光学设计第一章ppt课件.ppt

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1、现代光学设计,北京理工大学信息科学技术学院光电工程系,李林 Tel: 68912567,82952860,13641082083E-mail: LI_LIN,硕士生现代光学设计课程内容,1、常用像质评价指标2、光学自动设计原理和程序3. 公差分析与计算4. 变焦距光学系统5. 目视光学系统设计6. 照相物镜设计,硕士生现代光学设计课程要求,1、掌握采用常用评价指标评价光学系统成像质量的方法，对几何像差、垂轴像差、波像差和光学传递函数进行分类和总结。2、学习光学自动设计和两种常用自动设计程序的原理，掌握SOD88软件包中的适应法和阻尼最小二乘法自动设计程序的使用方法，或掌握ZEMAX软件中的自动

2、设计程序使用方法。,3、熟练掌握ZEMAX软件或SOD88软件包的像差计算、自动设计、传函计算等程序的使用方法。4、利用ZEMAX软件或SOD88软件设计如下光学系统：望远镜物镜设计要求：焦距为200，半视场角为4，相对孔径为1：5,目镜设计与中的望远镜物镜进行配合，要求：视放大率为6倍，目镜出瞳距离为20照相物镜设计要求：焦距为50，半视场角为25，相对孔径为1：3(4)利用Zemax软件中的多重结构构造一个理想的变焦距系统，焦距从30300，给出变焦数据将以上各点写成报告上交。要求独立完成，禁止互相抄袭。,第一章 光学系统像质评价,什么是像差？如何评价系统的成像质量？几何像差的定义理想光学

3、系统的分辨率其他像质评价指标,1. 概述,光学系统像质评价,光学系统作用,把目标发出的光按仪器工作原理的要求改变它们的传播方向和位置，送入仪器的接收器，从而获得目标的各种信息，包括目标的几何形状、能量强弱等。,对光学系统的要求,光学特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距离等,-应用光学,成像质量，成像清晰，物像相似，变形要小,-光学设计,成像质量评价的方法,（1）、光学系统实际制造完成后对其进行实际测量,分辨率检验：分辨率：光学系统成像时所能分辨的最小间隔,空间频率：的倒数 ，单位：lp/mm,星点检验 一个物点通过光学系统成像后，根据弥散斑的大小和能量分布的情况，可以评判系统的

4、成像质量,分辨率检验时所采用的图案：,分辨率检验时所采用的图案：,星点检验衍射受限系统的夫朗和斐衍射图,星点检验衍射受限系统的艾里斑的三维光强分布,星点检验衍射受限系统：子午面内的等强度线,设计阶段的评价方法,几何光学方法：几何像差，波像差，点列图，几何光学传递函数,物理光学方法：点扩散函数，相对中心光强，物理光学传递函数,2.光学系统的坐标系统、结构参数和特性参数,坐标系统及常用量的符号及符号规则,坐标系与应用光学中所采用的坐标系一样线段从左向右为正，由下向上为正，反之为负，角度一律以锐角度量，顺时针为正，逆时针为负。,对于角度和物、像距，用大写字母代表实际量，用小写字母代表近轴量。,光学系

5、统的结构参数,光学系统的结构参数,光学系统的结构参数,式中，c为曲面顶点的曲率，K为二次曲面系数，a4,a6,a8,a10,a12为高次非曲面系数。,表1-1 二次曲面面型,不同的面形，对应不同的面形系数，例如球 面：K1，a4=a6=a8=a10=a12=0二次曲面：K1，a4=a6=a8=a10=a12=0,如果系统中有光阑，则把光阑作为系统中的一个平面来处理。 指定波长光线的折射率n。 选择35个波长。用人眼观察的目视光学仪器采用C(656.28nm)，D(589.30nm)，F(486.13nm) 3种波长；用感光底片接收的照相机镜头，则采用C，D，g(435.83nm)这3种波长。,

