第二章光学系统设计概要新.ppt

光学系统设计概要,广学 明德 海纳 厚为,光学仪器及其发展 光学设计及其发展 应掌握的光学设计基础,2.1 光学仪器的发展,2.1.1光学仪器发展的基础理论 古典理论几何光学或应用光学,波动光学时期,量子光学时期,现代光学时期,2.1.2光学仪器的类别,光学计量仪器 物理光学仪器 显微镜 测绘仪器 光学测试仪器 天文光学仪器 军用光学、光电仪器 医用光学仪器 照相机、摄像机 投影机、电影机械,2.1.3光学仪器的发展,二战以前，光学仪器初步形成系列。光学仪器制造已有近300年历史。从19世纪后期起，德国在光学设计与制造方面领先世界。 二战至1960年，主要表现在：改进结构，扩大使用范围和增加产量，提高质量等方面。 1960年以来，数字读数，激光，全息，光纤，自动化，光电子和计算机等新技术的相继应用，创新了许多新的成像技术、新的光学材料、新的加工方法和新的光学器件。光学仪器取得了前所未有的成就。,2.2 光学设计的发展概况 2.2.1 光学设计的概念 光学设计所要完成的工作应该包括光学系统设计和光学结构设计。我们主要讨论光学系统设计。 光学系统设计就是根据仪器所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。,2.2光学设计及其发展,我们要为一个光学仪器设计一个光学系统，大体上可分为两个阶段。第一阶段是根据仪器总体的技术要求（性能指标、外形体积、重量及相关技术条件），从仪器的总体（光学、机械、电路及计算技术）出发，拟定出光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。一般称这一阶段的设计为“初步设计”或者“外形尺寸计算”。,第二阶段是根据初步设计的结果，确定每个镜头的具体结构参数（半径、厚度、间隔、玻璃材料），以保证满足系统光学特性和成像质量的要求。这一阶段的设计称为“像差设计”，一般简称“光学设计”。这两个阶段既有区别又有联系。 在不同类型的仪器中所占的地位和工作量不同。如大部分军用光学仪器中，初步设计比较繁重，而像差设计相对来说比较容易；一般显微镜和照相机中，初步设计比较简单，而像差设计比较复杂。,光学设计的发展经历了人工设计和光学自动设计的两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序进行设计的巨大飞跃。国内外已出现了不少功能相当强大的光学设计CAD软件。如今，计算机辅助设计已在工程光学领域中普遍使用，从而使设计者能快速、高效地设计出优质、经济的光学系统。然而，不管设计手段如何改变，光学设计过程的一般规律任然是必须遵循的。,2.2.2 光学设计的发展状况,2.2 光学系统设计的具体过程和步骤 2.2.1 光学系统设计的具体过程 1、制定合理的技术参数 从光学系统对使用要求满足程度出发、制定光学系统合理的技术参数，这是设计成功与否的前提条件。 2、光学系统总体设计和布局 光学系统总体设计的重点是确定光学原理方案和外形尺寸计算。为了设计出光学系统的原理图，确定基本光学特性，使其满足给定的技术要求，首先要确定放大率（或焦距）、线视场（或角视场）、数值孔径（或相对孔径）、共轭距、光阑位置和外形尺寸。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。,在上述计算时还要结合机械结构和电器系统，以防止这些理论在机械结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高的要求会使设计结构复杂，造成浪费；过低的要求会使设计不符合要求。因此，这一步骤必须慎重。 3、光组的设计 一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段 1）选型 光组的划分，一般以物象共轭面之间的所有光学零件为一个光组，也可将其进一步划小。选型是光学系统设计的出发点，选型是否合理、适宜是设计成败的关键。,2）初始结构的计算和选择 初始结构的确定常用以下两种方法： （1）解析法（代数法）：即根据初级像差理论求解初始结构。