培训讲义之光学设计

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1、浙江大学光学工程研究所李晓彤、岑兆丰电话、传真：0571－87952302电子邮件：lixt@zju.edu.cncenzf@zju.edu.cn1开始§5-1　光学设计流程提出合理要求是理想光学系统外形尺寸计算重新计算否否外形尺寸？是否可能满足要求？是改变初是初始结构设计始结构？否像差平衡否否像质是否达到要求？是是否满足公差设计与工艺校核工艺要求？结束制光学系统图、零件图是2§5-2　光学设计各阶段需要考虑的问题一、提出的要求是否合理：如分辨率，传递函数，畸变等二、作外形尺寸计算时：各镜组的光焦度分配要合理，总

2、长度一般应比要求略短。三、初始结构设计时：应考虑像差校正的可能性，并适当选择光学材料。四、像差平衡时：应考虑工艺性要求，包括正透镜的边缘厚度、负透镜的中心厚度以及可能需要考虑的其他一些特殊的工艺要求。3§5-3　光学自动设计概述一、结构参数和像差函数各表面曲率半径与面形各透镜中心厚度与间隔修改之像差发生变化结构参数光学材料参数（折射率，阿贝数等）可以认为，各种像差是结构参数的函数，写成f=f(x,x,",x)1112nx,x,",x其中12n为结构参数f2=f2(x1,x2,",xn)f,f,",f为各种像

3、差12m"f=f(x,x,",x)mm12n注意1.所谓像差是广义的；2.由于结构参数的变化不全是任意的，各种像差之间存在相关性，应根据需要对像差进行综合平衡。根据什么来平衡？4二、评价函数——能综合评价像质好坏的函数怎样构成ϕ=ϕ(x)ϕ越小，像质越好，所以也称为目标函数能充分综合地反映成像质量几何像差要求：波像差+畸变+色差计算方便点列图光学传递函数评价函数的形式：2*22*22*2ϕ(x)=W(f−f)+W(f−f)+"W(f−f)111222mmm其中f,f,"f为各像差函数12m***f,f,"

4、f为各像差目标值12mW,W,",W为一组非负值，均为权因子12m在光学设计中根据不同的情况修改权因子的大小是一项主要的工作。要严格控制的像差W大；控制比较松的像差W小；不控制的像差W=0。5三、自动设计的算法优化算法中应用最多最成功的——加权阻尼最小二乘法即：使像差函数平方和最小。事实上，像差函数非常复杂，一般根本写不出它的显式。所以这个优化求解过程是对一个非线性方程组的求解，如有阻尼因子的牛顿迭代法。在线性比较好时，阻尼因子变小，使收敛速度快；线性比较差时，阻尼因子变大，使收敛速度慢。四、边界条件第一类：中心

5、厚度，折射率，半径的变化范围——冻结法，严格控制二类边界条件第二类：边缘厚度，后截距，系统总长度——作为像差处理6光学零件外径余量外径(mm)外径(mm)通光口径(mm)通光口径(mm)用滚边固定用压圈固定用滚边固定用压圈固定到6D＋0.6－＞30－50D＋2.0D＋2.5＞6－10D＋0.8D＋1.0＞50－80D＋2.5D＋3.0＞10－18D＋1.0D＋1.5＞80－120－D＋3.5＞18－30D＋1.5D＋2.0＞120－D＋4.5透镜边缘及中心最小厚度透镜直径（mm）正透镜边缘最小厚度(mm)负透镜中

6、心最小厚度(mm)3－60.40.6＞6－100.60.8＞10－180.8－1.21.0－1.5＞18－301.2－1.81.5－2.2＞30－501.8－2.42.2－3.5＞50－802.4－3.03.5－5.0＞80－1203.0－4.05.0－8.0＞120－1504.0－6.08.0－12.07§5-4　光学材料简介反射零件——反射率及其稳定性光学系统折射零件——透明度，吸收系数，透明波段等光学玻璃光学材料光学晶体光学塑料1、光学玻璃的技术参数折射率谱线CDdeFgh色散Λ(nm)656.3589.3

7、587.6546.1486.1435.8404.7参数nCnDndnenFngnh人眼最灵敏波长555nm，n−nn−1两个极端C，FFCDν=n−nFC平均色散阿贝常数平均色散系数8用n和ν可以表征玻璃的光学性能。一般玻璃n=1.4至1.8例如：K9玻璃，n=1.5163,ν=64.12、光学玻璃分类及其技术参数K冕牌玻璃n小ν大QKKPKBaKZKLaK等F火石玻璃n大ν小KFQFBaFFZFZBaFLaFTFZLaF等还要求：光学均匀性、化学稳定性（n大时往往较软，化学稳定性差）气泡、条纹、内应力等，皆对成

8、像有影响应根据仪器要求挑选不同等级的玻璃910§5-5　典型光学镜头显微镜的物镜光学系统的主要参数：f',D/f',2W在此与β、A、2y有关1D11Du'−u=⇒u(1−)=−而A=nsinU2f'β2f'分辨率要求A大，M要与之相适应，物镜的放大率也要相应匹配，并在规定机械筒长下使用（例如，170mm）有载玻片、盖玻片设计时要考虑盖玻片物镜外壳上标明参数，见书δ=δ1