工程光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

工程光學(xué)

——光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)盧春蓮luchunlian@哈爾濱工程大學(xué)

理學(xué)院工程光學(xué)

——光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)盧春蓮光學(xué)設(shè)計(jì)在哪里？你眼中的光學(xué)設(shè)計(jì)？

光學(xué)設(shè)計(jì)在哪里？工程光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件EKV長(zhǎng)1.4m，重54Kg，導(dǎo)引頭由紅外焦平面陣列、冷凝系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡頭和其他軟件硬件組成EKV長(zhǎng)1.4m，重54Kg，磁力儀

磁力儀工程光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件紅外低溫冷艙系統(tǒng)

低溫準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、光源

紅外低溫冷艙系統(tǒng)低溫準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、光源拋物槽式太陽(yáng)能集熱器

拋物槽式太陽(yáng)能集熱器工程光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件學(xué)習(xí)方法？學(xué)習(xí)方法？光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)方法？光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)方法？所花的時(shí)間從事的項(xiàng)目開(kāi)始熟悉達(dá)到精通逐漸精通積累經(jīng)驗(yàn)所花的時(shí)間從事的項(xiàng)目開(kāi)始熟悉達(dá)到精通逐漸精通積累經(jīng)驗(yàn)一、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介光學(xué)系統(tǒng)作用:

把目標(biāo)發(fā)出的光按儀器工作原理的要求改變它們的傳播方向和位置，送入儀器的接收器，從而獲得目標(biāo)的各種信息，包括目標(biāo)的幾何形狀、能量強(qiáng)弱等。

光學(xué)系統(tǒng)由一系列的折射面和反射面構(gòu)成，這些表面可以是平面、球面和非球面。一、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介光學(xué)系統(tǒng)作用:把目標(biāo)發(fā)出的光按儀器工對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求成像質(zhì)量，成像清晰；物像相似，變形要小。一、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求成像質(zhì)量，成像清晰；一、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介絕大多數(shù)的透鏡系統(tǒng)都有一條對(duì)稱(chēng)軸線，這樣的軸線稱(chēng)為“光軸”。無(wú)對(duì)稱(chēng)軸的光學(xué)系統(tǒng)稱(chēng)為“非共軸系統(tǒng)”。球面系統(tǒng)：

在各種不同形式的曲面中，球面和平面生

產(chǎn)較易，所以大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)零件

均由球面構(gòu)成，這種光學(xué)系統(tǒng)稱(chēng)為球面系統(tǒng)。共軸球面系統(tǒng)：

我們主要研究的就是共軸球面系統(tǒng)和平面

鏡、棱鏡系統(tǒng)。一、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介絕大多數(shù)的透鏡系統(tǒng)都有一條對(duì)稱(chēng)軸線，這樣的軸線稱(chēng)為“光軸”。

物體是由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的，每個(gè)點(diǎn)均可視點(diǎn)光源。經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，與之對(duì)應(yīng)的像若仍為一個(gè)點(diǎn)，即由點(diǎn)光源發(fā)出的球面波在像空間仍對(duì)應(yīng)一個(gè)球面波，則稱(chēng)為完善成像。

因此，光學(xué)系統(tǒng)完善成像的條件是當(dāng)入射光為球面波時(shí)，出射仍為球面波。一、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介物體是由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的，每個(gè)點(diǎn)均可視點(diǎn)光源。經(jīng)光學(xué)系光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概述光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程與步驟儀器對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的要求光學(xué)系統(tǒng)的像差概述二、光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概述二、光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計(jì)的概念傳統(tǒng)光學(xué)儀器日趨成為光學(xué)、機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)一體化的現(xiàn)代智能化儀器，如數(shù)碼相機(jī)、投影儀等。對(duì)于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)而言，無(wú)論是成像系統(tǒng)還是照明系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。隨著光學(xué)儀器的發(fā)展，光學(xué)設(shè)計(jì)的理論、優(yōu)化算法、仿真工具、性能評(píng)價(jià)方法日益完善。光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計(jì)的概念光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計(jì)的概念何謂“光學(xué)設(shè)計(jì)”？

一般認(rèn)為，光學(xué)設(shè)計(jì)所要完成的工作應(yīng)該包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

投影物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Cassegrain式反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計(jì)的概念投影物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)Casse光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展史《墨經(jīng)》中有8條論述了幾何光學(xué)知識(shí)，它闡述了影、小孔成像、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡成像，還說(shuō)明了焦距和物體成像的關(guān)系。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期（BC400），墨子及其弟子。光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了人工設(shè)計(jì)和自動(dòng)化設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了由手工計(jì)算像差、人工修改結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，到使用計(jì)算機(jī)和光學(xué)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的巨大飛躍。光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展史光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程與步驟—光學(xué)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程與步驟—光學(xué)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程與步驟—光學(xué)設(shè)計(jì)的具體步驟以縮放法為例，闡述光學(xué)設(shè)計(jì)的具體步驟

