光學(xué)設(shè)計總結(jié)

1、1.什么是光學(xué)設(shè)計？所謂光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，就是根據(jù)儀器所提出的使用要求，設(shè)計出光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組的結(jié)構(gòu)等。2.光學(xué)設(shè)計工作內(nèi)容？光學(xué)設(shè)計所要完成的工作包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計。3.光學(xué)設(shè)計各個階段的主要內(nèi)容？（1）. 根據(jù)儀器總體的技術(shù)要求，擬定光學(xué)系統(tǒng)的原理圖，并初步計算系統(tǒng)的外形尺寸。稱為“初步設(shè)計”或者“外形尺寸計算” ；（2）. 根據(jù)初步設(shè)計的結(jié)果，確定每個透鏡組的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。稱為 “像差設(shè)計”或稱“光學(xué)設(shè)計”。4.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的一般過程和步驟？一、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的一般過程1、制定合理的技術(shù)參數(shù)；2、光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計和布局；3、光學(xué)部件（光組、鏡頭）的設(shè)計； 一般分

2、為選型、確定初始結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差校正三個階段。 （1）選型; （2）初始結(jié)構(gòu)的計算和選擇； A、解析法； B、縮放法； （3）像差校正、平衡與像質(zhì)評價。4、長光路的拼接與統(tǒng)算；5、繪制光學(xué)系統(tǒng)圖、部件圖和光學(xué)零件圖；6、編寫設(shè)計說明書；7、必要時進(jìn)行技術(shù)答辯。二、光學(xué)設(shè)計的具體設(shè)計步驟1、 選擇系統(tǒng)的類型；2、 分配元件的光焦度和間隔；3、 校正初級像差；4、 減小殘余像差(高級像差)。5.光學(xué)儀器對光學(xué)系統(tǒng)的性能和質(zhì)量要求一、光學(xué)系統(tǒng)的基本特性二、系統(tǒng)的外形尺寸三、成像質(zhì)量四、儀器的使用條件與環(huán)境此外，在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，還要考慮它應(yīng)具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。1.什么是孔徑？什么是視場？2.

3、七種像差的基本概念、怎樣表示、特點、初級像差描述形式、基本校正方法？像差：實際像與理想像之間的差異 （1）球差 概念：軸上點發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個球面折射以后，不再是同心光束，其中與光軸成不同角度的光線交光軸于不同的位置上，相對于理想像點有不同的偏離，這種偏離稱之為球差。 表示：或 特點： 初級球差描述形式： 式中， 稱為初級球差系數(shù)(也稱第一賽得和數(shù))， 為每個面上的初級球差分布系數(shù)。危害：球差使得在高斯像面上得到的不是點像而是一個圓形彌散斑。校正：鑒于正負(fù)透鏡產(chǎn)生不同符號的球差，因此，欲獲得一個消球差的系統(tǒng)，必須以正、負(fù)透鏡適當(dāng)組合才有可能，最簡單的形式有雙膠合光組和雙分離光組 。

4、球差是孔徑的偶次方函數(shù)，因此，校正球差只能使某帶的球差為零。 對于僅含初級和二級球差的光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)對邊緣光校正球差時，在h=0.707hm的帶光具有最大的剩余球差。其值是邊緣光高級球差的-1/4。（2）彗差概念：軸外物點發(fā)出的寬光束，經(jīng)透鏡成像后不再交于一點而是形成一種不對稱的成彗星狀的彌散斑。表示：子午彗差 弧矢彗差 特點：由于彗差是軸外物點以寬光束成像時所產(chǎn)生的一種單色像差。因此，它一方面隨視場大小而變化；另一方面，對于同一視場，它又隨孔徑的不同而變化?；鄄畹恼归_式為第一項為初級彗差 ，第二項為孔徑二級彗差 、第三項為視場二級彗差初級像差描述形式：初級子午彗差 初級弧矢彗差危害：彗差使一點

5、的像成為彗星狀彌散斑，使能量分散，從而影響成像質(zhì)量。校正：彗差能夠通過移動光闌和有選擇的增加透鏡來消除通過移動孔徑光闌或選擇增加透鏡來控制彗差（3）像散概念：軸外物點沿主光線的細(xì)光束錐中，子午面上的子午光束在主光線上的會聚點t '與弧矢面上的弧矢光束在主光線上的會聚點s '各處于主光線上的不同位置，這種現(xiàn)象稱為像散現(xiàn)象，與像散現(xiàn)象產(chǎn)生相應(yīng)的成像缺陷，就是像散。表示：細(xì)光束 寬光束特點：像散是成像物點遠(yuǎn)離光軸時反映出來的一種像差，并且隨著視場的增大而迅速增大。所以對大系統(tǒng)的軸外點，即使是以細(xì)光束成像，也會因此而不能清晰。 像散是以子午像點和弧矢像點之間的距離來描述的初級像差描述形