6、物距L物高y或视场角物方孔径角正弦(sinU)或光束孔径高(h)孔径光阑或入瞳位置渐晕系数或系统中每个面的通光半径,光学特性参数,代表从系统第一面顶点O1到物平面A的距离。物平面位在无限远时，用L0代表,物距,物高y或视场角成像范围：当物平面位在有限距离时，用物高y表示 物平面位在无限远时，用视场角表示。,物方孔径角正弦(sinU)或光束孔径高(h)物平面位在有限距离时，光束孔径用轴上点边缘光线和光轴夹角U的正弦(sinU)表示；当物平面位在无限远时则用轴向平行光束的边缘光线孔径高(h)表示。,轴外物点必须给定入瞳或孔径光阑的位置。入瞳位置用从第一面顶点到入瞳面的距离lz表示如果给出孔径光阑，

7、则把光阑作为系统中的一个面处理，并指出哪个面是系统的孔径光阑。,轴外光束的宽度比轴上点光束的宽度小，这种现象叫做“渐晕”。,渐晕系数或系统中每个面的通光半径,为保证轴外点的成像质量，把轴外子午光束的宽度适当减小；,从系统外形尺寸上考虑。两种方式：一种是渐晕系数法；另一种是给出系统中每个通光孔的实际通光半径。,3.几何像差定义,光学系统的色差轴向色差垂轴色差,轴向色差,C和F两种波长光线的理想像平面间的距离来表示近轴位置色差，也称为近轴轴向色差,垂轴色差,基准像面选定为中心波长的理想像平面,轴上像点的单色像差-球差 不同口径光线和光轴交点到理想像面的距离,球差的表示方法,大口径边缘光线对距系统最

8、后一面的距离,近轴（理想）像点位置,符号规则：由理想像点计算到实际光线交点,三、存在球差时的像点形状,最小弥散圆,轴外像点的单色像差,子午面：主光线与光轴决定的平面,弧矢面：过主光线与子午面垂直的平面,一.子午像差,子午光线对,子午光线对交点,子午光线对交点与理想像平面不重合,同样，子午光线对交点与主光线不重合,子午场曲: 子午光线对交点到理想像面的距离,孔径选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3)hm,子午彗差：子午光线对交点到主光线的距离,视场选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3),孔径选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.

9、3)hm,细光束子午场曲：子午细光线对交点到理想像面的距离,轴外子午球差 ：子午宽光束交点到细光束交点的距离,视场选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3),二.弧矢像差,弧矢光线对,弧矢光线对交点,弧矢光线对交点与理想像平面不重合,同样，弧矢光线对交点与主光线不重合,弧矢场曲: 弧矢光线对交点到理想像面的距离,孔径选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3)hm,弧矢彗差：弧矢光线对交点到主光线的距离,视场选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3),孔径选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3)hm,细光束弧矢场曲

10、：弧矢细光线对交点到理想像面的距离,轴外弧矢球差 ：弧矢宽光束交点到细光束交点的距离,视场选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3),正弦差：彗差与像高的比值,像散：,畸变：成像光束主光线实际像高和理想像高之差,平均场曲：,像点形状及特性： 球差,最小弥散圆,像差形状及特性,二.彗差 弧矢彗差大约等于子午彗差 的三分之一 光学系统有彗差时像点的 形状如彗星,三.像散,像差形状及特性,子午焦线 弧矢焦线,在子午焦线处，得到水平焦线在弧矢焦线处，得到垂直焦线在两焦线之间，为椭圆,四.场曲 若存在场曲，像面不是平面，是一个曲面,畸变,像的大小和理想想高不等 畸变不影响像的清晰 只

