工程光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計課件

工程光學(xué)

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

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

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

低溫準直光學(xué)系統(tǒng)、光源

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

拋物槽式太陽能集熱器工程光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計課件學(xué)習(xí)方法？學(xué)習(xí)方法？光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的學(xué)習(xí)方法？光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的學(xué)習(xí)方法？所花的時間從事的項目開始熟悉達到精通逐漸精通積累經(jīng)驗所花的時間從事的項目開始熟悉達到精通逐漸精通積累經(jīng)驗一、光學(xué)系統(tǒng)簡介光學(xué)系統(tǒng)作用:

把目標發(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，從而獲得目標的各種信息，包括目標的幾何形狀、能量強弱等。

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)簡介光學(xué)系統(tǒng)作用:把目標發(fā)出的光按儀器工對光學(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)簡介對光學(xué)系統(tǒng)的要求成像質(zhì)量，成像清晰；一、光學(xué)系統(tǒng)簡介絕大多數(shù)的透鏡系統(tǒng)都有一條對稱軸線，這樣的軸線稱為“光軸”。無對稱軸的光學(xué)系統(tǒng)稱為“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)簡介絕大多數(shù)的透鏡系統(tǒng)都有一條對稱軸線，這樣的軸線稱為“光軸”。

物體是由無數(shù)個點構(gòu)成的，每個點均可視點光源。經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，與之對應(yīng)的像若仍為一個點，即由點光源發(fā)出的球面波在像空間仍對應(yīng)一個球面波，則稱為完善成像。

因此，光學(xué)系統(tǒng)完善成像的條件是當入射光為球面波時，出射仍為球面波。一、光學(xué)系統(tǒng)簡介物體是由無數(shù)個點構(gòu)成的，每個點均可視點光源。經(jīng)光學(xué)系光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概述光學(xué)設(shè)計的過程與步驟儀器對光學(xué)設(shè)計的要求光學(xué)系統(tǒng)的像差概述二、光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概述二、光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計的概念傳統(tǒng)光學(xué)儀器日趨成為光學(xué)、機械、電子和計算機一體化的現(xiàn)代智能化儀器，如數(shù)碼相機、投影儀等。對于一個光學(xué)系統(tǒng)而言，無論是成像系統(tǒng)還是照明系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計是實現(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)計的理論、優(yōu)化算法、仿真工具、性能評價方法日益完善。光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計的概念光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計的概念何謂“光學(xué)設(shè)計”？

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

投影物鏡系統(tǒng)設(shè)計

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

光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計的概念投影物鏡系統(tǒng)設(shè)計Casse光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計的發(fā)展史《墨經(jīng)》中有8條論述了幾何光學(xué)知識，它闡述了影、小孔成像、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡成像，還說明了焦距和物體成像的關(guān)系。春秋戰(zhàn)國時期（BC400），墨子及其弟子。光學(xué)設(shè)計的發(fā)展經(jīng)歷了人工設(shè)計和自動化設(shè)計兩個階段，實現(xiàn)了由手工計算像差、人工修改結(jié)構(gòu)參數(shù)進行光學(xué)設(shè)計，到使用計算機和光學(xué)自動優(yōu)化設(shè)計程序進行設(shè)計的巨大飛躍。光學(xué)設(shè)計的發(fā)展概況光學(xué)設(shè)計的發(fā)展史光學(xué)設(shè)計的過程與步驟—光學(xué)設(shè)計的一般過程光學(xué)設(shè)計的過程與步驟—光學(xué)設(shè)計的一般過程光學(xué)設(shè)計的過程與步驟—光學(xué)設(shè)計的具體步驟以縮放法為例，闡述光學(xué)設(shè)計的具體步驟

光學(xué)設(shè)計的過程與步驟—光學(xué)設(shè)計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)計課件光學(xué)設(shè)計的過程與步驟—光學(xué)設(shè)計的具體步驟光學(xué)設(shè)計的過程與步驟—光學(xué)設(shè)計的具體步驟光學(xué)設(shè)計的過程與步驟—光學(xué)設(shè)計的具體步驟光學(xué)設(shè)計的過程與步驟—光學(xué)設(shè)計的具體步驟儀器對光學(xué)設(shè)計的要求

任何一種光學(xué)儀器的使用條件和功能必然會對它的光學(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、機械性能、物理化學(xué)性能等