6、式：危害：嚴(yán)重影響成像質(zhì)量校正：（4）場曲概念：子午像面和弧矢像面偏離于高斯像面的距離。表示：子午場曲 弧矢場曲特點：細(xì)光束的場曲與孔徑無關(guān)，只是視場的函數(shù)。初級像差描述形式：危害：當(dāng)有場曲時，在高斯像面上超出近軸區(qū)的像點都會變得模糊。校正：正負(fù)光焦度分離是校正匹茲伐和數(shù)的唯一有效的方法（5）畸變概念：在一對共軛平面上的垂軸放大率不為常數(shù)時 ,就會使物、像失去了相似性，這種成像缺陷即為畸變。表示：用線畸變表示：在光學(xué)設(shè)計中，通常用相對畸變來表示： 特點：由畸變的定義可知，畸變是垂軸像差，它只改變軸外物點在理想像面上的成像位置，使像的形狀產(chǎn)生失真，但不影響像的清晰度。初級像差描述形式：危害：使像

7、的形狀產(chǎn)生失真校正：（6）位置色差概念：描述軸上點用兩種色光成像的位置差異的色差表示： 特點：位置色差僅與孔徑有關(guān)，故其級數(shù)展開式僅與孔徑的偶次方有關(guān)，當(dāng)孔徑（或）為零時，色差不為零，故展開式中有常數(shù)項，初級像差描述形式：危害：位置色差嚴(yán)重影響成像質(zhì)量校正：用不同的玻璃做成正透鏡和負(fù)透鏡，把它們組合在一起，就可以消除色差。實際光學(xué)系統(tǒng)中所使用的透鏡組，都是由正負(fù)透鏡組合起來的。光學(xué)系統(tǒng)是否消色差，取決于 是否為零。（7）倍率色差概念：兩種色光有不同的放大率，對同一物體所成的像也就不同，這就是倍率色差。表示：特點：初級像差描述形式：危害：倍率色差使物體像的邊緣呈現(xiàn)顏色，影響成像清晰度校正：3.七

8、種像差哪些僅與孔徑有關(guān)、哪些僅與視場有關(guān)、哪些與孔徑與視場都有關(guān)？僅與孔徑有關(guān)：球差、位置色差、（正弦差）僅與視場有關(guān)：像散、畸變、倍率色差、細(xì)光束的場曲與孔徑與視場都有關(guān)：彗差、寬光束的場曲4.標(biāo)注圖中像差？1.光學(xué)設(shè)計階段像質(zhì)評價的方法有哪些？小像差系統(tǒng)、大像差系統(tǒng)分別用什么來評價像質(zhì)？像質(zhì)評價的方法：瑞利判斷、中心點亮度、分辨率、點列圖法、光學(xué)傳遞函數(shù)、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）小像差系統(tǒng)：瑞利判斷、中心點亮度、光學(xué)傳遞函數(shù)、基于衍射的方法：（點擴(kuò)散函數(shù)、線擴(kuò)散函數(shù)）FFT大像差系統(tǒng)：分辨率、點列圖法、光學(xué)傳遞函數(shù)、基于幾何的方法；（光程差曲線、像差曲線）2.在幾何像差曲線中如何分析垂軸像差

9、曲線？3.什么是瑞利判斷？怎樣使用瑞利判斷判斷光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能？實際波面與參考球面波最大波像差小于/4時，此波面可看作是無缺陷的，此判斷成為瑞利判斷。瑞利判斷根據(jù)成像波面的變形程度來判斷成像質(zhì)量。4.什么是點列圖？怎樣用它評價系統(tǒng)的成像質(zhì)量？由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，因像差使其與像面的交點不再集中于同一點，而形成了一個散布在一定范圍的彌散圖形，稱為點列圖。怎樣用點列圖法評價成像質(zhì)量時需要做大量光路計算，只有利用計算機(jī)完成；它是一種形象直觀的評價方法；應(yīng)用于大像差的照相物鏡等設(shè)計中；5光學(xué)傳遞函數(shù)是什么？怎樣用它評價系統(tǒng)的成像質(zhì)量？曲線評價？積分評價？光學(xué)傳遞函數(shù)是一定空間頻率下像的對

