1、光学工程 与 系统设计,李湘宁,近年来，光学技术发展迅速，现代光学技术与电子技术的结合更加快了光学技术的发展。具体体现在：在经典光学基础上创立了新的光学技术，如衍射光学和全息光学；在传统光学元件基础上创造出新的光学元件，如非球面透镜、全息透镜、二元光学元件、微阵列透镜；在一般光学淹没技术基础上发展和采用光学和全息加工、衍射光学元件和微光学元件加工、精密模压成型等现代高新制造技术。 光学技术的快速发展，使越来越多的科技人员从事光学及其相关专业，光学研究的领域也逐渐扩大，包括许多新的应用。随着对新型光学仪器可应用性的认识，人们会迫切的需要熟悉光学技术。尤其是现代光学工程方面的认识。,概述,概述,作
2、为光学工程专业的学生，我们更需要建立扎实的光学工程的基础知识，并掌握现代光学工程的新技术，了解光学工程技术发展的新动态。经过本科光学工程专业的学习，我们已经具备了一定的专业基础知识。本课程的学习是要在此基础上进一步深入学习光学工程的理论、技术、和方法。提高我们对光学工程理论及技术的认识、分析及设计能力。 本课程采用世界著名光学专家Warren J. Smith 先生的原著 Modern Optical Engineering - The design of optical system 作为教材及参考书，概述内容丰富概述内容，不仅有成熟的光学工程理论基础、计算公式和分析方法，而且包括了对光学工
3、程问题的讨论和解决方案。不仅考虑到光学技术还涉及到经济成本。作为工科学生，这是一本不可多得的好教材,内容,概述光学的基础知识像的形成（一级光学）像差棱镜和反射镜光阑和孔径基本光学器件光学计算像的评价光学系统的一般设计特殊光学系统设计,光学基础知识,几何光线与波阵面,光的反射,光的折射,光的色散,透镜对光波的影响,棱镜对光波的影响,像的形成,一级光学（first order optics）,（高斯光学）,1. 概述2. 基本概念：一级光学、有效焦距、前焦点、前焦距、后焦点、后焦距、主点、主平面、节点3. 实际光线追迹：三角光学计算4. 近轴光学计算：5. 放大率计算：垂轴放大率、轴向放大率、角放
4、大率6. 连续球面的光线追迹：近轴光学7. 等效焦距的计算、等效焦点的计算8. 透镜的主点和焦点9. 组合透镜的焦点、焦距10. 光学不变量11. 矩阵光学12. Y-Y图,光学系统的基本参数,常用参数和术语,Object distance Image distance Object to image total trackFocal length /number (or numerical aperture) Entrance pupil diameterEntrance and exit pupil location and sizeWavelength band Full field o
5、f view Magnification (if finite conjugate) Zoom ratio (if zoom system) Back focal distance Image surface size and shape Optical performance:Transmission Relative illumination (vignetting) Encircled energyMTF as a function of line pairs/mm Distortion Field curvature Number of elements Aspheric surfac
6、es Diffractive surfaces Coatings,光学系统的基点与基面,光学系统的基点与基面,有效焦距与前、后焦距,单透镜的主面位置,弯月透镜与反射镜,正透镜成像,负透镜成像,物像位置的变化规律,负透镜成像规律,放大率,角放大率,数值孔径和F数,公式汇总,符号的物理意义,各符号的物理意义,双光组无限远成像,双光组有限远成像,组元的焦距,光学不变量,对给定的光学系统以下物像关系是一个常数对任一面 为常数，称为,用光学不变量计算其它参量,放大率：物、像面上的不变量无穷远物体的像高：透镜面与像面望远系统的放大率：入瞳面和出瞳面,用光学不变量计算其它参量,任意光线的数据可以用两条已知光
