光学工程与系统设计

光学工程与系统设计第1页，共60页，2023年，2月20日，星期日内容概述像的形成（一级光学）像差棱镜和反射镜光阑和孔径基本光学器件光学计算像的评价光学系统的一般设计特殊光学系统设计第2页，共60页，2023年，2月20日，星期日几何光线与波阵面第3页，共60页，2023年，2月20日，星期日第一章一级光学1.概述2.基本概念：一级光学、有效焦距、前焦点、前焦距、后焦点、后焦距、主点、主平面、节点3.实际光线追迹：三角光学计算4.近轴光学计算：5.放大率计算：垂轴放大率、轴向放大率、角放大率6.连续球面的光线追迹：近轴光学7.等效焦距的计算、等效焦点的计算8.透镜的主点和焦点9.组合透镜的焦点、焦距10.光学不变量11.矩阵光学12.Y-Y图第4页，共60页，2023年，2月20日，星期日透镜对光波的影响第5页，共60页，2023年，2月20日，星期日像的形成第6页，共60页，2023年，2月20日，星期日光学系统的基本参数第7页，共60页，2023年，2月20日，星期日常用参数和术语ObjectdistanceImagedistanceObjecttoimagetotaltrackFocallengthƒ/number(ornumericalaperture)EntrancepupildiameterEntranceandexitpupillocationandsizeWavelengthbandFullfieldofviewMagnification(iffiniteconjugate)Zoomratio(ifzoomsystem)BackfocaldistanceImagesurfacesizeandshapeOpticalperformance:TransmissionRelativeillumination(vignetting)EncircledenergyMTFasafunctionoflinepairs/mmDistortionFieldcurvatureNumberofelementsAsphericsurfacesDiffractivesurfacesCoatings第8页，共60页，2023年，2月20日，星期日光学系统的基点与基面第9页，共60页，2023年，2月20日，星期日光学系统的基点与基面第10页，共60页，2023年，2月20日，星期日有效焦距与前、后焦距第11页，共60页，2023年，2月20日，星期日单透镜的主面位置第12页，共60页，2023年，2月20日，星期日弯月透镜与反射镜第13页，共60页，2023年，2月20日，星期日正透镜成像第14页，共60页，2023年，2月20日，星期日负透镜成像第15页，共60页，2023年，2月20日，星期日物像位置的变化规律第16页，共60页，2023年，2月20日，星期日第17页，共60页，2023年，2月20日，星期日第18页，共60页，2023年，2月20日，星期日负透镜成像规律第19页，共60页，2023年，2月20日，星期日第20页，共60页，2023年，2月20日，星期日放大率第21页，共60页，2023年，2月20日，星期日角放大率第22页，共60页，2023年，2月20日，星期日第23页，共60页，2023年，2月20日，星期日数值孔径和F数第24页，共60页，2023年，2月20日，星期日公式汇总第25页，共60页，2023年，2月20日，星期日符号的物理意义第26页，共60页，2023年，2月20日，星期日第27页，共60页，2023年，2月20日，星期日多透镜成像第28页，共60页，2023年，2月20日，星期日矩阵光学折射方程过渡方程单个折射面成像方程在空气中通用第29页，共60页，2023年，2月20日，星期日Y-Y图第30页，共60页，2023年，2月20日，星期日第二章像差概述像差多项式和赛德像差

球差、彗差、像散和场曲、畸变、色差透镜形状和光阑位置对像差的影响像差随孔径和视场的变化光程差像差校正和剩余像差像差曲线和像差的级次第31页，共60页，2023年，2月20日，星期日光线追迹图第32页，共60页，2023年，2月20日，星期日像差多项式第33页，共60页，2023年，2月20日，星期日NoticethatintheAtermstheexponentsofsandhareunity.IntheBtermstheexponentstotal3,asins3,s2h,sh2,andh3.IntheC

