第2章光学系统设计概要

1、光电系统设计光电系统设计-第二章第二章 光学系统设计概光学系统设计概要要 2光学系统设计光学系统设计 利用光学原理进行各利用光学原理进行各种搜索、探测、观察、识种搜索、探测、观察、识别、测量和分析记录等工别、测量和分析记录等工作的仪器称为光学仪器或作的仪器称为光学仪器或光电仪器。光电仪器。 3光学系统设计光学系统设计 光学光学/光电仪光电仪器的发展涉及器的发展涉及光学、精密机光学、精密机械、电子技术、械、电子技术、计算机的综合计算机的综合发展。发展。 光学系统设光学系统设计优劣决定着计优劣决定着光学系统性能光学系统性能和质量水平。和质量水平。 4本章内容本章内容2.1、光学仪器及其发展、光学仪

2、器及其发展2.2、光学设计及其发展、光学设计及其发展2.3、应掌握的光学设计基础、应掌握的光学设计基础2.4、光线追迹及像差校正常用方法、光线追迹及像差校正常用方法2.5、光学设计的大致类型及各类镜头的设计、光学设计的大致类型及各类镜头的设计差别差别2.6、设计举例、设计举例 5第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 光学仪器是人类认识与改造自然的工具。光学仪器是人类认识与改造自然的工具。X-射线粉末（多晶）衍射仪射线粉末（多晶）衍射仪 探索物质结构内部的奥秘并对物质进行微量、探索物质结构内部的奥秘并对物质进行微量、超微量分析而发明了光谱仪器。超微量分析而发明了光谱仪器。 6第一节第一

3、节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展X-射线粉末（多晶）衍射射线粉末（多晶）衍射 X-射线粉末（多晶）衍射用来测量晶体物射线粉末（多晶）衍射用来测量晶体物质的晶胞参数，可测得晶系，无法知道组成晶体质的晶胞参数，可测得晶系，无法知道组成晶体元素参数和空间群。元素参数和空间群。 7第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展X-射线单晶衍射仪射线单晶衍射仪 8第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展X-射线单晶衍射射线单晶衍射 X-射线单晶衍射测得晶系、空间群、原子射线单晶衍射测得晶系、空间群、原子之间键长、键角等。之间键长、键角等。 9第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展原子吸

4、收光谱仪原子吸收光谱仪 原子吸收光谱仪从光源辐射出具有待测原子吸收光谱仪从光源辐射出具有待测元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的含量。可测到含量。可测到10-9g/mL数量级。数量级。 10第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展原子吸收光谱原子吸收光谱 因因原子吸收光谱仪的灵敏、准确、简便原子吸收光谱仪的灵敏、准确、简便等特点，现已广泛用于冶金、地质、采矿、等特点，现已广泛用于冶金、地质、采矿、石

5、油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环石油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环境监测等方面的常量及微痕量元素分析。境监测等方面的常量及微痕量元素分析。 11第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展红外光谱仪红外光谱仪 红外光谱可以研究分子的结构和化学键，红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。推测分子的立体构型。 12第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展红外光谱红外光谱 红外光谱仪红外光谱仪应用于染织工业、环境科学、

6、应用于染织工业、环境科学、生物学、材料科学、高分子化学、催化、煤生物学、材料科学、高分子化学、催化、煤结构研究、石油工业、生物医学、生物化学、结构研究、石油工业、生物医学、生物化学、药学、无机和配位化学基础研究、半导体材药学、无机和配位化学基础研究、半导体材料、日用化工等研究领域。料、日用化工等研究领域。 13第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展显微镜下的雪花显微镜下的雪花 为生物学和医学的需要发明了显微镜与各种人为生物学和医学的需要发明了显微镜与各种人体窥镜。体窥镜。 14第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展内窥镜内窥镜喉镜喉镜 15第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器

7、及其发展 为观察远距离的目的和军事需要发明了各种望为观察远距离的目的和军事需要发明了各种望远镜、瞄准镜。远镜、瞄准镜。潜望镜潜望镜瞄准镜瞄准镜 16第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展高速摄影高速摄影 为满足人们日常生活需要发明了各种静态和高为满足人们日常生活需要发明了各种静态和高速照相设备。速照相设备。 17第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展哈勃天文望远镜哈勃天文望远镜 为研究天体运动规律和探索宇宙奥秘而发展天为研究天体运动规律和探索宇宙奥秘而发展天文光学仪器。文光学仪器。距地球两千八百万光年的宽边帽星系距地球两千八百万光年的宽边帽星系 18第一节第一节 光学仪器及其发

8、展光学仪器及其发展 191、光学理论的发展、光学理论的发展古典光学古典光学几何光学几何光学应用光学应用光学近代光学近代光学物理光学物理光学薄膜光学薄膜光学傅里叶光学傅里叶光学量子光学量子光学纤维光学纤维光学自适应光学自适应光学激光激光二元光学二元光学第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 20第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 自适应光学举例自适应光学举例太阳表面原始图像太阳表面原始图像太阳表面自适应校正图像太阳表面自适应校正图像 21自自适适应应技技术术拍拍摄摄太太阳阳黑黑子子第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 22 自适应光学是自适应光学是20 世纪世纪50

