光学设计指导书

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1、光学设计指导书刘冬梅、王丈生等主编长春理工人学光电工程学院2005年按照“应用光学”教学大纲规定的设计要求，并结合光电工程学院的《应用光学》教学特点及具体的悄况，我们编写了《光学设计指导书》。本指导教程着眼于应用光学的基木理论知识、光学设计基本理论和方法，侧重于典型系统具体设计的思路和过程，加强学生对光学设计的切身领会和理解，将理论与实际融合、统一，以提高学生综合分析及解决问题能力的培养。在该实验指导教程屮共包含三部分的内容：光学设计屮的PW法、望远系统PW方法的具体计算过程、ABR程序的介绍及使用等。在编写过程中我们吸纳了过去课程设计的经验与长处，内容深入浅出、文字通顺

2、、易读易懂，具有自己的特色。本教程由光电工程学院刘冬梅、王文生、刘智影、霍富荣等主编。由于木人水平有限，教程中难免有不足Z处，衷心希望广大读者对教程中的不足之处给予批评指正。编者2005年1月第一章光学设计中的PW法4§1-1光学系统的基本象差参量4§1一2光学系统的基本象差参量的规化§1一3双胶合薄透镜组的可丽二石'与结构参数的关系9第二章望远系统PW法的具体计算过程15§2—1望远系统的原理15§2—2课程设计的内容及要求15§2-3望远系统PW法的具体设计过程16第三章ABR程序的介绍及使用32§3—lABR程序的介绍32§3-2数据文件的建立及ABR程序的操作32

3、第一章光学设计中的PW法§1-1光学系统的基本象差参量任何光学系统都是由许多光组组成，每个光组都有自己的性能要求，如显微系统、望远系统至少要由物镜和H镜两部分构成，照和系统多为一个照相物镜。光学设计的过程主要是首先根据光组的光学特性要求（广,Q/广,2/等）选定其结构型式，然后进行初始结构参数的求解。但是无论是利用初级象劳理论为基础求解得的初始结构参数，还是根据已有资料选用的初始结构参数，它们的象差都不一定能满足要求，因此必须进行象差校正。为应用初级像差理论求解光学系统的初始结构参数，需把以前那些便于实际计算初级像差系数的基本公式组（1-2）作必要的变换，以使它们能与透镜

4、或透镜组的结构参数联系起來，而用P,W表示的初级像差系数表示式是解决这一实用问题所需的较好形式。现在在初级像差系数的公式组（1-2）中引入符号P,W：(1-1)ihJ并以k=+代入，即可得到以p和w所表示的初级像差系数表示式（1ihhni—3)：（需要指出的是公式中所涉及的齐量的物理意义与应用光学屮所讲到的相一致，此处就不分别加以介绍了，带有下角标Z的表示的是与主光线相关的各物理量。）5/k工1/5X一/-5//R工1R工—一一#>2fW1>Kn2/V5/Avz^-l+s,x.2LKW9>K271VR工1+///SR(zlS[=luni(i-i)(z-w)■S[[=S起I

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7、_(3①+龙)一丿彳工△_Th2ih2i/?2T/?2«71=—A—式中,(1-4)rn①話一—泌丄nynnl公式组（1-3）把各个初级像差系数表示为二条近轴光线在折射面上的高度以及三个参量的函数。这几个参量表征着折射面的像差贡献，由于它们仅被第一近轴光线的量决定，使得在实用上极为方便。用光线光路计算方法求光学系统的像差值以判定其成像质量，必

8、须首先知道该系统的结构参数这个结构可能是像差己经校正的可用结果，也可能是供像差校正用的初始结构，本章的冃的是按初级像差理论求取光学系统的初始结构，以供作光路计算校正像差Z用。在求解光学系统的初始结构时,按初级像差公式计算，并略去透镜的厚度，因此，它是一个近似解，其近似程度决定于所设计的系统的视场和孔径。当光学系统的各个薄透镜组的光焦度及它们相互间的位置为已知时，第一近轴光及第二近轴光线在齐个光组上的入射高度九心也就确定了。根据式（1一3）可知：每个薄透镜组的初级像羞由两个参量确泄，故称为薄透镜组的像差参量或像差特性参数。利用P.W求薄透镜系统的初始解的过程为：首先对整体光

9、学系统作外形尺寸计算，求出各个光组上的光线入射高度h,h“光焦度①和拉赫不变量丿等;再根据对各个薄透镜组的像丼要求按薄透镜系统像劳公式（1—3）求出各薄透镜组的像劳参量；最后由P,W确定各个薄透镜组的结构参数。任何光学系统或光组的像差参量表达式均可分为两部分：一部分称为内部参数，是指光组各个折射面的曲率半径厂、折射面间的间隔d和折射面间介质折射率况；另一部分参数称为外部参数，是指物距八焦距广、半视场角血和相对孔径D/广等。上述不仅和内部参数有关，而且也和外部参数有关，即值还随外部参数的变化而变化。为使值只决定于内部参数以便由其