光學(xué)設(shè)計(jì)透鏡設(shè)計(jì)的入門課程

1、所使用的:光電英才網(wǎng)是您求職的好幫手，要找工作就上光電英才網(wǎng)HYPERLINK /記住這個(gè)網(wǎng)址一定能夠幫到你您我們專業(yè)從事光電行業(yè)人才招聘!打造中國(guó)最值得信賴的人力資源招聘平臺(tái)!2011福布斯中國(guó)最具發(fā)展?jié)摿ζ髽I(yè)榜上榜企業(yè)（第64位）第一章1.1說(shuō)明l.i.i為什么要進(jìn)行透鏡設(shè)計(jì)？透鏡設(shè)計(jì)曾經(jīng)是一項(xiàng)只被少數(shù)的專業(yè)人員所繼承的技術(shù)。他們主要利用公司專利的光學(xué)設(shè)計(jì)和在大型昂貴的主計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的分析軟件。今天，有了快速有效的商業(yè)設(shè)計(jì)軟件和功能強(qiáng)人的個(gè)人電腦，透鏡設(shè)計(jì)工具可以進(jìn)入普通的光學(xué)工程領(lǐng)域。因此，一些透鏡設(shè)計(jì)方面的基本技術(shù)被預(yù)計(jì)會(huì)有一個(gè)更寬廣的應(yīng)用范I制，目前一些雇主正在他們的產(chǎn)品上使用光學(xué)器

2、件。所以，透鏡設(shè)計(jì)是一個(gè)完善的光學(xué)教育的重要組成，也是企業(yè)雇用光學(xué)工程師的技術(shù)評(píng)價(jià)。1.1.2課程種類這是研一水平的透鏡設(shè)計(jì)的入門課程。它是一門很難的，以實(shí)際動(dòng)手為方向的課程。幾何光學(xué)的應(yīng)用知識(shí)（例如Hecht和Zajac編寫的Optical和Jenkins和White編寫的FundamentalsofOptical里所介紹的）假定你已經(jīng)掌握了。照相透鏡將構(gòu)成課程的基本脈絡(luò)。我們將緊跟歷史的發(fā)展（從很簡(jiǎn)單到非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它也是有一致性的）。規(guī)定使用的軟件是ZEMAX,學(xué)生必須在電腦上運(yùn)行ZEMAX。所需要的數(shù)學(xué)水平并不深，代數(shù)，三角學(xué)，幾何（平面幾何和解析幾何），以及一些微枳分知識(shí)。參考書籍

3、的列表在附錄A。1.1.3需要的技術(shù)這個(gè)課程會(huì)提供給你三個(gè)基本技巧：入門指南，設(shè)計(jì)規(guī)則，基本定律。入門技巧包括第一和第三級(jí)的手工計(jì)算和薄透鏡的預(yù)先設(shè)計(jì)。（分析技巧在圖1.1中有所說(shuō)明）。規(guī)則技巧包括命令輸入，變量選擇，評(píng)價(jià)函數(shù)的建立和優(yōu)化，以及設(shè)計(jì)分析。設(shè)計(jì)的基本定律包括理解具體規(guī)則，選擇起始點(diǎn)，發(fā)展著手操作的計(jì)劃。已知：曲率厚度折射率光瞳尺寸和位置。視場(chǎng)角圖1.1已經(jīng)獲得的入門技巧的匯總近軸光線軌跡方程塞德爾彖差公式要求出的：一級(jí)有效焦距和后焦距F數(shù)像的位置像的大小主平面位置頂點(diǎn)和主平面之間的距離入瞳大小和位置出瞳大小和位置拉格朗口不變量軸向和橫向色差三級(jí)球差最小彌散斑的位置和人小彗差彖散內(nèi)

4、部焦點(diǎn)的位置和人小匹茲凡場(chǎng)曲畸變波前變化斯托列爾比所需要的二次曲線常數(shù)圖1.2兩個(gè)給出相同圖像尺寸但是不同質(zhì)量的透鏡1.2基本結(jié)構(gòu)設(shè)定1.2.1對(duì)比說(shuō)明考慮一卞圖1.2中的兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)?？瓷先蓚€(gè)系統(tǒng)都有相同的物距，相同的焦距（所以像的人小也相同）。系統(tǒng)a很簡(jiǎn)單，而系統(tǒng)b復(fù)雜。如果兩個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生相同的像人小，為什么不使用更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)呢？為什么系統(tǒng)b有額外的透鏡？除了像的尺寸，我們假定你想要在平面記錄格式卞的，好的，均勻的，亮度一致的像，它要充滿整個(gè)視場(chǎng)。系統(tǒng)b可以給與你這一切，但是系統(tǒng)a則不行。后一個(gè)的像之所以質(zhì)量差的原因是沒有完全校正：色差球差離軸像差場(chǎng)曲系統(tǒng)b里面的額外透鏡是由不同種類的玻璃

