光學(xué)工程與系統(tǒng)設(shè)計

1、光學(xué)工程 與 系統(tǒng)設(shè)計,李湘寧,近年來，光學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合更加快了光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。具體體現(xiàn)在：在經(jīng)典光學(xué)基礎(chǔ)上創(chuàng)立了新的光學(xué)技術(shù)，如衍射光學(xué)和全息光學(xué)；在傳統(tǒng)光學(xué)元件基礎(chǔ)上創(chuàng)造出新的光學(xué)元件，如非球面透鏡、全息透鏡、二元光學(xué)元件、微陣列透鏡；在一般光學(xué)淹沒技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展和采用光學(xué)和全息加工、衍射光學(xué)元件和微光學(xué)元件加工、精密模壓成型等現(xiàn)代高新制造技術(shù)。

2、 光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使越來越多的科技人員從事光學(xué)及其相關(guān)專業(yè)，光學(xué)研究的領(lǐng)域也逐漸擴大，包括許多新的應(yīng)用。隨著對新型光學(xué)儀器可應(yīng)用性的認識，人們會迫切的需要熟悉光學(xué)技術(shù)。尤其是現(xiàn)代光學(xué)工程方面的認識。,概述,概述,作為光學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，我們更需要建立扎實的光學(xué)工程的基礎(chǔ)知識，并掌握現(xiàn)代光學(xué)工程的新技術(shù)，了解光學(xué)工程技術(shù)發(fā)展的新動態(tài)。經(jīng)過本科光學(xué)工程專業(yè)的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)具備了一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識。本課程的學(xué)習(xí)是要在此基礎(chǔ)上進一步深入學(xué)

3、習(xí)光學(xué)工程的理論、技術(shù)、和方法。提高我們對光學(xué)工程理論及技術(shù)的認識、分析及設(shè)計能力。 本課程采用世界著名光學(xué)專家Warren J. Smith 先生的原著 Modern Optical Engineering --- The design of optical system 作為教材及參考書，概述內(nèi)容豐富概述內(nèi)容，不僅有成熟的光學(xué)工程理論基礎(chǔ)、計算公式和分析方法，而且包括了對光學(xué)工程問題的討論和解決方案。不僅考慮到光學(xué)技術(shù)還涉

4、及到經(jīng)濟成本。作為工科學(xué)生，這是一本不可多得的好教材,內(nèi)容,概述光學(xué)的基礎(chǔ)知識像的形成（一級光學(xué)）像差棱鏡和反射鏡光闌和孔徑基本光學(xué)器件光學(xué)計算像的評價光學(xué)系統(tǒng)的一般設(shè)計特殊光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計,光學(xué)基礎(chǔ)知識,幾何光線與波陣面,光的反射,光的折射,光的色散,透鏡對光波的影響,棱鏡對光波的影響,像的形成,一級光學(xué)（first order optics）,（高斯光學(xué)）,1. 概述2. 基本概念：一級光學(xué)、有效焦距、前焦點

5、、前焦距、后焦點、后焦距、主點、主平面、節(jié)點3. 實際光線追跡：三角光學(xué)計算4. 近軸光學(xué)計算：5. 放大率計算：垂軸放大率、軸向放大率、角放大率6. 連續(xù)球面的光線追跡：近軸光學(xué)7. 等效焦距的計算、等效焦點的計算8. 透鏡的主點和焦點9. 組合透鏡的焦點、焦距10. 光學(xué)不變量11. 矩陣光學(xué)12. Y-Y圖,光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù),常用參數(shù)和術(shù)語,Object distance

6、 Image distance Object to image total trackFocal length ?/number (or numerical aperture) Entrance pupil diameterEntrance and exit pupil locati

7、on and sizeWavelength band Full field of view Magnification (if finite conjugate) Zoom ratio (if zoom system) Back focal distance Image surface size and shape Optical perf

8、ormance:Transmission Relative illumination (vignetting) Encircled energyMTF as a function of line pairs/mm Distortion Field curvature Number of elements

