光學(xué)工程與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、光學(xué)工程光學(xué)工程 與與 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 近年來，光學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)與電近年來，光學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合更加快了光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。具體體現(xiàn)在：子技術(shù)的結(jié)合更加快了光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。具體體現(xiàn)在：在經(jīng)典光學(xué)基礎(chǔ)上創(chuàng)立了新的光學(xué)技術(shù)，如衍射光學(xué)和在經(jīng)典光學(xué)基礎(chǔ)上創(chuàng)立了新的光學(xué)技術(shù)，如衍射光學(xué)和全息光學(xué)；在傳統(tǒng)光學(xué)元件基礎(chǔ)上創(chuàng)造出新的光學(xué)元件，全息光學(xué)；在傳統(tǒng)光學(xué)元件基礎(chǔ)上創(chuàng)造出新的光學(xué)元件，如非球面透鏡、全息透鏡、二元光學(xué)元件、微陣列透鏡；如非球面透鏡、全息透鏡、二元光學(xué)元件、微陣列透鏡；在一般光學(xué)淹沒技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展和采用光學(xué)和全息加工、在一般光學(xué)淹沒技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展和采

2、用光學(xué)和全息加工、衍射光學(xué)元件和微光學(xué)元件加工、精密模壓成型等現(xiàn)代衍射光學(xué)元件和微光學(xué)元件加工、精密模壓成型等現(xiàn)代高新制造技術(shù)。高新制造技術(shù)。 光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使越來越多的科技人員從光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使越來越多的科技人員從事光學(xué)及其相關(guān)專業(yè)，光學(xué)研究的領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，包事光學(xué)及其相關(guān)專業(yè)，光學(xué)研究的領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，包括許多新的應(yīng)用。隨著對(duì)新型光學(xué)儀器可應(yīng)用性的認(rèn)識(shí)，括許多新的應(yīng)用。隨著對(duì)新型光學(xué)儀器可應(yīng)用性的認(rèn)識(shí)，人們會(huì)迫切的需要熟悉光學(xué)技術(shù)。尤其是現(xiàn)代光學(xué)工程人們會(huì)迫切的需要熟悉光學(xué)技術(shù)。尤其是現(xiàn)代光學(xué)工程方面的認(rèn)識(shí)。方面的認(rèn)識(shí)。 概述概述概述概述 作為光學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，我們更需要建

3、立扎實(shí)的作為光學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，我們更需要建立扎實(shí)的光學(xué)工程的基礎(chǔ)知識(shí)，并掌握現(xiàn)代光學(xué)工程的新技術(shù)，光學(xué)工程的基礎(chǔ)知識(shí)，并掌握現(xiàn)代光學(xué)工程的新技術(shù)，了解光學(xué)工程技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)態(tài)。經(jīng)過本科光學(xué)工程專了解光學(xué)工程技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)態(tài)。經(jīng)過本科光學(xué)工程專業(yè)的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)具備了一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。本課業(yè)的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)具備了一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。本課程的學(xué)習(xí)是要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)光學(xué)工程的理程的學(xué)習(xí)是要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)光學(xué)工程的理論、技術(shù)、和方法。提高我們對(duì)光學(xué)工程理論及技術(shù)的論、技術(shù)、和方法。提高我們對(duì)光學(xué)工程理論及技術(shù)的認(rèn)識(shí)、分析及設(shè)計(jì)能力。認(rèn)識(shí)、分析及設(shè)計(jì)能力。 本課程采用世界著名光學(xué)

4、專家本課程采用世界著名光學(xué)專家Warren J. Smith 先生的原著先生的原著 Modern Optical Engineering - The design of optical system 作為教材及參考書，概述作為教材及參考書，概述內(nèi)容豐富概述內(nèi)容，不僅有成熟的光學(xué)工程理論基礎(chǔ)、內(nèi)容豐富概述內(nèi)容，不僅有成熟的光學(xué)工程理論基礎(chǔ)、計(jì)算公式和分析方法，而且包括了對(duì)光學(xué)工程問題的討計(jì)算公式和分析方法，而且包括了對(duì)光學(xué)工程問題的討論和解決方案。不僅考慮到光學(xué)技術(shù)還涉及到經(jīng)濟(jì)成本。論和解決方案。不僅考慮到光學(xué)技術(shù)還涉及到經(jīng)濟(jì)成本。作為工科學(xué)生，這是一本不可多得的好教材作為工科學(xué)生，這是一本不可

5、多得的好教材內(nèi)容內(nèi)容光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)幾何光線與波陣面光的反射光的折射光的色散透鏡對(duì)光波的影響透鏡對(duì)光波的影響棱鏡對(duì)光波的影響棱鏡對(duì)光波的影響像的形成像的形成 一級(jí)光學(xué)一級(jí)光學(xué)（first order opticsfirst order optics）（高斯光學(xué)）（高斯光學(xué)）光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)常用參數(shù)和術(shù)語(yǔ)Object distance Image distance Object to image total trackFocal length /number (or numerical aperture) Entrance pupil diameterEntrance