5、制成來(lái)校正色差的。玻璃的曲率和厚度，以及它們之間的空氣間距幫助校正視場(chǎng)上像差。其結(jié)果就是在平面記錄表面（它有可能是底片或者CCD）上呈現(xiàn)高質(zhì)量的圖像。1.2.2像差和像圖1.3a顯示的是分辨率測(cè)試板通過(guò)“理想”光學(xué)系統(tǒng)所成的像。像只是物不同比例的版本。-2mmmnH=lmm1234562=-=l=l=ll=IIHHlll川HuPERFECTOPTICALSYSTEMGEOMETRICSCALEDIMAGECOLLIMATORTARGETa.POINTSOURCEREALOPTICALSYSTEMIMAGEOFPOINTSOURCEb.圖1.3分辨率測(cè)試板完善像（a）,差的點(diǎn)源像（b）12345

6、6三=三l=IEIIE需l=_=I=II=II=IIIHIII*二PSFCONVOLUTIONGeometricScaledImage圖1.4與斑點(diǎn)像卷積所引起的分辨率測(cè)試板像的退化在圖1.3b里我們有一個(gè)點(diǎn)源，它通過(guò)一個(gè)不完善的光學(xué)系統(tǒng)成像。最后結(jié)果的圖像是一個(gè)模糊的斑點(diǎn)，而不是一個(gè)點(diǎn)。如果我們現(xiàn)在合成兩個(gè)圖像，換句話說(shuō)我們可以想象成分辨率測(cè)試板經(jīng)由一個(gè)不完善的光學(xué)系統(tǒng)成像，像的質(zhì)量很差，如圖1.4里所示。實(shí)際上，我們已經(jīng)從根本上用圖1.3b中的斑點(diǎn)像替換了圖1.3a中所有的成像點(diǎn)。1.2.3透鏡的大小和視場(chǎng)基本上來(lái)說(shuō)，使得成像質(zhì)量退化的有像差的點(diǎn)像，是由非線性的斯涅爾法則所引起的。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)光

7、學(xué)表面上的入射光的角度開始?jí)埓髸r(shí)，像差就產(chǎn)生了。對(duì)于給定的曲率，它可以在兩種方式下產(chǎn)生。對(duì)于與光軸平行的光線，就如圖1.5a和b所示，入射角度的増加也就使光線高度的增加（從圖1.5a的3.5到圖1.5b中的17）。如果光線來(lái)自不同視場(chǎng)角，但是到達(dá)相同高度，那么入射角會(huì)有所增加（如圖1.5所顯示的，上部光線從a的3.5到c的23）。當(dāng)兩種情況同時(shí)發(fā)生時(shí)，入射角甚至?xí)兊酶耍◤膱D1.5a的3.5。到圖1.5d中的37）。對(duì)于c和d的下部光線，入射角是有所減小的。卞部和上部光線之間的不對(duì)稱就會(huì)表示為離軸像差。圖1.5隨著光線高度和視場(chǎng)角改變的入射角當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的F數(shù)減少，視場(chǎng)角（還有光譜帶寬）增加時(shí)

8、，（需要保持好的成像質(zhì)量的）光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性也會(huì)增加。圖1.6顯示的是作為（x軸）F數(shù)和（x軸）視場(chǎng)角函數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)類型的性質(zhì)圖。對(duì)于f/10,1/4視場(chǎng)的條件，一個(gè)簡(jiǎn)單的拋物面鏡就足夠了。然而,對(duì)于f/2,視場(chǎng)為20的情況，就要使用六片雙高斯反射鏡。x、0O1IFISHEYEIANGULONIRETRO-、FOCUSO51(SUJIIJOCCDUJG)WJ0NVcnUJzUL-JVH一HENISCUSxkDOUBLEGAUSS、TESSARTRIPLETSSPLITzTRIPLET、SCHMIDTCASSEG.PETZVALUNOBS：、/SCHMIDT3-MIRROR一八、IJTfRITC

9、HEY、CH口ETIENMICROSCOPE、OBJECTIVEOPTICALDISKOBJECTIVEs.、CASSEGRAIN、ACHROMATICDOUBLETPARABOLA、/F/1=2515105321.510.60.5APERTURE圖1.6圖上顯示的是對(duì)于各種孔徑和視場(chǎng)組合通常所使用的設(shè)計(jì)種類。（引自W.Smith,現(xiàn)代透鏡設(shè)計(jì)（McGrawHill,1992）,McGraw-Hill公司許可下再版）1.2.4技術(shù)指標(biāo)在任何設(shè)計(jì)開始之前，設(shè)計(jì)者必須對(duì)用戶的需求有一個(gè)很清晰的了解。這不是像看起來(lái)那么簡(jiǎn)單。當(dāng)客戶還不確定他的需要時(shí)，不要急于動(dòng)手。否則，這會(huì)導(dǎo)致在設(shè)計(jì)工作已經(jīng)開始之后

