光學設計知識點總結(jié)

1、、光學系統(tǒng)設計的具體過程：二、像差在級數(shù)展開過程中，所忽略的高次項即表征了光學系統(tǒng)的實際像與理想像之間的差異，這種差異即為像 差。2像羞旳種類：單色像麥：幾何像差- 球績 彗力（TE弦斤k像歆、場曲、畸變-色差位置色差、倍率色診波 差實際波面與理想球Ii：I的偏蕪稱為波像殆簡稱波*二:3 .1）對光能接收器的最靈敏的譜線校正單色像差；2）對接收器所能接收的波段范圍兩邊緣附近的譜線校正色差;一）球差（孔徑的函數(shù)）（球差是軸上點成像存在的唯一的一種單色像差）軸上一點發(fā)出的不同孔徑和入射高度的光在通過光學系統(tǒng)后有不同的像距，就是球差L=L-l 危害：球差帶來的危害是一個圓形彌散斑，影響像的清晰度 校

2、正：1）單個正透鏡產(chǎn)生負球差，單個負透鏡產(chǎn)生正球差。因此用正負透鏡組合校正球差。2）非球面校正球差； 在 zemax 中，點擊分析-雜項、軸向像差查看單個折射球面的無球差點：1）當L=0時，U=0，即物點與球面頂點重合時不產(chǎn)生球差；2）當sinl - sinl，= 0，即I =T = 0時，這時L = U = r，即物點位于球面球心時，不產(chǎn)生球差。n + n八 n + nnnLn2L 二r L二 r 0 =r =）n ，n， nL n 2，這一對共軛點稱為不暈點，或齊明點【例1】物點位透鏡第還的球心.第二血為不暈庇c第一面；乙嚴巧=珥,/?=旳網(wǎng)=1伽； 分 -HI： Zjj irj L2 打

3、2丘2伽.J 尸2湘也0內(nèi)刖 g球差的級數(shù)展開式：初級球差與孔徑的平方成正比，二級球差與孔徑的四次方成正比。當孔徑較小時,6 L = A h 2 + Ah 4 主要存在初級球差；孔徑較大時，高級球差增大，即：1 12 11乞S2n 1乞S2n u 2 1k k 1dU=A1(h.、h丿m3L0.7075.初級球差是孔徑（hhm）2的函數(shù)差，其值等于邊光高級球差的 1/4，且反號，即 最大剩余球差：帶球差（特指 0.707 帶孔徑的球差） 像差校正的實質(zhì)：用初級像差與高級像差相互抵消（或平衡）的結(jié)果。 二）慧差（孔徑和視場的函數(shù)，與光闌位置有關），若對邊光校正球差，0.707 帶光有最大剩余球

4、= -A / 4 2。5 L =k 當光學系統(tǒng)物空間沒有球差時， k子午彗差：軸外球差使上下光線相對于主光線失去對稱 , 用上下光線的交點到主光線的垂軸距離表示1K = （Y + Y丿-YT 2 a b z 初級子午彗差是弧矢彗差的 3 倍。危害：不同孔徑圓錐光束在高斯像面上形成大小不同的小彌散圓彗星狀彌散斑，影響軸外視場的成像清 晰度校正：全對稱系統(tǒng)的彗差自動消除；合理選擇光闌位置可以減小彗差的影響，改善光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量孔徑光闌及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對彗差的影響1）光闌在球面前時產(chǎn)生負的彗差。2）如果將孔闌移至球心，則主光線與輔軸重合，上下光線對稱于主光線，則不產(chǎn)生彗差。3）光闌位于球心之后，同樣由于

5、軸外負球差，使軸外光束失對稱，這時上下光線的交點交于主光線之上，產(chǎn) 生正彗差正弦差：小視場光學系統(tǒng)的彗差比較簡單, 一般用正弦差表示即可，用相對弧矢彗差表示系統(tǒng)對等暈條件的偏離，稱為正弦差SC =的偏離，稱為正弦差SC =KS-AB正弦差是孔徑的函數(shù)，只需計算軸上點各孔徑的實際光線和一條第二近軸光線，即可計算出正弦差 正弦條件：正弦條件是軸上點及其垂軸平面內(nèi)的鄰近點成完善像的條件 余弦定律：臨近點完善成像的條件。等暈條件：軸外近軸點和軸上點具有相同的球差，且軸外光束不失對稱性（即無彗差）三）像散和場曲 （軸外點細光束）（與視場有關，與光闌位置有關）1、軸外細光束也不能成完善像，而是形成兩條相互