7、线来计算：焦距计算：入瞳,矩阵光学,折射方程,过渡方程,单个折射面成像方程,在空气中,通用,Y-Y 图,物面与像面,物面倾斜，像面也倾斜，倾斜的规则如图示，像面相对物面有梯形畸变小角度的物像倾斜符合垂轴放大率大角度的物像倾斜符合 Scheimpflug（沙伊姆弗勒）条件投影物镜向上投影相当于倾斜像面，将产生拱形畸变。如果保持物像面平行，投影轴倾斜，可避免上述畸变。,第二章 像差,概述 像差多项式和赛德像差 球差、彗差、像散和场曲、畸变、色差透镜形状和光阑位置对像差的影响像差随孔径和视场的变化光程差像差校正和剩余像差像差曲线和像差的级次,光线追迹图,像差多项式,Notice that in th
8、e A terms the exponents of s and h are unity. In the B terms the exponents total 3, as in s3, s2h, sh2, and h3. In the C terms the exponents total 5, and in the D terms, 7. These are referred to as the first-order, third-order, and fifth-order terms, etc. There are 2 first order terms, 5 third-order
9、, 9 fifth-order, and,nth-order terms. In an axially symmetrical system there are no even order terms; only odd-order terms may exist (unless we depart from symmetry as, for example, by tilting a surface or introducing a toroidal or other nonsymmetrical surface).,各项的级次,It is apparent that the A terms
10、 relate to the paraxial (or first-order) imagery discussed in Chap. 2. A2 is simply the magnification (h/h), and A1 is a transverse measure of the distance from the paraxial focus to our “image plane.” All the other terms in Eqs. 3.1 and 3.2 are called transverse aberrations. They represent the dist
11、ance by which the ray misses the ideal image point as described by the paraxial imaging equations of Chap. 2. The B terms are called the third-order, or Seidel, or primary aberrations. B1 is spherical aberration, B2 is coma, B3 is astigmatism, B4 is Petzval, and B5 is distortion. Similarly, the C te
12、rms are called the fifthorder or secondary aberrations. C1 is fifth-order spherical aberration; C2 and C3 are linear coma; C4, C5, and C6 are oblique spherical aberration; C7, C8, and C9 are elliptical coma; C10 and C11 are Petzval and astigmatism; and C12 is distortion. The 14 terms in D are the se
