光学系统设 计概要广学 明德 海纳 厚为v光学仪器及其发展v光学设计及其发展v应掌握的光学设计基础2.1 光学仪器的发展2.1.1光学仪器发展的基础理论 v古典理论几何光学或应用光学波动光学时期量子光学时期现代光学时期2.1.2光学仪器的类别v光学计量仪器 v物理光学仪器 v显微镜 v测绘仪器 v光学测试仪器 v天文光学仪器 v军用光学、光电仪器 v医用光学仪器 v照相机、摄像机 v投影机、电影机械2.1.3光学仪器的发展v二战以前，光学仪器初步形成系列。光学仪器制造已有 近300年历史。从19世纪后期起，德国在光学设计与制 造方面领先世界。 v二战至1960年，主要表现在：改进结构，扩大使用范围 和增加产量，提高质量等方面。 v1960年以来，数字读数，激光，全息，光纤，自动化， 光电子和计算机等新技术的相继应用，创新了许多新的 成像技术、新的光学材料、新的加工方法和新的光学器 件。光学仪器取得了前所未有的成就。2.2光学设计的发展概况 2.2.1 光学设计的概念光学设计所要完成的工作应该包括光学系统设 计和光学结构设计。我们主要讨论光学系统设计。光学系统设计就是根据仪器所提出的使用要求 ，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学 系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。2.2光学设计及其发展我们要为一个光学仪器设计一个光学系统， 大体上可分为两个阶段。第一阶段是根据仪器总 体的技术要求（性能指标、外形体积、重量及相 关技术条件），从仪器的总体（光学、机械、电 路及计算技术）出发，拟定出光学系统的原理图 ，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部 分要求的光学特性等。一般称这一阶段的设计为 “初步设计”或者“外形尺寸计算”。第二阶段是根据初步设计的结果，确定每个镜头 的具体结构参数（半径、厚度、间隔、玻璃材料）， 以保证满足系统光学特性和成像质量的要求。这一阶 段的设计称为“像差设计”，一般简称“光学设计” 。这两个阶段既有区别又有联系。在不同类型的仪器中所占的地位和工作量不同。 如大部分军用光学仪器中，初步设计比较繁重，而像 差设计相对来说比较容易；一般显微镜和照相机中， 初步设计比较简单，而像差设计比较复杂。光学设计的发展经历了人工设计和光学自动设计的 两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参 数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序 进行设计的巨大飞跃。国内外已出现了不少功能相当 强大的光学设计CAD软件。如今，计算机辅助设计已在 工程光学领域中普遍使用，从而使设计者能快速、高 效地设计出优质、经济的光学系统。然而，不管设计 手段如何改变，光学设计过程的一般规律任然是必须 遵循的。2.2.2 光学设计的发展状况2.2光学系统设计的具体过程和步骤 2.2.1 光学系统设计的具体过程 1、制定合理的技术参数 从光学系统对使用要求满足程度出发、制定光学系统 合理的技术参数，这是设计成功与否的前提条件。 2、光学系统总体设计和布局 光学系统总体设计的重点是确定光学原理方案和外形 尺寸计算。为了设计出光学系统的原理图，确定基本光学 特性，使其满足给定的技术要求，首先要确定放大率（或 焦距）、线视场（或角视场）、数值孔径（或相对孔径） 、共轭距、光阑位置和外形尺寸。一般都按理想光学系统 的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在上述计算时还要结合机械结构和电器系统，以防止这 些理论在机械结构上无法实现。每项性能的确定一定要合 理，过高的要求会使设计结构复杂，造成浪费；过低的要 求会使设计不符合要求。因此，这一步骤必须慎重。 3、光组的设计 一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段 1）选型 光组的划分，一般以物象共轭面之间的所有光学零件为 一个光组，也可将其进一步划小。选型是光学系统设计的 出发点，选型是否合理、适宜是设计成败的关键。