10、，我們所不期塑的技術(shù)指標(biāo)的改變。在這種情況卞，設(shè)計(jì)者應(yīng)該在幫助客戶具體化他的需要時(shí)扮演一個(gè)積極的角色。另外一個(gè)極端就是過(guò)度的技術(shù)指標(biāo)。這樣，客戶會(huì)給與設(shè)計(jì)以不切實(shí)際的制約。例如，公差超過(guò)了當(dāng)前的加工和測(cè)量能力。因此設(shè)計(jì)者必須與客戶相結(jié)合最后得出實(shí)際的技術(shù)要求。視場(chǎng)分布依賴于光學(xué)系統(tǒng)的底版人小和有效焦距（EFL）。舉個(gè)例子，底版大小可以由使用的35mm的底片或者8X6mm的CCD芯片來(lái)確定?？蛻艨梢哉f(shuō)出要多人的的外部物方空間或者安裝到給定底版上的鏡頭人小。這可以定義一個(gè)確定的視場(chǎng)和視場(chǎng)角，隨后會(huì)得出有效焦距。STOP圖1.7依賴于有效焦距的底版人小和視場(chǎng)分布圖1.8越小的F數(shù)意味著越大的光學(xué)直徑

11、圖1.7顯示了，對(duì)于一個(gè)給定的鏡頭或者角面積，兩個(gè)不同的有效焦距所需要的底版尺寸。半視場(chǎng)角由底版角得出。所使用的鏡頭在一定的輻射度范I制內(nèi)才會(huì)有效。這會(huì)幫助你定義目標(biāo)F數(shù)范圍。例如，有云天氣下的F數(shù)要小于陽(yáng)光充足下的所使用的F數(shù)。圖1.8表現(xiàn)了單透鏡的有效直徑和F數(shù)之間的關(guān)系。另外一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)就是分辨率。對(duì)于一個(gè)給定的鏡頭，我們希望看清多少細(xì)節(jié)呢？分辨率通常給出的定義就是每亳米的線對(duì)數(shù)。舉個(gè)例子，1001p/mm比起501p/mm來(lái)說(shuō),是一個(gè)更犬的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。空中分辨率（例如，空氣中的目標(biāo)成像的細(xì)節(jié)總數(shù)）和系統(tǒng)分辨率（它受制于傳感器的局限性）之間也有一定區(qū)別。例如。黑白的Tri-X底片的分

12、辨率要比Pan-X的分辨率差，因?yàn)榍罢叩你y鹵化物顆粒尺寸要更大。分辨率規(guī)定為整個(gè)底版的平均值，或者某些場(chǎng)點(diǎn)上給定的具體目標(biāo)。當(dāng)視場(chǎng)角增加，F(xiàn)數(shù)減小，分辨率需要增加時(shí)，這個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)變得更難了。探測(cè)器只對(duì)一定的顏色范I制敏感，因此下一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)涉及到光譜的寬度和位置。單色設(shè)計(jì)或者顏色不是很主要的設(shè)計(jì)通常比多色設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。當(dāng)多色設(shè)計(jì)帶寬增加時(shí)，設(shè)計(jì)任務(wù)機(jī)就會(huì)變得有一定難度。如果帶寬的位置位于可見光譜之外設(shè)計(jì)工作就會(huì)變得更難。這種情況下只有少數(shù)的幾種可選材料能用來(lái)作為色差校正。上面所提到的是最為重要的幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)。然而，在設(shè)計(jì)中還有一些其它的制約因素。他們是體枳，外包裝，和/或重量的約束。有一些制約因素是在光學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境熱量所施加的。人氣和海洋的壓力也可能成為制約因素。還有操作環(huán)境的濕度（或含鹽度）施加于玻璃的選擇上的約束。最后，還有加工，調(diào)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)和成本的約束。用球面設(shè)計(jì)折射系統(tǒng)比非球面的更可取。因?yàn)楹笳唠y于加工和檢測(cè)，因此成本更高。你不能設(shè)計(jì)一個(gè)公差小到不可能制造的系統(tǒng)。另外，小的公差會(huì)增加加工，裝配，和測(cè)量的成本。如果可能的話，你應(yīng)該避免系統(tǒng)難于調(diào)準(zhǔn);例如，離軸系