1、成象理论（外形尺寸计算）象差理论（完善光学系 统）设计典型光学系统光学设计的理论设计报告：设计报告：系统设计说明书系统设计说明书 象差曲线图象差曲线图 光学零件图纸光学零件图纸 计算的打印结果计算的打印结果完成：完成：双筒棱镜望远系统设计双筒棱镜望远系统设计 第一节第一节 对光学系统的要求对光学系统的要求光学系统设计光学系统设计一 光学系统的基本特性 NA,D/NA,D/f f,f,L,L Y ,Y,2w，2w,D入瞳,D出瞳 ,Lz 外形尺寸:计算垂轴与沿轴尺寸三 成象质量:满足第二节 光学系统设计概述由使用要求决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组结构分四个阶段：外形尺寸计算 初始结构计
2、算 象差校正 象差平衡及象质评价 对光学系统要求1 光学系统的基本特性2 外形尺寸：横向及纵向尺寸 各组光瞳之间的衔接三 成象质量 光学系统的外形尺寸计算由物镜和目镜组成的望远系统结构和光束限制望远镜光路图：三、开普勒望远镜的外形尺寸计算三、开普勒望远镜的外形尺寸计算已知筒长已知筒长L、，求开普勒望远镜外形尺寸。，求开普勒望远镜外形尺寸。反射棱镜成像特性:在光路中相当于平行平板轴向位移 L=d(1-1/n)简单棱镜棱镜 复合棱镜 屋脊棱镜棱镜展开：沿反射面的次序依次展开等效空气层的厚度nD/4简单望远系统结构不考虑反射倒象棱镜结构计算：物镜与目镜的焦距物镜的通光孔径、孔阑、出瞳直径、视场光阑直
3、径、目镜视场角、镜目距、目镜通光孔径、视度调节量、物镜目镜结构视度调节 =mm带有棱镜转象系统的望远系统结构图：100052 目f设计要求：双筒棱镜望远系统的设计 （采用普罗I 型棱镜结构转象）=6，D/f=1/4，2w=8视场边缘有50%的渐晕 棱镜渐晕25%目镜渐晕25%棱镜最后一面到分划板距离14mm可以为15、16、17、18mm.否则第一个棱镜会挡住平行光束出瞳距离Lz 8-10mm物镜要与棱镜产生的象差平衡（五角屋脊棱镜要考虑与物镜的象差平衡）l=d(1-1/n)等效空气层厚度 d =d/n 好处：光线通过厚度为d的空气层，光线 不偏折等效空气平板：等效空气平板：光线经过光线经过M
4、OPN后，在后，在NP面上面上B点出射情况与光线经过点出射情况与光线经过MORQ后在后在T点出射情况完全相同，不同的是经过点出射情况完全相同，不同的是经过MOPN有折射，经过有折射，经过MORQ则没有，称则没有，称MORQ为为MOPN的等效空气平板，令其厚度为的等效空气平板，令其厚度为 。dndnddldTBdd)11(先定棱镜口径外形尺寸：NA,D/f,f,L,L Y ,Y,2w,D入瞳,D出瞳 ,Lz孔阑的设置：位置、大小。孔阑大小由光照度、分辨率、成像质量确定显微物镜NA，照相物镜D/fn系统不同光学系统孔阑设置远心光路：目镜：出瞳和眼瞳重合显微物镜：孔阑在低倍物镜 框上 物方：孔阑在象
5、方焦面上像方：孔阑在物方焦面上视阑的设置：一般在物、像面上图书馆光学仪器设计手册（上）实用光学设计方法与现代光学系统光学设计工程光学设计光学设计手册由任务书画光路图、计算光学参数 物镜：D/f=1/4，D=30,f1=120,目镜：=6,=-f1/f2 ,f2=20.沿轴尺寸较好计算，口径如何计算？孔径中心能量最大，要拦边缘光n系统棱镜设计：形状 厚度：查光学设计手册 校象差：物镜和棱镜象差一起校正y =f物 tg =tg/tga14(不超过20)b定为2mmC=f 2 d b a 棱镜 2nd=2d=67,2d=67/n=67/1.5162保证不挡轴上光线C 53.7024 目镜焦距知道，目
