典型光学系统与设计-课件

典型光学透镜系统与设计典型光学透镜系统与设计1典型光学系统望远镜显微镜投影和摄像典型光学系统望远镜2望远镜望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。望远镜是目视光学系统，其放大率为视觉放大率：望远镜望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物3第一个望远镜是伽利略发明的第一个望远镜是伽利略发明的4典型光学系统与设计-课件5望远镜的种类折射式：伽利略望远镜和多普勒望远镜反射式折反共用望远镜的种类折射式：伽利略望远镜和多普勒望远镜6典型光学系统与设计-课件7折射式折射式8反射式：色差来源于不同的波长通过透镜具有不同的折射率，因此具有不同的焦距，而反射镜对不同波长来说反射角是一致的牛顿望远镜反射望远镜沒用上透镜，因此沒有折射望远镜的色差问题，现今世界上最好的望远镜都是反射望远镜，用的都是反射镜面，例如夏威夷毛那基峰的十米Keck望远镜。反射式：色差来源于不同的波长通过透镜具有不同的折射率，因此具9反射式望远镜的例子：反射式望远镜的例子：10典型光学系统与设计-课件11典型光学系统与设计-课件12典型光学系统与设计-课件13为什么又有了折反望远镜？反射和折射望远镜各有优劣反射可以无色差，但校正其他像差困难折射可以矫正其他像差，但校正色差困难于是折反射就是综合利用了两者的优势折反射望远镜，是在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量。为什么又有了折反望远镜？反射和折射望远镜各有优劣14施密特望远镜：它在球面反射镜的球心位置处放置一施密特校正板。它是一个面是平面，另一个面是轻度变形的非球面，使光束的中心部分略有会聚，而外围部分略有发散，正好矫正球差和彗差。马克苏托夫望远镜：在球面反射镜前面加一个弯月型透镜，选择合适的弯月透镜的参数和位置，可以同时校正球差和彗差。施密特望远镜：马克苏托夫望远镜：15以马克苏托夫望远镜为例：以马克苏托夫望远镜为例：16典型光学系统与设计-课件17典型光学系统与设计-课件18典型光学系统与设计-课件19让我们把反射和折反的图放一起比较下注意：比较像差的大小要看图像的范围。这里反射弥散斑范围1000um，而折射仅40um。所以如果两个放到一个比例下比较，折反射的像差远小于反射的让我们把反射和折反的图放一起比较下注意：20比较下反射和折反的MTF图：同样，应注意横坐标的范围：显然折反式在很高的频率仍具有较高的MTF反射折反比较下反射和折反的MTF图：同样，应注意横坐标的范围：反射折21Cassegrain-typeRitchieCretien望远镜Cassegrain-typeRitchieCretie22632.8nm这个波长可以看做没球差632.8nm这个波长可以看做没球差23典型光学系统与设计-课件24在较大空间频率范围内，都有较大的MTF值在较大空间频率范围内，都有较大的MTF值25常数场曲，无畸变！常数场曲，无畸变！26可见这个望远镜是设计相当完美的一个可见这个望远镜是设计相当完美的一个27显微镜显微镜由物镜和目镜组成物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处显微镜显微镜由物镜和目镜组成28举一个Zemax显微镜的设计例子在用ZEMAX软件进行设计时，将显微镜倒置设计。设置参数如下：垂直放大率为0.04，物方数值孔径为0.016，物高为25mm，物方半视场高度为12.5mm。举一个Zemax显微镜的设计例子在用ZEMAX软件进行设计时29从system菜单里点General子菜单，可以直接设置物方数值孔径而要定义物体的大小，则必须从Syetem菜单fielddata子菜单里录入这里我们先后考察三个物体，分别为轴上点、轴外9mm、轴外12.5mm物体。从system菜单里点General子菜单，可以直接设置物方30定义透镜表面参数定义透镜表面参数31典型光学系统与设计-课件32典型光学系统与设计-课件33典型光学系统与设计-课件34典型光学系统与设计-课件35典型光学系统与设计-课件36设置变量，开始优化使用默认目标函数设置变量，开始优化37典型光学系统与设计-课件38典型光学系统与设计-课件39典型光学系统与设计-课件40显微镜的现代变革放大镜是最简单的显微镜后来人们使用目镜和物镜共同构成的光学显微镜，使人类的视野进入微观领域，观测到了细胞等用电子代替光：电子显微镜但上世纪八十年代开始，显微镜技术发生了一次具有历史意义的革新：扫描隧道显微镜、原子力显微镜等显微镜的现代变革放大镜是最简单的显微镜41分辨率：人眼或仪器

