两种色光消去位置色差的系统。 类似于球差的性质，光学系统也只能对一个孔径带的光线校正色差。一般应对0.707带的光线校正位置色差，即第95页，共111页，2022

28、年，5月20日，4点0分，星期一第96页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一由图可知，在0.707带校正色差之后，边缘带色差 和近轴色差 并不相等，两者之差称为色球差， 以表示，它也等于F光的球差 和C光的球差 之差 。色球差属于高级色差。第97页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一用不同的玻璃做成正透镜和负透镜，把它们组合在一起，就可以消除色差。实际光学系统中所使用的透镜组，都是由正负透镜组合起来的。在像差中，光学系统对于两种色光（如F光和C光）校正了轴向色差，相对于第三种色光之间的剩余色差，称为二级光谱。第98页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一二级光谱与光学系统的结构参数几乎无关，可以近似地表示为：位置色差仅与孔径有关，故其级数展开式仅与孔径的偶次方有关，当孔径（或）为零时，色差不为零，故展开式中有常数项，为第99页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一式中，第一项是初级位置色差，即近轴光的位置色差，而第二项是二级位置色差，