6、镜口径可由渐晕求出n几何计算求出h1高，两块棱镜一样大afxxhh111fxxyhh1=?棱镜厚4h1,半口径8.5，假设高8.5，厚度d=8.54=34等效空气平板厚d=d/nD/f1=1/4 f1=120n系统等效光路图n系统结构图 有两个渐晕 棱镜最后一面:挡上边25%光束 目镜 ：挡下边25%的光束望远物镜选型：P410课本物镜D/f1=1/4，D=30,f1=120 双胶合物镜双分离物镜三片型物镜摄远物镜物镜可选双胶合f=120D/f=1/4目镜型式 =tg/tg=-f1 /f2 2 Lz f2 冉斯登目镜 2：30-40 相对镜目距 Lz=1/4凯涅尔目镜 2：40-50 相对镜目
7、距 Lz=1/2 可选凯涅尔目镜 仔细计算外形尺寸显微系统：p410 照明系统 目镜焦面与成象象面重合P388 画显微镜的光学原理图NA=0.1 NA=nsinu=0.1 =-2 Sinu=0.1,u=-0.1,lu=lu,u=0.05 显微镜系统 0，物放在物镜的F1 前面AB对物镜的象A1B1可在F2上，也可在F2以内。A1B1的象可在无穷远，也可在250mm-之间L=1 mm,L=4mm 横向放大率=2 =4 在光学设计中，显微物镜反追，由大量 向小量变化计算，很方便书中p211,已用反追算好了，显微物镜结构参数（反追）。P211习题第1题，显微镜lz=-33.6,y=-10,r1=-2
8、3 （或-24）（改为大1 mm),反追计算复习：几何光学、象差概念 改变（n,r,d)完善光学系统象差 实际象差=初级象差+高级象差球差L=A1h 2+A2h 4+A3h6 +-改变（n,r,d)，使初级象差和高级象差平衡 使L=0 哪些象差与哪些光学参量有关 光学参量：D/f(孔径）,2y,2y,2,2（视场)象差的现象、产生原因、如何消除各种象差1.明确象差概念2.掌握初级象差理论象差分类n球差Ln彗差KT，KS象散xts场曲xt，xs畸变yz位置色差lFC倍率色差yFC 典型光学系统1 显微镜，望远镜，照相机，投影仪 成像原理2 外形尺寸计算：轴向尺寸、垂轴 尺寸、通光口径、物高、象高
9、、光阑 镜头设计和质量评价镜头选型：应用象差理论、通过光路计算象差,校正象差 设计出质量好,满足使用要求的系统光线的光路计算和象差理论 象差理论单色象差:球差,慧差,象散,场曲,畸变色差:轴向位置色差,倍率色差 要消除哪些象差球差:L=L l L正比于U2 沿轴象差，象面上为弥散圆斑球差为零的三对物象共轭点 正弦差 SC=KS/y(0.0025-0.00025)慧差子午慧差弧矢慧差KS 与孔径，视场有关KT=3KS正比于U2、)(21zbaTyyyK第一近轴光 第二近轴光n视场小的宽光束Sc=Ks/ynSc0.00250.00025象散：场曲：像面弯曲 子午场曲 弧矢场曲畸变：yyyzz相对畸
10、变：使象变形，成象清晰，不影响象的清晰度，正比于300100*)(yyyzzy位置色差CFFClll弥散彩色斑CFFClll近轴光位置色差倍率色差CFFCyyy视场边缘出现彩色斑完全对称系统=-1，垂轴象差自动消除复印机光路结构图p260,p261,双分离照相物镜：图 9-43 正弦差，位置色差P264 纵坐标为相对视场9-44：相对畸变9-45：场曲、象散象差归纳象差 定义与孔径视场关系现象校正方法L L-l 正比于 正比于 .正比于 正比于 正比于 圆斑彩色弥散 正比于 边缘出现彩纹STKK)(21zbaTyyyK2U2UtsXstll2TXSXstll2ZYyyz3FClCFLLFCYc