9、 年代以来迅速发年代以来迅速发展起来的光学新技术，在高分辨率天文观测、展起来的光学新技术，在高分辨率天文观测、高能激光武器、激光通讯，激光核聚变，医高能激光武器、激光通讯，激光核聚变，医学等方面的应用越来越广泛。学等方面的应用越来越广泛。 自适应光学系统能实时探测由大气扰动、自适应光学系统能实时探测由大气扰动、环境温度起伏、光轴抖动等因素造成的波面环境温度起伏、光轴抖动等因素造成的波面畸变，并通过光学校正系统实时补偿波面误畸变，并通过光学校正系统实时补偿波面误差，现代地基、天基大型望远镜几乎都采用差，现代地基、天基大型望远镜几乎都采用了自适应光学系统。了自适应光学系统。第一节第一节 光学仪器及

10、其发展光学仪器及其发展 23 自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的最有前景的技术；成像过程中波前畸变的最有前景的技术； 遥远的星系达到地球表面的望远镜时，因为受大遥远的星系达到地球表面的望远镜时，因为受大气扰动和湍流的影响，图像质量大大降低，这也气扰动和湍流的影响，图像质量大大降低，这也是为何科学家要将哈勃望远镜送到地球高空轨道是为何科学家要将哈勃望远镜送到地球高空轨道的原因；的原因； 通过复杂的算法，如果在地面上能通过光学方法通过复杂的算法，如果在地面上能通过光学方法消除大气的影响，则在地面上就相当于在地球高消除大气的影响，

11、则在地面上就相当于在地球高空轨道上，成本可以大大降低，地面上也可以建空轨道上，成本可以大大降低，地面上也可以建造巨大的望远镜系统；造巨大的望远镜系统； 自适应光学就是为达到上述目的而发展起来的。自适应光学就是为达到上述目的而发展起来的。第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 24自适应光学系统组成自适应光学系统组成第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 25LICK 望远镜开启自适应光学系统前后效果对比图望远镜开启自适应光学系统前后效果对比图第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 26第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 27Keck望远镜观测到的土卫六星云望

12、远镜观测到的土卫六星云未开启自适应未开启自适应开启自适应开启自适应第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 28自自适适应应技技术术校校正正天天王王星星第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 29第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 傅里叶光学（信息光学）傅里叶光学（信息光学）傅里叶光学傅里叶光学 傅里叶光学运用频谱傅里叶光学运用频谱分析方法对广泛的光学现象分析方法对广泛的光学现象作了新的诠释。其主要内容作了新的诠释。其主要内容包括标量衍射理论、透镜成包括标量衍射理论、透镜成像规律以及用频谱分析方法像规律以及用频谱分析方法分析光学系统性质等；其应分析光学系统性质等；其应

13、用领域包括空间滤波、光学用领域包括空间滤波、光学信息处理、光学系统质量的信息处理、光学系统质量的评估、全息术以及傅里叶光评估、全息术以及傅里叶光谱学的研究等。谱学的研究等。 302、新设计的发展、新设计的发展第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 光学设计：计算机辅助设计（光学设计：计算机辅助设计（CAD），譬如），譬如Zemax、Matlab等等 机构设计：光机一体化，光机电一体化机构设计：光机一体化，光机电一体化 性能、成本的平衡性能、成本的平衡 313、新材料、新工艺、新器件的发展、新材料、新工艺、新器件的发展第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 新材料：提高仪器的精度

14、和稳定性新材料：提高仪器的精度和稳定性 新工艺：多层镀膜、高速精磨、精加工，提高元新工艺：多层镀膜、高速精磨、精加工，提高元件质量，降低成本件质量，降低成本 新器件：基于电子科学发展的光电器件新器件：基于电子科学发展的光电器件 324、电子技术的发展、电子技术的发展第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机ENIAC于于1946年在美国研制年在美国研制成功，成功，ENIAC问世以来的短短的四十多年中，电子计算机的问世以来的短短的四十多年中，电子计算机的发展异常迅速。迄今为止，它的发展大致已经了下列四代。发展异常迅速。迄今为止，它的发展大致已经了

15、下列四代。第一代（第一代（19461957年）是电子计算机，它的基本电子元件年）是电子计算机，它的基本电子元件是电子管。是电子管。 第二代（第二代（19581970年）是晶体管计算机。年）是晶体管计算机。1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10年后晶体管取年后晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。第三代代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。第三代（19631970年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发展，展，1958年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集

16、成电路。电路。 第四代（第四代（1971年年目前）是大规模集成电路计算机。目前）是大规模集成电路计算机。随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。 33第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展各类芯片各类芯片 34 单片机比专用处理器更适合应用单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的

17、多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有标等电脑配件中都配有1-2部单片机。部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备机在工作。汽车上一般配备40多部单多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过机的数量不仅远超过PC机和其他计机和

