光學(xué)設(shè)計(jì)總結(jié)

1、1.什么是光學(xué)設(shè)計(jì)所謂光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),就是根據(jù)儀器所提出的使用要求,設(shè)計(jì)出光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組 的結(jié)構(gòu)等.2. 光學(xué)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容光學(xué)設(shè)計(jì)所要完成的工作包括光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).3. 光學(xué)設(shè)計(jì)各個(gè)階段的主要內(nèi)容(1) .根據(jù)儀器總體的技術(shù)要求,擬定光學(xué)系統(tǒng)的原理圖,并初步計(jì)算系統(tǒng)的外形尺寸.稱為“初步設(shè)計(jì)或者“外形尺寸計(jì)算；(2) .根據(jù)初步設(shè)計(jì)的結(jié)果,確定每個(gè)透鏡組的具體結(jié)構(gòu)參數(shù).稱為“像差設(shè)計(jì)或稱“光學(xué)設(shè)計(jì).4. 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程和步驟一、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程1、制定合理的技術(shù)參數(shù)；2、光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和布局；3、光學(xué)部件(光組、鏡頭)的設(shè)計(jì)；一般分為選型、確定初

2、始結(jié)構(gòu)參數(shù)、像差校正三個(gè)階段.(1) 選型；(2) 初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算和選擇；A、解析法；B、縮放法；(3) 像差校正、平衡與像質(zhì)評(píng)價(jià).4、長(zhǎng)光路的拼接與統(tǒng)算；5、繪制光學(xué)系統(tǒng)圖、部件圖和光學(xué)零件圖；6、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；7、必要時(shí)進(jìn)行技術(shù)辯論.二、光學(xué)設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)步驟1、選擇系統(tǒng)的類型；2、分配元件的光焦度和間隔；3、校正初級(jí)像差；4、減小剩余像差(高級(jí)像差).5、光學(xué)儀器對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的性能和質(zhì)量要求一、光學(xué)系統(tǒng)的根本特性二、系統(tǒng)的外形尺寸三、成像質(zhì)量四、儀器的使用條件與環(huán)境此外,在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),還要考慮它應(yīng)具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性.1. 什么是孔徑什么是視場(chǎng)2. 七種像差的根本概念、怎樣表

3、示、特點(diǎn)、初級(jí)像差描述形式、根本校正方法像差：實(shí)際像與理想像之間的差異(1)球差概念：軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)球面折射以后,不再是同心光束,其中與光軸成不同角度的光線交光軸于不同的位置上,相對(duì)于理想像點(diǎn)有不同的偏離,這種偏離稱之為球差.表示乩,=f/-r或阿"Eanb特點(diǎn)：式中,稱為初級(jí)球差系數(shù)(也稱第一賽得和數(shù)), 為每個(gè)面上的初級(jí)球差分布系數(shù).危害：球差使得在高斯像面上得到的不是點(diǎn)像而是一個(gè)圓形彌散斑.校正：鑒于正負(fù)透鏡產(chǎn)生不同符號(hào)的球差,因此,欲獲得一個(gè)消球差的系統(tǒng),必須以正、負(fù)透鏡適當(dāng)組 合才有可能,最簡(jiǎn)單的形式有雙膠合光組和雙別離光組.球差是孔徑的偶次方函數(shù),因此

4、,校正球差只能使某帶的球差為零.對(duì)于僅含初級(jí)和二級(jí)球差的光學(xué)系統(tǒng),當(dāng)對(duì)邊緣光校正球差時(shí),在h=0.707hm的帶光具有最大的剩余球差.其值是邊緣光局級(jí)球差的-1/4.(2) 彗差概念：軸外物點(diǎn)發(fā)出的寬光束,經(jīng)透鏡成像后不再交于一點(diǎn)而是形成一種不對(duì)稱的成彗星狀的彌散斑.表示：子午彗差弧矢彗差特點(diǎn)：由于彗差是軸外物點(diǎn)以寬光束成像時(shí)所產(chǎn)生的一種單色像差.因此,它一方面隨視場(chǎng)大小而變化；另一方面,對(duì)于同一視場(chǎng),它又隨孔徑的 不同而變化.慧差的展開(kāi)式為Ks' = Ayh2 + 4*3號(hào)十第一項(xiàng)為初級(jí)彗差 ,第二項(xiàng)為孔徑二級(jí)彗差、第三項(xiàng)為視場(chǎng)二級(jí)彗差初級(jí)像差描述形式：初級(jí)子午彗差初級(jí)弧矢彗差危害：

