光学设计探讨题

1、光学设计探讨题光学设计探讨题 张佳乐 戴德政 戴洋毅 张鑫 1、从轴上点的球差轴向色差曲线分析知道哪几种像差、从轴上点的球差轴向色差曲线分析知道哪几种像差 两种色差两种色差:球差和轴向色差球差和轴向色差 2、轴外点的独立几何像差有哪几种？横坐标、纵坐标各、轴外点的独立几何像差有哪几种？横坐标、纵坐标各 表示什么物理量？怎样从曲线分析像差的大小？表示什么物理量？怎样从曲线分析像差的大小？ 轴外点的独立几轴外点的独立几 何像差何像差 横坐标横坐标纵坐标纵坐标 正弦差正弦差光束口径光束口径h h正弦差正弦差SCSC 细光束像散细光束像散像高像高y y子午和弧矢场曲子午和弧矢场曲 垂轴色差垂轴色差像高

2、像高y y垂轴色差垂轴色差 畸变畸变像高像高y y畸变畸变 子午球差子午球差子午球差子午球差视场视场 子午彗差子午彗差子午彗差子午彗差视场视场 3、从子午垂轴几何像差曲线（像差特征曲线）可以确定、从子午垂轴几何像差曲线（像差特征曲线）可以确定 哪几种像差？这些像差的数量关系如何？哪几种像差？这些像差的数量关系如何？ 像差像差: 细光束子午场曲，子午球差，子午慧差细光束子午场曲，子午球差，子午慧差 数量关系数量关系: 4.弧矢垂轴像差曲线弧矢垂轴像差曲线y和和z各代表什么物理含义？各代表什么物理含义？ y代表弧矢垂轴像差的子午分量代表弧矢垂轴像差的子午分量;z代表弧矢代表弧矢 垂轴像差的弧矢分量

3、。垂轴像差的弧矢分量。 5.瑞利判据的依据和定义是什么？优点和不足是什么？适瑞利判据的依据和定义是什么？优点和不足是什么？适 用于什么样的光学系统？用于什么样的光学系统？ 依据依据:成像波面相对理想球面波的变形程度来判断光学系统成像波面相对理想球面波的变形程度来判断光学系统 的成像质量；的成像质量； 定义定义:实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过/4时，时， 此波面可看作是此波面可看作是”无缺陷的无缺陷的”； 优点优点:便于实际应用；便于实际应用； 缺点缺点:只考虑波像差的最大允许公差，而没有考虑缺陷部分只考虑波像差的最大允许公差，而没有考虑缺陷

4、部分 在整个波面面积中所占的比重。在整个波面面积中所占的比重。 适用于小像差光学系统。适用于小像差光学系统。 6. 什么是斯托列尔准则？适用于什么样的光学系统？什么是斯托列尔准则？适用于什么样的光学系统？ 中心点亮度是依据光学系统存在像差时，其成像衍射斑的中心点亮度是依据光学系统存在像差时，其成像衍射斑的 中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比来表示光学系统的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比来表示光学系统的 成像质量，此比值用成像质量，此比值用S.D来表示，当来表示，当S.D0.8时，认为光学系统的成时，认为光学系统的成 像质量是完善的，这就是著名的斯托列尔准则，适用于小像差光学

5、系像质量是完善的，这就是著名的斯托列尔准则，适用于小像差光学系 统。统。 7、(1)怎样用鉴别率板和点列图判断像差的大小？怎样用鉴别率板和点列图判断像差的大小？ 用照相机拍摄鉴别率板，得到图像，图像中能分辨的最小条纹用照相机拍摄鉴别率板，得到图像，图像中能分辨的最小条纹 间距对应照相机的分辨率，分辨率大，则像差较小；分辨率小，则像间距对应照相机的分辨率，分辨率大，则像差较小；分辨率小，则像 差较大。差较大。 根据点列图能量分布的集中或发散程度来判断。能量分布集中，根据点列图能量分布的集中或发散程度来判断。能量分布集中， 像差相对较小；能量分布发散，像差相对较大。像差相对较小；能量分布发散，像差

6、相对较大。 (2)怎么根据点列图的形状特征判断光学系统含有哪几怎么根据点列图的形状特征判断光学系统含有哪几 种像差种像差,各种像差的大小如何判断？各种像差的大小如何判断？ ? 8、如何利用、如何利用MTF曲线和曲线的积分值来评价成像质量曲线和曲线的积分值来评价成像质量 ？ MTF表现了各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统表现了各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统 成像后，其对比度的衰减程度，当某一频率的对比度下降为零时，成像后，其对比度的衰减程度，当某一频率的对比度下降为零时， 说明该频率的光强分布已无亮度变化，即该频率截止，这是利用说明该频率的光强分布已无亮度变化，即该频率截止，这是