6、 and exit pupil location and sizeWavelength band Full field of 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

7、Distortion Field curvature Number of elements Aspheric surfaces Diffractive surfaces Coatings光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面有效焦距與前、后焦距有效焦距與前、后焦距單透鏡的主面位置單透鏡的主面位置彎月透鏡與反射鏡彎月透鏡與反射鏡正透鏡成像負(fù)透鏡成像物像位置的變化規(guī)律負(fù)透鏡成像規(guī)律放大率角放大率角放大率數(shù)值孔徑和數(shù)值孔徑和F數(shù)數(shù)公式匯總公式匯總符號(hào)的物理意義符號(hào)的物理意義各符號(hào)的物理意義各符號(hào)的物理意義雙光組無(wú)限遠(yuǎn)成像雙光組無(wú)限遠(yuǎn)成像雙光組有限遠(yuǎn)成雙光組有

8、限遠(yuǎn)成像像組元的焦距組元的焦距光學(xué)不變量光學(xué)不變量n對(duì)給定的光學(xué)系統(tǒng)以下物像關(guān)系是一個(gè)常數(shù)n對(duì)任一面 為常數(shù)，稱為cnnyunun)(cnnyununppp)(pppyyunnuunnu)(ppppyuuynynunuyppppuynunyynunuy用光學(xué)不變量計(jì)算其它參量用光學(xué)不變量計(jì)算其它參量n放大率：放大率：物、像面上的不變量物、像面上的不變量n無(wú)窮遠(yuǎn)物體的像高：無(wú)窮遠(yuǎn)物體的像高：透鏡面與像面透鏡面與像面n望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率：望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率：入瞳面和出瞳面入瞳面和出瞳面用光學(xué)不變量計(jì)算其它參量用光學(xué)不變量計(jì)算其它參量n任意光線的數(shù)據(jù)可以用兩條已知光線來計(jì)算：任意光線的數(shù)據(jù)可以用兩條已知

9、光線來計(jì)算：n焦距計(jì)算：焦距計(jì)算：n入瞳入瞳矩陣光學(xué)矩陣光學(xué)折射方程折射方程過渡方程過渡方程單個(gè)折射面成像方程單個(gè)折射面成像方程在空氣中在空氣中通用通用Y-Y 圖圖物面與像面物面與像面物面傾斜，像面也傾斜，傾斜的規(guī)則如圖示，像面相對(duì)物面有梯形畸變小角度的物像傾斜符合垂軸放大率大角度的物像傾斜符合 Scheimpflug（沙伊姆弗勒）條件投影物鏡向上投影相當(dāng)于傾斜像面，將產(chǎn)生拱形畸變。如果保持物像面平行，投影軸傾斜，可避免上述畸變。第二章第二章 像差像差光線追跡圖光線追跡圖像差多項(xiàng)式像差多項(xiàng)式Notice that in the A terms the exponents of s and h

10、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 fifth-order, andnth-order terms

11、. 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).各項(xiàng)的級(jí)次各項(xiàng)的級(jí)次 It is apparent that the A terms relate to the paraxial (or firs

12、t-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 distance by which the ray misses the

13、 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 terms are called the fifthorder or

14、 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 seventh-order or tertiary aberrati

15、ons; D1 is the seventh-order spherical aberration.系數(shù)的意義系數(shù)的意義球差：球差：焦點(diǎn)隨孔徑的變化焦點(diǎn)隨孔徑的變化軸向球差軸向球差垂軸球差垂軸球差球差有正負(fù)之分：負(fù)球差相當(dāng)于未校正的正透鏡產(chǎn)生的球差，故稱欠校正球差；負(fù)透鏡常被用來校正正透鏡的球差，因?yàn)樨?fù)透鏡產(chǎn)生正球差，故正球差又稱為過校正球差。球差曲線球差曲線軸向球差曲線軸向球差曲線垂軸球差曲線垂軸球差曲線彗差：彗差：放大率隨孔徑變化放大率隨孔徑變化彗差定義彗差定義彗差特征彗差特征光闌面光闌面像面像面光束截面光束截面象散和場(chǎng)曲象散和場(chǎng)曲象散象散場(chǎng)曲場(chǎng)曲象散和場(chǎng)曲曲線畸變畸變枕形畸變枕形畸變桶形

