典型光学系统与设计ppt课件.ppt
典型光学透镜系统与设计,典型光学系统,望远镜 显微镜 投影和摄像,望远镜,望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。 望远镜是目视光学系统，其放大率为视觉放大率：,第一个望远镜是伽利略发明的,望远镜的种类,折射式：伽利略望远镜和多普勒望远镜 反射式 折反共用,折射式,反射式：色差来源于不同的波长通过透镜具有不同的折射率，因此具有不同的焦距，而反射镜对不同波长来说反射角是一致的,牛顿望远镜,反射望远镜沒用上透镜，因此沒有折射望远镜的色差问题，现今世界上最好的望远镜都是反射望远镜，用的都是反射镜面，例如夏威夷毛那基峰的十米Keck望远镜。,反射式望远镜的例子：,为什么又有了折反望远镜？,反射和折射望远镜各有优劣 反射可以无色差，但校正其他像差困难 折射可以矫正其他像差，但校正色差困难 于是折反射就是综合利用了两者的优势 折反射望远镜，是在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量。,施密特望远镜： 它在球面反射镜的球心位置处放置一施密特校正板。它是一个面是平面，另一个面是轻度变形的非球面，使光束的中心部分略有会聚，而外围部分略有发散，正好矫正球差和彗差。,马克苏托夫望远镜 ： 在球面反射镜前面加一个弯月型透镜，选择合适的弯月透镜的参数和位置，可以同时校正球差和彗差。,以马克苏托夫望远镜为例：,让我们把反射和折反的图放一起比较下,注意： 比较像差的大小要看图像的范围。这里反射弥散斑范围1000um，而折射仅40um。所以如果两个放到一个比例下比较，折反射的像差远小于反射的,比较下反射和折反的MTF图：,同样，应注意横坐标的范围： 显然折反式在很高的频率仍具有较高的MTF,反射,折反,Cassegrain-type Ritchie Cretien望远镜,632.8nm这个波长可以看做没球差,在较大空间频率范围内，都有较大的MTF值,常数场曲，无畸变！,可见这个望远镜是设计相当完美的一个,显微镜,显微镜由物镜和目镜组成 物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处,举一个Zemax显微镜的设计例子,在用ZEMAX软件进行设计时，将显微镜倒置设计。设置参数如下：垂直放大率为0.04，物方数值孔径为0.016，物高为25mm，物方半视场高度为12.5mm。,从system菜单里点General子菜单，可以直接设置物方数值孔径,而要定义物体的大小，则必须从 Syetem菜单field data子菜单里录入 这里我们先后考察三个物体，分别为轴上点、轴外9mm、轴外12.5mm物体。,定义透镜表面参数,设置变量，开始优化 使用默认目标函数,显微镜的现代变革,放大镜是最简单的显微镜 后来人们使用目镜和物镜共同构成的光学显微镜，使人类的视野进入微观领域，观测到了细胞等 用电子代替光：电子显微镜 但上世纪八十年代开始，显微镜技术发生了一次具有历史意义的革新：扫描隧道显微镜、原子力显微镜等,分辨率：人眼或仪器 能分辨物体的最小间距（角分辨）。 人眼分辨率：在明视距离内只拥有1分的分辨率或0.1mm。 显微镜：最高1600倍放大率，实际上有象差，受衍射极限 影响.,显微探测历史回顾：,当, = 0.3m 所以，传统光学显微镜分辨率极限是,为提高分辨率，减小波长 从可见光紫外光 x射线 而更短的波长、电子射线,Go back from History,用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。,诺贝尔奖：Ernst Ruska，Gerd Binnig和Heinrich Rohrer（从左至右）分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖。 电子显微镜的发明者卢斯卡 扫描隧道显微镜的发明者宾尼格和罗勒。,Go back from History,天才的宾尼格和罗勒，在随后两年又发明了原子力显微镜，这是纳米科学做为独立科学出现的重要标志,投影和摄像系统,这两个有些类似，光学部分差不多倒过来用 与望远镜显微镜系统不同的是，投影与摄像的关键部分有两个，一是照明系统，必须保证足够的照度才能清晰成像；二是光学系统，即要有一个好的成像物镜。,投影仪就是把待投影的图像放在一个物镜一倍和二倍焦距之间，这样能在远处的屏幕上成像。但其实际结构却复杂的多，以我们教室头上的投影仪为例，它的内部是怎样的呢？,注意:在投影机中所使用的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并没有针对红、绿、蓝等颜色差别。为了清晰再现图像色彩，它其实是使用了三张LCD液晶板来分别再现三种颜色，然后再经过光学系统的把这些分离的颜色合成再一起，投影在屏幕上，就组成了一副完整的图像。,NEC GT1150投影机光学系统实物图,对光学设计而言，设计投影系统，一是要让整体结构尽量紧凑，尺寸小，重量要轻。此外好的照明系统，和好的物镜都是设计的关键,投影的小型化趋势,