6、垂直的短焦線，即子午焦線和弧矢焦線-軸外點的子午像和弧矢像。子午像和弧矢像之間沿光束軸（主光線）方向的距離定義為像散。像散是用沿光軸方向度量的4 -坯；=原因：通過光學系統(tǒng)后的細光束所對應的波面變成非球面波，在兩主截面內(nèi)的曲率中心不同，而聚焦成子 午像和弧矢像。危害：1）像散使得軸外物點的像變成在空間相距一定距離的、相互垂直的兩條短焦線，而在其它截面上形成橢圓 或圓形彌散斑。當像平面在子午焦線位置，得到一條水平焦線；當像平面在弧矢焦線位置，得到垂直焦線； 在兩位置之間為橢圓2）像散嚴重時，會嚴重影響軸外物點的成像清晰度，因此，大視場光學系統(tǒng)不管相對孔徑多大，都必須 校正像散。校正：調(diào)整光闌位置

7、至球心。像散與光闌位置有關，光闌位于球心時，像散為零軸外點的像散與視場有關，視場越大，像散也越大。因此, 平面物體會形成兩彎曲的像面-子午像面和弧矢像面，某一視場的子午像點、弧矢像點到高斯像面的距離-子午像面彎曲（子午場曲）和弧矢像面彎曲（弧 矢場曲）x =1-l； x =1-lt t s s 只要采用球面，即使沒有像散，也會有場曲。這個彎曲的像面叫做匹茲萬像面，匹茲萬像面到高斯像面的距離稱為匹茲萬場曲。S =JS =J2IVn l r r12危害：由于子午像面和弧矢像面是對稱于光軸的回轉(zhuǎn)曲面，當光學系統(tǒng)有較大視場時，將使平面物體上各 點不能同時成像清晰。中間清晰，則邊緣模糊，反之亦然 若場曲

8、和像散同時存在，像為一橢圓四）畸變（隨視場變化，與光闌位置有關）實際光學系統(tǒng)：卩（w）Hconst.，即卩隨視場而變化，因此，像與物不再相似，產(chǎn)生變形。這種使像變形的成像缺陷就是畸變，是由于主光線的球差引起用實際光線與高斯相面相交的實際像點高度 與理想像高之差表示畸變的大小，即3Y f = Y-yzz用畸變值與理想像高卩之比的百分比q，表示畸變的大小，稱為相對畸變,3YY-yq =匕 x 100% = zx 100%1ffyy枕（桶）形畸變：放大率隨視場增大而增大（?。?，實際像高大（?。┯诶硐胂窀?，正（負）畸變 危害：畸變雖不影響成像清晰度，但使像變形校正：對于卩=-1x的全對稱系統(tǒng)，能夠自動

9、校正畸變； 當光闌位于透鏡上可以校正畸變； 當光闌位于透鏡之前產(chǎn)生負畸變，當光闌位于透鏡之后產(chǎn)生正畸變Zemax 相關：DIMX 控制相對畸變五）色差位置色差（孔徑的函數(shù)）0 =（n-1 ）（p - p ）12 軸上點白光成像，形成按色光波長由短到長、像點離透鏡由近及遠地排列在光軸上，這種現(xiàn)象就是位置色 差AL =L -L ； Al =l -IFC F C FC F C 危害：軸上點成像為一彩色彌散斑，影響成像清晰度 校正：1）對于目視系統(tǒng)，一般對F光和C光校正色差，對D （或d或e）光校正單色像差2） 如果 lFC0，則色差校正過頭；=0,則系統(tǒng)消色差，校正了 色差的系統(tǒng)稱為消色差系統(tǒng)3）對