。

常見的光學(xué)系統(tǒng)的基本特性參數(shù)有很多，如相對孔徑、數(shù)值孔徑、F數(shù)、線視場、角視場、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。儀器對光學(xué)設(shè)計的要求任何一種光學(xué)儀器的使用對光學(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、各組元的相對位置和橫向尺寸。

為了簡化各種類型光組的外形尺寸計算，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)過簡化后的光學(xué)系統(tǒng)可以用理想光學(xué)系統(tǒng)的理論和公式進行計算。

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)的外形尺寸計算要確定的結(jié)構(gòu)對光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸的要求在進行光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算時，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)上和物理上可否實現(xiàn)，并且要和機械結(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)濟性。一般而言，光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算要滿足三個方面要求：1）系統(tǒng)的孔徑、視場、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、孔徑和視場的權(quán)重等。

對光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸的要求在進行光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計算時，除了對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求和光學(xué)系統(tǒng)的用途及其類型有關(guān)，不能一概而論。比如，對于望遠系統(tǒng)和一般的顯微鏡系統(tǒng)，一般只要求中心視場應(yīng)該有較好的成像質(zhì)量；又如，對于照相物鏡系統(tǒng)，則要求整個視場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)計這一類型的光學(xué)系統(tǒng)旨在通過光學(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)計著眼點在于信息傳遞的真實性（如有無畸變）和有效性（如是否清晰）。對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求和光學(xué)系統(tǒng)的對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求對于非成像光學(xué)系統(tǒng)，如照明光學(xué)系統(tǒng)，其設(shè)計著眼點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。這類系統(tǒng)孔徑角和倍率較低，一般情況下對像差要求不嚴格?？紤]到光照的均勻性，孔徑角和倍率稍大的照明系統(tǒng)需要適當減小球差，對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。對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求對于非成像光學(xué)系統(tǒng)，如照明光學(xué)系統(tǒng)，對光學(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一百多度，因此這類光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計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)嚴重的材料。在對光學(xué)系統(tǒng)提出使用要求時，主要是考慮在技術(shù)上和物理上的實現(xiàn)可能性。

對光學(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)對光學(xué)系統(tǒng)使用條件的要求有時對光學(xué)系統(tǒng)提出的要求是互為制約的，甚至是矛盾的。此時，應(yīng)深入分析、全面考慮、抓住主要矛盾，切忌因為提出不合理的要求導(dǎo)致設(shè)計任務(wù)非常困難完成，甚至根本無法實現(xiàn)。例如，在設(shè)計照相物鏡時，為了使相對孔徑、視場角和焦距三者之間的選擇更加合理化，應(yīng)該參照下式來選取參數(shù)：

Cm=0.22~0.26，常稱為“物鏡的質(zhì)量因數(shù)”。

對光學(xué)系統(tǒng)使用條件的要求有時對光學(xué)系統(tǒng)提出的要求是互為制約的對光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)濟性的要求評價一個光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣的主要依據(jù)是：①成像質(zhì)量、②復(fù)雜程度。即一個好的設(shè)計應(yīng)是在功能（成像質(zhì)量、光學(xué)性能等）能滿足用戶要求的情況下，追求結(jié)構(gòu)最簡單化（成本最低化）。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用價值工程的原理，對提高光學(xué)儀器產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本有重要的意義。

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

對光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)濟性的要求評價一個光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣的主要依據(jù)是：光學(xué)系統(tǒng)的像差概述實際使用的光學(xué)系統(tǒng)對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，這種差異就稱為光學(xué)系統(tǒng)的像差。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計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)量達到技術(shù)要求。

光學(xué)系統(tǒng)的像差概述實際使用的光學(xué)系統(tǒng)對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)的像差概述場曲光學(xué)系統(tǒng)的像差概述場曲光學(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)的像差概述魚眼效果光學(xué)系統(tǒng)的像差概述魚眼效果光學(xué)系統(tǒng)的像差概述數(shù)碼相機物鏡設(shè)計要求圖像傳感器規(guī)格：

物鏡規(guī)格：光學(xué)系統(tǒng)的像差概述數(shù)碼相機物鏡設(shè)計要求物鏡規(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)中的一個平面來處理。

選擇3～5個波長。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；用感光底片接收的照相機鏡頭，則采用C，D，g(435.83nm)這3種波長。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