10、比度與物的對比度之比。能反映不同空間頻率、不同對比度的傳遞能力。一般來說，高頻部分反映物體的細(xì)節(jié)傳遞情況，中頻部分反映物體的層次傳遞情況，低頻部分反映物體的輪廓傳遞情況。利用光學(xué)傳遞函數(shù)評價光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，是基于把物體看作是由各種頻率的譜組成的，也就是把物體的光強(qiáng)分布展開成傅里葉級數(shù)或傅里葉積分的形式。積分評價：曲線評價：1.外形尺寸計算的任務(wù)是什么？需確定哪些尺寸？光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算要確定的結(jié)構(gòu)內(nèi)容包括系統(tǒng)的組成、各光組元的焦距、各光組元的相對位置和橫向尺寸。外形尺寸計算基本要求：第一，系統(tǒng)的孔徑、視場、分辨率、出瞳直徑和位置；第二，幾何尺寸，即光學(xué)系統(tǒng)的軸向和徑向尺寸，整體結(jié)構(gòu)的布

11、局；第三，成像質(zhì)量、視場、孔徑的權(quán)重。2.什么是縮放？怎樣根據(jù)縮放確定光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)？步驟是什么？縮放：等比例的放大或縮小。1、物鏡選型2、縮放焦距3、更換玻璃4、估算高級象差5、檢查邊界條件1.望遠(yuǎn)系統(tǒng)原理？光學(xué)性能參數(shù)？望遠(yuǎn)系統(tǒng)一般由物鏡、目鏡和棱鏡（或透鏡）轉(zhuǎn)像系統(tǒng)構(gòu)成。其特點是物鏡的像方焦點與目鏡的物方焦點重合，光學(xué)間隔為0，因此平行光射入望遠(yuǎn)系統(tǒng)后，仍以平行光射出。 2.望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)性能參數(shù)有哪些？有什么特點？像差有什么特點？怎樣去評價？特點：相對孔徑不大、視場較小由于望遠(yuǎn)物鏡視場較小，因此，通常只校正球差、彗差和軸向色差。1、在有棱鏡情況下，物鏡和棱鏡像差相互補償。在棱鏡中的

12、反射面不產(chǎn)生像差，棱鏡的像差等于展開以后的玻璃平板的像差，與位置無關(guān)，因此不論物鏡光路中有幾塊棱鏡，不論它的位置不同，只要材料相同，都可以合成一塊玻璃平板計算像差。2、目鏡中有剩有少量剩余球差和軸向色差，需要物鏡來補償。3、在系統(tǒng)有分劃鏡，目鏡和物鏡應(yīng)當(dāng)盡可能分別消像差。用光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）評價成像質(zhì)量。1.顯微系統(tǒng)工作原理及光學(xué)性能指標(biāo)？怎樣評價光學(xué)性能？2.顯微物鏡光學(xué)性能參數(shù)有哪些？有什么特點？怎樣選擇它的初始結(jié)構(gòu)？像差有哪些特點？用什么方法評價它的成像質(zhì)量？選用和設(shè)計時，考慮的光學(xué)特性中最重要的是放大率（），數(shù)值孔徑（NA）和線視場（ y ，y' ）。特點：短焦距，大孔徑，

13、小視場用于顯微鏡觀察時，一般選用消色差物鏡或復(fù)消色差物鏡；用于顯微攝影時，一般選用平場消色差物鏡，使顯微攝像像面上獲得全視場清晰的像。設(shè)計顯微物鏡主要校正軸上點的像差和小視場的像差：球差 ，軸向色差 和正弦 ，但對較高倍率的顯微鏡 ,由于數(shù)值孔徑加大,除了校正這三種像差的邊緣像差之外，還必須同時校正它們的孔徑高級像差 ，如孔徑高級球差 , 色球差 ，高級正弦差。用光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）評價成像質(zhì)量。1.目鏡的工作原理？光學(xué)性能指標(biāo)？目鏡是目視光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。被觀察的物體通過望遠(yuǎn)物鏡和顯微物鏡成像在目鏡的物方焦平面處，經(jīng)目鏡放大后將其成像在無窮遠(yuǎn)，供人眼觀察。2. 目鏡光學(xué)性能參數(shù)有哪些？有什么特點？怎樣選擇它的初始結(jié)構(gòu)？像差有哪些特點？用什么方法評價它的成像質(zhì)量？目鏡光學(xué)特性的參數(shù)主要有焦距、像方視場角、工作距離、鏡目距特點：短焦距、大視場、相對孔徑較小目鏡的像差校正以軸外像差為主。在目鏡設(shè)計中，主要校正像散，垂軸色差和彗差這三種像差。因為彗差不會太大，因此，目鏡的設(shè)計中最重要的是校正像散，垂軸色差這兩種像差。在目鏡中一