《光学设计基础》PPT课件.ppt

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1、光学系统设计基础知识第一章象差综述§1.几何象差（1）概述：理想光学系统观点两个假定①必须是充分小孔径、视场②或是0孔径、0视场才能成完善像实际上这种理想系统是无意义的∵①必须要以一定宽度的光束（孔径要求）②对一定大小的物体（视场要求）实际成像∴不再成完善像，出现失真、变形,并在白光的照明下出现彩色的象轮廓……这就是象差所以总的目的--完成光学系统及光学元件的设计；象差分析、象差平衡、象质评价象差研究：（1）象差的分类（2）象差产生的原因及危害（3）光学系统对象差的要求及象质评价（2）象差的分类与表示分类象差的表示简单表示（A）轴上点象差（单色象差）

2、：白光：轴上点位置色差例如：单透镜球差正弦差位置色差（B）轴外点象差（单色象差）彗差像散、场曲畸变桶形畸变枕形畸变倍率色差（轴重色差）§2.光学系统的象差要求类型象差要求镜头结构小视场大孔径显微物镜望远物镜简单,双胶合（双分离）称小象差系统大视场小孔径目镜无须校正轴上点象差，主要为轴外点象差，适当校正光栏球差，比较复杂大视场大孔径摄影物镜投影物镜全部七种象差复杂称为大像差系统第二章光学系统设计过程所谓光学系统设计就是根据使用要求，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。§1.概述一、对光学系统的要求任何一种光

3、学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求。1、光学系统的基本特性：NA或D/f′，2y或2ω，β，f′2、系统的外形尺寸：包括横向尺寸和纵向尺寸，在设计光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。3、成像质量：成像质量的要求和光学系统的用途有关。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物镜，要求整个视场都要有较好的成像质量。4、仪器的使用条件：根据仪器的使用条件，要求光学系统具有一定的稳定性、抗振性、耐热性和耐寒性等，以保证仪器在特定的环境下能正常工作。二、光学系统设计过程概述1、外形尺寸计

4、算2、初始结构的选型与计算3、像差校正和平衡4、像质评价§2光学系统的外形尺寸计算一、外形尺寸计算的任务在进行外形尺寸计算时，首先要根据要求拟定光学系统的原理图。合理的光学系统原理图能够保证系统得到良好的成像质量。其次是按技术要求确定光学系统的基本特性和外形尺寸。对某些光学系统还要进行光能量计算。最后是确定系统各部件的基本特性，以便选择各光组的结构。设计光学系统原理图，确定基本光学特性，使其满足给定的技术要求，即确定NA或D/f′、2y或2ω、β、f′、共轭距、后工作距、光阑位置和外形尺寸。为了简化各种类型光组的计算，可以把光学系统看成是由一系列无限

5、薄的光组组成的。经过简化后的光学系统就可以用理想光学系统的理论和公式进行外形尺寸计算。有些光学系统可以是这种简化的系统，如：低倍显微镜、开普勒望远镜、具有棱镜或透镜转像系统的望远镜等；也有一些光学仪器不能认为是薄透镜光组，如：照相物镜、广角物镜、大数值孔径的高倍显微物镜等。对于这种光学系统的外形尺寸计算要与求解初始结构一起进行，它的外形尺寸就是像差校正好以后的结构尺寸。二、典型光学零件的外形尺寸计算1.理想成像理论2.渐晕系数3.棱镜转像系统4.透镜转像系统5.场镜§3光学系统初始结构的计算方法初始结构的计算目的就是要确定系统的初始结构参数：曲率半径

6、、透镜的厚度、间隔、玻璃折射率和色散等。它的计算方法有两种：一种是根据初级像差理论用代数法求解初始结构；另一种是从已有的专利文献资料中选择初始结构。一、代数法-PW方法光学设计中用PW方法目的是按初级象差理论求取光学系统的初始结构，以供作光路计算校正象差之用。在求解光学系统的初始结构时，按初级象差公式计算，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。PW形式初级像差系数二、从已有资料中选择初始结构的方法随着计算机的发展和光学设计技术的提高，人们已经设计出很多性能优良的各种光学系统，并把这些资料载入技术档案和专利文

7、献中。有些光学设计手册也专门收集了有关设计资料。如能从这些专利文献中选择一些光学特性与所设计的物镜尽可能接近的结构做为初始结构，不但会给设计者节省好多时间，而且也容易获得成功。尤其是，设计高性能的复杂物镜时，一般都从专利文献中选择初始结构。设计步骤：一、物镜选型在光学系统整体设计完成以后，应根据计算的光学特性，选择镜头的结构型式，确定其结构参数r、n、d。二、缩放焦距结构选型选好后，它的焦距不一定完全符合设计要求，因此必须缩放焦距。三、更换玻璃在国外的专利文献中，物镜选用的玻璃牌号与国产牌号很多是不相符的，尤其是一些高性能的物镜多数采用高折射率的玻璃

8、。这些玻璃价格昂贵，加工性能差，在满足设计要求的前提下尽量少选用这些玻璃，因此必须对已有的结构更换玻璃。为了