工程光学-光学系统设计

工程光学

——光学系统设计卢春莲luchunlian@哈尔滨工程大学

理学院光学设计在哪里？你眼中的光学设计？

EKV长1.4m，重54Kg，导引头由红外焦平面阵列、冷凝系统、望远镜头和其他软件硬件组成磁力仪

红外低温冷舱系统

低温准直光学系统、光源

抛物槽式太阳能集热器

学习方法？光学系系统设设计的的学习习方法法？所花的的时间间从事的的项目目开始熟熟悉达到精精通逐渐精精通积累经经验一、光光学系系统简简介光学系系统作作用:把目标标发出出的光光按仪仪器工工作原原理的的要求求改变变它们们的传传播方方向和和位置置，送送入仪仪器的的接收收器，，从而而获得得目标标的各各种信信息，，包括括目标标的几几何形形状、、能量量强弱弱等。。光学系系统由由一系系列的的折射射面和和反射射面构构成，，这些些表面面可以以是平平面、、球面面和非非球面面。对光学学系统统的要要求成像质质量，，成像像清晰晰；物像相相似，，变形形要小小。一、光光学系系统简简介绝大多多数的的透镜镜系统统都有有一条条对称称轴线线，这这样的的轴线线称为为“光轴”。无无对称称轴的的光学学系统统称为为“非共轴轴系统统”。球面系系统：：在各种不同同形式的曲曲面中，球球面和平面面生产较较易易，，所所以以大大多多数数光光学学系系统统中中的的光光学学零零件件均由由球球面面构构成成，，这这种种光光学学系系统统称称为为球面面系系统统。共轴轴球球面面系系统统：：我们们主主要要研研究究的的就就是是共共轴轴球球面面系系统统和和平平面面镜、、棱棱镜镜系系统统。。一、、光光学学系系统统简简介介物体体是是由由无无数数个个点点构构成成的的，，每每个个点点均均可可视视点点光光源源。。经经光光学学系系统统成成像像后后，，与与之之对对应应的的像像若若仍仍为为一一个个点点，，即即由由点点光光源源发发出出的的球球面面波波在在像像空空间间仍仍对对应应一一个个球球面面波波，，则则称称为为完善善成成像像。因此此，，光光学学系系统统完完善善成成像像的的条条件件是是当入入射射光光为为球球面面波波时时，，出出射射仍仍为为球球面面波波。一、、光光学学系系统统简简介介光学学设设计计的的发发展展概概述述光学学设设计计的的过过程程与与步步骤骤仪器器对对光光学学设设计计的的要要求求光学学系系统统的的像像差差概概述述二、、光光学学设设计计基基础础光学学设设计计的的发发展展概概况况光学学设设计计的的概概念念传统统光光学学仪仪器器日日趋趋成成为为光光学学、、机机械械、、电电子子和和计计算算机机一一体体化化的的现现代代智智能能化化仪仪器器，，如如数数码码相相机机、、投投影影仪仪等等。。对于于一一个个光光学学系系统统而而言言，，无无论论是是成成像像系系统统还还是是照照明明系系统统，，光光学学设设计计是是实实现现各各种种光光学学系系统统的的重重要要基基础础。。随着着光光学学仪仪器器的的发发展展，，光光学学设设计计的的理理论论、、优优化化算算法法、、仿仿真真工工具具、、性性能能评评价价方方法法日日益益完完善善。。光学学设设计计的的发发展展概概况况光学学设设计计的的概概念念何谓谓““光光学学设设计计””？？一般般认为为，，光光学学设设计计所所要要完完成的的工工作作应应该该包包括括光学学系系统统设设计计和光学学系系统统结结构构设设计。。投影影物物镜镜系系统统设设计计Cassegrain式反反射射系系统统结结构构设设计计光学学设设计计的的发发展展概概况况光学学设设计计的的发发展展史史《墨经》中有8条论述述了几几何光光学知知识，，它阐阐述了了影、小孔成成像、平面镜镜、凹面镜镜、凸面镜镜成像像，还说明明了焦焦距和和物体体成像像的关关系。