能分辨物体的最小间距（角分辨）。人眼分辨率：在明视距离内只拥有1分的分辨率或0.1mm。显微镜：最高1600倍放大率，实际上有象差，受衍射极限

影响.分划板

L

D

显微探测历史回顾：

当

=0.3m

所以，传统光学显微镜分辨率极限是为提高分辨率，减小波长

从可见光——紫外光——x射线而更短的波长、电子射线GobackfromHistory分辨率：人眼或仪器能分辨物体的最小间距（角分辨）。分划板42用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。

诺贝尔奖：ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer（从左至右）分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖。电子显微镜的发明者卢斯卡扫描隧道显微镜的发明者宾尼格和罗勒。

GobackfromHistory天才的宾尼格和罗勒，在随后两年又发明了原子力显微镜，这是纳米科学做为独立科学出现的重要标志用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的43典型光学系统与设计-课件44投影和摄像系统这两个有些类似，光学部分差不多倒过来用与望远镜显微镜系统不同的是，投影与摄像的关键部分有两个，一是照明系统，必须保证足够的照度才能清晰成像；二是光学系统，即要有一个好的成像物镜。投影和摄像系统这两个有些类似，光学部分差不多倒过来用45投影仪就是把待投影的图像放在一个物镜一倍和二倍焦距之间，这样能在远处的屏幕上成像。但其实际结构却复杂的多，以我们教室头上的投影仪为例，它的内部是怎样的呢？投影仪就是把待投影的图像放在一个物镜一倍和二倍焦距之间，这样46注意:在投影机中所使用的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并没有针对红、绿、蓝等颜色差别。为了清晰再现图像色彩，它其实是使用了三张LCD液晶板来分别再现三种颜色，然后再经过光学系统的把这些分离的颜色合成再一起，投影在屏幕上，就组成了一副完整的图像。注意:在投影机中所使用的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并47典型光学系统与设计-课件48NECGT1150投影机光学系统实物图NECGT1150投影机光学系统实物图49对光学设计而言，设计投影系统，一是要让整体结构尽量紧凑，尺寸小，重量要轻。此外好的照明系统，和好的物镜都是设计的关键对光学设计而言，设计投影系统，一是要让整体结构尽量紧凑，尺寸50投影的小型化趋势投影的小型化趋势51典型光学透镜系统与设计典型光学透镜系统与设计52典型光学系统望远镜显微镜投影和摄像典型光学系统望远镜53望远镜望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。望远镜是目视光学系统，其放大率为视觉放大率：望远镜望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物54第一个望远镜是伽利略发明的第一个望远镜是伽利略发明的55典型光学系统与设计-课件56望远镜的种类折射式：伽利略望远镜和多普勒望远镜反射式折反共用望远镜的种类折射式：伽利略望远镜和多普勒望远镜57典型光学系统与设计-课件58折射式折射式59反射式：色差来源于不同的波长通过透镜具有不同的折射率，因此具有不同的焦距，而反射镜对不同波长来说反射角是一致的牛顿望远镜反射望远镜沒用上透镜，因此沒有折射望远镜的色差问题，现今世界上最好的望远镜都是反射望远镜，用的都是反射镜面，例如夏威夷毛那基峰的十米Keck望远镜。反射式：色差来源于不同的波长通过透镜具有不同的折射率，因此具60反射式望远镜的例子：反射式望远镜的例子：61典型光学系统与设计-课件62典型光学系统与设计-课件63典型光学系统与设计-课件64为什么又有了折反望远镜？反射和折射望远镜各有优劣反射可以无色差，但校正其他像差困难折射可以矫正其他像差，但校正色差困难于是折反射就是综合利用了两者的优势折反射望远镜，是在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量。