7、利用 MTF曲线来评价光学系统成像质量的主要方法，曲线来评价光学系统成像质量的主要方法，MTF值在值在01之间，之间， 值越靠近值越靠近1，表明其成像质量越高，越能真实反映物体信息；值越，表明其成像质量越高，越能真实反映物体信息；值越 靠近靠近0，表明其成像质量越低，表明其成像质量越低,真实反映物体信息的能力越弱。真实反映物体信息的能力越弱。 MTF曲线的积分值即曲线的积分值即MTF曲线与坐标轴所围的面积曲线与坐标轴所围的面积,面积越面积越 大大,表明光学系统所传递的信息量越多表明光学系统所传递的信息量越多,光学系统成像质量越好，图光学系统成像质量越好，图 像越清晰。因此像越清晰。因此,在光学

8、系统接收器截止频率范围内利用在光学系统接收器截止频率范围内利用MTF曲线曲线 所围面积的大小来评价光学系统成像质量是非常有效的。所围面积的大小来评价光学系统成像质量是非常有效的。 9、(1)光程差曲线和像差特征曲线各表示什么样的像差？光程差曲线和像差特征曲线各表示什么样的像差？ 光程差曲线：光程差曲线：? 像差特征曲线像差特征曲线:不同波长曲线之间的距离表示了不同颜色光线不同波长曲线之间的距离表示了不同颜色光线 轴向的位置差别，即轴向色差；轴向的位置差别，即轴向色差； 将子午垂轴像差曲线的两端相连将子午垂轴像差曲线的两端相连,其斜率与宽光其斜率与宽光 束子午场曲成正比；束子午场曲成正比； 过原

9、点的切线斜率与细光束子午场曲相对应。过原点的切线斜率与细光束子午场曲相对应。 端点连线的斜率和切线斜率之差和子午球差成端点连线的斜率和切线斜率之差和子午球差成 比例比例,即连线和切线之间的夹角越大即连线和切线之间的夹角越大,子午球差子午球差 就越大。就越大。 子午光线端点连线和纵坐标交点的高度即子午彗差，子午光线端点连线和纵坐标交点的高度即子午彗差， 所以在子午垂轴像差曲线上某子午光线的连线和纵坐标所以在子午垂轴像差曲线上某子午光线的连线和纵坐标 交点的高度就代表它的子午彗差。交点的高度就代表它的子午彗差。 (2)如何从点扩散函数和线扩散函数来判断成像质量？如何从点扩散函数和线扩散函数来判断成

10、像质量？ 通过能量的集中或分散程度，可以判断出系统的成像质量。通过能量的集中或分散程度，可以判断出系统的成像质量。 10、望远镜、显微镜物镜像差公差有哪些、望远镜、显微镜物镜像差公差有哪些,这些公差有什么相同和不同之这些公差有什么相同和不同之 处处?望远镜、显微镜目镜像差公差有哪些望远镜、显微镜目镜像差公差有哪些,这些公差有什么相同和不同这些公差有什么相同和不同 之处之处?怎样确定照相物镜的像差公差？怎样确定照相物镜的像差公差？ 望远镜和显微镜物镜望远镜和显微镜物镜 校正球差、位置色差和正弦差（视场小、孔径角较大，应保证其轴上校正球差、位置色差和正弦差（视场小、孔径角较大，应保证其轴上 物点和

11、近轴物点有很好的成像质量）物点和近轴物点有很好的成像质量） 相同相同:以最大波差作为评价依据的瑞利判据，适用于小像差系统。以最大波差作为评价依据的瑞利判据，适用于小像差系统。 不同不同:对于球差可直接应用波像差理论中推导的最大波像差公式导出球差公差计算公对于球差可直接应用波像差理论中推导的最大波像差公式导出球差公差计算公 式。仅有初级球差时，最大波像差不超过式。仅有初级球差时，最大波像差不超过4倍焦深。大多数系统有初级和二级倍焦深。大多数系统有初级和二级 球差，当边缘孔径球差校正后，球差，当边缘孔径球差校正后，0.707带有最大剩余球差，最大波像差不超过带有最大剩余球差，最大波像差不超过6 倍

12、焦深。实际上边缘孔径处的球差未必正好校正到零，可控制在焦深以内，即倍焦深。实际上边缘孔径处的球差未必正好校正到零，可控制在焦深以内，即 边缘孔径处的球差公差不超过焦深。边缘孔径处的球差公差不超过焦深。 小视场光学系统的彗差通常用相对彗差小视场光学系统的彗差通常用相对彗差SC(正弦差正弦差)来表示，其公差值根据经来表示，其公差值根据经 验取验取SC=0.0025。 位置色差通常取不超过焦深，即波色差不超过位置色差通常取不超过焦深，即波色差不超过1/41/2的波的波 长。长。 望远镜和显微镜目镜望远镜和显微镜目镜 校正球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和倍率色差（视场角较校正球差、彗差、像散、