10、于密接雙薄透鏡系統(tǒng)（雙膠合 or 雙分離透鏡），色球差及二級光譜F 光和 C 光球差不等，二者之差稱為色球差，有：3L -6L = （L -l）-（L -l）F C FM F CM C=（L -L ）-（l -l ）FM CM F C= A L- AlFCM FC帶光消色差后，F(xiàn)光和C光的公共像點到D光帶光像點的距離稱為二級光譜AL= 0.00052 fFCD倍率色差（與視場有關） 系統(tǒng)校正位置色差后，兩色光像點重合，可認為兩色光像面也重合。對于軸外點而言，因為,則因不同色光 焦距不同，放大率也不同，故軸外物體有不同像高。B = -x /f光學系統(tǒng)對不同色光的放大率差異，稱為倍率色差AY =Y

11、 - YFC F CAy =y - y FC F C 危害：軸外點各色光的像不重合，嚴重時，使邊緣像形成彩色彌散斑，直接影響軸外物體的成像清晰度 校正：當光闌位于透鏡前時，因nFnC，F(xiàn)光比C光偏折厲害，所以YfYC，AYFC0；當光闌位于透鏡后時，同樣因nF0。 顯然，當光闌與透鏡重合時，各色光的主光線與第二近軸光線重合，不產(chǎn)生倍率色差。同樣，卩= -1x全對稱系統(tǒng)能夠自動校正倍率色差六）波像差（單位為中心波長九）實際波面與理想波面之間的光程差（與球差同號）如果以U2為縱坐標畫出球差曲線，則曲線與縱坐標所圍面積的一半即為波像差。 當物在無窮遠處，n hW =山 L d（）22 f 2hm使波

12、像差最小的參考點位置就是最佳像面位置，這個過程稱為離焦最佳焦點位置的選擇，必須使球差曲線與新選定的坐標軸之間所圍面積為最小。一般控制在1/4九以內(nèi)根據(jù)瑞利判據(jù)，參考點移動引起和波差九/4是允許的，前后可移動距離都為&0定義2&0為焦深0n sin 2 Un fuf2mm三、像差綜述一）典型光學系統(tǒng) 小視場大孔徑：顯微鏡、望遠鏡（小像差，用瑞利判據(jù)） 大視場小孔徑：目鏡 大視場大孔徑：照相物鏡（大像差）二）典型部件的像差1）平面反射鏡：不產(chǎn)生任何像差2）平行平板：不產(chǎn)生場曲，在平行光路中不產(chǎn)生任何像差3） 球面反射鏡：其球差為同焦距單薄透鏡在最優(yōu)良形式的1/8。即8 L :6加申084）場鏡：放

13、在物鏡焦面處，其物面、像面和本身重合，多用來減小光學系統(tǒng)的直徑，還可以用來補償整 個系統(tǒng)的場曲和畸變，不影響其他像差。5）彎月形厚透鏡：可以用來校正場曲6）不暈透鏡7）全對稱光學系統(tǒng)：垂軸放大率為 1 的光學系統(tǒng)自動校正垂軸像差，軸向像差為二倍三）垂軸像差特性曲線：橫坐標為視場，縱坐標為 Y ，原點為主光線在高斯面上的像點位置。該曲線兩端的端點連線與縱坐標交點至遠點距離為彗差，連線的斜率為寬廣束場曲，原點 處曲線斜率為細光束場曲，原點到理想主光線像高的距離為畸變。寬廣束和細光束場曲之差為軸外球差。四、光學系統(tǒng)質(zhì)量評價一）斯特列爾準則光學系統(tǒng)有像差時，衍射圖樣中艾里斑占用的光強度比理想時有所下降

14、，兩者的強度比就稱為斯特列爾比 或中心點亮度，用S.D表示，中心點亮度S.D.大于等于0.8時認為系統(tǒng)完善。艾里斑半徑為：1.22申=入D二）瑞利判據(jù)（適用于小像差系統(tǒng)） 當實際波面與參考球面之間的最大偏離量（波差）不超過 1/4，認為實際波面無缺陷。三）分辨率 光學系統(tǒng)分辨物體細節(jié)的能力稱為分辨率，可用能被光學系統(tǒng)分辨開的兩點間的最小距離。1.22申= 入D其中申為光學系統(tǒng)最小分辨角，D為入瞳直徑。四）點列圖 一點發(fā)出的許多光線經(jīng)過光學系統(tǒng)后因像差使其像點不再集中一點，形成散布在一定范圍的彌散圖形，稱 為點列圖。Rms為均方根，geo為幾何最大半徑。五）光學傳遞函數(shù)：反映了光學系統(tǒng)對物體不同