16、畸變桶形畸變畸變曲線色差色差 軸向色差軸向色差 垂軸色差垂軸色差透鏡形狀和位置對(duì)像差的影響透鏡形狀和位置對(duì)像差的影響球差和彗差隨透鏡形狀的變化球差和彗差隨透鏡形狀的變化（光闌位于透鏡處）（光闌位于透鏡處）透鏡形狀變化對(duì)像差的影響透鏡形狀變化對(duì)像差的影響光闌與透鏡重合時(shí)的像差光闌與透鏡重合時(shí)的像差n球差隨透鏡的形狀改變球差隨透鏡的形狀改變n彗差隨透鏡的形狀改變，球差最小時(shí)彗差為彗差隨透鏡的形狀改變，球差最小時(shí)彗差為0n光闌與透鏡重合時(shí)，若干種像差：象散、場(chǎng)曲光闌與透鏡重合時(shí)，若干種像差：象散、場(chǎng)曲、軸向色差為常數(shù)，與透鏡形狀無(wú)關(guān)、軸向色差為常數(shù)，與透鏡形狀無(wú)關(guān)n畸變與放大率色差均為畸變與放大率色

17、差均為0n光闌位置的改變不會(huì)影響球差和位置色差光闌位置的改變不會(huì)影響球差和位置色差n光闌位置移動(dòng)對(duì)其余像差均有影響，其中影響光闌位置移動(dòng)對(duì)其余像差均有影響，其中影響最大的是象散和彗差最大的是象散和彗差光闌在不同位置時(shí)對(duì)斜光束入射光闌在不同位置時(shí)對(duì)斜光束入射的影響的影響光闌位置移動(dòng)對(duì)像差的影響光闌位置移動(dòng)對(duì)像差的影響（透鏡形狀固定）（透鏡形狀固定）光闌位置移動(dòng)對(duì)像差的影響光闌位置移動(dòng)對(duì)像差的影響光闌位于光闌位于Nature位置時(shí)透鏡形狀變化位置時(shí)透鏡形狀變化對(duì)像差的影響對(duì)像差的影響光闌位于光闌位于Nature位置時(shí)透鏡形位置時(shí)透鏡形狀變化對(duì)像差的影響狀變化對(duì)像差的影響像差隨孔徑和視場(chǎng)的變化像差隨

18、孔徑和視場(chǎng)的變化波像差波像差實(shí)際波面與理想波面之差實(shí)際波面與理想波面之差像差校正像差校正球差的校正與剩余球差球差的校正與剩余球差色差的校正與剩余色差色差的校正與剩余色差二級(jí)光譜二級(jí)光譜色差隨孔徑的變化色差隨孔徑的變化色球差色球差場(chǎng)曲與象散的校正場(chǎng)曲與象散的校正光線相交曲線與像差的級(jí)次光線相交曲線與像差的級(jí)次欠校正球差過校正球差欠校正帶球差欠校正彗差三級(jí)和五級(jí)彗差欠校正軸向色差典型的軸外像差曲線第三章第三章 棱鏡和反射鏡系統(tǒng)棱鏡和反射鏡系統(tǒng)n棱鏡分為兩類：折射與反射n折射棱鏡主要用于產(chǎn)生色散：如光譜儀n反射棱鏡主要用于轉(zhuǎn)折光路色散棱鏡色散棱鏡薄棱鏡n垂直入射n一般入射n色散消色差棱鏡：消色差棱鏡

19、：（光線偏折但不產(chǎn)生色散）（光線偏折但不產(chǎn)生色散）偏轉(zhuǎn)色散求解直視棱鏡：直視棱鏡：（光線不偏折但有色散）（光線不偏折但有色散）設(shè)偏轉(zhuǎn)D12為0，但色散dD12不為0，可以得到直視棱鏡如果需要較大的色散，可以將多塊棱鏡組合構(gòu)成直視棱鏡反射棱鏡n反射棱鏡大多依靠全反射實(shí)現(xiàn)光束反射n反射棱鏡依照反射定律反射光線n反射成像引起坐標(biāo)變化n成像系統(tǒng)中的反射棱鏡相當(dāng)于平行平板反射棱鏡成像直角棱鏡恒定偏角棱鏡和道威棱鏡屋脊棱鏡正像棱鏡系統(tǒng)多種正像棱鏡系統(tǒng)斜方棱鏡和光束分列器設(shè)計(jì)棱鏡系統(tǒng)棱鏡的口徑計(jì)算第四章 光闌與孔徑典型的孔徑光闌和視場(chǎng)光闌什么是入瞳和出瞳如何在光路中查看光瞳、孔徑光闌和視場(chǎng)光闌漸暈消雜光光闌