这种方法是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级像差理论来求解满足成像质量要求的初始结构，即确定系统光学零件的曲率半径、透镜的厚度和间隔、玻璃的折射率和色散等等。 （2）缩放法：即根据对光组的要求，找出性能参数比较接近的已有结构，将其各外形尺寸乘以缩放比K，得到所要求的结构，并估计其像差的大小或者变化趋势。,3）像差校正、平衡与像差评价 初始结构选好后，要在计算机上进行光路计算，或用像差自动校正程序进行自动校正，然后根据计算结果画出像差曲线，分析像差，找出原因，再反复进行相差计算和平衡，直到满足成像质量要求。 4、长光路的拼接与统算 以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的拼接与统算。若结果不合理，则反复试算并调整各光组的位置与结构，直到达到预期的目的为止。,5、绘制光学系统图、部件图和零件图 绘制各种图纸，包括确定各光学零件的相对位置，光学零件的实际大小和技术条件。这些图纸为光学零件的加工、校验，零部件的胶合、装配、校正，乃至整机的装调、测试提供依据。 6、编写设计说明书 设计说明书是进行光学设计整个过程的技术总结，是进行技术方案评审的主要依据。 7、进行技术答辩 必要时可以进行技术答辩,光学设计就是选择和安排光学系统中各光学零件的材料、曲率和间隔，使得系统的成像符合应用要求。一般设计过程基本是减小像差到可以忽略不急的程度。光学设计可以概括为一下几个步骤： （1）选择系统的类型 （2）分配元件的光焦度和间隔 （3）校正初级像差 （4）减小残余像差（高级像差） 以上每个步骤可以包括几个环节，重复地循环这几个步骤，最终会找到一个满意的结果。,2.2.2 光学设计的设计步骤,2.3 仪器对光学系统性能与质量要求 任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求。因此，在进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起来有以下几个方面。 2.3.1 光学系统的基本特性 数值孔径或相对孔径，线视场或角视场，系统的放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些参数，如光瞳的大小和位置、共轭距等等。,2.3.2 系统的外形尺寸 系统的外形尺寸，即系统的轴向尺寸和径向尺寸。 2.3.3 成像质量 成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物镜则要求整个视场都要有较好的成像质量。,2.3.4 仪器的使用要求 根据仪器的使用条件，要求光学系统具有一定的稳定性、抗振性、耐热性和耐寒性，以保证仪器在特定的环境下能正常工作。 在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。例如：生物显微镜500NA1000NA，望远镜0.2D0.75D,像质评价方法,实际成像的现实是：在光学系统中，点成像的弥散斑尺寸多大，由衍射效应还是几何像差占主导，多大尺寸的弥散斑是可以接受的，弥散斑内的能量如何分布，图像的对比度降低多少，系统的整体质量如何。 像质评价方法： 瑞利判断：实际波面与理想波面之间的最大波像差超过1/4波长，此波面可看作是无缺陷的。 分辨率：当一个点的衍射图中心与另一个点衍射图的第一暗环重合时，恰好能分辨。衍射理论的最小分辨角 =1.22/D,点列图：点对应于弥散斑，用集中30%以上的点或光线的圆形区域为实际有效的弥散斑。 光学传递函数：傅里叶光学认为光学系统是线性不变系统，传递的频率不变。但受限光学仪器，并非所有的频谱都能传递。用光学传递函数表示光学系统在成像中的传递能力。,2.2.2 光学设计的基础,光学设计中的一些重要概念,焦距与视角的关系,焦距与视角的关系,2.2.3 像差设计过程,光学设计在很大程度上讲就是像差设计。 像差校正与平衡，是一项反复修改结构参数逐步逼近最佳结果的工作。在计算机辅助光学设计中，采用像差自动平衡的方法，极大地加快了设计进程，且显著地提高设计质量。 当像差已校正与平衡到良好状态后，需要借助适当的方法对像质做全面的评价，以决定设计结果是否符合要求。