18、其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。算的总和，甚至比人类的数量还要多。 第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展单片机芯片单片机芯片 35 DSP（digital signal processor）是一种独特）是一种独特的微处理器，是以数字信的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。号来处理大量信息的器件。它不仅具有可编程性，而它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理

19、能力和高的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道运行速度，是最值得称道的两大特色。的两大特色。第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展专用视频处理专用视频处理DSP 365、光学仪器的类别、光学仪器的类别第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 光学计量仪器：测试、标定、传递，对零件的长度、角度、表光学计量仪器：测试、标定、传递，对零件的长度、角度、表面粗糙度及轮廓等几何尺寸和形状，以及零部件的直线性和相对面粗糙度及轮廓等几何尺寸和形状，以及零部件的直线性和相对位置等进行测量的光学仪器位置等进行测量的光学仪器 物理光学仪器：发射光谱仪器，吸收光谱仪器，偏振、干涉和物理光学仪器：

20、发射光谱仪器，吸收光谱仪器，偏振、干涉和衍射测量仪器衍射测量仪器 显微镜：读数显微镜，生物显微镜，高温金相显微镜等显微镜：读数显微镜，生物显微镜，高温金相显微镜等 测绘仪器：大地测量仪器，摄影测量仪器测绘仪器：大地测量仪器，摄影测量仪器 光学测试仪器：测量光学器件的加工质量光学测试仪器：测量光学器件的加工质量 天文光学仪器天文光学仪器 军用光学军用光学/光电仪器光电仪器 医用光学仪器医用光学仪器 照相机照相机 电影机械电影机械 375、光学仪器发展简史及其发展趋势、光学仪器发展简史及其发展趋势第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 第二次世界大战前：望远镜，显微镜，像差，衍第二次世界大

21、战前：望远镜，显微镜，像差，衍射成像。射成像。 1608年，荷兰眼镜工匠李普赛从两个顽童偷玩年，荷兰眼镜工匠李普赛从两个顽童偷玩他的两个镜片，无意中小孩发现了一只苍蝇被高倍他的两个镜片，无意中小孩发现了一只苍蝇被高倍放大的像，眼镜师发明了世界上第一架望远镜并申放大的像，眼镜师发明了世界上第一架望远镜并申请了专利权，有关资料至今还保存在海牙档案馆。请了专利权，有关资料至今还保存在海牙档案馆。伽利略听到李普塞发明了望远镜后，亲自磨制透镜，伽利略听到李普塞发明了望远镜后，亲自磨制透镜，几个月内就研制成由凸透镜当目镜，凹透镜当物镜，几个月内就研制成由凸透镜当目镜，凹透镜当物镜，能放大三十多倍的精巧望远

22、镜，后人称能放大三十多倍的精巧望远镜，后人称“伽利略望伽利略望远镜远镜”。 38第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 与伽利略同时代的德国天文学家开普勒与伽利略同时代的德国天文学家开普勒则设计了一种物镜和目镜都是凸透镜的新型则设计了一种物镜和目镜都是凸透镜的新型望远镜，人们称为望远镜，人们称为“开普勒望远镜开普勒望远镜”。望远。望远镜的发明和使用，不仅缩短了人类与天体的镜的发明和使用，不仅缩短了人类与天体的距离，而且对天文学的发展有着不可估量的距离，而且对天文学的发展有着不可估量的贡献。贡献。 世界上第一架显微镜则是有荷兰眼镜制世界上第一架显微镜则是有荷兰眼镜制造商詹森在造商詹森在1

23、625年发明的。年发明的。 39 1666年，牛顿在做光年，牛顿在做光的折射实验时，偶然发现了的折射实验时，偶然发现了光的色散现象，牛顿用三棱光的色散现象，牛顿用三棱镜把太阳光（白光）分成了镜把太阳光（白光）分成了七种颜色，又把三棱镜将七七种颜色，又把三棱镜将七种颜色合成为白光，这个实种颜色合成为白光，这个实验的成功开创了现代验的成功开创了现代“光谱光谱分析学分析学”的基础。牛顿还用的基础。牛顿还用一个精密磨制的曲率半径很一个精密磨制的曲率半径很大的凸透镜的凸面，压在一大的凸透镜的凸面，压在一个平面玻璃板上，在日光的个平面玻璃板上，在日光的照射下，中心的接触点是一照射下，中心的接触点是一暗点，

24、周围是一些明暗相间暗点，周围是一些明暗相间的彩色同心圆。后人称它为的彩色同心圆。后人称它为“牛顿环牛顿环”。第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 4040牛顿环实验由一块平板玻璃和一平凸透镜组成。牛顿环实验由一块平板玻璃和一平凸透镜组成。22dL光程差光程差dRrO干涉图样干涉图样第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 41第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 第一次世界大战之后，出现了光学计量仪器，第一次世界大战之后，出现了光学计量仪器，物理光学仪器，大地测量仪器，航测仪器等。物理光学仪器，大地测量仪器，航测仪器等。第二次世界大战至第二次世界大战至20世纪世纪50