20、防眩光光闌擋板光闌遠(yuǎn)心光闌孔徑與像面照度n孔徑光闌與像面的照度有關(guān)軸外像面的照度下降為軸上點(diǎn)照度的cos4角度景深與焦深景深光學(xué)系統(tǒng)的分辨力n光學(xué)系統(tǒng)的衍射 物點(diǎn)所成的像受光闌的限制，實(shí)際為一衍射斑 衍射斑的大小決定了系統(tǒng)的理論分辨率 光譜儀的分辨力棱鏡光譜儀的分辨力光柵光譜儀的分辨力第九章 光學(xué)器件n望遠(yuǎn)系統(tǒng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用望遠(yuǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用n望遠(yuǎn)系統(tǒng)可用作激光擴(kuò)束器；n當(dāng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)插入在另一光學(xué)系統(tǒng)的平行光路中時(shí)，可以改變?cè)撓到y(tǒng)的焦距、光焦度、視場(chǎng)角等；n望遠(yuǎn)系統(tǒng)可對(duì)近距離物體成像，其物像放大率為一常數(shù)，即為MP的倒數(shù)。n如果將光闌設(shè)置在第一透鏡組的焦面上，可以獲得雙遠(yuǎn)心光路場(chǎng)鏡與中繼透鏡場(chǎng)鏡與中

21、繼透鏡 場(chǎng)鏡置于中間想的位置 場(chǎng)鏡不改變?cè)到y(tǒng)的光焦度 場(chǎng)鏡可減小后續(xù)透鏡的高度 場(chǎng)鏡的連續(xù)使用即成為中繼透鏡 中繼透鏡用來長(zhǎng)距離傳輸圖像（如潛望鏡、內(nèi)窺鏡）內(nèi)窺鏡的最優(yōu)結(jié)構(gòu)內(nèi)窺鏡的最優(yōu)結(jié)構(gòu)n以限定的最大橫向尺寸確定場(chǎng)鏡的直徑；n物鏡的焦距為場(chǎng)鏡的直徑除以全視場(chǎng)角；n中繼透鏡的位置為中繼透鏡的直徑乘以物鏡的F數(shù)n中繼透鏡的焦距以確保物鏡所成的像以一倍的放大率（絕對(duì)值）方式傳輸。n所有的中繼透鏡和場(chǎng)鏡具有同樣的參數(shù)漸暈與場(chǎng)鏡放大鏡與顯微系統(tǒng)放大鏡與顯微系統(tǒng)測(cè)距儀的工作原理測(cè)距儀的工作原理菲涅爾透鏡測(cè)距系統(tǒng)單反鏡頭采用的測(cè)距系統(tǒng)測(cè)距系統(tǒng)有三個(gè)組件：物鏡，場(chǎng)鏡，目鏡。場(chǎng)鏡由圖所示的菲涅爾透鏡構(gòu)成：

22、外部區(qū)域相當(dāng)于場(chǎng)鏡的作用，將邊緣視場(chǎng)送入目鏡； 中心部分，測(cè)距。 中部區(qū)域由三角錐形棱鏡構(gòu)成，將未聚焦的圖像夸大模糊輻射計(jì)與紅外探測(cè)器通常由物鏡與縮像的光學(xué)器件組成，后者是為了減小光斑的尺寸，滿足小尺寸的接收器的需求。光錐縮小光斑導(dǎo)光管勻光器件光纖傳像光纖束梯度折射率光纖變形系統(tǒng)變焦系統(tǒng)n物像共軛位置不變，成像系統(tǒng)的焦距連續(xù)變化使得放大率連續(xù)變化的光學(xué)系統(tǒng)為變焦系統(tǒng)n比較系統(tǒng)為光學(xué)變焦和機(jī)械變焦，機(jī)械變焦可以做到焦距連續(xù)變化，但非線性變化n光學(xué)變焦可以實(shí)現(xiàn)特定的焦距變化。單透鏡變焦變焦與補(bǔ)償變焦凸輪曲線光學(xué)變焦第十一章 像質(zhì)評(píng)價(jià)n波像差n點(diǎn)列圖n中心點(diǎn)亮度n傳遞函數(shù)波像差波像差的構(gòu)成含有初級(jí)球差及離焦的波像差離焦至1/2球差位置時(shí)n此時(shí)最大波像差發(fā)生在Y=0.707處，最大波像差值是理想像點(diǎn)位置處的1/4倍n對(duì)應(yīng)的邊緣球差五級(jí)球差情況波像差最佳離焦點(diǎn)Y=1處波像差最大波像差位于五級(jí)球差且邊光球差校正為0波差多項(xiàng)式比較中心點(diǎn)亮度幾何能量分布點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和線擴(kuò)散函數(shù)一物體被光學(xué)系統(tǒng)成像，每一點(diǎn)或每一線將被光學(xué)系統(tǒng)所成的像為以模糊點(diǎn)或模糊線，這個(gè)點(diǎn)或這條線的截面圖就是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)或線擴(kuò)散函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制度（對(duì)比度）不同頻