春秋秋战国国时期期（BC400），墨墨子及及其弟弟子。。光学设设计的的发展展经历历了人工设设计和自动化化设计计两个阶阶段，，实现现了由由手工工计算算像差差、人人工修修改结结构参参数进进行光光学设设计，，到使使用计计算机机和光光学自自动优优化设设计程程序进进行设设计的的巨大大飞跃跃。光学设设计的的过程程与步步骤—光学设设计的的一般般过程程光学设设计的的过程程与步步骤—光学设设计的的具体体步骤骤以缩放放法为为例，，阐述述光学学设计计的具具体步步骤光学设设计的的过程程与步步骤—光学设设计的的具体体步骤骤光学设设计的的过程程与步步骤—光学设设计的的具体体步骤骤仪器对对光学学设计计的要要求任何一一种光光学仪仪器的的使用用条件件和功功能必必然会会对它它的光光学系系统提提出一一定的的要求求，如如外形尺尺寸要要求、、成像像质量量要求求、机机械性性能、、物理理化学学性能能等。常见的的光学学系统统的基基本特特性参参数有有很多多，如相对对孔径径、数数值孔孔径、、F数、线线视场场、角角视场场、工工作波波段、、放大大率、、焦距距、出出瞳位位置、、入瞳瞳直径径、光光阑位位置、、后工工作距距离、、共轭轭距、、折射射率、、色散散系数数、透透镜厚厚度、、透镜镜间距距、透透镜面面型等等。对光学学系统统外形形尺寸寸的要要求光学系系统的的外形形尺寸寸计算算要确确定的的结构构内容容包括括系统统的组组成、、各组组元的的焦距距、各各组元元的相对位位置和和横向向尺寸寸。为了简简化各各种类类型光光组的的外形形尺寸寸计算算，可可以把把光学学系统统看成成是由由一系系列薄薄透镜镜组成成的光光学系系统，，经过过简化化后的的光学学系统统可以以用理理想光光学系系统的的理论论和公公式进进行计计算。。但是，不是所有有的光学学系统或或光组都都可以看看成是薄薄透镜光光组，如如广角物物镜、大大数值孔孔径的高高倍率显显微物镜镜等。对光学系系统外形形尺寸的的要求在进行光光学系统统的外形形尺寸计计算时，，除了要保证使用用条件决决定的基基本光学学特性外外，还要要考虑其其在技术术上和物物理上可可否实现现，并且且要和机机械结构构、电气气系统有有很好的的匹配，，还要具具有良好好的工艺艺性和经经济性。。一般而言言，光学学系统的的外形尺尺寸计算算要满足足三个方方面要求求：1）系统的的孔径、、视场、、分辨率率、出瞳瞳直径和和位置；；2）几何尺尺寸，即即光学系系统的轴轴向和径径向尺寸寸、整体体结构布布局；3）成像质质量、孔孔径和视视场的权权重等。。对光学系系统成像像质量的的要求对光学系系统成像像质量的的要求和和光学系系统的用用途及其其类型有有关，不不能一概概而论。。比如，对对于望远远系统和和一般的的显微镜镜系统，，一般只只要求中中心视场场应该有有较好的的成像质质量；又又如，对对于照相相物镜系系统，则则要求整整个视场场都要有有较好的的成像质质量。传统的成成像光学学系统由由于有明明确的物像共轭轭关系，因因此设计计这一类类型的光光学系统统旨在通通过光学学系统的的作用，，即利用用反射定定律和折折射定律律改变光光线的传传播方向向，从而而获得高高质量的的像，其其设计着着眼点在在于信息传递递的真实实性（如如有无畸畸变）和和有效性性（如是是否清晰晰）。对光学系系统成像像质量的的要求对于非成成像光学学系统，，如照明明光学系系统，其其设计着眼点在在于光能能量传输输效率的的最大化化，以及及被照面面上的照照度大小小和分布布情况。这类系统统孔径角和和倍率较较低，一一般情况况下对像像差要求求不严格格。