光学计算机辅助设计讲义-1

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1、1．光学设计基础1.1现代光学仪器对光学系统的要求光学系统是现代光学仪器中的一个关键系统，光学系统的设计关乎整体系统的设计方案，因此设计好光学系统必须明确光学系统的基本要求。1．1．1光学系统基本要求如下性能?提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体?像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配?有效孔径和透过率必须足够满足设计要求构形选择?设计形式必须能满足所需的性能?特殊的技术要求，如扫描系统，红外系统中的光阑等，要符合要求可制造性考虑?最小尺寸/成本/重量/环境影响1．1．2光学系统技术要求：基本要求Objectdista

2、nce（物距）Imageformats（成像形式）Imagedistance（像距）Configuration（结构）f/numberorNA（F数或数值孔径）Magnification（放大率）Fullfieldofview（全视场，2）Transmittance（透过率）Focallength（焦距）Vignetting（渐晕）成像质量要求Detectortype（探测器类型）Centralormajorwavelength（主波长）λ＝______Spectralrange（光谱范围）从λ＝_________到λ＝_

3、________Spectralweights光谱权重(@3λ)λ1/W1__λ2/W2__λ3/W3__MTF（光学传递函数）__________RMSwavefrontdegradation（RMS波前衰减）____________Encircledenergy（能量中心度）________%能量在_____直径机械和包装要求Length（长度）Diameter（直径）Backfocusdist（后焦距）Weightofoptics(光学载重)Objecttoimage（物像间距离）Other(其它)具体要求Centr

4、alobscuration（中心遮拦）Environment（环境）Offaxisrejection（离轴抑制）Temperature（温度）Numberofelements（元件数量）SoakrangeMaterials（材料）Gradients（倾斜度）Costguidelines（价格准则）Shock&vibration(振动)Illuminationprofile(光照图)Other(其它)IR（红外）系统的要求Narcissus（冷反射）Scannoise（扫描噪音）Magnification（放大）NE△T（噪

5、声等价温差）Scannergeometry（扫描几何图）Coldstopefficiency（冷光阑效率）Other（其它）1f/numberorNA（F数或数值孔径）：F数俗称光圈。在光学系统技术指标中，F数是一个非常关键的指标，在设计之前就必须确定的值。焦距一定，F数越小，通光孔径越大，设计的难度也相对较高。focallength焦距ff/number＝clearaperturediameter通光孔径DD(又称入瞳直径)：孔径光阑在物孔径的共轭像孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径的光阑，如人眼的瞳孔1D相对孔径

6、＝ff/number数值孔径NAnsinU数值孔径与F数2Fullfieldofview（全视场，2）Aspectratio投影比一般可以指定某一视场，如水平视场。如CCD相机镜头以3×4×5的投影比覆盖传感器，水平视场为0.8视场。若指定的视场小于全视场，必须说明是某视场。例如，将视场指定为±10°，则全对角视场为20°，或半视场10°。3Vignetting（渐晕）:像平面边缘部分比中心暗这种现象称为“渐晕”.D,Dw’:光束宽度线渐晕系数:K=Dw/D4Spectralrange（光谱范围）:是光学系统所能覆盖的波带

7、。例如，可见光系统一般覆盖约450～650范围内的光谱。必须指出3～5个特定波长以及它们的相对权重。图为光谱灵敏度曲线。如图，在波长450和650之间选择5个代表性波长。圆点代表特定波长的相对灵敏度，相对权重分别是波长1～5每个波带内的规一化面积即积分。光谱灵敏度和波长相对权重注：除了基于激光的系统要在特定波长下设计，其它系统都必须给出光谱带宽和相应的权重。5MTF（传递函数）：MTF(Modulationtransferfunction)，是调制度（对比度）与图像内每毫米线对数（lp/mm）之间的关系。它是评价像质的一种

8、重要手段。图中横轴为空间频率，纵轴为调制度。可见，所有视场在截止频率16lp/mm处的MTF值都大于0.4，说明系统具有较好的像质。MTF曲线6RMSwavefrontdegradation（RMS波前衰减）RMS波前像差，一般波像差均方根值小于/4，表明系统的像质较好。图为一系统的点列图。RMS弥散斑