13、venth-order or tertiary aberrations; D1 is the seventh-order spherical aberration.,系数的意义,球差：焦点随孔径的变化,轴向球差,垂轴球差,球差有正负之分：负球差相当于未校正的正透镜产生的球差，故称欠校正球差；负透镜常被用来校正正透镜的球差，因为负透镜产生正球差，故正球差又称为过校正球差。,球差曲线,轴向球差曲线,垂轴球差曲线,彗差：放大率随孔径变化,彗差定义,彗差特征,光阑面,像面,光束截面,象散和场曲,象散,场曲,象散和场曲曲线,畸变,枕形畸变,桶形畸变,畸变曲线,色差,轴向色差,垂轴色差,透镜形状和位置对像
14、差的影响,厚透镜公式薄透镜公式对于固定的焦距有无限多的透镜形状,球差和彗差随透镜形状的变化（光阑位于透镜处）,透镜形状变化对像差的影响,考虑物体在无限远的情况实物成实像的正透镜产生负球差球差随透镜的形状改变呈抛物线改变彗差随透镜的形状呈线性变化球差最小的位置透镜接近于凸平透镜球差最小时彗差为0球差最小的透镜可用于制作简易的望远镜,光阑与透镜重合时的像差,球差随透镜的形状改变彗差随透镜的形状改变，球差最小时彗差为0光阑与透镜重合时，若干种像差：象散、场曲、轴向色差为常数，与透镜形状无关畸变与放大率色差均为0光阑位置的改变不会影响球差和位置色差光阑位置移动对其余像差均有影响，其中影响最大的是象散和
15、彗差,光阑在不同位置时对斜光束入射的影响,光阑位置移动对像差的影响（透镜形状固定）,光阑位置移动对像差的影响（弯月透镜形状）,对球差及轴向色差无任何影响对彗差呈线性变化，有一位置为0，称作Natural Position对畸变和横向色差呈正负的变化彗差为0时子午场曲最小因而象散最小不同透镜形状有不同彗差为0的光阑位置,光阑位于Nature位置时透镜形状变化对像差的影响,光阑位于Nature位置时透镜形状变化对像差的影响,考虑透镜形状变化时彗差为0的光阑位置球差最小时的形状为凸平形状，彗差为0的光阑位置就是与透镜重合球差最小则产生最大的场曲和象散，此时轴上点附近具有较好的像质。弯月透镜成像的球差
16、较大，但可以获得较平坦的视场，象散、场曲均较小，适合于大视场成像，如简易照相镜头。,像差随孔径和视场的变化,波像差实际波面与理想波面之差,像差校正,已经介绍了两种简单校正像差的方法 透镜弯曲和移动光阑高层次的像差校正是组合不同正负号像差的透镜使得像差得以抵消 例如：正透镜产生欠校正的球差和位置色差， 负透镜产生过校正的球差和位置色差。用正负透镜组合校正球差和位置色差 双胶合透镜的色差校正：大光焦度的正透镜用低色散的冕牌玻璃，小光焦度的负透镜用高色散的火石玻璃，因此负透镜具有每单位光焦度较大的正色散，与正透镜的负色散抵消。 双胶合透镜的球差校正：考虑光焦度、形状和折射率。如果负透镜的折射率较高，
17、胶合面将产生发散，产生过校正球差，与外表面的欠校正球差抵消。,球差的校正与剩余球差,色差的校正与剩余色差二级光谱,色差随孔径的变化色球差,场曲与象散的校正,光线相交曲线与像差的级次,欠校正球差,过校正球差,欠校正带球差,欠校正彗差,三级和五级彗差,欠校正轴向色差,典型的轴外像差曲线,第三章 棱镜和反射镜系统,棱镜分为两类：折射与反射折射棱镜主要用于产生色散：如光谱仪反射棱镜主要用于转折光路,色散棱镜,薄棱镜,垂直入射,一般入射,色散,消色差棱镜：（光线偏折但不产生色散）,偏转色散求解,直视棱镜：（光线不偏折但有色散）,设偏转D12为0，但色散dD12不为0，可以得到直视棱镜如果需要较大的色散，
18、可以将多块棱镜组合构成直视棱镜,反射棱镜,反射棱镜大多依靠全反射实现光束反射反射棱镜依照反射定律反射光线反射成像引起坐标变化成像系统中的反射棱镜相当于平行平板,反射棱镜成像,直角棱镜,恒定偏角棱镜和道威棱镜,屋脊棱镜,正像棱镜系统,多种正像棱镜系统,斜方棱镜和光束分列器,设计棱镜系统,棱镜的口径计算,第四章 光阑与孔径,典型的孔径光阑和视场光阑,什么是入瞳和出瞳,如何在光路中查看光瞳、孔径光阑和视场光阑,渐晕,消杂光光阑,防眩光光阑,挡板光阑,远心光阑,孔径与像面照度,孔径光阑与像面的照度有关,轴外像面的照度下降为轴上点照度的cos4角度,景深与焦深,景深,光学系统的分辨力,光学系统的衍射 物