15、頻率成分的傳遞能力1.可以由mtf曲線與坐標軸圍成面積大小評價系統(tǒng)好壞，面積越大認為光學系統(tǒng)包含的信息越多，成像質(zhì) 量越號。截至頻率（lp/mm）：當某一頻率的對比度下降為0,說明改頻率的光強分布已經(jīng)無亮度變化，即對比度 下降為 0，即該頻率被截至。五、典型光學系統(tǒng)設計）顯微物鏡設計250顯微鏡的分辨率以它所能分辨的兩點間最小距離表示 顯微鏡對于一定波長的光線的分辨率，在像差校正良好時，完全被物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定， NA 越大，分辨 率越高 顯微物鏡根據(jù)性能和用途的不同，可分為消色差物鏡、復消色差物鏡（消二級光譜）、平像場物鏡、反射 式物鏡和折反射物鏡往往需要依靠若干彎月形厚透鏡來達到校正場曲的

16、目的 由于能透過紫外或近紅外的光學材料有限，無法設計出高性能的光學系統(tǒng)，只能采用反射或折反射系統(tǒng)。 由于反射鏡折疊光路，能構(gòu)成一種工作距離長、倍率高而筒長和一般顯微物鏡相同的系統(tǒng)二）望遠物鏡設計望遠系統(tǒng)中，入射的平行光束經(jīng)過系統(tǒng)后仍為平行光束，因此物鏡的相對孔徑與目鏡的相對孔徑相等，其 相對孔徑不大、視場較小。雙膠合物鏡（校正軸向色差、球差和彗差）、） 雙分離物鏡（使雙膠合物鏡之間增加一定空隙，可以減小 孔徑高級球差，增加相對孔徑大小）。攝遠物鏡：在某些高倍率望遠鏡重，物鏡焦距比較長，為了減小儀器的體積和重量，采用攝遠物鏡，由一 個正透鏡組和一個負透鏡組構(gòu)成 反射式物鏡：完全沒有色差，可以在紫

17、外到紅外的很大波長范圍內(nèi)工作1）卡塞格林系統(tǒng)：主鏡為拋物面鏡，次鏡為凸雙曲面鏡（2） 格里高里系統(tǒng)：主鏡為拋物面鏡，次鏡為凹橢球面鏡 反遠攝物鏡（照相物鏡）：反遠距物鏡由分離的負、正光組構(gòu)成，后工作距離大于焦距三）紅外光學系統(tǒng)設計紅外大氣窗口：近紅外0.76gml.lgm、短波紅外1gm2gm、中紅外（中波紅外）3gm5gm、遠紅外（長 波紅外）8gm14gm現(xiàn)有的紅外探測器主要接收中波紅外35gm和長波紅外814gm兩個窗口的紅外輻射。國內(nèi)紅外光學設 計最常用的紅外材料是鍺（Germanium ）、硅（Silicon ）、硒化鋅（Znse ）、硫化鋅（Zns ）、硫系玻璃 AMTIR（AMTIR1-6）。紅外探測器：按照制冷方式可分為制冷型和非制冷型 制冷型探測器具有較高的探測靈敏度，更容易滿足軍事領域?qū)t外探測系統(tǒng)遠作用距離、高溫度分辨率、高空間分辨率的要求。為了充分發(fā)揮冷光闌的效益，必須以冷光闌為其孔徑光闌。光學系統(tǒng)的 F 數(shù)與探測器的 F 數(shù)相等， 出瞳與冷屏的匹配效率為 100%，即系統(tǒng)滿足 100%冷光闌效率。一次成像系統(tǒng)為了達到100% 冷光闌效率，必然導致制冷型紅外系統(tǒng)的徑向口徑過大。在長波紅外目 標探測光學系統(tǒng)中，由于對背景輻射雜光抑制的要求，需要將系統(tǒng)設計成 100%冷光闌效率的二次成像光學 系統(tǒng)。二次成像系統(tǒng)主要用于解