11、Fyy 象差曲线：沿轴，垂轴，纵坐标会分析、评价象差容限的确定各种各类物镜要消的象差及要求设计双胶物镜象差、棱镜结构象差、TCOS的使用方法、象差容限象差计算的谱线选择：初级色差 阿贝常数用人眼观察的目视系统对D光校单色像差，对F、C光校色差CFDDnnn1照相系统 对F光校单色象差 对D光和C光校色差天文望远镜，航空照明对G校单色象差对F光和G光校色差一般系统：)(2121nnn21nndn21211)(5.0nnnn 像差容限：第十三章、波像差光沿光线传播：几何像差成象质量评价：用波像差，用波动理论波像差：理想像面（球面波）与实际像面之差。1倍焦深：2L 瑞利判断成象波面对球面的变形程度。
12、实际波面与理想波面之间的最大波象差小于/4，波面可认为无缺陷，系统成象是完善的2sinmUn焦深P376 光学系统的象差容限2sinmUn边光球差小于等于1倍焦深带光6倍焦深SC0.0025-0.00025 即可yscks象散2sinmsttsUnxxx一倍焦深FCl 1屈光度11 10.001 0.0015 0.0031Unsin5.1tsx,stxxyYqzFCy目f目f目f00005100*)(yyyqz相对畸变象面弯曲 、在人眼的调节范围倍率色差以角度表示 0正透镜用冕牌，负透镜用火石20)1.0(85.0pp3.根据P0,C 由光学仪器设计 手册查玻璃对由手册表 5-19查玻璃组合,
13、Q尽量小A.B.C.K.L.Q0.P0.W0.P4.计算Q（2-38）5.根据Q求:r1,r2,r3（2-39，2-40）hSP物,hpS物jwS物hSP物JSw2)(hw3)(151,120hppphf，规化焦距为2)(hw由P0.C查手册 找玻璃参数A.B.C.K.L.Q0.P0.W0.P；计算Q（2-38）根据Q求:r1,r2,r3（2-39，2-40）BaK2 ZF2 玻璃对（两对）1 =2.031102 A=2.404959B =20.24243 C=42.85516K =1.702479 L=7.0911880课本下册P30页 图书馆借光学仪器设计手册算出的结构是焦距为规化为1m的
14、结构参数然后要乘上1000mm，还原，透镜变厚（由几何方法）物镜与棱镜间隔取整，也可保留一位小数，棱镜厚度也取整。压圈和滚边通光孔径应有多大余量口径多大，凸透镜边缘厚度应多大，稍厚一点。负透镜中心厚度，口径多大，中心应有多厚TCOS辅助功能：透镜弯曲，焦距缩放f120mm 看计算结果及象差曲线L SC KS=sc y FCL 校0.707带光球差校正到 容限范围为6倍焦深 边光球差为1倍焦深 0.707带光色差为零，边光色差和零孔径最大（对称）理论位置色差为在1倍焦深内F.C 光交点为位置色差，SC 在 （0.0025-0.00025）之间看球差在容限范围内否校正球差方法：弯曲半径 整体弯曲（
15、保证光焦度不变，选最佳值）手动r1 r2 ，r3 对哪个像差变化大先手动 r3，位置色差敏感，校正位置色差标准f=120最后f:119.5120.5半径r要套标准半径(查手册)厚度d取整交结果1.回顾初始结构计算2.上机校正象差方法3.目镜设计参考 天津大学第一节 引言第二节 用代数法求解初始结构第三节 各种典型物镜结构的设计思想和象 差分析 光学系统初始结构的计算方法1.望远物镜2.显微物镜3.摄影物镜第四节 从已有资料中选择初始结构的方法1.物镜选型2.缩放焦距3.更换玻璃4.估算初级象差 （间隔、入射高、等）二 校正象差的选择光学系统分类大孔径,小视场小孔径,大视场大孔径,大视场三 象差