如尚未达到要求，仍需继续做像差平衡工作；如发现无论怎样做像质还是达不到要求，应另选结构形式或另定初始参数。重复上述步骤继续设计，直到像质达到要求。,2.2.4 光学系统设计要求,进行光学设计前一定要了解设计要求，这些要求概括起来有以下几个方面： 基本特性：数值孔径或相对孔径、线视场或视场角、系统放大率或焦距。此外还有：光瞳大小和位置、后工作距离、共轭距等。 外形尺寸：即系统的横向尺寸与纵向尺寸。 成像质量：成像质量的要求和光学系统的用途有关。 仪器的使用条件,具体来说，光学系统设计要求还可分为光学系统基本要求和技术要求,基本要求包括：性能、构型选择和可制造性三个方面。 技术要求包括：基本结构参数（物距、成像形式、像距、F数或数值孔径、放大率、全视场、透过率、焦距、渐晕）；成像质量要求（探测器类型、主波长、光谱范围、光谱权重、调制传递函数、RMS波前衰减、能量中心度、畸变）；机械和包装要求；其它具体要求。,2.2.5 光学设计的发展概况,20世纪之前的光学仪器，是利用人们直接磨制的各种透镜按不同情况进行组合，找出符合成像质量要求的结构。 为节省人力、物力，人们逐渐用计算方法来替代老办法。这种方法就称为像差计算。 对于某结构参数的光学系统，光线由同一物点开始，按折射、反射定律，算出若干条光线；根据这些光线通过系统以后的聚焦情况，可以大体知道成像质量；然后修改结构参数，再重复上述计算，直到成像质量满意为止。 为加快设计进程，促使人们进行“像差理论”研究，但进展并不令人满意。 计算机的出现，使光学设计从人工计算的繁重劳动中解放出来，实现了“自动设计”或“像差自动校正”。,2.3 应掌握的光学设计基础,（1）了解光学系统对成像特性的影响 高斯光学性质；光度性质；衍射；像差校正状况 主要矛盾：仪器尺寸与高斯光学的矛盾；孔径、视场与像差校正的矛盾。 （2）几何光学基础 （3）像差理论：球差、慧差、像散、场曲、畸变、位置色差、垂轴色差。 （4）光学材料的选择和光学系统的公差分配。 （5）光机结构和光学工艺。,2.4 光线追迹及像差校正常用方法,2.4.1光线追迹概述 光线追迹是确定光学系统像差的最普通和最直接方法。 除了追迹近轴光线之外，还要用光学三角公式追迹不同口径和视场下的光线，然后根据光线计算的结果来确定和分析各种像差。 要解决的问题：给定一个光学系统的结构参数（半径、厚度或间隔、折射率等），再给出入射到光学系统的光线方向和目标空间位置，最后求出光线通过该系统后的方向和空间位置。,光线追迹计算通常步骤,（1）起始计算：给出光线的初始位置和方向。 （2）折射计算：确定光线经过表面折射（反射）后的方向和位置 （3）转面计算：完成到下一表面的数据转换，以便于继续光线追迹 （4）终结计算与处理：确定光线最后截点长度或高度，有时候还要计算像差值。 对系统每个表面都要进行折射计算和转面计算。,2.4.2 光学系统像差概述,像差：实际像与理想像间的偏差,子午慧差、弧矢慧差,正、负透镜组合消除像散,2.4.3 像差校正的一些常用方法,各光组以至各面的像差分布要合理。在考虑初始结构时可将要校正的像差列成用初级像差系数表示的方程组，从方程组的多组解中选出一合理解：尽量做到各个面上以较小的像差值相抵消，这样就不至于会有很大的高级像差。 相对孔径或入射角很大的面一定要使其弯向光阑，使主光线的偏角尽量小，以减少轴外像差。 最后的像差应有合理的匹配，至少使0.7视场范围内的像质比较均匀。 挑选对像差变化敏感的表面改变其半径。,对于对称结构的光学系统，可以选择成对的对称参数进行修改。 利用胶合面改变色差或其他像差，并在必要时调换玻璃。 合理的拦截光束和选定光阑位置。 在像差校正过程中，重要的问题是能够判断各结构参数对像差变化影响的倾向。,光学系统中的光束限制,显微系统,显微系统的构成 显微镜的成像原理 显微镜的视放大率 显微镜的分辨力 显微镜的有效放大率 显微镜中的光束限制 照明系统,典型光学系统,显微系统的构成,照明系统成像系统 成像系统= 物镜目镜,显微镜成像系统工作原理,显微镜成像系统工作原理,显微镜的视放大率（一）,人眼直接观察物体 人眼观察显微镜的像 显微镜的视放大率,显微镜的视放大率（二）,显微镜为两次放大，放大率为两次放大的乘积 显微镜实质上就是一个组合的放大镜,显微镜的视放大率公式,=,对显微镜成像的几点分析,物平面应位于物镜的物方焦点到两倍焦距之间，以实现物镜的一级放大。 