光电系统设计理论基础

1、.,现代光电系统设计,版权所有， 1997 (c) Dale Carnegie 2) 彗差; 3) 像散; 4) 场曲; 5) 畸变; 6) 轴向色差; 7) 垂轴色差;,.,子午面和弧矢面的定义,.,1、球差,平行光线入射,在轴上交点不都相同,和近轴像面之间的差别为球差;,.,球差校正曲线图,.,2、彗差,子午面上孔径和下孔径交点和主光线之间的距离为子午彗差;同理为弧矢彗差;,.,3、场曲,.,4、像散,.,5、畸变,.,A)理想 B) 正畸变 C)负畸变,.,6、轴向色差,1/f=(n-1)(1/r1-1/r2) ,不同颜色光焦距不同; 红光的像面最长，紫光的像面最短；,.,.,7、垂轴色

2、差,y= f * tan (w); 不同波长,折射率不同,焦距不同,所以像高不同,差别就是垂轴色差;,.,.,像差公式,.,四、拉氏不变量与光学信息量,光学信息量一般是多维的，此处侧重于“空间信息量”（另外包括“时间信息量”） 空间信息量的度量: 一般，用在像面能分辨多少个点来定义 对于数码相机，最高有400万pixels 对135胶片：36mm24mm 国标要求：50lp/mm（轴上），取平均值40 lp/mm（轴上、轴外）即，每毫米100个、80个点可分辨,.,第三章、光学传递函数,一、评价方法 二、典型成像系统的特征频率法,.,光学传递函数是点/线扩展函数的傅立叶变换 1)自相关法； 2

3、)快速傅立叶变换法； 3)点列图方法。,.,20世纪40年代，把傅立叶分析方法应用于到光学中，并使用了电子计算机。1961年，国际光学会议统一称为光学传递函数（optcal transfer function） 1939年，-检验照相物镜发现“伪超分辨率”现象。 1946年，P.M.Duffieux 已将Fourier变换用于光学。认为“非相干光学系统可看作一个低通线性滤波器”。,发展历史,.,1948年，C.E.Shamnon 建立信息量量度概念和方法。 1953年，O.H.Schade 研究电视过程的成像。,.,.,其它评价要求,几何像差 波像差 分辨率 其中主要用于光学设计阶段，用于生产

4、过程中检验（主观性大），像差与实际质量没有简单的数量关系。,.,二、典型成像系统的特征频率法,1、显微系统 （要求：可分辨、不求层次、照明好、对比高）若要求分辨2细节，特征频率取：,由人眼观察，确定MTF值： 人眼MTF=0.026；,.,在 0.51,则,.,2、电视摄像物镜,电视系统（摄像管）特征频率12 lp/mm； 1/3CCD Nyquist频率77 lp/mm 像素： 752（H）582（V） 尺寸： 4.8（H）3.6（V）mm2 分辨率：470电视行（垂直）,.,M电-包括从摄像管（CCD）到荧光屏显示的全过程，一般取0.6左右。 M物-要求分辨物体亮度差20%，即,.,3、电

5、影摄影物镜,质量要求中的清晰度，是对细节的分辨能力。即通常讲的目标细节的成像虚实程度，是决定特征频率的主要因素。摄影要求的层次是决定调制度值的主要因素。,=50 lp/mm处 （验收镜头一般以此N0的鉴别率板拍摄情况作标准）,.,电影胶片的截止频率一般为：70100 lp/mm； 一般取特征频率N0= 50 lp/mm下，MTF0 0.5。,.,4、望远系统,特征频率接近截止频率。 D径要足够大，以保证理想角分辨大于要求的角分辨能力。 处理方法与显微镜类似。,.,5、照相物镜MTF指标,35mm（画幅3624mm2）照相镜头 级,.,电影物镜MTF指标（提案）,.,航摄制图物镜MTF指标（提案

6、）,.,.,第四章 光学系统外形尺寸 和参数计算,一、光学系统的分类 二、设计实例,.,一、 光学系统的分类,1、 望远系统：物像均在无穷远的光学系统。视角放大倍率的定义 : 2、 显微系统： 主要是对线性放大。,.,外形尺寸：长度（轴向）/口径（径向） 参数：f,w（或画幅），D/f 确定外形尺寸的基本原则： 1、 拉氏不变量和象差的校正 2、 光度特性 不同系统中的一般典型关系： 望远-倍率与长度的关系（倍率长度） 摄影-光度与象差 显影-精度与孔径 变焦-变焦比与像面稳定,.,3 变焦距光学系统,A) 变焦点光学系统(Variable focal length lens) -varifo

7、cal 焦距变、焦点也变，需像面移动补偿像面位移； 应用场合：手动调焦，投影镜头（focus环）,.,B) 变焦距光学系统（Zoom Lens）（变倍率镜头） 焦距变、焦点不变，即像面位移在焦深范围内。分为光学补偿、机械补偿两大类。 光学补偿-运动镜组一体运动（同向/同速） ; 优点：不需凸轮（或螺旋线CAM） ; 缺点：长，轻微像面位 ;,.,光学补偿,原理:物象交换原则就是简单的光学补偿法,.,最多有3个实根，即三个焦距位置是完全补偿的。 从最后一个运动组向左数，有几个透镜组（可动间隔数）就有几个完全补偿像面偏移的。,.,.,机械补偿,概念：物象交换原则-f可变，共轭距不变。 机械补偿-运

8、动镜组依一定关系运动，沿凸轮曲线精确补偿像面位移。 优点：像质好，短，结构适当，变倍倍率大。 缺点：凸轮加工等困难（非线性）,.,所以当物象变换(m,1/m)共轭不变-同光学补偿法。 若连续变倍，则必须加补偿组，一般再加后固定组,.,.,二、 设计实例,要求设计=100，筒长L=200mm的望远系统,.,桶长主要由f物决定;,.,1) 选简单型，即为开普勒式,满足理论要求。,.,分析问题所在，对目视系统 眼应放在出瞳附近。X(P)-眼点距,简单的开普勒式结构不合理,.,2、 将物镜复杂化: 选可能实现要求的远摄型物镜,.,取,.,前组像差难校正,摄远物镜也无法满足要求。 解决的途径在于；折反射系统,.,第五章、典型光学系统,一、望