11、影响像的变形,如果实际像高小于理想像高：桶形畸变 如果实际像高大于理想像高：鞍形畸变 畸变和视场的三次方成正比,4. 垂轴像差,子午垂轴像差,弧矢垂轴像差,高级像差,在像差理论研究中，把像差与y，h的关系用幂级数形式表示，最低次幂对应的像差称为初级像差，而较高次幂对应的像差称为高级像差,1) 剩余球差 2) 子午视场高级球差 3) 弧矢视场高级球差 4) 全视场0.7071孔径剩余子午彗差 5) 全孔径0.7071视场剩余子午彗差 6) 剩余细光束子午场曲 7) 剩余细光束弧矢场曲 8)色球差 9) 剩余垂轴色差,一个系统在像差校正完成以后，成像质量的好坏就在于其高级像差的大小。像差校正完成以

12、后，如果各种高级像差能够合理地平衡或匹配，则成像质量会有所提高。因此，在像差校正的后期，初级像差已经校正的情况下，为了使系统的成像质量更好，就要求对高级像差进行平衡。 高级像差的平衡是一个比较复杂的问题，使用者可参考有关书籍。,5. 几何像差的曲线表示,举例：计算如图所示系统的像差系统光学特性为L= =-18 h=10 系统的主要近轴参数为f=40.111 lF=28.269 y=13.42,轴上点像差,1.0h 0.85h 0.7h 0.5h 0.3h 0.0h L 0.01632 -0.03319 -0.04516 -0.03377 -0.01451 0SC -0.00048 -0.000

13、36 -0.00026 -0.00014 -0.00005 0Lg 0.08203 0.02128 0.00262 0.00808 0.02416 0.03704 LC 0.05059 0.00044 -0.01213 -0.001440.01740 0.03169 LgC 0.03143 0.02084 0.01476 0.00952 0.00676 0.00535,轴外细光束像差, 1.0 0.85 0.7 0.5 0.3yz -0.11120-0.07304-0.04409-0.01634-0.00363xt -0.06395-0.018260.00068 0.00605 0.00373

14、xs -0.03940-0.05270 -0.05038 -0.03363 -0.01390Xts -0.024550.03444 0.05106 0.03968 0.01763ygC 0.00445-0.00241-0.00565-0.00655-0.00484,轴外宽光束像差, 1.0 0.85 0.7 0.5 0.3LT1h 0.394840.37338 0.31459 0.19827 0.08993KT1h -0.00666 -0.00857 -0.00941-0.00647-0.00595LT7h 0.110690.09554 0.06942 0.02327-0.01802KT7h

15、-0.01040 -0.00878-0.00712-0.00448-0.00278LS1h 0.63399 0.45824 0.32002 0.16716 0.07041KS1h -0.03192-0.02101-0.01343-0.00601-0.00258,子午垂轴像差,+1.0h +0.85h +0.7h +0.5h +0.3h0 -0.3h -0.5h -0.7h -0.85h -1.0h1.0 0.070630.01823-0.00285-0.00980-0.006480.0.00082-0.00390-0. 01795-0.03942-0.083940.85 0.076170.02

16、5180.00411-0.00423-0.003080.-0.000154-0.00700-0 .02166-0.04446-0.093310.7 0.067670.022990.00485-0.00224-0.001560.-0.00207-0.00663-0. 01908-0.03976-0.086500.5 0.044790.012510.00065-0.00252-0.001060.-0.00132-0.00319-0. 00961-0.02306-0.057720.3 0.01795-0.00056-0.00532-0.00389-0.001170.-0.000160.00062-0

17、.0 0024-0.00701-0.029840 0.00420-0.00720-0.00809-0.00425-0.001090.0.001090.004250 .008090.00720-0.00420,弧矢垂轴像差,1.0 0.85 0.7 0.5 0.3 yszs yszs yszs yszs yszs1.0h -0.03192 0.14715 -0.021010.10156 -0.013430.06814 -0.006010.03407 -0.002580.01450 yszs yszs yszs yszs yszs0.85h -0.02228 0.07163 -0.014700.0