25、年代：改进仪器结构，年代：改进仪器结构，扩大使用范围，增加产量，提高质量。扩大使用范围，增加产量，提高质量。 20世纪世纪60年代以来：计算机，数字仪器，激光发年代以来：计算机，数字仪器，激光发明，激光仪器，光纤。明，激光仪器，光纤。 421607年年 望远镜望远镜 意大利科学家伽利略首意大利科学家伽利略首先将望远镜用于科学观察，通先将望远镜用于科学观察，通过多年观察，收集了大量证据过多年观察，收集了大量证据有力的支持了哥白尼的日心说。有力的支持了哥白尼的日心说。130018001400150016001700190020001350年年 眼镜眼镜 工匠制作了工匠制作了能装上框并戴在能装上框并

26、戴在眼前的玻璃盘片。眼前的玻璃盘片。早期的眼镜由凸早期的眼镜由凸透镜组成，用于透镜组成，用于阅读。阅读。1625年年 光学显微镜光学显微镜 据说，詹森制造据说，詹森制造了第一台显微镜。这了第一台显微镜。这台显微镜能产生物体台显微镜能产生物体实际大小实际大小9倍的像。倍的像。1826年年 照相机照相机 最早的照相机属于最早的照相机属于单孔相机，是法国的约单孔相机，是法国的约瑟夫和路易斯制成的。瑟夫和路易斯制成的。1990年年 哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜 这个反射式望远镜是这个反射式望远镜是由发现号航天飞机发射的。由发现号航天飞机发射的。它能探测到太空中的红外它能探测到太空中的红外线、可见光和紫

27、外线，并线、可见光和紫外线，并把照片传回地球。把照片传回地球。第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 43X-rayOpticalInfraredRadio用不同波用不同波段看到的段看到的蟹状星云蟹状星云第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 44光学仪器发展趋势：光学仪器发展趋势：第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 数字化和自动化：数字读数技术，即计数光栅数数字化和自动化：数字读数技术，即计数光栅数字显示技术、光电轴角转码器技术、干涉条纹计数字显示技术、光电轴角转码器技术、干涉条纹计数技术等技术等 激光技术：激光测距，激光雷达，激光通信，激激光技术：激光测距，激光

28、雷达，激光通信，激光武器光武器 全息术：信息存储，立体电影，立体电视，全息全息术：信息存储，立体电影，立体电视，全息干涉干涉 纤维光学：光通信，光学仪器照明和成像纤维光学：光通信，光学仪器照明和成像 计算机：光学仪器与计算机的集成计算机：光学仪器与计算机的集成 45第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展1、光学设计概述、光学设计概述 光学系统设计：根据使用要求和使用条件，决定光学系统设计：根据使用要求和使用条件，决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构。光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构。 光学结构设计：一台光学仪器的产品结构。光学结构设计：一台光学仪器的产品结构。 46

29、第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展光学系统设计：光学系统设计： 初步设计：拟定光学系统原理图，系统大致结构初步设计：拟定光学系统原理图，系统大致结构形式，初步计算外形尺寸及各部分的光学特性。形式，初步计算外形尺寸及各部分的光学特性。 像差设计（简称光学设计）：确定每个透镜组的像差设计（简称光学设计）：确定每个透镜组的具体结构参数（半径、厚度、间隔、玻璃材料等）。具体结构参数（半径、厚度、间隔、玻璃材料等）。 上述两个阶段也有交叉，有可能根据像差设计修上述两个阶段也有交叉，有可能根据像差设计修改初步设计。改初步设计。 47第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 一个好的设计应

30、该是满足使用要求（光学性能、一个好的设计应该是满足使用要求（光学性能、成像质量）的情况下，结构尽可能简单。成像质量）的情况下，结构尽可能简单。 一般军用光学仪器，初步设计工作量较大；而一一般军用光学仪器，初步设计工作量较大；而一般照相机和显微镜，像差设计工作量比较大。般照相机和显微镜，像差设计工作量比较大。 望远镜和显微镜，要求中心区域成像质量很好，望远镜和显微镜，要求中心区域成像质量很好，而对于照相机，则要求尽可能全视场成像质量好。而对于照相机，则要求尽可能全视场成像质量好。 48第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展光学系统设计过程一般分为四个阶段：光学系统设计过程一般分为四个阶段

31、： 外形尺寸计算：拟定光学系统原理图，系统大致外形尺寸计算：拟定光学系统原理图，系统大致结构形式，初步计算外形尺寸及各部分的光学特性，结构形式，初步计算外形尺寸及各部分的光学特性，一般按照理想光学系统的理论和计算公式进行。一般按照理想光学系统的理论和计算公式进行。 初始结构的计算和选择：根据初级像差理论求解初始结构的计算和选择：根据初级像差理论求解满足成像质量要求确定，也可以参考历史设计图或满足成像质量要求确定，也可以参考历史设计图或资料中进行修改。资料中进行修改。 49第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 像差校正和平衡：像差是指在光学系统中由透镜像差校正和平衡：像差是指在光学系统

