应用光学简明教程 课件【ch15】非球面及其在光学系统中的应用

应用光学简明教程光电&仪器类专业教材非球面及其在光学系统中的应用第十五章概述01一、概述自由曲面概念01自由曲面是指无法用球面或者非球面系数来表示的曲面，很多情况下需要用非均匀有理B样条(QNon-UniformRationalB-Splines，NURBS)造型方法或其他方法来描述。简言之，NURBS是专门作曲面的一种造型方法。一、概述非球面应用概述02在广角短焦距物镜中泰勒——霍夫逊(Taylor-Hobson)公司在光学系统中使用非球面保证了光学特性和成像质量，又简化了结构，如图15.1所示。非球面曲面方程02二、非球面曲面方程旋转对称的非球面方程01二、非球面曲面方程其他常见非球面方程02二、非球面曲面方程其他常见非球面方程02(3)超环面方程球面或非球面曲线作为母线绕一条在该母线平面内并垂直于该母线对称轴的直线旋转而形成的曲面称为超环面，如图15.6所示。以z轴对称的非球面曲线作为母线，绕平行于y轴的回转轴形成的超环面母线方程为二、非球面曲面方程其他常见非球面方程02二、非球面曲面方程非球面的法线及曲率03二、非球面曲面方程非球面的法线及曲率03次圆锥曲面及其衍生高次项曲面03三、次圆锥曲面及其衍生高次项曲面1.消球差的等光程折射非球面曲面方程为三、次圆锥曲面及其衍生高次项曲面2.消球差等光程反射面三、次圆锥曲面及其衍生高次项曲面3.反射面应用二次圆锥曲面多用于作为反射镜面。如电影放映机的聚光灯的反射镜面是椭球面；固体激光器多是使氙闪光灯发出的光能集中照射激光物质(如红宝石)上，其反射面是椭球面；射电天文望远镜用的是拋物面。天文望远镜的视场比较小，观察对象基本上位于光轴上，大型天文望远镜多利用上述等光程反射面，构成对轴上点等光程的反射镜系统，主要有牛顿系统、格里高利系统和卡塞格林系统三种类型。上述反射系统对轴上点来说，满足等光程条件。但是对轴外点来说，彗差和像散却很大，因此视场受到限制。三、次圆锥曲面及其衍生高次项曲面4.高次曲面的应用为了扩大系统的视场，可以把主镜和副镜做成高次曲面，代替原来的二次曲面。这种系统的缺点是主镜焦面不能独立使用，因为主镜焦点的像差没有单独校正，是和副镜一起校正的；

同时也不能用更换副镜来改变系统的组合焦距。这种高次非球面系统目前用在远红外激光的发射和接收系统，可以获得较大的视场。三、次圆锥曲面及其衍生高次项曲面5.校正器另一种扩大系统视场的方法是在像面附近加入透射式的视场校正器，用以校正反射系统的彗差和像散。采用球面反射镜主镜，再用非球面透镜来校正球面反射镜的像差，这样就形成了折反射系统。近年来，该系统在大屏幕投影电视、彩色电视显像管校正电子轨迹偏离等方面也得到了应用。施密特校正器

的设计04四、施密特校正器的设计第一种形式的施密特校正器如图15.15所示，它的一面是平面，另一面是非球面，边缘厚度较大，是为了产生与反射镜相反符号的球差，它的补偿原理可用费马原理说明。施密特校正器的基本工作原理及其近似计算法01四、施密特校正器的设计由于光线通过校正器时，边缘会引起强烈的折射，产生很大的色差，为克服这个缺点，施密特改进为第二种形式的校正器，如图15.16所示。施密特校正器的基本工作原理及其近似计算法01四、施密特校正器的设计所谓精确计算法就是根据消除实际球差的要求来确定非球面方程。如图15.18所示，校正器第一面为平面，第二面为非球面，坐标原点取在第一面和光轴的交点O处，球面反射镜的曲率中心为点G。当入射光线的孔径角Ur为已知时，出射光线的孔径角U3由消球差要求确定，即保证所有孔径的出射光线经球面反射后会聚于一点。施密特校正器的精确计算法02衍射光学元件及折衍混合光学系统05五、衍射光学元件及折衍混合光学系统衍射光学元件(DiffractiveOpticalElement，DOE)是基于光波衍射理论设计的，是表面带有阶梯状衍射结构的光学元件。衍射光学元件的制作方法很多。在二元光学发展初期，按照所用掩模板及加工表面浮雕结构的特点主要有三类方法。近年来，精密电子产品对光学成像系统的轻量化、小型化及像质提出了越来越高的要求，加之超精密制造技术的有力支持，更加快了用于衍射光学元件和混合成像系统的研究及实用化。概述01五、衍射光学元件及折衍混合光学系统菲涅耳透镜(FresnelLens)，又称为螺纹透镜(或称为同心圆阶梯透镜)。菲涅耳透镜一般是由一系列同心棱形槽构成的，每个环带都相当于一个独立的折射面。最简单的菲涅耳透镜是基面为平面的平面形透镜。它的结构简单，加工方便。还有基面为曲面的弯月形透镜。它的自由度更高，有利于消像差。菲涅耳透镜包括透射式和反射式两种。菲涅耳透镜02五、衍射光学元件及折衍混合光学系统达曼光栅(DammannGgrating)一种具有特殊孔径函数的二值相位光栅，对入射光波产生夫琅和费衍射图样(傅里叶谱)是一点阵数目的等光强光斑，避免了振幅光栅的谱点光强不均匀分布。达曼光栅03五、衍射光学元件及折衍