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1、光学工程与系统设计第1页，共60页，编辑于2022年，星期四内容内容n n概述概述概述概述n n像的形成（一级光学）像的形成（一级光学）像的形成（一级光学）像的形成（一级光学）n n像差像差像差像差n n棱镜和反射镜棱镜和反射镜棱镜和反射镜棱镜和反射镜n n光阑和孔径光阑和孔径光阑和孔径光阑和孔径n n基本光学器件基本光学器件基本光学器件基本光学器件n n光学计算光学计算光学计算光学计算n n像的评价像的评价像的评价像的评价n n光学系统的一般设计光学系统的一般设计光学系统的一般设计光学系统的一般设计n n特殊光学系统设计特殊光学系统设计特殊光学系统设计特殊光学系统设计第2页，共60页，编辑于
2、2022年，星期四几何光线与波阵面第3页，共60页，编辑于2022年，星期四第一章第一章 一级光学一级光学1.1.1.1.概述概述概述概述2.2.2.2.基基基基本本本本概概概概念念念念：一一一一级级级级光光光光学学学学、有有有有效效效效焦焦焦焦距距距距、前前前前焦焦焦焦点点点点、前前前前焦焦焦焦距距距距、后后后后焦焦焦焦点、后焦距、主点、主平面、节点点、后焦距、主点、主平面、节点点、后焦距、主点、主平面、节点点、后焦距、主点、主平面、节点3.3.3.3.实际光线追迹：三角光学计算实际光线追迹：三角光学计算实际光线追迹：三角光学计算实际光线追迹：三角光学计算4.4.4.4.近轴光学计算：近轴光
3、学计算：近轴光学计算：近轴光学计算：5.5.5.5.放大率计算：垂轴放大率、轴向放大率、角放大率放大率计算：垂轴放大率、轴向放大率、角放大率放大率计算：垂轴放大率、轴向放大率、角放大率放大率计算：垂轴放大率、轴向放大率、角放大率6.6.6.6.连续球面的光线追迹：近轴光学连续球面的光线追迹：近轴光学连续球面的光线追迹：近轴光学连续球面的光线追迹：近轴光学7.7.7.7.等效焦距的计算、等效焦点的计算等效焦距的计算、等效焦点的计算等效焦距的计算、等效焦点的计算等效焦距的计算、等效焦点的计算8.8.8.8.透镜的主点和焦点透镜的主点和焦点透镜的主点和焦点透镜的主点和焦点9.9.9.9.组合透镜的焦
4、点、焦距组合透镜的焦点、焦距组合透镜的焦点、焦距组合透镜的焦点、焦距10.10.10.10.光学不变量光学不变量光学不变量光学不变量11.11.11.11.矩阵光学矩阵光学矩阵光学矩阵光学12.Y-Y12.Y-Y12.Y-Y12.Y-Y图图图图第4页，共60页，编辑于2022年，星期四透镜对光波的影响透镜对光波的影响第5页，共60页，编辑于2022年，星期四像的形成像的形成第6页，共60页，编辑于2022年，星期四光学系统的基本参数光学系统的基本参数第7页，共60页，编辑于2022年，星期四常用参数和术语Object distance Image distance Object to imag
5、e total trackFocal length /number(or numerical aperture)Entrance pupil diameterEntrance and exit pupil location and sizeWavelength band Full field of view Magnification(if finite conjugate)Zoom ratio(if zoom system)Back focal distance Image surface size and shape Optical performance:Transmission Rel
6、ative illumination(vignetting)Encircled energyMTF as a function of line pairs/mm Distortion Field curvature Number of elements Aspheric surfaces Diffractive surfaces Coatings第8页，共60页，编辑于2022年，星期四光学系统的基点与基面光学系统的基点与基面第9页，共60页，编辑于2022年，星期四光学系统的基点与基面光学系统的基点与基面第10页，共60页，编辑于2022年，星期四有效焦距与前、后焦距有效焦距与前、后焦距第1