32、中由透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起实际像与理想像之间的偏差；校正是先进行光路计实际像与理想像之间的偏差；校正是先进行光路计算，找出影响成像质量的因素，有的放矢地改进，算，找出影响成像质量的因素，有的放矢地改进，并且反复进行。并且反复进行。 像质评价：小像差系统，波像差（即考虑衍射效像质评价：小像差系统，波像差（即考虑衍射效应）评价；大像差系统，几何像差评价。应）评价；大像差系统，几何像差评价。 成像质量评价：光学系统设计质量的评价，加工成像质量评价：光学系统设计质量的评价，加工装调好的镜头或仪器的整体质量评价。装调好的镜头或仪器的整

33、体质量评价。 50第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展像质评价的常用方法之一：像质评价的常用方法之一： 瑞利判断：实际波面与理想波面之间的最大波程瑞利判断：实际波面与理想波面之间的最大波程差不超过差不超过1/4波长。这是一种较为严格的像质评价方波长。这是一种较为严格的像质评价方法，适用于小像差系统，如望远镜、显微镜等。法，适用于小像差系统，如望远镜、显微镜等。 51第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 在很多情况下波像差比几何像差更能反映成像质量。一在很多情况下波像差比几何像差更能反映成像质量。一般认为最大波像差小于般认为最大波像差小于1/4波长时，该系统的像质与理想光学波

34、长时，该系统的像质与理想光学系统无显著区别。下图是一个光学系统瞳面上的波像差分布系统无显著区别。下图是一个光学系统瞳面上的波像差分布图，图中的数字表示波长的倍数。图，图中的数字表示波长的倍数。 52第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 图中几个曲线图分别是不同视场子午和弧矢方向上的光图中几个曲线图分别是不同视场子午和弧矢方向上的光程差，不同颜色表示不同色光。下方表格的数据为纵坐标程差，不同颜色表示不同色光。下方表格的数据为纵坐标（光程差）的最大值，单位一般用波长。（光程差）的最大值，单位一般用波长。 53光束的子午面（黄色）和弧矢面（黑色）。光束的子午面（黄色）和弧矢面（黑色）。 第

35、二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 54第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，下方表格中的数字给出了波差的大小下方表格中的数字给出了波差的大小 。 55第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展像质评价的常用方法之二：像质评价的常用方法之二： 分辨率：反映光学系统分辨物体细节的能力。当分辨率：反映光学系统分辨物体细节的能力。当一个点的衍射图中心与另一个点的衍射图的第一暗一个点的衍射图中心与另一个点的衍射图的第一暗环重合时，则被视为刚好可分辨。环重合时，则被视为刚好可分辨。08 . 0I 56

36、典型的测试空间分辨率用图典型的测试空间分辨率用图第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 57第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展像质评价的常用方法之三：像质评价的常用方法之三： 点列图：由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使点列图：由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其在像上形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列其在像上形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。点列图一般用于评价大像差系统。图。点列图一般用于评价大像差系统。 58第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展点列点列图：图：一般一般是成是成像光像光线线30%的半的半径，径，半径半径越小，

37、越小，质量质量越好越好 59第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展像质评价的常用方法之四：像质评价的常用方法之四： 光学传递函数：一定空间频率下像的对比度与物的对比度光学传递函数：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。一般之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。一般而言，高频传递函数反映了物体细节传递能力，低频传递函而言，高频传递函数反映了物体细节传递能力，低频传递函数反映物体轮廓传递能力，中频传递函数反映对物体层次的数反映物体轮廓传递能力，中频传递函数反映对物体层次的传递能力。传递能力。 60第二节第二节 光学设计及其发展光学设计

38、及其发展 下图中不同色的曲线表示不同视场的复色光（白光）下图中不同色的曲线表示不同视场的复色光（白光）MTF曲线，最上方黑色的曲线是衍射极限。横坐标是空间频曲线，最上方黑色的曲线是衍射极限。横坐标是空间频率率lp/mm（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大是（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大是1。曲。曲线越高，表明成像质量越好。线越高，表明成像质量越好。 61第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展2、光学设计的主要过程和基本步骤、光学设计的主要过程和基本步骤 光学设计的主要过程光学设计的主要过程制定合理的技术参数：设计成功与否的前提条件；制定合理的技术参数：设计成功与否的前提条件；光学

39、系统总体设计和布局：确定光学原理方案和外形光学系统总体设计和布局：确定光学原理方案和外形尺寸计算，放大率（或焦距）、线视场（或角视场）、尺寸计算，放大率（或焦距）、线视场（或角视场）、数值孔径（或相对孔径）、共轭距、后工作距、光阑数值孔径（或相对孔径）、共轭距、后工作距、光阑位置和外形尺寸等；位置和外形尺寸等；光组的设计（三阶段）：选型，初始结构的计算和选光组的设计（三阶段）：选型，初始结构的计算和选择，像差校正、平衡与像质评价；择，像差校正、平衡与像质评价；长光路的拼接与统算：系统可以由多个光组组成，调长光路的拼接与统算：系统可以由多个光组组成，调整各光组的位置与结构，实现长光路；整各光组的