18、4467 -0.009430.02574 -0.004350.00747 -0.00186-0.00231 yszs yszs yszs yszs yszs0.7h -0.01525 0.03248 -0.010110.01698 -0.006530.00679 -0.00311-0.00215 -0.00134-0.00628 yszs yszs yszs yszs yszs0.5h -0.00763 0.00675 -0.005100.00070 -0.00333-0.00257 -0.00164-0.00447 -0.00072-0.00456 yszs yszs yszs yszs y

19、szs0.3h -0.00276 -0.00066 -0.00186-0.00258 -0.00122-0.00317 -0.00061-0.00277 -0.00027-0.00183,像差曲线,垂轴像差曲线,理想成像： 球面波波像差实际波面和理想波面之间的光程差,6. 用波像差评价光学系统的成像质量,用波像差评价光学系统的成像质量,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010 -1.479-1.470-1.4369 -1.444-1.454-1.480-1.506-1.4998 -1.165-1.186-1.246-1.334-1.433-1.503-1.4797 -0.820-0.8

20、44-0.917-1.034-1.186-1.350-1.480-1.4946 -0.507-0.530-0.601-0.722-0.893-1.101-1.318-1.480-1.4795 -0.271-0.290-0.351-0.461-0.625-0.844-1.101-1.350-1.5034 -0.120-0.134-0.181-0.271-0.416-0.625-0.893-1.186-1.433-1.4993 -0.040-0.049-0.081-0.149-0.271-0.461-0.722-1.034-1.334-1.5062 -0.008-0.013-0.032-0.081

21、-0.181-0.351-0.601-0.917-1.246-1.480-1.4361 -0.001-0.002-0.013-0.049-0.134-0.290-0.530-0.844-1.186-1.454-1.4700 0.000-0.001-0.008-0.040-0.120-0.271-0.507-0.820-1.165-1.444-1.479-1 -0.001-0.002-0.013-0.049-0.134-0.290-0.530-0.844-1.186-1.454-1.470-2 -0.008-0.013-0.032-0.081-0.181-0.351-0.601-0.917-1.

22、246-1.480-1.436-3 -0.040-0.049-0.081-0.149-0.271-0.461-0.722-1.034-1.334-1.506-4 -0.120-0.134-0.181-0.271-0.416-0.625-0.893-1.186-1.433-1.499-5 -0.271-0.290-0.351-0.461-0.625-0.844-1.101-1.350-1.503-6 -0.507-0.530-0.601-0.722-0.893-1.101-1.318-1.480-1.479-7 -0.820-0.844-0.917-1.034-1.186-1.350-1.480

23、-1.494-8 -1.165-1.186-1.246-1.334-1.433-1.503-1.479-9 -1.444-1.454-1.480-1.506-1.499-10-1.479-1.470-1.436,中央亮斑直径,由于衍射像有一定大小，如果两个像点之间距离太短，就无法分辨两个像点，我们把两个衍射像点之间所能分辨的最小间隔称为理想光学系统的衍射分辨率。,由于衍射像有一定大小，如果两个像点之间距离太短，就无法分辨两个像点，我们把两个衍射像点之间所能分辨的最小间隔称为理想光学系统的衍射分辨率。,瑞利判据：两像点间能够分辨的最短距离约等于中央亮斑半径,理想光学系统衍射分辨率公式,对比度：,

24、瑞利判据道斯判据斯派罗判据,各类光学系统分辨率的表示方法,望远镜分辨率,用能分辨开的两物点对物镜张角 表示,望远镜分辨率测量,照相系统分辨率,用像平面上每毫米能分辨开的线对数N表示,照相系统分辨率测量,显微镜分辨率,用物平面上刚能分辨开的两个物体间的最短距离 表示,望远镜的有效放大率：,望远镜衍射分辨率,望远镜视角分辨率,D=2.3时对应的视放大率称为有效放大率,8. 光学传递函数,一、概述,对光学系统使用者来说，希望提高系统的分辨率，因此通常提出分辨率的指标对于光学系统设计者来说，设计阶段无法计算出系统预期能达到的分辨率，只能计算出几何像差或波像差，像差越小，系统预期分辨率越高；但它们之间没