7、1页，共60页，编辑于2022年，星期四单透镜的主面位置单透镜的主面位置第12页，共60页，编辑于2022年，星期四弯月透镜与反射镜弯月透镜与反射镜第13页，共60页，编辑于2022年，星期四正透镜成像第14页，共60页，编辑于2022年，星期四负透镜成像第15页，共60页，编辑于2022年，星期四物像位置的变化规律第16页，共60页，编辑于2022年，星期四第17页，共60页，编辑于2022年，星期四第18页，共60页，编辑于2022年，星期四负透镜成像规律第19页，共60页，编辑于2022年，星期四第20页，共60页，编辑于2022年，星期四放大率第21页，共60页，编辑于2022年，星期
8、四角放大率角放大率第22页，共60页，编辑于2022年，星期四第23页，共60页，编辑于2022年，星期四数值孔径和数值孔径和F数数第24页，共60页，编辑于2022年，星期四公式汇总公式汇总第25页，共60页，编辑于2022年，星期四符号的物理意义符号的物理意义第26页，共60页，编辑于2022年，星期四第27页，共60页，编辑于2022年，星期四多透镜成像第28页，共60页，编辑于2022年，星期四矩阵光学矩阵光学折射方程折射方程过渡方程过渡方程单个折射面成像方程单个折射面成像方程在空气中在空气中通用通用第29页，共60页，编辑于2022年，星期四Y-Y 图图第30页，共60页，编辑于20
9、22年，星期四第二章第二章 像差像差n n概述概述概述概述 n n像差多项式和赛德像差像差多项式和赛德像差像差多项式和赛德像差像差多项式和赛德像差 球差、彗差、像散和场曲、畸变、色差球差、彗差、像散和场曲、畸变、色差n n透镜形状和光阑位置对像差的影响透镜形状和光阑位置对像差的影响透镜形状和光阑位置对像差的影响透镜形状和光阑位置对像差的影响n n像差随孔径和视场的变化像差随孔径和视场的变化像差随孔径和视场的变化像差随孔径和视场的变化n n光程差光程差光程差光程差n n像差校正和剩余像差像差校正和剩余像差像差校正和剩余像差像差校正和剩余像差n n像差曲线和像差的级次像差曲线和像差的级次像差曲线和
10、像差的级次像差曲线和像差的级次第31页，共60页，编辑于2022年，星期四光线追迹图光线追迹图第32页，共60页，编辑于2022年，星期四像差多项式像差多项式第33页，共60页，编辑于2022年，星期四Notice that in the A terms the exponents of s and h are unity.In the B terms the exponents total 3,as in s3,s2h,sh2,and h3.In the C terms the exponents total 5,and in the D terms,7.These are referred
11、 to as the first-order,third-order,and fifth-order terms,etc.There are 2 first order terms,5 third-order,9 fifth-order,andnth-order terms.In an axially symmetrical system there are no even order terms;only odd-order terms may exist(unless we depart from symmetry as,for example,by tilting a surface o
12、r introducing a toroidal or other nonsymmetrical surface).各项的级次各项的级次第34页，共60页，编辑于2022年，星期四 It is apparent that the A terms relate to the paraxial(or first-order)imagery discussed in Chap.2.A2 is simply the magnification(h/h),and A1 is a transverse measure of the distance from the paraxial focus to o