40、位置与结构，实现长光路；绘制光学系统图、部件图、零件图：光学零件相对位绘制光学系统图、部件图、零件图：光学零件相对位置、实际大小和技术条件。置、实际大小和技术条件。 62光学系统图：光学系统图：光学性能；零件部件序号；相对位置和尺寸；光学性能；零件部件序号；相对位置和尺寸；光阑狭缝大小位置。光阑狭缝大小位置。光学部件图：光学部件图：零件间的相对位置；胶合件的要求；胶合件的零件间的相对位置；胶合件的要求；胶合件的技术要求。技术要求。光学零件图：光学零件图：对材料的要求；对零件的要求；倒角要求；非对材料的要求；对零件的要求；倒角要求；非球面方程；镀膜要求；技术要求。球面方程；镀膜要求；技术要求。第

41、二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 63光学系统图光学系统图第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 64光学部件光学部件图图第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 65光学零件光学零件图图第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 66第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展 光学设计的基本步骤光学设计的基本步骤确定设计指标；确定设计指标；光学系统外形尺寸计算、可行性分析、设计指标修正；光学系统外形尺寸计算、可行性分析、设计指标修正；光学系统初始结构设计；光学系统初始结构设计；像差平衡，必要时修改初始结构；像差平衡，必要时修改初始结构；像差评价与公差分析；像

42、差评价与公差分析；绘制光学系统图、部件图、零件图；绘制光学系统图、部件图、零件图；完成设计报告或设计说明书；完成设计报告或设计说明书；必要时进行技术答辩或技术评审。必要时进行技术答辩或技术评审。 67第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展3、像差与光学设计过程、像差与光学设计过程 光学设计在很大程度上来讲就是像差设计。光学设计在很大程度上来讲就是像差设计。 计算机辅助设计，像差自动平衡；计算机辅助设计，像差自动平衡； 像质的全面评价；像质的全面评价； 不断修改往复。不断修改往复。 68第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展4、光学系统设计要求、光学系统设计要求 光学系统的基本特

43、性：放大率（或焦距）、线视光学系统的基本特性：放大率（或焦距）、线视场（或角视场）、数值孔径（或相对孔径）、共轭场（或角视场）、数值孔径（或相对孔径）、共轭距、后工作距、光阑位置等。距、后工作距、光阑位置等。 系统的外形尺寸：横向尺寸和纵向尺寸。系统的外形尺寸：横向尺寸和纵向尺寸。 成像质量：用途相关，望远镜和显微镜，要求中成像质量：用途相关，望远镜和显微镜，要求中心区域成像质量很好，而对于照相机，则要求尽可心区域成像质量很好，而对于照相机，则要求尽可能全视场成像质量好。能全视场成像质量好。 仪器的使用条件：技术和物理实现的可行性。仪器的使用条件：技术和物理实现的可行性。 69第二节第二节 光

44、学设计及其发展光学设计及其发展5、光学设计的发展概况、光学设计的发展概况 手工设计；手工设计； 计算机辅助设计；计算机辅助设计； 像差理论还不令人满意；像差理论还不令人满意； 计算机还是不能代替人的经验。计算机还是不能代替人的经验。 70第三节第三节 应掌握的光学设计基础应掌握的光学设计基础1、了解光学系统对成像质量的影响、了解光学系统对成像质量的影响 高斯（近轴）光学性质；高斯（近轴）光学性质； 光度性质，信号强度；光度性质，信号强度； 衍射；衍射； 像差校正状况。像差校正状况。 光学系统设计的主要矛盾是仪器尺寸要求与高斯光学系统设计的主要矛盾是仪器尺寸要求与高斯光学的矛盾，增大孔径、视场与

45、像差校正的矛盾。光学的矛盾，增大孔径、视场与像差校正的矛盾。增大孔径不仅使光信号强度增大，而且使理想传递增大孔径不仅使光信号强度增大，而且使理想传递函数增大，但像差将使传递函数减小。函数增大，但像差将使传递函数减小。 71第三节第三节 应掌握的光学设计基础应掌握的光学设计基础2、几何光学基础、几何光学基础 折射定律；折射定律； 反射定律；反射定律； 马吕斯马吕斯(Malus)定律；定律； 费马（费马（Fermat）原理。）原理。 72费马（费马（Fermat）原理：光在任意介质中从一点传播）原理：光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。到另一点时，沿所需时间最短的路径传播

46、。第三节第三节 应掌握的光学设计基础应掌握的光学设计基础 73第三节第三节 应掌握的光学设计基础应掌握的光学设计基础3、像差理论、像差理论 球差；球差； 慧差；慧差； 像散；像散； 场曲；场曲； 畸变；畸变； 位置色差；位置色差； 垂轴色差。垂轴色差。 74第三节第三节 应掌握的光学设计基础应掌握的光学设计基础4、光学材料的选择和光学系统的公差分配、光学材料的选择和光学系统的公差分配 材料折射率和色散系数、材料性质的一致性、材料折射率和色散系数、材料性质的一致性、均匀度、气泡度、光吸收系数等。均匀度、气泡度、光吸收系数等。5、了解、掌握光机结构和光学工艺、了解、掌握光机结构和光学工艺 切割、粗