5、彗差使一點(diǎn)的像成為彗星狀彌散斑,使能量分散,從而影響成像質(zhì)量.校正：彗差能夠通過(guò)移動(dòng)光闌和有選擇的增加透鏡來(lái)消除通過(guò)移動(dòng)孔徑光闌或選擇增加透鏡來(lái)限制彗差(3) 像散概念：軸外物點(diǎn)沿主光線的細(xì)光束錐中,子午面上的子午光束在主光線上的會(huì)聚點(diǎn)t '與弧矢面上的弧矢光束在主光線上的會(huì)聚點(diǎn)s '各處于主光線上的不同位置,這種現(xiàn)象稱為像散現(xiàn)象,與像散現(xiàn)象產(chǎn)生相應(yīng)的成像缺陷,就是像散.表示：細(xì)光束寬光束特點(diǎn)：像散是成像物點(diǎn)遠(yuǎn)離光軸時(shí)反映出來(lái)的一種像差,并且隨著視場(chǎng)的增大而迅速增大.所以對(duì)大系 統(tǒng)的軸外點(diǎn),即使是以細(xì)光束成像,也會(huì)因此而不能清楚.像散是以子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)之間的距離來(lái)描述的初級(jí)

6、像差描述形式：危害：嚴(yán)重影響成像質(zhì)量校正：(4) 場(chǎng)曲概念：子午像面和弧矢像面偏離于高斯像面的距離.表示：子午場(chǎng)曲弧矢場(chǎng)曲特點(diǎn)：細(xì)光束的場(chǎng)曲與孔徑無(wú)關(guān),只是視場(chǎng)的函數(shù).初級(jí)像差描述形式：危害：當(dāng)有場(chǎng)曲時(shí),在高斯像面上超出近軸區(qū)的像點(diǎn)都會(huì)變得模糊.校正：正負(fù)光焦度別離是校正匹茲伐和數(shù)的唯一有效的方法(5) 畸變概念：在一對(duì)共軸平面上的垂軸放大率不為常數(shù)時(shí),就會(huì)使物、像失去了相似性,這種成像缺陷即為畸變.r表示：用線畸變表示：身；=乙yf4 心必=丘盧 mo%在光學(xué)設(shè)計(jì)中,通常用相對(duì)畸變來(lái)表示：方特點(diǎn)：由畸變的定義可知,畸變是垂軸像差,它只改變軸外物點(diǎn)在理想像面上的成像位置,使像的形狀產(chǎn)生失真,但

7、不影響像的清楚度.初級(jí)像差描述形式：危害：使像的形狀產(chǎn)生失真校正：(6) 位置色差概念：描述軸上點(diǎn)用兩種色光成像的位置差異的色差表示：特點(diǎn)：位置色差僅與孔徑有關(guān),故其級(jí)數(shù)展開(kāi)式僅與孔徑的偶次方有關(guān),當(dāng)孔徑(或)為零時(shí),色差不為零,故展開(kāi)式中有常數(shù)項(xiàng),初級(jí)像差描述形式：危害：位置色差嚴(yán)重影響成像質(zhì)量校正：用不同的玻璃做成正透鏡和負(fù)透鏡,把它們組合在一起,就可以消除色差.實(shí)際光學(xué) 系統(tǒng)中所使用的透鏡組,都是由正負(fù)透鏡組合起來(lái)的.光學(xué)系統(tǒng)是否消色差,取決于是否為零.(7) 倍率色差概念：兩種色光有不同的放大率,對(duì)同一物體所成的像也就不同,這就是倍率色差.表示：特點(diǎn)：初級(jí)像差描述形式：危害：倍率色差使