16、方程4 解方程求初始结构参数(一)确定透镜的通光口径 初级象差理论、计算毛坯 透镜固定时,有一定的压边 裕量，用表格表示，滚边（很小），压圈（可拿下来）(二)透镜的厚度确定和透镜厚度负透镜中心厚度:pDdd)12.01.0(min正透镜:2min1KdKD间隔:分离 :0.10.3mm范围mind第三节 典型物镜的设计思路和象差分析目的:双胶合物镜,三个变数双分离物镜三片型物镜远摄物镜三 显微物镜消色差物镜复消色差物镜（彩色校二级光谱：萤石）平场消色差物镜（照相系统，校场曲）平场复消色差物镜:（用于彩色,CCD，照相系统，校场曲）结构型式四 摄影物镜（大孔径、大视场）七种象差各种结构型式第四节
17、 从已有资料中选择初始结构各种类型物镜基本光学特性间的关系（图示、曲线）二 缩放焦距:*ffrrii*ffddii三 更换玻璃:校正色差、校场曲、光焦度分配消色差已有焦距缩放后的焦距、iiff*负透镜要检查中心是否太薄第四章 计算结果处理与象差校正和平衡方法第一节 概述第二节 计算结果图示一、光路图二、各种象差曲线图二.各种象差曲线图1.轴上点象差曲线图2.轴外点细光束象差曲线图3.轴外宽光束象差曲线图4.1 概述4.2 计算结果图示方法4.3 象差平衡方法4.4 计算结果处理方法4.5 象差校正4.6 高级象差概述4.7 初级象差理论在象差 校正中的作用4.8 光学玻璃在象差校正中的作用 计
18、算结果处理：寻找最佳象面（最佳象面不为高斯象面）代数法：用PW法求象差，用平衡初级象差的方法，求新的结构参数试验法：改一个面或参数，列象差变化表，看哪个面对哪个象差更加敏感；用内插法和外推法，求新的结构参数象差自动校正法：评价函数哪些参数权因子 人工干预4.2 计算结果图示:光路图 象差曲线图 渐晕图P346 特性曲线:轴上点象差曲线轴外点细光束象差轴外点光束象差曲线图:弥散斑L大视场球差TX宽光束场曲拦光离焦渐晕图,不同视场光瞳第二节 象差平衡方法1 球差平衡2 慧差平衡3 细光束子午场曲和弧矢场曲平衡4 畸变平衡5 轴外象差特性曲线六.色差的平衡慧差：小视场光学系统SC0.0025 显微镜
19、和望远镜ySCKs3sTKK大视场光学系统：在0.7视场校正慧差使中央的大部分象面上的成象质量提高,视场边缘的象质相对下降.三.细光束子午场曲和孤矢场曲0.707视场象散为零tXsX为正负5个屈光度100052 目fXts四 畸变5 53 5yByAyz3%以内,人眼不能感觉有变形五 轴外象差大视场、大孔径系统的轴外光束采用拦光方法六 色差的平衡(一)位置色差的平衡第四节 计算结果的处理方法一 光阑位置的选择第五节 象差校正用代数法校正 用试验法校正0221121消位置色差:重新确定各透镜的光焦度，使位置色差得以校正；或换n相同（单色象差不变）,不同的玻璃.校球差和子午彗差用整体弯曲方法双胶合
20、可冕牌玻璃在前,也可火石玻璃在前(公式不同)象差变化量表校正象差:1.计算初始结构象差5.找出最有利的自变量进行象差校正6.更换玻璃校正色差（换n相同，单色象差不变,不同的玻璃）.7.调整光阑位置初级象差系数校正1.参数修改.r,d做一个象差计算变化表2.套体弯曲.换象差变化较大的面的半径3.变换光焦度(对应面上变换光焦度)对称结构中对应面上交换光焦度使球差和象散近似不变,只改变慧差和畸变还能保证色差和S不变(2)靠近光阑对应面上交换光焦度用于 校正畸变第六节 减小剩余象差的方法一.重新分配光焦度二.运用n大的玻璃三.复杂化四.加入无光焦度校正板或不晕透镜五.利用折射球面的反常区六.利用胶合面