47、磨、精磨、抛光、磨边、镀膜、胶合切割、粗磨、精磨、抛光、磨边、镀膜、胶合等。等。 75第三节第三节 练习举例练习举例练习题练习题1：用费马（：用费马（Fermat）原理证明光的折射定）原理证明光的折射定律。律。费马（费马（Fermat）原理：光在任意介质中从一点传播）原理：光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。 76第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法1、光线追迹概述、光线追迹概述 起始计算：光线的初始位置和方向；起始计算：光线的初始位置和方向； 折射计算：光线通过表面折射（或反射）后的方折射计算：光线

48、通过表面折射（或反射）后的方向和位置；向和位置； 转面计算：下一个表面的数据转换；转面计算：下一个表面的数据转换； 终结计算与处理：确定光线最后截点长度和高度。终结计算与处理：确定光线最后截点长度和高度。 77Zemax光线追迹光线追迹第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 78Code V光线追迹光线追迹第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 79 光线追迹（光线追迹（Ray tracing），又称为光迹追踪或光线跟），又称为光迹追踪或光线跟踪，来自于几何光学的一项通用技术，它通过跟踪与光学表踪，来自于几何光学的一项通用技术，它通过跟踪

49、与光学表面发生交互作用的光线从而得到光线经过路径的模型。它用面发生交互作用的光线从而得到光线经过路径的模型。它用于光学系统设计，如照相机镜头、显微镜、望远镜以及双目于光学系统设计，如照相机镜头、显微镜、望远镜以及双目镜等。这个术语也用于表示三维计算机图形学中的特殊渲染镜等。这个术语也用于表示三维计算机图形学中的特殊渲染算法。算法。第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 80第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法2、光学系统的像差概述、光学系统的像差概述 像差的大小反映了光学系统质量的优劣；像差的大小反映了光学系统质量的优劣； 像差主要分为

50、几何像差和波像差；像差主要分为几何像差和波像差； 绝对无像差的光学系统是不存在的；绝对无像差的光学系统是不存在的； 像差可以校正得足够好，但衍射效应的影响是无像差可以校正得足够好，但衍射效应的影响是无法消除的；法消除的； 加大通光口径可以减小衍射影响，但几何像差会加大通光口径可以减小衍射影响，但几何像差会增大；增大； 几何像差分为单色像差（球差、慧差、几何像差分为单色像差（球差、慧差、 像散、场像散、场曲、畸变）和色差（位置色差、倍率色差）。曲、畸变）和色差（位置色差、倍率色差）。 81 球差球差 轴上点轴上点A发出的某孔径带的光线与近轴光发出的某孔径带的光线与近轴光线交于不同点，形成球差。线

51、交于不同点，形成球差。 球差球差-系统对轴上物点单色粗光束，成系统对轴上物点单色粗光束，成像时所产生的像差。像时所产生的像差。轴向球差：轴向球差：垂轴球差：垂轴球差：lLLtanuLT第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 82 接收屏在空间沿着主光轴移动，接收到接收屏在空间沿着主光轴移动，接收到的弥散斑都是圆形的，位置不同，弥散斑的直的弥散斑都是圆形的，位置不同，弥散斑的直径也不同。径也不同。 第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 83球差与哪些因素有关？球差与哪些因素有关？ 是是h、u的函数的函数 与与f、D/f、n、r、透镜形状有

52、关、透镜形状有关球差消除方法：球差消除方法：配曲（利用透镜形状与球差的关系消除单透镜的配曲（利用透镜形状与球差的关系消除单透镜的像差）：透镜的纵向球差与透镜的折射率像差）：透镜的纵向球差与透镜的折射率nL和曲和曲率半径率半径r1，r2都有关，因透镜焦距都有关，因透镜焦距f也是也是nL和和r1，r2这三个参量的函数，故对给定的这三个参量的函数，故对给定的nL，同样焦距，同样焦距的透镜可以有不同的曲率比的透镜可以有不同的曲率比r1/r2，选择这个比值，选择这个比值，可使球差的数值达到最小。可使球差的数值达到最小。 L L第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 84组合（

53、正负透镜的组合，组合方式：胶合或分组合（正负透镜的组合，组合方式：胶合或分离）：用配曲法不可能将一个透镜的球差完全消离）：用配曲法不可能将一个透镜的球差完全消除。凸透镜的球差是负的，凹透镜的球差是正的。除。凸透镜的球差是负的，凹透镜的球差是正的。把凸、凹两个透镜粘合起来，组成一个复合透镜，把凸、凹两个透镜粘合起来，组成一个复合透镜，可使某个高度可使某个高度h上的球差完全抵消。上的球差完全抵消。第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 85最简单的方法：是在最简单的方法：是在透镜前加一个光阑只让透镜前加一个光阑只让近轴光线通过。近轴光线通过。第四节第四节 光线追迹及像差

