應(yīng)用光學(xué)簡(jiǎn)明教程 課件【ch15】非球面及其在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

應(yīng)用光學(xué)簡(jiǎn)明教程光電&儀器類專業(yè)教材非球面及其在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用第十五章概述01一、概述自由曲面概念01自由曲面是指無法用球面或者非球面系數(shù)來表示的曲面，很多情況下需要用非均勻有理B樣條(QNon-UniformRationalB-Splines，NURBS)造型方法或其他方法來描述。簡(jiǎn)言之，NURBS是專門作曲面的一種造型方法。一、概述非球面應(yīng)用概述02在廣角短焦距物鏡中泰勒——霍夫遜(Taylor-Hobson)公司在光學(xué)系統(tǒng)中使用非球面保證了光學(xué)特性和成像質(zhì)量，又簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，如圖15.1所示。非球面曲面方程02二、非球面曲面方程旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的非球面方程01二、非球面曲面方程其他常見非球面方程02二、非球面曲面方程其他常見非球面方程02(3)超環(huán)面方程球面或非球面曲線作為母線繞一條在該母線平面內(nèi)并垂直于該母線對(duì)稱軸的直線旋轉(zhuǎn)而形成的曲面稱為超環(huán)面，如圖15.6所示。以z軸對(duì)稱的非球面曲線作為母線，繞平行于y軸的回轉(zhuǎn)軸形成的超環(huán)面母線方程為二、非球面曲面方程其他常見非球面方程02二、非球面曲面方程非球面的法線及曲率03二、非球面曲面方程非球面的法線及曲率03次圓錐曲面及其衍生高次項(xiàng)曲面03三、次圓錐曲面及其衍生高次項(xiàng)曲面1.消球差的等光程折射非球面曲面方程為三、次圓錐曲面及其衍生高次項(xiàng)曲面2.消球差等光程反射面三、次圓錐曲面及其衍生高次項(xiàng)曲面3.反射面應(yīng)用二次圓錐曲面多用于作為反射鏡面。如電影放映機(jī)的聚光燈的反射鏡面是橢球面；固體激光器多是使氙閃光燈發(fā)出的光能集中照射激光物質(zhì)(如紅寶石)上，其反射面是橢球面；射電天文望遠(yuǎn)鏡用的是拋物面。天文望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)比較小，觀察對(duì)象基本上位于光軸上，大型天文望遠(yuǎn)鏡多利用上述等光程反射面，構(gòu)成對(duì)軸上點(diǎn)等光程的反射鏡系統(tǒng)，主要有牛頓系統(tǒng)、格里高利系統(tǒng)和卡塞格林系統(tǒng)三種類型。上述反射系統(tǒng)對(duì)軸上點(diǎn)來說，滿足等光程條件。但是對(duì)軸外點(diǎn)來說，彗差和像散卻很大，因此視場(chǎng)受到限制。三、次圓錐曲面及其衍生高次項(xiàng)曲面4.高次曲面的應(yīng)用為了擴(kuò)大系統(tǒng)的視場(chǎng)，可以把主鏡和副鏡做成高次曲面，代替原來的二次曲面。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是主鏡焦面不能獨(dú)立使用，因?yàn)橹麋R焦點(diǎn)的像差沒有單獨(dú)校正，是和副鏡一起校正的；

同時(shí)也不能用更換副鏡來改變系統(tǒng)的組合焦距。這種高次非球面系統(tǒng)目前用在遠(yuǎn)紅外激光的發(fā)射和接收系統(tǒng)，可以獲得較大的視場(chǎng)。三、次圓錐曲面及其衍生高次項(xiàng)曲面5.校正器另一種擴(kuò)大系統(tǒng)視場(chǎng)的方法是在像面附近加入透射式的視場(chǎng)校正器，用以校正反射系統(tǒng)的彗差和像散。采用球面反射鏡主鏡，再用非球面透鏡來校正球面反射鏡的像差，這樣就形成了折反射系統(tǒng)。近年來，該系統(tǒng)在大屏幕投影電視、彩色電視顯像管校正電子軌跡偏離等方面也得到了應(yīng)用。施密特校正器

的設(shè)計(jì)04四、施密特校正器的設(shè)計(jì)第一種形式的施密特校正器如圖15.15所示，它的一面是平面，另一面是非球面，邊緣厚度較大，是為了產(chǎn)生與反射鏡相反符號(hào)的球差，它的補(bǔ)償原理可用費(fèi)馬原理說明。施密特校正器的基本工作原理及其近似計(jì)算法01四、施密特校正器的設(shè)計(jì)由于光線通過校正器時(shí)，邊緣會(huì)引起強(qiáng)烈的折射，產(chǎn)生很大的色差，為克服這個(gè)缺點(diǎn)，施密特改進(jìn)為第二種形式的校正器，如圖15.16所示。施密特校正器的基本工作原理及其近似計(jì)算法01四、施密特校正器的設(shè)計(jì)所謂精確計(jì)算法就是根據(jù)消除實(shí)際球差的要求來確定非球面方程。如圖15.18所示，校正器第一面為平面，第二面為非球面，坐標(biāo)原點(diǎn)取在第一面和光軸的交點(diǎn)O處，球面反射鏡的曲率中心為點(diǎn)G。當(dāng)入射光線的孔徑角Ur為已知時(shí)，出射光線的孔徑角U3由消球差要求確定，即保證所有孔徑的出射光線經(jīng)球面反射后會(huì)聚于一點(diǎn)。施密特校正器的精確計(jì)算法02衍射光學(xué)元件及折衍混合光學(xué)系統(tǒng)05五、衍射光學(xué)元件及折衍混合光學(xué)系統(tǒng)衍射光學(xué)元件(DiffractiveOpticalElement，DOE)是基于光波衍射理論設(shè)計(jì)的，是表面帶有階梯狀衍射結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件。衍射光學(xué)元件的制作方法很多。在二元光學(xué)發(fā)展初期，按照所用掩模板及加工表面浮雕結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要有三類方法。近年來，精密電子產(chǎn)品對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)的輕量化、小型化及像質(zhì)提出了越來越高的要求，加之超精密制造技術(shù)的有力支持，更加快了用于衍射光學(xué)元件和混合成像系統(tǒng)的研究及實(shí)用化。概述01五、衍射光學(xué)元件及折衍混合光學(xué)系統(tǒng)菲涅耳透鏡(FresnelLens)，又稱為螺紋透鏡(或稱為同心圓階梯透鏡)。菲涅耳透鏡一般是由一系列同心棱形槽構(gòu)成的，每個(gè)環(huán)帶都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的折射面。最簡(jiǎn)單的菲涅耳透鏡是基面為平面的平面形透鏡。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。還有基面為曲面的彎月形透鏡。它的自由度更高，有利于消像差。菲涅耳透鏡包括透射式和反射式兩種。菲涅耳透鏡02五、衍射光學(xué)元件及折衍混合光學(xué)系統(tǒng)達(dá)曼光柵(DammannGgrating)一種具有特殊孔徑函數(shù)的二值相位光柵，對(duì)入射光波產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射圖樣(傅里葉譜)是一點(diǎn)陣數(shù)目的等光強(qiáng)光斑，避免了振幅光柵的譜點(diǎn)光強(qiáng)不均勻分布。達(dá)曼光柵03五、衍射光學(xué)元件及折衍