25、有简单的数量关系，只能靠试制样品并测量得出分辨率。因此需要靠设计试制测试反复多次才能达到要求。即便分辨率满足要求，也不能充分反映系统的成像质量，它反映的仅仅是系统能分辨的极限空间频率，并不能反映在可分辨的空间频率范围内所有频率的物像之间对比度和位相的变化。,光学传递函数是目前公认的最能充分反映系统实际成像质量的评价指标能够全面、定量反映光学系统的衍射和像差所引起的综合效应，并且可以根据光学系统的结构参数直接计算出来在设计阶段就可以准确地预计到制造出来的光学系统的成像质量按照几何光学的观点来近似计算地光学传递函数称为几何光学传递函数；根据波动光学按衍射效应计算的光学传递函数称为物理光学传递函数,

26、图像的合成与分解,分解方法把物面分解成无数个物点，分别通过系统成无数个像点，即函数，然后在像面上合成，就得到了像,2. 傅立叶方法：将物面的光强度分布分解成频率，振幅和位相不同的余弦函数，分别通过光学系统以后，这些分布仍然是余弦函数，只是初位相和振幅发生了变化，再将这些余弦函数合成，即可得到像的分布,例如,振幅和空间频率的关系称为振幅频谱函数,初位相和空间频率的关系称为位相频谱函数,分解,周期函数,周期函数的频谱函数只是若干个不连续的离散点,分解,非周期函数,非周期函数的振幅频谱函数和位相频谱函数是连续函数,光学传递函数的基础,线性系统,如果光学系统使用非相干的单色光照明，近似为一线性系统，对

27、于大多数光学系统，成像质量随物高的变化是比较小的，在一定范围内，可以看作是空间不变的,空间不变系统,二、光学传递函数的计算思路,一个光学系统成像，就是把物平面上的光强度分布图形转换成像平面的光强度分布图形。,利用傅立叶分析方法可以对这种转换关系进行研究，它把光学系统的作用看成是一个空间频率的滤波器，进而引出了光学传递函数,几何光学中，把任意物平面的强度分辨，看做是由无数个发光点组成的，也就是把物平面上的强度分布分解为无数个点，从数学上来说就是把强度分布分解为无数个 函数,在傅立叶分析光学中，把任意的强度分布函数，分解为无数个不同频率，不同振幅，不同初位相的余弦函数，称为余弦基元,假设物平面输入

28、的余弦基元为 像平面相应输出的余弦基元为物面的对比度为 像面的对比度为,像平面和物平面对比之比（振幅）称为振幅传递函数 像平面和物平面初位相之差称为位相传递函数二者统称为光学传递函数，用OTF()表示,已知光学系统对指定共轭面的光学传递函数，这一对共轭面的成像性质就完全确定了。把像面余弦基元合成以后就是要求的像面图形。,理想光学系统的振幅传递函数,三、用光学传递函数评价系统成像质量取不同像高的若干个像点，分别求 出它们的传递函数，分子午和弧矢 两个面用曲线表示不同系统光学传递函数有不同标准两个系统构成的组合系统，MTF 等于两分系统MTF值的乘积,MTF()=MTF1()MTF2(),用光学传递函数评价系统成像质量,其他各种像质评价指标,Spot Diagram(像点弥散图)光线直接追迹到像平面理想情况，为一个点实际情况，是一个弥散图形,点扩散函数,点扩散函数计算的是一个物点通过光学系统以后衍射像的强度,Encircled Energy 包围圆能量,包围圆能量：以像面上主光线或中心光线为中心，以离开此点的距离为半径做圆，以落入次圆的能量和总能量的比值来表示.,