54、校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 86说明：不论采取什么措施，多复杂的系统，说明：不论采取什么措施，多复杂的系统，一般都只能对某一非近轴环节消球差，而一般都只能对某一非近轴环节消球差，而不能同时对各种孔径角的环节消球差。总不能同时对各种孔径角的环节消球差。总有一定的剩余球差，主要包括：有一定的剩余球差，主要包括： 其它环带的问题；其它环带的问题； 高阶球差问题。高阶球差问题。第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 87 慧差慧差 轴外物点发出的粗光束，经系统后所成轴外物点发出的粗光束，经系统后所成的像对主光线失去对称的一种像差。的像对主光线失去对称的一种像差。

55、 第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 88物点离光轴越远，彗差越大；物点离光轴越远，彗差越大；对给定的离轴物点，成像光束愈大，彗对给定的离轴物点，成像光束愈大，彗差愈大；差愈大；与透镜的形状和物点的轴向位置有关。与透镜的形状和物点的轴向位置有关。第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 89 像散像散 光束的子午像点和弧矢像点不重合，光束的子午像点和弧矢像点不重合，两者分开的距离称为象散。两者分开的距离称为象散。 第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 90 场曲场曲 当一个系统象散完全消除时，垂直于光轴的平

56、面当一个系统象散完全消除时，垂直于光轴的平面仍然不能为平面，则称这种像场弯曲为场曲，像场弯仍然不能为平面，则称这种像场弯曲为场曲，像场弯曲的效果是不论像面在任何平面位置，像总是一部分曲的效果是不论像面在任何平面位置，像总是一部分清晰，一部分不清晰。清晰，一部分不清晰。 第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 91 畸变畸变 畸变并不影响像的清晰程度，但影畸变并不影响像的清晰程度，但影响像和物的几何相似性。响像和物的几何相似性。 第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 92 色差色差 一物点发出的多色光，经光学系统成像时，将得一物点发出的多

57、色光，经光学系统成像时，将得到一系列与各波长相对应的不重合的点像，称为色差。到一系列与各波长相对应的不重合的点像，称为色差。点物不能成点像，而得到不同位置的单色像，某一截点物不能成点像，而得到不同位置的单色像，某一截面为彩色弥散斑。面为彩色弥散斑。第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 93 波像差：适用于高像质要求的光学系统。波像差：适用于高像质要求的光学系统。 光线光线-波面的法线。波面的法线。 理想波面理想波面-在理想成像的情况下，和理想在理想成像的情况下，和理想像点对应的波面。像点对应的波面。 波像差波像差-实际波面与理想波面之间的光程实际波面与理想波面之间

58、的光程差。差。 评价像质标准评价像质标准-瑞利判断：当系统最大波瑞利判断：当系统最大波像差像差 ，成像是完善的。，成像是完善的。 4第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 94第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法3、像差校正的一些常用方法、像差校正的一些常用方法 一个好的初始解，应该是像差分布合理、透镜弯曲恰当，一个好的初始解，应该是像差分布合理、透镜弯曲恰当，特别是高级像差不能很大；特别是高级像差不能很大； 应尽量做到各个面上以较小的像差值相抵消，这样就不至应尽量做到各个面上以较小的像差值相抵消，这样就不至于会有很大的高级像差；于会有

59、很大的高级像差； 相对孔径或入射角很大的面一定要使其弯向光阑，以使主相对孔径或入射角很大的面一定要使其弯向光阑，以使主光线的偏角尽量小，以减少轴外像差。反之，背向光阑的面光线的偏角尽量小，以减少轴外像差。反之，背向光阑的面只能有较小的相对孔径；只能有较小的相对孔径； 轴上点像差与各个视场的轴外像差要尽可能一致，以便能轴上点像差与各个视场的轴外像差要尽可能一致，以便能在轴向离焦时使像质同时有所改善；轴上点或近轴点的像差在轴向离焦时使像质同时有所改善；轴上点或近轴点的像差与轴外点的像差不要有太大的差别，使整个视场内的像质比与轴外点的像差不要有太大的差别，使整个视场内的像质比较均匀，至少应使较均匀，

60、至少应使70%视场范围内的像质比较均匀；视场范围内的像质比较均匀； 95第四节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法 挑选对像差变化灵敏、像差贡献较大的表面改变其半径；挑选对像差变化灵敏、像差贡献较大的表面改变其半径； 若要求单色像差有较大变化而保持色差不变，可对某个透若要求单色像差有较大变化而保持色差不变，可对某个透镜或透镜组作整体弯曲；镜或透镜组作整体弯曲； 利用胶合面改变色差或其他像差，并在必要时调换玻璃；利用胶合面改变色差或其他像差，并在必要时调换玻璃； 合理的拦截光束和选定光阑位置。合理的拦截光束和选定光阑位置。 96练习题练习题2：用凝视型红外成像系统观察：用