9、 Aspheric surfaces Diffractive surfaces Coatings,光學(xué)系統(tǒng)的基點與基面,光學(xué)系統(tǒng)的基點與基面,有效焦距與前、后焦距,單透鏡的主面位置,彎月透鏡與反射鏡,正透鏡成像,負透鏡成像,物像位置的變化規(guī)律,負透鏡成像規(guī)律,放大率,角放大率,數(shù)值孔徑和F數(shù),公式匯總,符號的物理意義,各符號的物理意義

10、,雙光組無限遠成像,雙光組有限遠成像,組元的焦距,光學(xué)不變量,對給定的光學(xué)系統(tǒng)以下物像關(guān)系是一個常數(shù)對任一面 為常數(shù)，稱為,,,,,用光學(xué)不變量計算其它參量,放大率：物、像面上的不變量無窮遠物體的像高：透鏡面與像面望遠系統(tǒng)的放大率：入瞳面和出瞳面,用光學(xué)不變量計算其它參量,任意光線的數(shù)據(jù)可以用兩條已知光線來計算

11、：焦距計算：入瞳,矩陣光學(xué),,,,,折射方程,過渡方程,單個折射面成像方程,在空氣中,通用,Y-Y 圖,,,,物面與像面,物面傾斜，像面也傾斜，傾斜的規(guī)則如圖示，像面相對物面有梯形畸變小角度的物像傾斜符合垂軸放大率大角度的物像傾斜符合 Scheimpflug（沙伊姆弗勒）條件投影物鏡向上投影相當(dāng)于傾斜像面，將產(chǎn)生拱形畸變。如果保持物像面平行，投影軸傾斜，可避免上述畸變。,第二章 像差,概述

12、像差多項式和賽德像差 球差、彗差、像散和場曲、畸變、色差透鏡形狀和光闌位置對像差的影響像差隨孔徑和視場的變化光程差像差校正和剩余像差像差曲線和像差的級次,光線追跡圖,像差多項式,,Notice that in the A terms the exponents of s and h are unity. In the B terms the exponents total 3, as in s3, s2h, sh2

13、, and h3. In the C terms the exponents total 5, and in the D terms, 7. These are referred to as the first-order, third-order, and fifth-order terms, etc. There are 2 first order terms, 5 third-order, 9 fifth-order, and,n

14、th-order terms. In an axially symmetrical system there are no even order terms; only odd-order terms may exist (unless we depart from symmetry as, for example, by tilting a surface or introducing a toroidal or other nons

15、ymmetrical surface).,,各項的級次,It is apparent that the A terms relate to the paraxial (or first-order) imagery discussed in Chap. 2. A2 is simply the magnification (h′/h), and A1 is a transverse measure of the distance from

16、 the paraxial focus to our “image plane.” All the other terms in Eqs. 3.1 and 3.2 are called transverse aberrations. They represent the distance by which the ray misses the ideal image point as described by the paraxial

17、imaging equations of Chap. 2. The B terms are called the third-order, or Seidel, or primary aberrations. B1 is spherical aberration, B2 is coma, B3 is astigmatism, B4 is Petzval, and B5 is distortion. Similarly, th

18、e C terms are called the fifthorder or secondary aberrations. C1 is fifth-order spherical aberration; C2 and C3 are linear coma; C4, C5, and C6 are oblique spherical aberration; C7, C8, and C9 are elliptical coma; C10 an

19、d C11 are Petzval and astigmatism; and C12 is distortion. The 14 terms in D are the seventh-order or tertiary aberrations; D1 is the seventh-order spherical aberration.,系數(shù)的意義,球差：焦點隨孔徑的變化,,軸向球差,垂軸球差,球差有正負之分：負球差相當(dāng)于未校