为什么又有了折反望远镜？反射和折射望远镜各有优劣65施密特望远镜：它在球面反射镜的球心位置处放置一施密特校正板。它是一个面是平面，另一个面是轻度变形的非球面，使光束的中心部分略有会聚，而外围部分略有发散，正好矫正球差和彗差。马克苏托夫望远镜：在球面反射镜前面加一个弯月型透镜，选择合适的弯月透镜的参数和位置，可以同时校正球差和彗差。施密特望远镜：马克苏托夫望远镜：66以马克苏托夫望远镜为例：以马克苏托夫望远镜为例：67典型光学系统与设计-课件68典型光学系统与设计-课件69典型光学系统与设计-课件70让我们把反射和折反的图放一起比较下注意：比较像差的大小要看图像的范围。这里反射弥散斑范围1000um，而折射仅40um。所以如果两个放到一个比例下比较，折反射的像差远小于反射的让我们把反射和折反的图放一起比较下注意：71比较下反射和折反的MTF图：同样，应注意横坐标的范围：显然折反式在很高的频率仍具有较高的MTF反射折反比较下反射和折反的MTF图：同样，应注意横坐标的范围：反射折72Cassegrain-typeRitchieCretien望远镜Cassegrain-typeRitchieCretie73632.8nm这个波长可以看做没球差632.8nm这个波长可以看做没球差74典型光学系统与设计-课件75在较大空间频率范围内，都有较大的MTF值在较大空间频率范围内，都有较大的MTF值76常数场曲，无畸变！常数场曲，无畸变！77可见这个望远镜是设计相当完美的一个可见这个望远镜是设计相当完美的一个78显微镜显微镜由物镜和目镜组成物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处显微镜显微镜由物镜和目镜组成79举一个Zemax显微镜的设计例子在用ZEMAX软件进行设计时，将显微镜倒置设计。设置参数如下：垂直放大率为0.04，物方数值孔径为0.016，物高为25mm，物方半视场高度为12.5mm。举一个Zemax显微镜的设计例子在用ZEMAX软件进行设计时80从system菜单里点General子菜单，可以直接设置物方数值孔径而要定义物体的大小，则必须从Syetem菜单fielddata子菜单里录入这里我们先后考察三个物体，分别为轴上点、轴外9mm、轴外12.5mm物体。从system菜单里点General子菜单，可以直接设置物方81定义透镜表面参数定义透镜表面参数82典型光学系统与设计-课件83典型光学系统与设计-课件84典型光学系统与设计-课件85典型光学系统与设计-课件86典型光学系统与设计-课件87设置变量，开始优化使用默认目标函数设置变量，开始优化88典型光学系统与设计-课件89典型光学系统与设计-课件90典型光学系统与设计-课件91显微镜的现代变革放大镜是最简单的显微镜后来人们使用目镜和物镜共同构成的光学显微镜，使人类的视野进入微观领域，观测到了细胞等用电子代替光：电子显微镜但上世纪八十年代开始，显微镜技术发生了一次具有历史意义的革新：扫描隧道显微镜、原子力显微镜等显微镜的现代变革放大镜是最简单的显微镜92分辨率：人眼或仪器

能分辨物体的最小间距（角分辨）。人眼分辨率：在明视距离内只拥有1分的分辨率或0.1mm。显微镜：最高1600倍放大率，实际上有象差，受衍射极限

影响.分划板

L

D

显微探测历史回顾：

当

=0.3m

所以，传统光学显微镜分辨率极限是为提高分辨率，减小波长

从可见光——紫外光——x射线而更短的波长、电子射线GobackfromHistory分辨率：人眼或仪器能分辨物体的最小间距（角分辨）。分划板93用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。

诺贝尔奖：ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer（从左至右）分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖。电子显微镜的发明者卢斯卡扫描隧道显微镜的发明者宾尼格和罗勒。

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