19、点所成的像受光阑的限制，实际为一衍射斑 衍射斑的大小决定了系统的理论分辨率,光谱仪的分辨力,棱镜光谱仪的分辨力,光栅光谱仪的分辨力,第九章 光学器件,望远系统,望远系统的应用,望远系统可用作激光扩束器；当望远系统插入在另一光学系统的平行光路中时，可以改变该系统的焦距、光焦度、视场角等；望远系统可对近距离物体成像，其物像放大率为一常数，即为MP的倒数。如果将光阑设置在第一透镜组的焦面上，可以获得双远心光路,场镜与中继透镜,场镜置于中间想的位置场镜不改变原系统的光焦度场镜可减小后续透镜的高度场镜的连续使用即成为中继透镜中继透镜用来长距离传输图像（如潜望镜、内窥镜）,内窥镜的最优结构,以限定的最大横
20、向尺寸确定场镜的直径；物镜的焦距为场镜的直径除以全视场角；中继透镜的位置为中继透镜的直径乘以物镜的F数中继透镜的焦距以确保物镜所成的像以一倍的放大率（绝对值）方式传输。所有的中继透镜和场镜具有同样的参数,渐晕与场镜,放大镜与显微系统,测距仪的工作原理,菲涅尔透镜测距系统,单反镜头采用的测距系统,测距系统有三个组件：物镜，场镜，目镜。场镜由图所示的菲涅尔透镜构成：外部区域相当于场镜的作用，将边缘视场送入目镜；中心部分，测距。中部区域由三角锥形棱镜构成，将未聚焦的图像夸大模糊,辐射计与红外探测器,通常由物镜与缩像的光学器件组成，后者是为了减小光斑的尺寸，满足小尺寸的接收器的需求。,光锥缩小光斑,导
21、光管匀光器件,光纤,传像光纤束,梯度折射率光纤,变形系统,变焦系统,物像共轭位置不变，成像系统的焦距连续变化使得放大率连续变化的光学系统为变焦系统比较系统为光学变焦和机械变焦，机械变焦可以做到焦距连续变化，但非线性变化光学变焦可以实现特定的焦距变化。,单透镜变焦,变焦与补偿,变焦凸轮曲线,光学变焦,第十一章 像质评价,波像差点列图中心点亮度传递函数,波像差,波像差的构成,含有初级球差及离焦的波像差,离焦至1/2球差位置时,此时最大波像差发生在Y=0.707处，最大波像差值是理想像点位置处的1/4倍对应的边缘球差,五级球差情况,波像差,最佳离焦点,Y=1处波像差,最大波像差位于,五级球差且边光球
22、差校正为0,波差多项式,比较,中心点亮度,几何能量分布,点扩散函数和线扩散函数,一物体被光学系统成像，每一点或每一线将被光学系统所成的像为以模糊点或模糊线，这个点或这条线的截面图就是点扩散函数或线扩散函数,调制传递函数,调制度（对比度）,不同频率的线条物体，被光学系统成像后获得不同对比度的正弦函数,人眼的分辨阈值,调制度函数,同样的极限分辨率有不同的系统性能,系统分辨率,判断系统是以分辨率还是以对比度？,传递函数,传递函数也成频率响应函数或正弦频率响应函数或对比度转换函数可用于透镜、镜头、人眼、胶片、CCD、CMOS等传递函数在一个系统中可以相乘，如照相机镜头的MTF与胶片的MTF相乘，可以获
23、得系统的总传递函数透镜与透镜之间传递函数不能相乘，因为透镜之间具有像差的抵消或放大作用,传递函数的近似计算,离焦对传递函数的影响,正弦波与方波的传递函数,光学设计基础知识,PW法简介PW法应用在光学设计中确定初始结构参数。PW称为透镜的基本像差参量。首先根据技术要求确定系统的外形尺寸，确定各组光学组件的H,Hz.F,J等。再根据像差要求得出每一组的像差参量P.W. 由P.W求出系统的结构参数。,在外形尺寸中需要先确定各光组的位置、各光组的光焦度，由此可以获得第一近轴光线和第二近轴光线在各光组上的高度H 、H z等,初级像差用塞得系数表示,初级像差用PW表示,归化的PW参数,光组的参数有两部分构成 内部参数：曲率半径、间隔、材料； 外部参数：物距、焦距、视场角、相对孔径像差参量PW与外部参数及内部参数均有关，为了使PW与光组参数的关系简单化，提出了归化的PW参数。,为使参数与位置无关,为使参数与焦距无关,利用PW法确定初始参数过程,首先根据技术要求确定系统的外形尺寸，确定各组光学组件的H,Hz.F,J等。再根据像差要求得出每一组的像差参量P.W. 再由P.W求出系统的结构参数。,简单弯月照相镜头设计,自由度 材料、焦距、形状、光阑位置及孔径要求 给定的像面尺寸、可以接受的像、低成本主要考虑孔径和视场不能大，材料为普通冕牌玻璃（高折射率冕牌价格贵火石玻璃色散大）,