termstheexponentstotal5,andintheDterms,7.Thesearereferredtoasthefirst-order,third-order,andfifth-orderterms,etc.Thereare2firstorderterms,5third-order,9fifth-order,andnth-orderterms.Inanaxiallysymmetricalsystemtherearenoevenorderterms;onlyodd-ordertermsmayexist(unlesswedepartfromsymmetryas,forexample,bytiltingasurfaceorintroducingatoroidalorothernonsymmetricalsurface).各项的级次第34页，共60页，2023年，2月20日，星期日ItisapparentthattheAtermsrelatetotheparaxial(orfirst-order)imagerydiscussedinChap.2.A2issimplythemagnification(h′/h),andA1isatransversemeasureofthedistancefromtheparaxialfocustoour“imageplane.”AlltheothertermsinEqs.3.1and3.2arecalledtransverseaberrations.TheyrepresentthedistancebywhichtheraymissestheidealimagepointasdescribedbytheparaxialimagingequationsofChap.2.TheBtermsarecalledthethird-order,orSeidel,orprimaryaberrations.B1issphericalaberration,B2iscoma,B3isastigmatism,B4isPetzval,andB5isdistortion.Similarly,theCtermsarecalledthefifthorderorsecondaryaberrations.C1isfifth-ordersphericalaberration;C2andC3arelinearcoma;C4,C5,andC6areobliquesphericalaberration;C7,C8,andC9areellipticalcoma;C10andC11arePetzvalandastigmatism;andC12isdistortion.The14termsinDaretheseventh-orderortertiaryaberrations;D1istheseventh-ordersphericalaberration.系数的意义第35页，共60页，2023年，2月20日，星期日球差轴向球差垂轴球差第36页，共60页，2023年，2月20日，星期日球差曲线轴向球差曲线垂轴球差曲线第37页，共60页，2023年，2月20日，星期日彗差彗差定义第38页，共60页，2023年，2月20日，星期日彗差特征光阑面像面光束截面第39页，共60页，2023年，2月20日，星期日象散和场曲象散场曲第40页，共60页，2023年，2月20日，星期日畸变枕形畸变桶形畸变第41页，共60页，2023年，2月20日，星期日色差

轴向色差

垂轴色差第42页，共60页，2023年，2月20日，星期日透镜形状和位置对像差的影响厚透镜公式薄透镜公式对于固定的焦距有无限多的透镜形状第43页，共60页，2023年，2月20日，星期日球差和彗差随透镜形状的变化第44页，共60页，2023年，2月20日，星期日透镜形状变化对像差的影响考虑物体在无限远的情况实物成实像的正透镜产生负球差球差随透镜的形状改变呈抛物线改变彗差随透镜的形状呈线性变化球差最小的位置透镜接近于凸平透镜球差最小时彗差为0球差最小的透镜可用于制作简易的望远镜第45页，共60页，2023年，2月20日，星期日光阑在不同位置时对斜光束入射的影响第46页，共60页，2023年，2月20日，星期日光阑位置移动对像差的影响第47页，共60页，2023年，2月20日，星期日光阑位置移动对像差的影响考虑某弯月透镜形状时的光阑位置移动对球差忽然轴向色差无任何影响对彗差呈线性变化，有一位置为0对畸变和横向色差呈正负的变化彗差为0时子午场曲因而象散最小不同透镜形状有不同彗差为0的光阑位置第48页，共60页，2023年，2月20日，星期日光阑位于Nature位置时透镜形状变化对像差的影响第49页，共60页，2023年，2月20日，星期日光阑位于Nature位置时透镜形状变化对像差的影响考虑彗差为0的物体位置球差最小时产生最大的场曲和象散第50页，共60页，2023年，2月20日，星期日像差随孔径和视场的变化第51页，共60页，2023年，2月20日，星期日波像差——实际波面与理想波面之差第52页，共60页，2023年，2月20日，星期日像差校正已经介绍了两种简单校正像差的方法透镜弯曲和移动光阑高层次的像差校正是组合不同正负号像差的透镜使得像差得以抵消

例如：正透镜产生欠校正的球差和位置色差，负透镜产生过校正的球差和位置色差。用正负透镜组合校正球差和位置色差

双胶合透镜的色差校正：大光焦度的正透镜用低色散的冕牌玻璃，小光焦度的负透镜用高色散的火石玻璃，因此负透镜具有每单位光焦度较大的正色散，与正透镜的负色散抵消。

双胶合透镜的球差校正：考虑光焦度、形状和折射率。如果负透镜的折射率较高，胶合面将产生发散，产生过校正球差，与外表面的欠校正球差抵消。第53页，共60页，2023年，2月20日，星期日球差的校正与剩余球差第54页，共60页，