13、场曲、畸变、位置色差和倍率色差（视场角较 大大,还需校正好轴外点像差还需校正好轴外点像差) 相同相同:以最大波差作为评价依据的瑞利判据，适用于小像差系统。以最大波差作为评价依据的瑞利判据，适用于小像差系统。 不同不同:轴上点像差公差可参考望远镜和显微镜物镜像差公差。轴上点像差公差可参考望远镜和显微镜物镜像差公差。 彗差分为子午彗差和弧矢彗差两种，像散不超过焦深，畸变公彗差分为子午彗差和弧矢彗差两种，像散不超过焦深，畸变公 差一般不超过差一般不超过5%。 因为像散和场曲都应在眼睛的调节范围之内，故子午和弧矢因为像散和场曲都应在眼睛的调节范围之内，故子午和弧矢 场曲都可允许有场曲都可允许有24D(

14、屈光度屈光度)。 目镜的倍率色差常用目镜焦平面上的倍率色差与目镜的焦距目镜的倍率色差常用目镜焦平面上的倍率色差与目镜的焦距 之比来表示，即用角像差表示，其大小不超过之比来表示，即用角像差表示，其大小不超过24。 照相物镜照相物镜 校正全部像差（属于大孔径、大视场的光学系统）校正全部像差（属于大孔径、大视场的光学系统） 照相物镜所允许的弥散斑大小应与光能接收器的分辨率相匹配。照相物镜所允许的弥散斑大小应与光能接收器的分辨率相匹配。 不同的接收器有不同的分辨率，照相物镜应根据使用的接收器来不同的接收器有不同的分辨率，照相物镜应根据使用的接收器来 确定其像差公差。确定其像差公差。 此外，照相物镜的分

15、辨率应大于接收器的分辨率，即此外，照相物镜的分辨率应大于接收器的分辨率，即NLNd，所以，所以 照相物镜所允许的弥散斑直径应为照相物镜所允许的弥散斑直径应为 2y=2*(1.51.2)/ NL，系数，系数 (1.51.2)是考虑到弥散圆的能量分布，即把弥散斑直径的是考虑到弥散圆的能量分布，即把弥散斑直径的60%65%作作 为影响分辨率的亮核。一般情况，弥散斑直径在为影响分辨率的亮核。一般情况，弥散斑直径在0.030.05mm以内；需以内；需 放大的高质量物镜放大的高质量物镜,弥散斑直径要小于弥散斑直径要小于0.010.03mm。 倍率色差最好不超过倍率色差最好不超过0.01mm，畸变要小于，畸

16、变要小于2%3%。 11、如何用、如何用ZEMAX对光学系统进行优化，顺序是什么，有哪些优化技对光学系统进行优化，顺序是什么，有哪些优化技 巧？巧？ 优化顺序优化顺序 1.看看AnalysisAberration coefficientsSeidel coefficients/Seidel Diagram， 找找出对赛得和数影响大的面，将这些面的曲率半径设为变量，优先优化。出对赛得和数影响大的面，将这些面的曲率半径设为变量，优先优化。 2.将剩余面的曲率半径设为变量进行优化。将剩余面的曲率半径设为变量进行优化。 3.将将STOP光阑面的位置设为变量进行优化。光阑面的位置设为变量进行优化。 4.

17、将透镜间距设为变量进行优化。将透镜间距设为变量进行优化。 5.将玻璃厚度设为变量进行优化。将玻璃厚度设为变量进行优化。 经过上述优化后，如果像质还达不到要求：经过上述优化后，如果像质还达不到要求： 1.尝试将特殊位置的薄透镜换成弯月透镜，鼓形透镜等厚透镜。尝试将特殊位置的薄透镜换成弯月透镜，鼓形透镜等厚透镜。 2.换玻璃。如果单透镜的弯曲过于强烈，则换成折射率高的玻璃。如果胶合透镜换玻璃。如果单透镜的弯曲过于强烈，则换成折射率高的玻璃。如果胶合透镜 胶合面的弯曲过大，则增加两个玻璃的阿贝数之差。（应注意，设计双胶合透胶合面的弯曲过大，则增加两个玻璃的阿贝数之差。（应注意，设计双胶合透 镜时，透

18、镜要有相近的热膨胀系数）镜时，透镜要有相近的热膨胀系数） 3.将系统复杂化。分裂玻璃，或者在特殊位置加入场镜。将系统复杂化。分裂玻璃，或者在特殊位置加入场镜。 优化技巧优化技巧 1.光学系统某个视场光学系统某个视场MTFT、MTFS不好，则在不好，则在Field中增大这个视场的中增大这个视场的 权重（缺点是优化时会同时提高子午和弧矢方向的像质）。权重（缺点是优化时会同时提高子午和弧矢方向的像质）。 2.光学系统某个视场的光学系统某个视场的MTFT、MTFS不好，则在优化函数中用不好，则在优化函数中用MTFT、 MTFS进行优化。（优点是可以单独提高某个视场子午或者弧矢方向的像进行优化。（优点是可以单独提高某个视场子午或者弧矢方向的像 质。缺点是运算缓慢）并且如果同时运行质。缺点是运算缓慢）并且如果同时运行MTFT和和MTFS，将它们放到相邻，将它们放到相邻 的两行会加快优化速度。的两行会加快优化速度。 3.光学系统某个视场的光学系统某个视场的MTFT、MTFS不好，则在系统中针对这