考虑到光光照的均均匀性，，孔径角角和倍率率稍大的的照明系系统需要要适当减减小球差差，对于于光照均均匀性要要求较高高的情况况还需要要考虑减减小彗差差和色差差。对光学系统统使用条件件的要求根据光学仪仪器的使用用条件，一一般要求光光学系统具具有一定的的物理稳定定性、化学学稳定性、、力学性能能和热学性性能等要求求，以保证证仪器在特特定环境下下能正常工工作。如，太空卫卫星上的光光学系统，，由于在太太空中白天天和晚上温温度差异可可达一百多度，因此这类类光学系统统的设计要要求使用的的材料要有有小的热膨膨胀系数，，其最外层层的玻璃也也要有较好好的耐辐射射性能等。。再如，水水下工作的的摄像镜头头就要满足足防水密封封性，其最最外层玻璃璃也应避免免使用水解解反应严重重的材料。。在对光学系系统提出使使用要求时时，主要是是考虑在技术上和和物理上的的实现可能能性。对光学系统统使用条件件的要求有时对光学学系统提出出的要求是是互为制约约的，甚至至是矛盾的的。此时，，应深入分分析、全面面考虑、抓抓住主要矛矛盾，切忌因为提提出不合理理的要求导导致设计任任务非常困困难完成，，甚至根本本无法实现现。例如，在设计计照相物镜镜时，为了了使相对孔孔径、视场场角和焦距距三者之间间的选择更更加合理化化，应该参参照下式来来选取参数数：Cm=0.22~0.26，常称为““物镜的质质量因数””。对光学系统统经济性的的要求评价一个光光学系统设设计优劣的的主要依据据是：①成像质量、②复杂程度。即一个好好的设计应应是在功能能（成像质质量、光学学性能等））能满足用用户要求的的情况下，，追求结构构最简单化化（成本最最低化）。。在光学系统统设计中应应用价值工工程的原理理，对提高高光学仪器器产品质量量和降低产产品成本有有重要的意意义。价值工程公公式：V是价值（Value）；F是功能（Function）；C是成本（Cost）光学系统的的像差概述述实际使用的的光学系统统对一定大大小的物体体所成的像像是不完善的，它与理理想像之间间总是存在在有差异，，这种差异异就称为光光学系统的的像差。光学系统设设计的重要要工作就是是要校正各各种像差，，使光学系系统的成像像质量达到到技术要求求。光学系统的的像差概述述光学系统的的像差主要要包括：光学系系统的的像差差概述述球差光学系系统的的像差差概述述彗差光学系系统的的像差差概述述像散光学系系统的的像差差概述述场曲光学系系统的的像差差概述述畸变光学系系统的的像差差概述述位置色色差光学系系统的的像差差概述述倍率色色差光学系系统的的像差差概述述光学系系统的的像差差主要要包括括：光学系统的的像差概述述柔焦效果图图光学系统的的像差概述述鱼眼效果光学系统的的像差概述述数码相机物物镜设计要要求图像传感器器规格：物镜规格：：光学系统的的像差概述述光学系统的的结构参数数光学系统的的像差概述述光学系统的的结构参数数光学系统的的像差概述述光学系统的的结构参数数式中，c为曲面顶点点的曲率，，K为二次曲面面系数，a4,a6,a8,a10,a12为高次非球球面系数。。光学系统的的像差概述述K值K<0K=00<K<1K=1K>1面形双曲面抛物面椭球面球面扁球面不同的面形形，对应不不同的面形形系数，例例如球面面：K＝1，a4=a6=a8=a10=a12=0二次曲面：：K≠1，a4=a6=a8=a10=a12=0二次曲面面面型光学系统的的结构参数数光学系统的的像差概述述如果系统中中有光阑，，则把光阑阑作为系统统中的一个个平面来处处理。选择3～5个波长。。用人眼观观察的目视视光学仪器器采用C(656.28nm)，D(589.30nm)，F(486.13nm)3种波长；用用感光底片片接收的照照相机