8、物體像的邊緣呈現(xiàn)顏色,影響成像清楚度校正：3. 七種像差哪些僅與孔徑有關(guān)、哪些僅與視場(chǎng)有關(guān)、哪些與孔徑與視場(chǎng)都有關(guān)僅與孔徑有關(guān)：球差、位置色差、(正弦差)僅與視場(chǎng)有關(guān)：像散、畸變、倍率色差、細(xì)光束的場(chǎng)曲與孔徑與視場(chǎng)都有關(guān)：彗差、寬光束的場(chǎng)曲4. 標(biāo)注圖中像差1. 光學(xué)設(shè)計(jì)階段像質(zhì)評(píng)價(jià)的方法有哪些小像差系統(tǒng)、大像差系統(tǒng)分別用什么來(lái)評(píng)價(jià)像質(zhì)像質(zhì)評(píng)價(jià)的方法：瑞利判斷、中央點(diǎn)亮度、分辨率、點(diǎn)列圖法、光學(xué)傳遞函數(shù)、調(diào)制傳遞函數(shù)MTF 小像差系統(tǒng)：瑞利判斷、中央點(diǎn)亮度、光學(xué)傳遞函數(shù)、基于衍射的方法：點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、線 擴(kuò)散函數(shù)FFT大像差系統(tǒng)：分辨率、點(diǎn)列圖法、光學(xué)傳遞函數(shù)、基于幾何的方法；光程差曲線、像差曲

9、 線2. 在幾何像差曲線中如何分析垂軸像差曲線3. 什么是瑞利判斷怎樣使用瑞利判斷判斷光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能實(shí)際波面與參考球面波最大波像差小于入/4時(shí),此波面可看作是無(wú)缺陷的,此判斷成為瑞利判斷.瑞利判斷根據(jù)成像波面的變形程度來(lái)判斷成像質(zhì)量.4. 什么是點(diǎn)列圖怎樣用它評(píng)價(jià)系統(tǒng)的成像質(zhì)量由一點(diǎn)發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后,因像差使其與像面的交點(diǎn)不再集中于同一點(diǎn),而形成了一個(gè)散布在一定范圍的彌散圖形,稱為點(diǎn)列圖.怎樣用點(diǎn)列圖法評(píng)價(jià)成像質(zhì)量時(shí)需要做大量光路計(jì)算,只有利用計(jì)算機(jī)完成；它是一種形象直觀的評(píng)價(jià)方法；應(yīng)用于大像差的照相物鏡等設(shè)計(jì)中；5光學(xué)傳遞函數(shù)是什么怎樣用它評(píng)價(jià)系統(tǒng)的成像質(zhì)量曲線評(píng)價(jià)積分評(píng)價(jià)光學(xué)

10、傳遞函數(shù)是一定空間頻率下像的比照度與物的比照度之比.能反映不同空間頻率、不同比照度的傳遞水平.一般來(lái)說(shuō),高頻局部反映物體的細(xì)節(jié)傳遞情況,中頻局部反映物體的層次傳遞情況,低頻局部 反映物體的輪廓傳遞情況.利用光學(xué)傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量,是基于把物體看作是由各種頻率的譜組成的,也就是把物體的光強(qiáng)分布展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)或傅里葉積分的形式.積分評(píng)價(jià)：曲線評(píng)價(jià)：1. 外形尺寸計(jì)算的任務(wù)是什么需確定哪些尺寸光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算要確定的結(jié)構(gòu)內(nèi)容包括系統(tǒng)的組成、各光組元的焦距、各光組元的相對(duì)位置和橫向尺寸.外形尺寸計(jì)算根本要求：第一,系統(tǒng)的孔徑、視場(chǎng)、分辨率、出瞳直徑和位置；第二,幾何尺寸,即光學(xué)系統(tǒng)