光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程與步驟—光學(xué)設(shè)計(jì)的具體步驟以縮放法為例，闡述光工程光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程與步驟—光學(xué)設(shè)計(jì)的具體步驟光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程與步驟—光學(xué)設(shè)計(jì)的具體步驟光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程與步驟—光學(xué)設(shè)計(jì)的具體步驟光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程與步驟—光學(xué)設(shè)計(jì)的具體步驟儀器對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的要求

任何一種光學(xué)儀器的使用條件和功能必然會(huì)對(duì)它的光學(xué)系統(tǒng)提出一定的要求，如外形尺寸要求、成像質(zhì)量要求、機(jī)械性能、物理化學(xué)性能等

。

常見(jiàn)的光學(xué)系統(tǒng)的基本特性參數(shù)有很多，如相對(duì)孔徑、數(shù)值孔徑、F數(shù)、線視場(chǎng)、角視場(chǎng)、工作波段、放大率、焦距、出瞳位置、入瞳直徑、光闌位置、后工作距離、共軛距、折射率、色散系數(shù)、透鏡厚度、透鏡間距、透鏡面型等。儀器對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的要求任何一種光學(xué)儀器的使用對(duì)光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸的要求

光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算要確定的結(jié)構(gòu)內(nèi)容包括系統(tǒng)的組成、各組元的焦距、各組元的相對(duì)位置和橫向尺寸。

為了簡(jiǎn)化各種類(lèi)型光組的外形尺寸計(jì)算，可以把光學(xué)系統(tǒng)看成是由一系列薄透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的光學(xué)系統(tǒng)可以用理想光學(xué)系統(tǒng)的理論和公式進(jìn)行計(jì)算。

但是，不是所有的光學(xué)系統(tǒng)或光組都可以看成是薄透鏡光組，如廣角物鏡、大數(shù)值孔徑的高倍率顯微物鏡等。

對(duì)光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸的要求光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算要確定的結(jié)構(gòu)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸的要求在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算時(shí)，除了要保證使用條件決定的基本光學(xué)特性外，還要考慮其在技術(shù)上和物理上可否實(shí)現(xiàn)，并且要和機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)有很好的匹配，還要具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。一般而言，光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算要滿(mǎn)足三個(gè)方面要求：1）系統(tǒng)的孔徑、視場(chǎng)、分辨率、出瞳直徑和位置；2）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)布局；3）成像質(zhì)量、孔徑和視場(chǎng)的權(quán)重等。

對(duì)光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸的要求在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算時(shí)，除了對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求和光學(xué)系統(tǒng)的用途及其類(lèi)型有關(guān)，不能一概而論。比如，對(duì)于望遠(yuǎn)系統(tǒng)和一般的顯微鏡系統(tǒng)，一般只要求中心視場(chǎng)應(yīng)該有較好的成像質(zhì)量；又如，對(duì)于照相物鏡系統(tǒng)，則要求整個(gè)視場(chǎng)都要有較好的成像質(zhì)量。

傳統(tǒng)的成像光學(xué)系統(tǒng)由于有明確的物像共軛關(guān)系，因此設(shè)計(jì)這一類(lèi)型的光學(xué)系統(tǒng)旨在通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的作用，即利用反射定律和折射定律改變光線的傳播方向，從而獲得高質(zhì)量的像，其設(shè)計(jì)著眼點(diǎn)在于信息傳遞的真實(shí)性（如有無(wú)畸變）和有效性（如是否清晰）。對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求和光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求對(duì)于非成像光學(xué)系統(tǒng)，如照明光學(xué)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)著眼點(diǎn)在于光能量傳輸效率的最大化，以及被照面上的照度大小和分布情況。這類(lèi)系統(tǒng)孔徑角和倍率較低，一般情況下對(duì)像差要求不嚴(yán)格?？紤]到光照的均勻性，孔徑角和倍率稍大的照明系統(tǒng)需要適當(dāng)減小球差，對(duì)于光照均勻性要求較高的情況還需要考慮減小彗差和色差。對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求對(duì)于非成像光學(xué)系統(tǒng)，如照明光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)使用條件的要求根據(jù)光學(xué)儀器的使用條件，一般要求光學(xué)系統(tǒng)具有一定的物理穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能和熱學(xué)性能等要求，以保證儀器在特定環(huán)境下能正常工作。如，太空衛(wèi)星上的光學(xué)系統(tǒng)，由于在太空中白天和晚上溫度差異可達(dá)一百多度，因此這類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求使用的材料要有小的熱膨脹系數(shù)，其最外層的玻璃也要有較好的耐輻射性能等。再如，水下工作的攝像鏡頭就要滿(mǎn)足防水密封性，其最外層玻璃也應(yīng)避免使用水解反應(yīng)嚴(yán)重的材料。在對(duì)光學(xué)系統(tǒng)提出使用要求時(shí)，主要是考慮在技術(shù)上和物理上的實(shí)現(xiàn)可能性。