物平面应位于整个显微镜组合物方焦点以内，并十分靠近物方焦点处，以使得物体经显微镜成像于250mm以外至处。 显微镜可以通过调换不同倍率的物镜和目镜，方便迅速地获得显微镜的多种放大率。 显微镜因为有中间实像，可以在中间实像处放置分划板，能实现对物体的瞄准和测量。,显微镜的光束限制孔径光阑,低倍物镜为单组透镜，物镜框为孔径光阑 高倍物镜为多组透镜，后组透镜框为孔径光阑 测量显微镜用物方远心光路，孔径光阑设置在物镜的像方焦平面上 孔径光阑经目镜所成的像即为显微镜的出瞳 ，观察时，眼瞳要与出瞳重合 。 显微镜的光束大小常用NA表示 出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关,NA：数值孔径,显微镜的分辨力,显微镜的分辨力取决于光学系统对光的衍射状况。 根据瑞利判断，两个相邻像点之间的间隔等于艾里斑的半径时，则能被光学系统分辨。 显微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距离表示 道威判断：,提高显微镜分辨力的可能性,显微镜的分辨力主要取决于显微物镜的数值孔径NA 提高数值孔径的方法是增大孔径角，物方孔径角U最大可达60°70°，因此，显微物镜属于大孔径系统。 提高数值孔径的另一方法是提高物方空间的折射率，“油浸物镜”便是用于这一目的。（如杉木油或二碘甲烷等），可使数值孔径达到1.5 光学显微镜的极限分辨距约为/3。,提高显微镜分辨力的可能性,提高显微镜分辨率的另一途径就是用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就越短。 电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。,照明系统,直接照明 反射式照明 透射照明 聚光镜照明 临界照明 柯勒照明,临界照明,光源 物面（特点：窗对窗） 优点：亮度高，结构简单 缺点：照度不均匀,柯勒照明,光源 成像系统的入瞳（窗对瞳） 集光镜 物面（瞳对窗） 优点：照度均匀 缺点：结构复杂,照明系统与成像系统的匹配,照明系统与成像系统的配合应注意两点 瞳窗要衔接，这样既能保证物体的照明范围又可以充分利用光能 照明系统必须提供被照物体有足够的孔径角，能满足成像系统的数值孔径，以确保成像系统的性能。,显微镜应用的拓展,从对物体成像的特点来分，对近距离成像的光学系统都可以归类于显微镜，近代显微镜常在系统中加入其它镜组，以扩大显微镜的功能。,筒长无限的显微物镜,优点：物镜和辅助物镜之间是平行光，有利于装配和调整，可以在其间加入棱镜、滤光片和偏振片，而不会引起像点位置的变化及产生双像、叠影等。,物镜 辅助物镜,显微镜物镜的类型,低倍物镜 (3-6倍),中倍物镜 (8-20倍),高倍物镜 (40倍),平像场复消色差物镜,反射式物镜,显微摄影系统显微镜与摄影系统组合,摄影物镜直接置于目镜的后方，使目镜所成的虚像，成像在照相底片或CCD上。 摄影物镜直接代替目镜，该目镜称为摄影目镜，为使整个共轭物像距不致于太大，目镜应设计成负光组。,数字显微镜,显微物镜的像面上，直接放置CCD接收器，连接到计算机上，还可以对显微镜的图像进行测量和实时处理，图像的大小也可以通过CCD靶面上的象素面积计算出来,望远系统,望远系统的组成 望远系统的放大率 望远系统的分类及特点 望远系统的分辨力 望远系统的有效放大率 望远系统的光束限制 望远镜的辅助系统 目镜,望远系统的组成及工作原理,组成：物镜+目镜 特点：物镜的像方焦点重合于目镜的物方焦点。无焦系统,望远镜的工作原理图,改变目镜位置可以观察近距离物体,望远系统的放大率,人眼直接观察事物体对人眼的张角与物体对仪器的张角相等 望远系统的视放大率等于仪器的角放大率 视放大率还可以表示为,望远系统的分类,柯普勒型 特点：目镜焦距为正光组 有中间实像，成倒像 结构长 伽利略型 特点：目镜焦距为负光组 无中间实像，成正立像 结构短,柯普勒型,伽利略型,望远镜的分辨力,理论极限分辨角 望远镜的分辨力取决于入瞳直径D（mm）,贵州FAST 500米口径,望远系统的光束限制,孔径光阑 ：望远镜的物镜框就是孔径光阑，也是入瞳，出瞳位于目镜像方焦点外侧附近。 