光学设计方法及有关重要说明分析.ppt

第一章 引言 1、光学系统的基本特性： 2、系统的外形尺寸： 横向尺寸 纵向尺寸 在设计光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 3、成像质量： 成像质量的要求和光学系统的用途有关。 对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量； 对于照相物镜，要求整个视场都要有较好的成像质量。 4、仪器的使用条件： 根据仪器的使用条件，要求光学系统具有一定的稳定性、抗振性、 耐热性和耐寒性等，以保证仪器在特定的环境下能正常工作。 1、外形尺寸计算 设计光学系统原理图， 确定基本光学特性， 满足给定的技术要求， 即确定NA或D/f′、2y或2ω、β、f′、共轭距、后工作距、光阑位置和外形尺寸 2、初始结构的计算和选择 1）根据初级像差理论求解初始结构： 根据外形尺寸计算得到的基本特性， 利用初级像差理论来求解满足成像质量要求的初始结构，即确定系统各光学零件的曲率半径、透镜厚度和间隔、玻璃折射率和色散等。 2）从已有的资料中选择初始结构： 大视场和大孔径及结构复杂的光学系统，从已有的技术资料和专利文献中选择其光学特性与所要求的相接近的结构作为初始结构。 根据计算结果画像差曲线， 分析像差找出原因， 反复进行像差校正和平衡， 直到满足成像质量要求为止。 4、像质评价： 根据剩余像差的大小判断光学系统的成像质量。剩余像差应在像差容限内。 第二章 光学系统的外形尺寸计算 按技术要求确定光学系统的基本特性和外形尺寸。对某些光学系统还要进行光能量计算。确定系统各部件的基本特性，以便选择各光组的结构。 为了简化各种类型光组的计算，可以把光学系统看成是由一系列无限薄的光组组成的。经过简化后的光学系统就可以用理想光学系统的理论和公式进行外形尺寸计算。 有些光学系统可以是这种简化的系统，如：低倍显微镜、开普勒望远镜、具有棱镜或透镜转像系统的望远镜等； 也有一些光学仪器不能认为是薄透镜光组，如：照相物镜、广角物镜、大数值孔径的高倍显微物镜等。对于这种光学系统的外形尺寸计算要与求解初始结构一起进行，它的外形尺寸就是像差校正好以后的结构尺寸。 第三章 光学系统初始结构的计算方法 它的计算方法有两种：一种是根据初级像差理论用代数法求解初始结构；另一种是从已有的专利文献资料中选择初始结构。 代数法的实质就是根据初级像差和结构参数之间的线性关系建立一系列像差方程式，求解这个线性方程组，得到一个满足像差要求的初始结构。 （3）校正倍率色差 CII（4）校正场曲 SIV 求系统各光组的光焦度、间隔、光线入射高度和玻璃材料等外部参数。 （3）校正象散 SIII（4）校正畸变 SV 方程式和透镜的弯曲有关，解这组方程式就可以求出系统内部参数 Pi 和 Wi ，从而确定系统的结构参数（r、n、d） 此外，还应很好了解初级像差的性质，知道哪些像差是无法校正的，一定要排除那些无法校正的像差。 在入瞳与光组重合时， hZ=0， 是一个常量，无法校正； 初级畸变自动校正；单透镜、双胶合透镜、双分离透镜、分离的两个正光组都无法校正场曲，只有正负透镜分离或厚透镜才能校正场曲。了解这些像差性质，就不会再选择那些无法校正的像差了。 但光学系统是各种各样的，不同的系统，高级像差也不一样，很难给出恰当的数值。对于未知的新系统只能给零；对于类似的系统可参考同类结构的像差数据给出一定的数值。 四、解方程求初始结构参数 解方程组时，可能会出现两种情况：一种情况是未知量比方程个数少，这时必须忽略某种像差，减少方程个数才能求解，但忽略的像差不能影响系统的成像质量。第二种情况是未知数比方程个数多，这时可以增加一些附加条件，再组成一个方程式，以校正某种像差，但这些附加条件要合理。 则方程组只包含未知参量P和 W，再将其规划成P∞ 、W∞ ，最后解出P∞ 、W∞ ，再将它变成P0，再根据 P0 和 CI 选择玻璃组合，计算结构参数r、d、n。 五、向厚透镜过渡 用代数法求得的初始结构，只有对薄透镜系统才能保证得到给定的光学特性。在实际光学系统中各透镜都有一定厚度，因此必须将薄透镜系统过渡到厚透镜。过渡时，必须保持各光组的焦距及第一近轴光线与光轴的交角不变。 因此，过渡后系统的光学特性基本不变，基本像差参量P∞ 、W∞ 也不变，但初级像差系数要发生变化，因为在实际光学系统中，由于透镜加厚，使光线高度h和hZ发生变化。 有些光学设计手册也专门收集了有关设计资料。如能从这些专利文献中选择一些光学特性与所设计的物镜尽可能接近的结构做为初始