13、ur“image plane.”All the other terms in Eqs.3.1 and 3.2 are called transverse aberrations.They represent the distance by which the ray misses the ideal image point as described by the paraxial imaging equations of Chap.2.The B terms are called the third-order,or Seidel,or primary aberrations.B1 is sp
14、herical aberration,B2 is coma,B3 is astigmatism,B4 is Petzval,and B5 is distortion.Similarly,the C terms are called the fifthorder or secondary aberrations.C1 is fifth-order spherical aberration;C2 and C3 are linear coma;C4,C5,and C6 are oblique spherical aberration;C7,C8,and C9 are elliptical coma;
15、C10 and C11 are Petzval and astigmatism;and C12 is distortion.The 14 terms in D are the seventh-order or tertiary aberrations;D1 is the seventh-order spherical aberration.系数的意义系数的意义第35页，共60页，编辑于2022年，星期四球差球差轴向球差轴向球差垂轴球差垂轴球差第36页，共60页，编辑于2022年，星期四球差曲线球差曲线轴向球差曲线轴向球差曲线垂轴球差曲线垂轴球差曲线第37页，共60页，编辑于2022年，星期四彗
16、差彗差彗差定义彗差定义第38页，共60页，编辑于2022年，星期四彗差特征彗差特征光阑面光阑面像面像面光束截面光束截面第39页，共60页，编辑于2022年，星期四象散和场曲象散和场曲象散象散场曲场曲第40页，共60页，编辑于2022年，星期四畸变畸变枕形畸变枕形畸变桶形畸变桶形畸变第41页，共60页，编辑于2022年，星期四色差色差 轴轴向向色色差差 垂垂轴轴色色差差第42页，共60页，编辑于2022年，星期四透镜形状和位置对像差的影响透镜形状和位置对像差的影响n n厚透镜公式厚透镜公式n n薄透镜公式薄透镜公式n n对于固定的焦距有无限多的透镜形状对于固定的焦距有无限多的透镜形状第43页，共
17、60页，编辑于2022年，星期四球差和彗差随透镜形状的变化球差和彗差随透镜形状的变化第44页，共60页，编辑于2022年，星期四透镜形状变化对像差的影响透镜形状变化对像差的影响n n考虑物体在无限远的情况考虑物体在无限远的情况考虑物体在无限远的情况考虑物体在无限远的情况n n实物成实像的正透镜产生负球差实物成实像的正透镜产生负球差实物成实像的正透镜产生负球差实物成实像的正透镜产生负球差n n球差随透镜的形状改变呈抛物线改变球差随透镜的形状改变呈抛物线改变球差随透镜的形状改变呈抛物线改变球差随透镜的形状改变呈抛物线改变n n彗差随透镜的形状呈线性变化彗差随透镜的形状呈线性变化彗差随透镜的形状呈线
18、性变化彗差随透镜的形状呈线性变化n n球差最小的位置透镜接近于凸平透镜球差最小的位置透镜接近于凸平透镜球差最小的位置透镜接近于凸平透镜球差最小的位置透镜接近于凸平透镜n n球差最小时彗差为球差最小时彗差为球差最小时彗差为球差最小时彗差为0 0n n球差最小的透镜可用于制作简易的望远镜球差最小的透镜可用于制作简易的望远镜球差最小的透镜可用于制作简易的望远镜球差最小的透镜可用于制作简易的望远镜第45页，共60页，编辑于2022年，星期四光阑在不同位置时对斜光束入射的影光阑在不同位置时对斜光束入射的影响响第46页，共60页，编辑于2022年，星期四光阑位置移动对像差的影响光阑位置移动对像差的影响第4