20、正的正透鏡產(chǎn)生的球差，故稱欠校正球差；負透鏡常被用來校正正透鏡的球差，因為負透鏡產(chǎn)生正球差，故正球差又稱為過校正球差。,球差曲線,軸向球差曲線,垂軸球差曲線,彗差：放大率隨孔徑變化,彗差定義,彗差特征,光闌面,像面,光束截面,象散和場曲,象散,場曲,象散和場曲曲線,畸變,枕形畸變,桶形畸變,畸變曲線,色差,軸向色差,垂軸色差,透鏡形狀和位置對像差的影響,厚透鏡公式薄透鏡公式對于固定的焦距有無限多的透鏡形狀,球差和彗差隨透鏡形

21、狀的變化（光闌位于透鏡處）,透鏡形狀變化對像差的影響,考慮物體在無限遠的情況實物成實像的正透鏡產(chǎn)生負球差球差隨透鏡的形狀改變呈拋物線改變彗差隨透鏡的形狀呈線性變化球差最小的位置透鏡接近于凸平透鏡球差最小時彗差為0球差最小的透鏡可用于制作簡易的望遠鏡,光闌與透鏡重合時的像差,球差隨透鏡的形狀改變彗差隨透鏡的形狀改變，球差最小時彗差為0光闌與透鏡重合時，若干種像差：象散、場曲、軸向色差為常數(shù)，與透鏡形狀無關(guān)畸變與放大率色

22、差均為0光闌位置的改變不會影響球差和位置色差光闌位置移動對其余像差均有影響，其中影響最大的是象散和彗差,光闌在不同位置時對斜光束入射的影響,,,光闌位置移動對像差的影響（透鏡形狀固定）,光闌位置移動對像差的影響（彎月透鏡形狀）,對球差及軸向色差無任何影響對彗差呈線性變化，有一位置為0，稱作Natural Position對畸變和橫向色差呈正負的變化彗差為0時子午場曲最小因而象散最小不同透鏡形狀有不同彗差為0的光闌位置,光

23、闌位于Nature位置時透鏡形狀變化對像差的影響,光闌位于Nature位置時透鏡形狀變化對像差的影響,考慮透鏡形狀變化時彗差為0的光闌位置球差最小時的形狀為凸平形狀，彗差為0的光闌位置就是與透鏡重合球差最小則產(chǎn)生最大的場曲和象散，此時軸上點附近具有較好的像質(zhì)。彎月透鏡成像的球差較大，但可以獲得較平坦的視場，象散、場曲均較小，適合于大視場成像，如簡易照相鏡頭。,像差隨孔徑和視場的變化,波像差——實際波面與理想波面之差,像差校正,已經(jīng)

24、介紹了兩種簡單校正像差的方法 透鏡彎曲和移動光闌高層次的像差校正是組合不同正負號像差的透鏡使得像差得以抵消 例如：正透鏡產(chǎn)生欠校正的球差和位置色差， 負透鏡產(chǎn)生過校正的球差和位置色差。用正負透鏡組合校正球差和位置色差 雙膠合透鏡的色差校正：大光焦度的正透鏡用低色散的冕牌玻璃，小光焦度的負透鏡用高色散的火石玻璃，因此負透鏡具有每單位光焦度較大的正色散，與正透鏡的負色散抵消。

25、 雙膠合透鏡的球差校正：考慮光焦度、形狀和折射率。如果負透鏡的折射率較高，膠合面將產(chǎn)生發(fā)散，產(chǎn)生過校正球差，與外表面的欠校正球差抵消。,球差的校正與剩余球差,色差的校正與剩余色差——二級光譜,色差隨孔徑的變化——色球差,場曲與象散的校正,光線相交曲線與像差的級次,,欠校正球差,過校正球差,欠校正帶球差,欠校正彗差,三級和五級彗差,欠校正軸向色差,,典型的軸外像差曲線,第三章 棱鏡和反射鏡系統(tǒng),棱鏡分為兩類：折射與反射折射棱鏡主

