光学设计第一章预备知识.ppt

第一章 预备知识 1.1 名词与概念 透镜：所谓透镜是指两个折射曲面围限的透明体。曲面通常是球面，平面可以看成曲率半径无限大的球面。非球面由于加工困难，实际应用较少。 透镜组：有时把一组胶合的或有空气间隙的密接透镜称为一个透镜组，或组元。 镜头：镜头是具有一定功能的透镜组，也可以是几个透镜组的组合。 在英语中，透镜、透镜组、镜头等用同一个词（Lens）表示，它可以指单个镜片，也可以指相装在照相机中那样的整个物镜，有时还泛指包括折射、反射和折反射系统在内的各种光学构件。 1.1 名词与概念 光线追迹：又称光线的光路计算，就是在已知系统参数和入射光线坐标的前提下，逐面计算出射光线坐标。光学追迹的目的是为了计算光学系统的像差值，它是逐面按计算公式精确计算的，这样求得的像差值成为实际像差值（或像差的精确值）。 共轴光学系统：如果系统中各元件表面（通常为球面或平面）曲率中心都在同一直线上，则称该光学系统为共轴光学系统，将曲率中心所在的直线称为光轴。大部分光学系统都是共轴光学系统，非共轴系统较少使用。 光学系统：光学系统经常用来表示由镜头、反射镜、棱镜、起偏器和检偏器等诸如此类的元件构成的组合体。单个镜头也可以看成一个光学系统。 1.2 镜头的设计步骤 镜头要预先设计好才能加工，也就是说，要预先计算或规定好各组元的表面曲率半径、厚度、空气间隔和口径，以及所采用的玻璃牌号。这些正是光学设计师的主要共作。 影响镜头成像质量的各种像差，可以通过改变镜头结构来消除或校正，改动的镜头参数称为“自由度”，包括各面的曲率半径、厚度与空气间隔、各镜片所用玻璃的折射率和色散率，以及孔径光阑的位置等。 注意的是在改动这些参数时，镜头焦距要保持一个恒定值，否则相对孔径和像高会改变，以至于设计师最后得到的镜头虽然像质良好，但却已经不是原设计要求的了。 求取镜头参数的严密数学解非常复杂，几乎不可能完成。设计师所能采取的最好办法，是利用已有的光学知识，先设定一个初始近似方案，评价其性能，然后做适当的修改，再评价性能。 初始系统的来源 在绝大数情况下，初始系统是通过以下几种途径中的一种取得的： 凭个人的学识和经验估计设定，这要求设计师具有丰富的设计经验； 通过查阅已经设计过的镜头的技术档案，这是最常用的办法； 购进各种镜头，分析其结构，这种方法费时费力，适于技术储备有限的设计者采用； 查阅专利档案，镜头专利非常丰富，但是专利文献上给出的例子往往是不完整的或未校正好的，还有大量工作要做，当然还要避免侵犯专利权的问题。 光路计算 在不同视场、不同孔径、不同色光等条件下，对大量光线，用准确的三角方法，通过光线追迹计算出射光线。通过近轴“光路计算”可求得理想像点的位置；通过实际光线的追迹并与理想像比较得到的各像差值。可以做出各种表示像差的曲线，有经验的设计师往往一看这些曲线就能知道系统的缺陷所在。 光线的“光路计算”又称“光线追迹”或“描光路”。现在电子计算机已广泛用于光学系统像差的自动平衡工作，按设计要求，在设计师对计算过程的干预和控制下，将光学系统的像差校正到最佳状态，在整个计算过程中，计算机要做大量的光线追迹工作。 设计评价 判断一个镜头对于特定的用途是否已经校正到足够好，往往是十分困难的。有效的办法是由点光源开始，追迹大量光线。要保证这些光线均匀的分布在镜头入瞳上，然后做这些光线和像面焦点的“点列图”。为了真实的反映点像的分布特点，需要追迹几个不同波长的光束，每个波长要追迹几百条光线。不同波长的光束进入镜头的疏密程度按该波长的光在最后的像中被设定的权数加以调整，这样点列图就同时反映出色差情况 系统的修改 随着计算机性能的不断提高，许多告诉计算机程序能用最小二乘法同时修改几个参数以改变多种相差，为系统设计带来了巨大的便利。 光学设计师在做镜头设计时，其中一部分既占据时间又消耗精力的工作是系统一级以及三级的手动计算。 所谓系统的一级特性是指能用近轴公式描述的系统性质，包括等效焦距和后焦距；F数；像的位置；像的大小；主面位置；顶点与主面间的间隔；入瞳的大小和位置；出瞳的大小和位置；拉格朗日不变量；轴向和横向色差等。 系统的三级特性是指能用初级像差公式描述得系统性质，包括球差、最小模糊斑的位置和大小、彗差、像散、中间焦点的位置和大小、畸变、波前像差、二次曲面系数等。 1.3 初级像差及其独立性原理 所谓像差，简单地说就是实际光线位置和理想像点位置之差。既然理想像是用近轴公式计算出来的。而近轴公式又是去sinθ=θ得到的，因此像差的存在可以看成是由级数（三角函数的展开式）中其余各项引起的。 在像差理论研究的发展过程中，为了由易到难，由浅入深，一般把像差分为初级像差和高级像差两大类。有级数中的第二项引起的像差叫做初级像差，有其他各式引起的像差称为高级像差。 1.3 初级像差及其