视场光阑 ：物镜像方焦面上的分划板是视场光阑，直径为： 或,望远镜中的辅助系统转像系统,透镜转像 一般有两种形式，单组正透镜和双组正透镜 棱镜转像,透镜转像系统,单透镜组转像,双透镜组转像,棱镜转像系统,望远镜中的辅助系统场镜,场镜是一个正透镜组，将其放置在物镜的焦面上，可以在不改变系统放大率的前提下，改变轴外光束的走向，降低其在目镜上的高度，或让更多的光线通过系统，,场镜,物镜,目镜,目镜,目镜的放大率 目镜的孔径与视场 目镜的视度调节,目镜的放大率,目镜相当于放大镜 将位于焦点附近的物体成像于无限远至250mm处。,目镜的孔径和视场,目镜用反向光路来分析 入瞳即为望远系统的出瞳，略大于人眼的瞳孔直径，焦距为25mm左右。 目镜相对孔径 较小，属小孔径系统 目镜视场为 较大，属大视场系统,照相和投影系统,摄影（照相）系统 包括光学照相机、电视摄像机、CCD摄像机和数码照相机等 投影系统 幻灯机、书写投影仪、液晶投影仪、放映机等,照相系统,组成 由摄影物镜和感光器件组成 感光器件：感光胶片、CCD、电子光学变像管、 电视摄像管 物镜 主要参数：焦距：f ； 视场： ； 相对孔径： 或光圈数：,摄影物镜（一）,焦距 焦距决定成像的大小比例 拍摄远处物体 拍摄近处物体 航摄镜头的焦距可达数百毫米甚至数米,摄影物镜（二）,相对孔径 相对孔径决定像面照度 中心 边缘 光圈分值的方法：每增大一挡光圈值，对应的像平面照度依次减半。光圈值按公比 的等比级数变化,摄影物镜（三）,视场 视场决定摄影系统成像的范围，视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。 长焦距和短焦距物镜分别称作远摄物镜和广角物镜。普通照相机标准镜头的焦距介于两者之间,常用接收器规格,同一视场采用不同的接收器，要求的物镜焦距也不相同。胶片的尺寸大，要求物镜的焦距也大。CCD接收器小，镜头焦距也小。使用 6-15mm 镜头和一定大小CCD的数码相机与使用 28-72mm镜头的传统胶卷相机的视场范围可以是完全一样的。使问题更复杂化的是，数码相机中使用的CCD 大小并非完全一样。一般人使用 135mm 胶卷的相机时，很容易根据视场要求选择镜头的类型。为使数码相机的此参数也容易识别，许多制造商都将CCD镜头的焦距用等价135mm胶片的焦距来标称，称作等价135mm典型的值。,普通相机与数码相机镜头的等价焦距,分辨力,摄影系统的分辨率是以像平面上每毫米内能分辨开的线对数来表示，其大小取决于物镜的分辨率和接收器的分辨率。 摄影胶片的分辨力很容易达到200l/mm，CCD的分辨力取决于象素的大小，目前CCD的象素尺寸为614微米，对应的线对数为8535l/mm。,各类镜头光学设计的差别,（1）望远物镜 光学特性：相对孔径不大（1/5），视场较小（10°）。 像差校正：球差、慧差和轴向色差 （2）目镜 光学特性：焦距短（15-30mm）；相对孔径较小（1/5）；视场角大（40°） 。 像差校正：像散、垂轴色差和慧差。,（3）显微物镜 光学特性：数值孔径决定系统的衍射分辨率 像差校正：球差、轴向色差和正弦差，特别是减小高级像差。 （4）照相物镜 光学特性：焦距、相对孔径、视场角三者之间存在相互制约的关系。 像差校正：7类像差都要进行，而且在一定程度上也要校正高级像差。 （5）鱼眼镜头 光学特性：焦距短、视场很大。畸变不可避免,（6）折反射系统 光学特性：存在中心遮拦，一般用作望远物镜。 像差校正：同望远物镜 （7）变焦距镜头 光学特性：视场角随焦距变化。 像差校正：焦距变化时，成像面位置保持不变，各对应的成像质量应满足要求。 （8）投影镜头 光学特性：相对孔径大；出瞳距长；解像力高。 像差校正：对畸变要求高。 （9）扫描镜头 光学特性：小孔径小像差；解像力要求较高。 像差校正：畸变；RGB单色像差；白光色差。,（10）数码相机的光学镜头,镜头实际焦距和对应焦距 特点： 相对孔径较传统相机大； 分辨率要求较高； 体积较小，景深较大； 光学变焦倍数较大； 镜头增透膜的变化。,Thank You !,