26、要用于產(chǎn)生色散：如光譜儀反射棱鏡主要用于轉(zhuǎn)折光路,色散棱鏡,薄棱鏡,垂直入射,一般入射,色散,消色差棱鏡：（光線偏折但不產(chǎn)生色散）,偏轉(zhuǎn)色散求解,直視棱鏡：（光線不偏折但有色散）,設(shè)偏轉(zhuǎn)D12為0，但色散dD12不為0，可以得到直視棱鏡如果需要較大的色散，可以將多塊棱鏡組合構(gòu)成直視棱鏡,反射棱鏡,反射棱鏡大多依靠全反射實現(xiàn)光束反射反射棱鏡依照反射定律反射光線反射成像引起坐標變化成像系統(tǒng)中的反射棱鏡相當(dāng)于平行平板,反射

27、棱鏡成像,直角棱鏡,恒定偏角棱鏡和道威棱鏡,屋脊棱鏡,正像棱鏡系統(tǒng),多種正像棱鏡系統(tǒng),斜方棱鏡和光束分列器,,設(shè)計棱鏡系統(tǒng),,棱鏡的口徑計算,第四章 光闌與孔徑,典型的孔徑光闌和視場光闌,什么是入瞳和出瞳,如何在光路中查看光瞳、孔徑光闌和視場光闌,漸暈,消雜光光闌,防眩光光闌,擋板光闌,遠心光闌,孔徑與像面照度,孔徑光闌與像面的照度有關(guān),軸外像面的照度下降為軸上點照度的cos4角度,景深與焦深,景深,光學(xué)系統(tǒng)的分辨力,光學(xué)系統(tǒng)的衍射

28、 物點所成的像受光闌的限制，實際為一衍射斑 衍射斑的大小決定了系統(tǒng)的理論分辨率,光譜儀的分辨力,棱鏡光譜儀的分辨力,光柵光譜儀的分辨力,第九章 光學(xué)器件,望遠系統(tǒng),望遠系統(tǒng)的應(yīng)用,望遠系統(tǒng)可用作激光擴束器；當(dāng)望遠系統(tǒng)插入在另一光學(xué)系統(tǒng)的平行光路中時，可以改變該系統(tǒng)的焦距、光焦度、視場角等；望遠系統(tǒng)可對近距離物體成像，其物像放大率為一常數(shù)，即為MP的倒數(shù)。如果將光闌設(shè)置在第一透鏡組的焦面上，可以獲得雙遠心光路,

29、場鏡與中繼透鏡,場鏡置于中間想的位置場鏡不改變原系統(tǒng)的光焦度場鏡可減小后續(xù)透鏡的高度場鏡的連續(xù)使用即成為中繼透鏡中繼透鏡用來長距離傳輸圖像（如潛望鏡、內(nèi)窺鏡）,內(nèi)窺鏡的最優(yōu)結(jié)構(gòu),以限定的最大橫向尺寸確定場鏡的直徑；物鏡的焦距為場鏡的直徑除以全視場角；中繼透鏡的位置為中繼透鏡的直徑乘以物鏡的F數(shù)中繼透鏡的焦距以確保物鏡所成的像以一倍的放大率（絕對值）方式傳輸。所有的中繼透鏡和場鏡具有同樣的參數(shù),漸暈與場鏡,放大鏡與顯微系統(tǒng)

30、,測距儀的工作原理,,菲涅爾透鏡測距系統(tǒng),單反鏡頭采用的測距系統(tǒng),測距系統(tǒng)有三個組件：物鏡，場鏡，目鏡。場鏡由圖所示的菲涅爾透鏡構(gòu)成：外部區(qū)域相當(dāng)于場鏡的作用，將邊緣視場送入目鏡；中心部分，測距。中部區(qū)域由三角錐形棱鏡構(gòu)成，將未聚焦的圖像夸大模糊,輻射計與紅外探測器,通常由物鏡與縮像的光學(xué)器件組成，后者是為了減小光斑的尺寸，滿足小尺寸的接收器的需求。,光錐縮小光斑,導(dǎo)光管勻光器件,光纖,傳像光纖束,,梯度折射率光纖,變形系統(tǒng),,變