2）初始结构的计算和选择 初始结构的确定常用以下两种方法： （1）解析法（代数法）：即根据初级像差理论求解 初始结构。这种方法是根据外形尺寸计算得到的基本特 性，利用初级像差理论来求解满足成像质量要求的初始 结构，即确定系统光学零件的曲率半径、透镜的厚度和 间隔、玻璃的折射率和色散等等。 （2）缩放法：即根据对光组的要求，找出性能参数 比较接近的已有结构，将其各外形尺寸乘以缩放比K，得 到所要求的结构，并估计其像差的大小或者变化趋势。3）像差校正、平衡与像差评价 初始结构选好后，要在计算机上进行光路计算，或用像差 自动校正程序进行自动校正，然后根据计算结果画出像差曲线 ，分析像差，找出原因，再反复进行相差计算和平衡，直到满 足成像质量要求。 4、长光路的拼接与统算 以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的 拼接与统算。若结果不合理，则反复试算并调整各光组的位置 与结构，直到达到预期的目的为止。5、绘制光学系统图、部件图和零件图 绘制各种图纸，包括确定各光学零件的相对位置， 光学零件的实际大小和技术条件。这些图纸为光学零件 的加工、校验，零部件的胶合、装配、校正，乃至整机 的装调、测试提供依据。 6、编写设计说明书 设计说明书是进行光学设计整个过程的技术总结， 是进行技术方案评审的主要依据。 7、进行技术答辩 必要时可以进行技术答辩光学设计就是选择和安排光学系统中各光学零件的材 料、曲率和间隔，使得系统的成像符合应用要求。一般设 计过程基本是减小像差到可以忽略不急的程度。光学设计 可以概括为一下几个步骤： （1）选择系统的类型 （2）分配元件的光焦度和间隔 （3）校正初级像差 （4）减小残余像差（高级像差） 以上每个步骤可以包括几个环节，重复地循环这几个 步骤，最终会找到一个满意的结果。2.2.2 光学设计的设计步骤2.3仪器对光学系统性能与质量要求 任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它 的光学系统提出一定的要求。因此，在进行光学设计 之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起 来有以下几个方面。 2.3.1 光学系统的基本特性 数值孔径或相对孔径，线视场或角视场，系统的 放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些 参数，如光瞳的大小和位置、共轭距等等。2.3.2 系统的外形尺寸 系统的外形尺寸，即系统的轴向尺寸和径向尺寸。 2.3.3 成像质量 成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学 系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统 和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于 照相物镜则要求整个视场都要有较好的成像质量。2.3.4 仪器的使用要求 根据仪器的使用条件，要求光学系统具有一定 的稳定性、抗振性、耐热性和耐寒性，以保证仪 器在特定的环境下能正常工作。 在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在 技术上和物理上实现的可能性。例如：生物显微 镜500NA1000NA，望远镜0.2D0.75D像质评价方法v 实际成像的现实是：在光学系统中，点成像的弥散斑尺寸 多大，由衍射效应还是几何像差占主导，多大尺寸的弥散 斑是可以接受的，弥散斑内的能量如何分布，图像的对比 度降低多少，系统的整体质量如何。 v 像质评价方法： v 瑞利判断：实际波面与理想波面之间的最大波像差超过1/4 波长，此波面可看作是无缺陷的。 v 分辨率：当一个点的衍射图中心与另一个点衍射图的第一 暗环重合时，恰好能分辨。衍射理论的最小分辨角=1.22/Dv 点列图：点对应于弥散斑，用集中30%以上的点或光线的 圆形区域为实际有效的弥散斑。v 光学传递函数：傅里叶光学认为光学系统是线性不变系统 ，传递的频率不变。但受限光学仪器，并非所有的频谱都 能传递。