21、的折射率差七.利用非球面第七节 初级象差理论在象差校正中的应用光阑位置移动（下面三种象差不变）球差iiSS*VVSS*场曲CC*位置色差摄远物镜设计的原则同心原则，对称原则（=-1，垂轴象差自动消除；视场大时，球面弯向光阑；孔径大，背向光阑）(1)消色差胶合面 (3)消象散胶合面(2)消球差胶合面 5 复杂化1加胶合面上机：三片物距(柯克型)照相物镜物镜,外形解好,校正好物镜象差 L SC FCL目镜设计 外形尺寸设计 计算及上机二.目镜光路与初步设计（目镜要反追）接眼镜结构参数:查光学设计手册）目眼(2420*2.12.1ff;10ZL（设计手册的规定）眼mmhfLzZ415.02410根据
22、单个透镜对无限远目标成象.应满足:04.0phz06.2p93.0415.04.02op;0tsX0TK为校正0C93.00p(一)目镜设计要求及选型：目=12.5、f目=20mm,lz=10mm,D出瞳=5mm,2 =45(选凯涅尔目镜，它是在冉斯登目镜基础上发展来的，可放分划板）(二)利用双胶合透镜 查表选玻璃使高级象差小，应尽量选 和 绝对值小的玻璃0p10Q3ZF7172.11n3ZK948.0,5892.102pn5.2911.4,2.6102Q93.0193.12将 代入0P5.2948.06.26.20p2.0,72.267.12.05.21.467.1000QQ79.172.2
23、93.02Q5.079.17172.093.01211n48.15892.093.179.11223n接眼透镜焦距:24目f485.02411fr36.1379.12422fr14.1649.12433fr2.1724,1011zzlfl眼18d2.35182.1712dllzz考虑两个透镜都有主面位置：mm5,42F2llz取 mm12512052物fllFz（孔阑设在物镜框上）d自设，此取2.16)15163.1(4.31)1(1421nfrn场5rn场镜采用玻璃，并做成平凸形，有：n校：sTkktsxtxsxzyFCy 屈光度124615%7%12%10.0010.00150.00311
24、Unsin5.1tsx,stxxyYqzFCy目f目f目f场镜焦距:)(121 n场211111rrnf场目镜:接眼镜与场镜结合并反追结构rdnDnFnc1.5113.364.51.717216.14181.598116.24.51(填0）1.5163目镜的象差容限象散：屈光度 4tsXtXsX（倍率色差）2FCY慧差（渐晕）：（难校）5.0sin23)5.0(UnKT（各个视场、各个孔径要看）畸变：边缘q5%,中心q3%说明：设计说明书象差计算结果工程图纸CAD手画换玻璃要查：光学仪器设计手册套标准半径：设计手册上有一系列标准半径套选几组：试着计算象差厚度够不够，焦距是否符合，象差合格否？光
25、瞳衔接12512052物fLLZZf：以主面位置为参考；：以顶点位置为参考 FL第五讲 （2学时）象质评价与象差公差第一节 象质评价方法简介1 瑞利判断2 中心点亮度（点列图）3 分辨率4 点列图五 光学传递函数1 瑞利判断 波象差0.1D边界条件:透镜曲率半径受限于中心厚度和边缘厚度,不能任意修改折射率,也受限于材料种类3.自动设计:构造评价函数.一组结构参数X1.X2.XN的值.使评价函数具有尽可能小的值是求多元函数的极值问题,属于数学上的最优化问题.迭代过程:逐次修改结构参数,使评价函数达到极小的过程.方法:最小二乘法（缺点:进入一个极值出不来）适应法：人工，应有设计经验第二章 适应法1