19、7页，共60页，编辑于2022年，星期四光阑位置移动对像差的影响光阑位置移动对像差的影响n n考虑某弯月透镜形状时的光阑位置移动考虑某弯月透镜形状时的光阑位置移动n n对球差忽然轴向色差无任何影响对球差忽然轴向色差无任何影响n n对彗差呈线性变化，有一位置为对彗差呈线性变化，有一位置为0n n对畸变和横向色差呈正负的变化对畸变和横向色差呈正负的变化n n彗差为彗差为0时子午场曲因而象散最小时子午场曲因而象散最小n n不同透镜形状有不同彗差为不同透镜形状有不同彗差为0的光阑位置的光阑位置第48页，共60页，编辑于2022年，星期四光阑位于光阑位于Nature位置时透镜形位置时透镜形状变化对像差的
20、影响状变化对像差的影响第49页，共60页，编辑于2022年，星期四光阑位于光阑位于Nature位置时透镜形位置时透镜形状变化对像差的影响状变化对像差的影响n n考虑彗差为考虑彗差为0的物体位置的物体位置n n球差最小时产生最大的场曲和象散球差最小时产生最大的场曲和象散第50页，共60页，编辑于2022年，星期四像差随孔径和视场的变化像差随孔径和视场的变化第51页，共60页，编辑于2022年，星期四波像差波像差实际波面与理想波面之差实际波面与理想波面之差第52页，共60页，编辑于2022年，星期四像差校正像差校正n n已经介绍了两种简单校正像差的方法已经介绍了两种简单校正像差的方法已经介绍了两种
21、简单校正像差的方法已经介绍了两种简单校正像差的方法 透镜弯曲和移动光阑透镜弯曲和移动光阑透镜弯曲和移动光阑透镜弯曲和移动光阑n n高层次的像差校正是组合不同正负号像差的透镜使得像差得以抵消高层次的像差校正是组合不同正负号像差的透镜使得像差得以抵消高层次的像差校正是组合不同正负号像差的透镜使得像差得以抵消高层次的像差校正是组合不同正负号像差的透镜使得像差得以抵消 例如：正透镜产生欠校正的球差和位置色差，例如：正透镜产生欠校正的球差和位置色差，例如：正透镜产生欠校正的球差和位置色差，例如：正透镜产生欠校正的球差和位置色差，负透镜产生过校正的球差和位负透镜产生过校正的球差和位负透镜产生过校正的球差和
22、位负透镜产生过校正的球差和位置色差。用正负透镜组合校正球差和位置色差置色差。用正负透镜组合校正球差和位置色差置色差。用正负透镜组合校正球差和位置色差置色差。用正负透镜组合校正球差和位置色差 双胶合透镜的色差校正：双胶合透镜的色差校正：双胶合透镜的色差校正：双胶合透镜的色差校正：大光焦度的正透镜用低色散的冕牌玻璃，小光焦度大光焦度的正透镜用低色散的冕牌玻璃，小光焦度大光焦度的正透镜用低色散的冕牌玻璃，小光焦度大光焦度的正透镜用低色散的冕牌玻璃，小光焦度的负透镜用高色散的火石玻璃，因此负透镜具有每单位光焦度较大的正色散，与正的负透镜用高色散的火石玻璃，因此负透镜具有每单位光焦度较大的正色散，与正的
23、负透镜用高色散的火石玻璃，因此负透镜具有每单位光焦度较大的正色散，与正的负透镜用高色散的火石玻璃，因此负透镜具有每单位光焦度较大的正色散，与正透镜的负色散抵消。透镜的负色散抵消。透镜的负色散抵消。透镜的负色散抵消。双胶合透镜的球差校正：双胶合透镜的球差校正：双胶合透镜的球差校正：双胶合透镜的球差校正：考虑光焦度、形状和折射率。如果负透镜的折射率较考虑光焦度、形状和折射率。如果负透镜的折射率较考虑光焦度、形状和折射率。如果负透镜的折射率较考虑光焦度、形状和折射率。如果负透镜的折射率较高，胶合面将产生发散，产生过校正球差，与外表面的欠校正球差抵消。高，胶合面将产生发散，产生过校正球差，与外表面的欠
24、校正球差抵消。高，胶合面将产生发散，产生过校正球差，与外表面的欠校正球差抵消。高，胶合面将产生发散，产生过校正球差，与外表面的欠校正球差抵消。第53页，共60页，编辑于2022年，星期四球差的校正与剩余球差球差的校正与剩余球差第54页，共60页，编辑于2022年，星期四色差的校正与剩余色差色差的校正与剩余色差二级光谱二级光谱第55页，共60页，编辑于2022年，星期四色差随孔径的变化色差随孔径的变化色球差色球差第56页，共60页，编辑于2022年，星期四场曲与象散的校正场曲与象散的校正第57页，共60页，编辑于2022年，星期四光线相交曲线与像差的级次光线相交曲线与像差的级次第58页，共60页，编辑于2022年，星期四欠校正球差过校正球差欠校正带球差欠校正彗差三级和五级彗差欠校正轴向色差第59页，共60页，编辑于2022年，星期四典型的轴外像差曲线第60页，共60页，编辑于2022年，星期四