31、焦系統(tǒng),物像共軛位置不變，成像系統(tǒng)的焦距連續(xù)變化使得放大率連續(xù)變化的光學(xué)系統(tǒng)為變焦系統(tǒng)比較系統(tǒng)為光學(xué)變焦和機械變焦，機械變焦可以做到焦距連續(xù)變化，但非線性變化光學(xué)變焦可以實現(xiàn)特定的焦距變化。,單透鏡變焦,變焦與補償,變焦凸輪曲線,光學(xué)變焦,第十一章 像質(zhì)評價,波像差點列圖中心點亮度傳遞函數(shù),波像差,,波像差的構(gòu)成,含有初級球差及離焦的波像差,離焦至1/2球差位置時,此時最大波像差發(fā)生在Y=0.707處，最大波像差值是理想像點位

32、置處的1/4倍對應(yīng)的邊緣球差,五級球差情況,波像差,最佳離焦點,Y=1處波像差,最大波像差位于,五級球差且邊光球差校正為0,,波差多項式,比較,中心點亮度,,幾何能量分布,,點擴散函數(shù)和線擴散函數(shù),一物體被光學(xué)系統(tǒng)成像，每一點或每一線將被光學(xué)系統(tǒng)所成的像為以模糊點或模糊線，這個點或這條線的截面圖就是點擴散函數(shù)或線擴散函數(shù),調(diào)制傳遞函數(shù),調(diào)制度（對比度）,不同頻率的線條物體，被光學(xué)系統(tǒng)成像后獲得不同對比度的正弦函數(shù),人眼的分辨閾值,調(diào)

33、制度函數(shù),同樣的極限分辨率有不同的系統(tǒng)性能,系統(tǒng)分辨率,判斷系統(tǒng)是以分辨率還是以對比度？,傳遞函數(shù),傳遞函數(shù)也成頻率響應(yīng)函數(shù)或正弦頻率響應(yīng)函數(shù)或?qū)Ρ榷绒D(zhuǎn)換函數(shù)可用于透鏡、鏡頭、人眼、膠片、CCD、CMOS等傳遞函數(shù)在一個系統(tǒng)中可以相乘，如照相機鏡頭的MTF與膠片的MTF相乘，可以獲得系統(tǒng)的總傳遞函數(shù)透鏡與透鏡之間傳遞函數(shù)不能相乘，因為透鏡之間具有像差的抵消或放大作用,傳遞函數(shù)的近似計算,離焦對傳遞函數(shù)的影響,正弦波與方波的傳遞函數(shù)

34、,,,光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)知識,PW法簡介PW法應(yīng)用在光學(xué)設(shè)計中確定初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。PW稱為透鏡的基本像差參量。首先根據(jù)技術(shù)要求確定系統(tǒng)的外形尺寸，確定各組光學(xué)組件的H,Hz.F,J等。再根據(jù)像差要求得出每一組的像差參量P.W. 由P.W求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。,,在外形尺寸中需要先確定各光組的位置、各光組的光焦度，由此可以獲得第一近軸光線和第二近軸光線在各光組上的高度H 、H z等,初級像差用塞得系數(shù)表示,初級像差用PW表示,歸化的PW參數(shù),光

35、組的參數(shù)有兩部分構(gòu)成 內(nèi)部參數(shù)：曲率半徑、間隔、材料； 外部參數(shù)：物距、焦距、視場角、相對孔徑像差參量PW與外部參數(shù)及內(nèi)部參數(shù)均有關(guān)，為了使PW與光組參數(shù)的關(guān)系簡單化，提出了歸化的PW參數(shù)。,為使參數(shù)與位置無關(guān),為使參數(shù)與焦距無關(guān),,,利用PW法確定初始參數(shù)過程,首先根據(jù)技術(shù)要求確定系統(tǒng)的外形尺寸，確定各組光學(xué)組件的H,Hz.F,J等。再根據(jù)像差要求得出每一組的像差參量P.W. 再由P.W求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。,,