典型光学系统与设计-课件.ppt

1、典型光学透镜系统与设计典型光学系统o望远镜o显微镜o投影和摄像望远镜o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。 o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o折射式：伽利略望远镜和多普勒望远镜o反射式o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

2、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？o反射和折射望远镜各有优劣o反射可以无色差，但校正其他像差困难o折射可以矫正其他像差，但校正色差困难o于是折反射就是综合利用了两者的优势o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

3、，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o显微镜由物镜和目镜组成o物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、

4、倒立的实像AB，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o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o放大镜是最简单的显微镜o后来人们使用

5、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o用电子代替光：电子显微镜o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：分辨率：人眼或仪器人眼或仪器 能分辨物体的最小间距（角分辨）。能分辨物体的最小间距（角分辨）。 人眼分辨率：人眼分辨率：在明视距离内只拥有在明视距离内只拥有1分的分辨率或分的分辨率或0.1mm。 显微镜显微镜：最高：最高1600倍放大率，实际上有象差，受衍射极限倍放大率，实际上有象差，受衍射极限 影响影响.分划板 L D 显微探测历史回顾：显微探测历史回顾：DnLNAn22. 161. 0 LDN

6、A21 当当 A5500 = 0.3 m 所以，传统光学显微镜分辨率极限是所以，传统光学显微镜分辨率极限是2为提高分辨率，减小波长为提高分辨率，减小波长 从可见光从可见光紫外光紫外光 x射线射线 而更短的波长、电子射线而更短的波长、电子射线nmnm 101nm001. 0Go back from Historyl用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。令人吃惊的。1983年，年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜发明了扫

7、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）。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。传统显微镜的概念。 诺贝尔奖：诺贝尔奖：Ernst Ruska，Gerd Binnig和和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（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享1986年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。 电子显微镜的发明者卢斯卡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。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

8、两年又发明了原子力显微镜，这宾尼格和罗勒，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o这两个有些类似，光学部分差不多倒过来用o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