用光学传递函数表示光学系统在成像中的传递能 力。2.2.2 光学设计的基础光学设计中的一些重要概念焦距与视角的关系焦距与视角的关系2.2.3 像差设计过程v光学设计在很大程度上讲就是像差设计。 v像差校正与平衡，是一项反复修改结构参数逐步逼近最佳结 果的工作。在计算机辅助光学设计中，采用像差自动平衡的 方法，极大地加快了设计进程，且显著地提高设计质量。 v当像差已校正与平衡到良好状态后，需要借助适当的方法对 像质做全面的评价，以决定设计结果是否符合要求。如尚未 达到要求，仍需继续做像差平衡工作；如发现无论怎样做像 质还是达不到要求，应另选结构形式或另定初始参数。重复 上述步骤继续设计，直到像质达到要求。2.2.4 光学系统设计要求v进行光学设计前一定要了解设计要求，这些要求概括起 来有以下几个方面： v基本特性：数值孔径或相对孔径、线视场或视场角、 系统放大率或焦距。此外还有：光瞳大小和位置、后工 作距离、共轭距等。 v外形尺寸：即系统的横向尺寸与纵向尺寸。 v成像质量：成像质量的要求和光学系统的用途有关。 v仪器的使用条件具体来说，光学系统设计要求还可分为光学系统 基本要求和技术要求v基本要求包括：性能、构型选择和可制造性三个方面。 v技术要求包括：基本结构参数（物距、成像形式、像距 、F数或数值孔径、放大率、全视场、透过率、焦距、 渐晕）；成像质量要求（探测器类型、主波长、光谱范 围、光谱权重、调制传递函数、RMS波前衰减、能量中 心度、畸变）；机械和包装要求；其它具体要求。2.2.5 光学设计的发展概况v20世纪之前的光学仪器，是利用人们直接磨制的各种透镜 按不同情况进行组合，找出符合成像质量要求的结构。 v为节省人力、物力，人们逐渐用计算方法来替代老办法。 这种方法就称为像差计算。 v对于某结构参数的光学系统，光线由同一物点开始，按折 射、反射定律，算出若干条光线；根据这些光线通过系统 以后的聚焦情况，可以大体知道成像质量；然后修改结构 参数，再重复上述计算，直到成像质量满意为止。 v为加快设计进程，促使人们进行“像差理论”研究，但进展 并不令人满意。 v计算机的出现，使光学设计从人工计算的繁重劳动中解放 出来，实现了“自动设计”或“像差自动校正”。2.3 应掌握的光学设计基础v（1）了解光学系统对成像特性的影响 v高斯光学性质；光度性质；衍射；像差校正状况 v主要矛盾：仪器尺寸与高斯光学的矛盾；孔径、视 场与像差校正的矛盾。 v（2）几何光学基础 v（3）像差理论：球差、慧差、像散、场曲、畸变 、位置色差、垂轴色差。 v（4）光学材料的选择和光学系统的公差分配。 v（5）光机结构和光学工艺。2.4 光线追迹及像差校正常用方法2.4.1光线追迹概述 v光线追迹是确定光学系统像差的最普通和最直接方法。 v除了追迹近轴光线之外，还要用光学三角公式追迹不同 口径和视场下的光线，然后根据光线计算的结果来确定 和分析各种像差。 v要解决的问题：给定一个光学系统的结构参数（半径、 厚度或间隔、折射率等），再给出入射到光学系统的光 线方向和目标空间位置，最后求出光线通过该系统后的 方向和空间位置。光线追迹计算通常步骤（1）起始计算：给出光线的初始位置和方向。 （2）折射计算：确定光线经过表面折射（反射）后的方向和位置 （3）转面计算：完成到下一表面的数据转换，以便于继续光线追迹 （4）终结计算与处理：确定光线最后截点长度或高度，有时候还要 计算像差值。 对系统每个表面都要进行折射计算和转面计算。2.4.2 光学系统像差概述像差：实际像与理想像间的偏差子午慧差、弧矢慧差正、负透镜组合消 除像散2.4.3 像差校正的一些常用方法v各光组以至各面的像差分布要合理。在考虑初始结构时可将 要校正的像差列成用初级像差系数表示的方程组，从方程组 的多组解中选出一合理解：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。 v相对孔径或入射角很大的面一定要使其弯向光阑，使主光线 的偏角尽量小，以减少轴外像差。 v最后的像差应有合理的匹配，至少使0.7视场范围内的像质 比较均匀。 v挑选对像差变化敏感的表面改变其半径。v 对于对称结构的光学系统，可以选择成对的对称参数进行修 改。 v 利用胶合面改变色差或其他像差，并在必要时调换玻璃。 v 合理的拦截光束和选定光阑位