11、的軸向和徑向尺寸,整體結(jié)構(gòu)的布局；第三,成像質(zhì)量、視場(chǎng)、孔徑的權(quán)重.2. 什么是縮放怎樣根據(jù)縮放確定光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)步驟是什么縮放：等比例的放大或縮小.1、物鏡選型2、縮放焦距3、更換玻璃4、估算高級(jí)象差5、檢查邊界條件1. 望遠(yuǎn)系統(tǒng)原理光學(xué)性能參數(shù)望遠(yuǎn)系統(tǒng)一般由物鏡、目鏡和棱鏡(或透鏡)轉(zhuǎn)像系統(tǒng)構(gòu)成.其特點(diǎn)是物鏡的像方焦點(diǎn)與目鏡的物方焦點(diǎn)重合,光學(xué)間隔為 0,因此平行光射入望遠(yuǎn)系統(tǒng)后,仍以平行光射出.2. 望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)性能參數(shù)有哪些有什么特點(diǎn)像差有什么特點(diǎn)怎樣去評(píng)價(jià)特點(diǎn)：相對(duì)孔徑不大、視場(chǎng)較小由于望遠(yuǎn)物鏡視場(chǎng)較小,因此,通常只校正球差、彗差和軸向色差.1、在有棱鏡情況下,物鏡和棱鏡像差相

12、互補(bǔ)償.在棱鏡中的反射面不產(chǎn)生像差,棱鏡的像差等于展開(kāi) 以后的玻璃平板的像差,與位置無(wú)關(guān),因此不管物鏡光路中有幾塊棱鏡,不管它的位置不同,只要材料 相同,都可以合成一塊玻璃平板計(jì)算像差.2、目鏡中有剩有少量剩余球差和軸向色差,需要物鏡來(lái)補(bǔ)償.3、在系統(tǒng)有分劃鏡,目鏡和物鏡應(yīng)當(dāng)盡可能分別消像差.用光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF )評(píng)價(jià)成像質(zhì)量.1. 顯微系統(tǒng)工作原理及光學(xué)性能指標(biāo)?怎樣評(píng)價(jià)光學(xué)性能?2. 顯微物鏡光學(xué)性能參數(shù)有哪些有什么特點(diǎn)怎樣選擇它的初始結(jié)構(gòu)像差有哪些特點(diǎn)用什么方法評(píng)價(jià)它的成像質(zhì)量選用和設(shè)計(jì)時(shí),考慮的光學(xué)特性中最重要的是放大率(6),數(shù)值孔徑(NA)和線視場(chǎng)(y , y')特點(diǎn)：

13、短焦距,大孔徑,小視場(chǎng)用于顯微鏡觀察時(shí), 一般選用消色差物鏡或復(fù)消色差物鏡；用于顯微攝影時(shí), 一般選用平場(chǎng)消色差物鏡,使顯微攝像像面上獲得全視場(chǎng)清楚的像.設(shè)計(jì)顯微物鏡主要校正軸上點(diǎn)的像差和小視場(chǎng)的像差：球差,軸向色差 和正弦,但對(duì)較高倍率的顯微鏡,由于數(shù)值孔徑加大,除了校正這三種像差的邊緣像差之外,還必須同時(shí)校正它們的孔徑高級(jí)像 差,如孔徑高級(jí)球差 ,色球差,高級(jí)正弦差.用光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF )評(píng)價(jià)成像質(zhì)量.1. 目鏡的工作原理光學(xué)性能指標(biāo)目鏡是目視光學(xué)系統(tǒng)的重要組成局部.被觀察的物體通過(guò)望遠(yuǎn)物鏡和顯微物鏡成像在目鏡的物方焦平面處,經(jīng)目鏡放大后將其成像在無(wú)窮遠(yuǎn),供人眼觀察.2. 目鏡光學(xué)性能參數(shù)有哪些有什么特點(diǎn)怎樣選擇它的初始結(jié)構(gòu)像差有哪些特點(diǎn)用什么方法評(píng)價(jià)它的成像質(zhì)量目鏡光學(xué)特性的參數(shù)主要有焦距、像方視場(chǎng)角、工作距離、鏡目距特點(diǎn)：短焦距、大視場(chǎng)、相對(duì)孔徑較小目鏡的像差校正以軸夕卜像差為主.在目鏡設(shè)計(jì)中,主要校正像散,垂軸色差和彗差這三種像差.由于彗差不會(huì)太大,因此,目鏡的設(shè)計(jì)中最重要的是校正像散,垂軸色差這兩種像差.在目鏡