26、 方法、思想2 优点3 适应法的数学基础一般：象差的个数M大于结构参数N.即MN而在适应法中,并不同时控制所有象差适应法:挑选若干个较重要的象差控制:NM 即适应法中象差的个数M等于或小于结构参数的个数N参量改变量新象差，原始象差，xFFxAFF*00*0*FFxA优先控制）（要确定哪些象差需要达到目标值适应法优点：象差独立NMffffFM*3*2*1*,确定哪些象差优先控制(1)边界条件,厚度不太薄 d0.1D(3)1.48n1.80TCOS的功能介绍(TCOS软件说明书)计算绘制点列图点列图能量分布曲线自动寻找最佳象面位置第三章 自动优化功能适应法:参加校正象差个数不大于自变量个数,要平衡
27、的象差由设计人员自己定,、f也可作为象差来校正.37种象差的表示方法.自动校正功能的实现输入的初始数据半径要加”V”变红,选择要校正的象差(光焦度也可作为一种象差来校正)校正时可中断自动优化,注意随时将自动优化结果存盘软件说明书中第四章 TCOS象质评价及其它计算功能目镜看输出的象差结果D 光各视场画图表示:sTkktxsxFCyzy点列图能量分布不同颜色代表不同视场的光线能量分布曲线:0.8Y能量分布:0.017颜色不同,视场不同 80%1W 0.0199半径 0.04 25线对/mm 0.016 0.032传递函数MTF:不同颜色反映不同视场有50%渐晕,视场边缘可以不看.TK全口径H，0
28、.707H,0.5H,0.3H.0H,H 和0H的相加除得0.5H 的目镜的象差容限:00*yqyzTKTK001.0目fyFC的一半算彗差容限取渐晕，孔径角目镜有125.0%50sin23unKkTtx折光度2sx象差校正方法厚度一般不动,但适当也可以动一下.场镜可不在焦面上,前面双胶合与总焦距为1/.2,对称面上交换光焦度可校.不对称的象差mmLZ108零件图及系统图设计光学材料，零件加工和象质检验1.光学玻璃：冕牌玻璃（低折射率，低色散）火石玻璃（高折射率，高色散）2.晶体 3.塑料85644322210AAAAAnn平均色散 CFnn 阿贝常数:CFDDnnn1各波长折射率:cFgkn
29、nnn,一.光学系统图二.胶合图三.零件图(1)折射和色散系数的允许偏差(2)折射和色散系数的一致性.(3)光学均匀性.(4)应力双折射(5)条纹度(6)气泡度(7)光吸收系数上述质量指标对高精度,中精度,一般精度的光学零件有不同要求,应列在光学设计图纸中.二.光学零件的技术要求和加工各种技术要求如下:光学零件图表面处理对玻璃的要求3C3C光学均匀性3应力消除程度4光的吸收率3条纹消除程度5DDn)CFnn（对零件的要求气泡程度N=3C=0.05P=V5.0NR5.0Q光学玻璃根据下列质量指标进行分类和分级：光学玻璃根据下列质量指标进行分类和分级：对零件要求:N:光圈数N:零件表面偏离样板的允许偏差.C:透镜中心偏差 玻璃样板精度等级P:光学零件的表面光洁度R 光学系统图:1.必须标明光学系统各零件及光阑相对位置2.主要外形尺寸计算3.光学性能a:按使用位置放b:零件编排序号,按照零件进去的方向.C:系统图在下方d:出瞳大小位置e:光阑位置f:分划板g:光学性能