對(duì)光學(xué)系統(tǒng)使用條件的要求根據(jù)光學(xué)儀器的使用條件，一般要求光學(xué)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)使用條件的要求有時(shí)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)提出的要求是互為制約的，甚至是矛盾的。此時(shí)，應(yīng)深入分析、全面考慮、抓住主要矛盾，切忌因?yàn)樘岢霾缓侠淼囊髮?dǎo)致設(shè)計(jì)任務(wù)非常困難完成，甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。例如，在設(shè)計(jì)照相物鏡時(shí)，為了使相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角和焦距三者之間的選擇更加合理化，應(yīng)該參照下式來(lái)選取參數(shù)：

Cm=0.22~0.26，常稱(chēng)為“物鏡的質(zhì)量因數(shù)”。

對(duì)光學(xué)系統(tǒng)使用條件的要求有時(shí)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)提出的要求是互為制約的對(duì)光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的要求評(píng)價(jià)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的主要依據(jù)是：①成像質(zhì)量、②復(fù)雜程度。即一個(gè)好的設(shè)計(jì)應(yīng)是在功能（成像質(zhì)量、光學(xué)性能等）能滿(mǎn)足用戶(hù)要求的情況下，追求結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單化（成本最低化）。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用價(jià)值工程的原理，對(duì)提高光學(xué)儀器產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本有重要的意義。

價(jià)值工程公式：V是價(jià)值（Value）；F是功能（Function）；C是成本（Cost）

對(duì)光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的要求評(píng)價(jià)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的主要依據(jù)是：光學(xué)系統(tǒng)的像差概述實(shí)際使用的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)一定大小的物體所成的像是不完善的，它與理想像之間總是存在有差異，這種差異就稱(chēng)為光學(xué)系統(tǒng)的像差。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工作就是要校正各種像差，使光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求。

光學(xué)系統(tǒng)的像差概述實(shí)際使用的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)一定大小的物體所成的像光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的像差主要包括：

光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的像差主要包括：光學(xué)系統(tǒng)的像差概述球差光學(xué)系統(tǒng)的像差概述球差光學(xué)系統(tǒng)的像差概述彗差光學(xué)系統(tǒng)的像差概述彗差光學(xué)系統(tǒng)的像差概述像散光學(xué)系統(tǒng)的像差概述像散光學(xué)系統(tǒng)的像差概述場(chǎng)曲光學(xué)系統(tǒng)的像差概述場(chǎng)曲光學(xué)系統(tǒng)的像差概述畸變光學(xué)系統(tǒng)的像差概述畸變光學(xué)系統(tǒng)的像差概述位置色差光學(xué)系統(tǒng)的像差概述位置色差光學(xué)系統(tǒng)的像差概述倍率色差光學(xué)系統(tǒng)的像差概述倍率色差光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的像差主要包括：

光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的像差主要包括：光學(xué)系統(tǒng)的像差概述柔焦效果圖光學(xué)系統(tǒng)的像差概述柔焦效果圖光學(xué)系統(tǒng)的像差概述魚(yú)眼效果光學(xué)系統(tǒng)的像差概述魚(yú)眼效果光學(xué)系統(tǒng)的像差概述數(shù)碼相機(jī)物鏡設(shè)計(jì)要求圖像傳感器規(guī)格：

物鏡規(guī)格：光學(xué)系統(tǒng)的像差概述數(shù)碼相機(jī)物鏡設(shè)計(jì)要求物鏡規(guī)格：光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)式中，c為曲面頂點(diǎn)的曲率，K為二次曲面系數(shù)，a4,a6,a8,a10,a12為高次非球面系數(shù)。光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)式中，c為曲面頂點(diǎn)的曲率光學(xué)系統(tǒng)的像差概述K值K<0K=00<K<1K=1K>1面形雙曲面拋物面橢球面球面扁球面不同的面形，對(duì)應(yīng)不同的面形系數(shù)，例如球面：K＝1，a4=a6=a8=a10=a12=0二次曲面：K≠1，a4=a6=a8=a10=a12=0二次曲面面型光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的像差概述K值K<0K=00<K<1K=1K>1面形光學(xué)系統(tǒng)的像差概述

如果系統(tǒng)中有光闌，則把光闌作為系統(tǒng)中的一個(gè)平面來(lái)處理。

選擇3～5個(gè)波長(zhǎng)。用人眼觀察的目視光學(xué)儀器采用C(656.28nm)，D(589.30nm)，F(xiàn)(486.13nm)3種波長(zhǎng)；用感光底片接收的照相機(jī)鏡頭，則采用C，D，g(435.83nm)這3種波長(zhǎng)。光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的像差概述如果系統(tǒng)中有光闌，則把光闌作為系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)的像差概述光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)物距L物高y或視場(chǎng)角ω物方孔徑角正弦(sinU)或光束孔徑高(h)孔徑光闌或入瞳位置