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光学设计

光学设计. ｛. 成象理论（外形尺寸计算） 象差理论（完善光学系 统） 设计典型光学系统 光学设计的理论. 交：系统设计说明书 象差曲线图 光学零件图 纸 计算的打印结果. 完成： 双筒棱镜望远系统设计. 第一节 对光学系统的要求. 光学系统设计 一 光学系统的基本特性 NA , D/ f’ , f’ , β , L , L’ Y , Y’, 2w ， 2w ’ , D 入瞳 , D 出瞳 , Lz ’ 外形尺寸 : 计算垂轴与沿轴尺寸 三 成象质量 : 满足.

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Presentation Transcript

  1. 光学设计 ｛ 成象理论（外形尺寸计算） 象差理论（完善光学系 统） 设计典型光学系统 光学设计的理论

  2. 交：系统设计说明书 象差曲线图 光学零件图 纸 计算的打印结果 完成： 双筒棱镜望远系统设计

  3. 第一节 对光学系统的要求 • 光学系统设计 • 一 光学系统的基本特性 • NA , D/f’ , f’ , β , L , L’ • Y , Y’, 2w ，2w’, D入瞳 , D出瞳, Lz’ • 外形尺寸:计算垂轴与沿轴尺寸 • 三 成象质量:满足

  4. 第二节 光学系统设计概述 由使用要求决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组结构 分四个阶段： 外形尺寸计算 初始尺寸计算 象差校正 象差平衡及象质评价

  5. 对光学系统要求 • 光学系统的基本特性 • 外形尺寸 横向及纵向尺寸 • 各组光瞳之间的衔接 • 三 成象质量 ｛

  6. 光学系统的外形尺寸计算 由物镜和目镜组成的望远系统 结构和光束限制 望远镜光路图： 目镜 出射光瞳 视场光阑 D' D w 物镜 f l ' -f 1' 2 Z

  7. y' ' (F F ) 2 1 y z x z' y' x' x" z" y"

  8. 反射棱镜成像特性:在光路中相当于平行平板 轴向位移 △L’= d ( 1 - 1/n) 简单棱镜 棱镜 复合棱镜 屋脊棱镜 ｛

  9. 棱镜展开：沿反射面的次序依次展开 等效空气层的厚度

  10. y z x D z' y' x' x" z" y"

  11. 简单望远系统结构 不考虑反射倒象棱镜 结构计算： 物镜与目镜的焦距 物镜的通光孔径、孔阑、 出瞳直径、视场光阑直径、目镜视场角、镜目距、目镜通光孔径、视度调节量、物镜目镜结构

  12. 视度调节 △= mm 带有棱镜转象系统的望远系统结构图：

  13. 25％棱镜挡住了 y' 目镜 2D/n(等效空气层厚度） 25％目镜挡住了

  14. 设计要求：双筒棱镜望远系统的设计 （采用普罗I 型棱镜结构转象） г=6，D/f’=1/4 ，2w=8˚

  15. 视场边缘有50%的渐晕 棱镜渐晕25% 目镜渐晕25% 棱镜最后一面到分划板距离>14mm 可以为15、16、17、18mm.

  16. 否则第一个棱镜会挡住平行平板 出瞳距离Lz’ >8-10mm

  17. 望远物镜 F 目 目镜

  18. 物镜要与棱镜产生的象差平衡（五角屋脊棱镜要考虑与物镜的象差平衡）物镜要与棱镜产生的象差平衡（五角屋脊棱镜要考虑与物镜的象差平衡） △l’= d ( 1 - 1/n) 等效空气层厚度 d = d / n 好处：光线通过厚度为d的空气层，光线 不偏折

  19. 等效空气平板原理 A A' L' d l' d

  20. 先定棱镜口径 外形尺寸：NA , D/f’ , f’ , β , L , L’ Y , Y’, 2w , D入瞳 , D出瞳 , Lz’ 孔阑的设置：位置、大小。 孔阑大小由光照度、分辨率、成像质量确定 显微物镜NA，照相物镜D/f’

  21. 系统 F1' b d d a

  22. ｛ 不同光学系统孔阑设置 远心光路： 物方：孔阑在象方焦面上 像方：孔阑在物方焦面上 目镜： 出瞳和眼瞳重合 显微物镜：孔阑在低倍物镜框上

  23. 视阑的设置：一般在物、像面上 ｛ 光学仪器设计手册（上） 实用光学设计方法与现代光学系统 光学设计 工程光学设计 光学设计手册 图书馆

  24. 由任务书画光路图、计算光学参数 物镜：D/f’=1/4， D=30 , f1’ =120 , 目镜：г= 6 , г =-f1 ’ /f2’ , f2’ = 20 . 沿轴尺寸较好计算，口径如何计算？ 孔径中心能量最大，要拦边缘光

  25. 系统 渐晕50％ h y' w c b a f l z' 2' d d 1 2 f 1'

  26. ｛ 棱镜设计： 形状 厚度：查光学设计手册 校象差：物镜和棱镜象差一起校正

  27. y ’ = f物’tgω’、 г = tgω’ / tgω a≥14 (不超过20) b定为2mm C = f’– 2 d– b – a 棱镜 2nd=2d=67,2d=67/n=67/1.5162 保证不挡轴上光线 C ≥ 53.7024 目镜焦距知道，目镜口径可由渐晕求出

  28. 几何计算 y' h1 h =7.5 a=14 f x 1'

  29. 求出h1高，两块棱镜一样大 h1 = ?棱镜厚4h,半口径8.5，假设高8.5，厚度d= 8.5х4=34 等效空气平板厚d = d / n } ｛ D/f’1 = 1/4 f’1 = 120

  30. 系统等效光路图 正视图 物镜 c=f'-d1-b-d2-a =5916 d d Ⅰ Ⅱ c 59 20 = 目镜 =34/1.5163 =d/n=22.42 F1' (F2) b 14 俯视图 F1' b=2 110 c a=14 d d Ⅰ Ⅱ f1'

  31. 系统结构图 y z x z' y' x' x" z" y"

  32. D =30 1 c=59 b=2 a≥14 f =20 2' 平板的d=4×８.３ 等效空气平板厚d=d/n k =1.5163 9

  33. D =30 1 c=59 b=2 a≥14 f =20 2' 平板的d=4×８.３ 等效空气平板厚d=d/n k =1.5163 9

  34. 渐晕50％ y' w c b a f l z' 2' d d 1 2 f1'

  35. 有两个渐晕 棱镜最后一面:挡上边25% 光束 目镜 ：挡下边25%的光束 ｛ 望远物镜选型：P410课本

  36. 物镜D/f1’=1/4， D=30 , f1’=120 双胶合物镜 双分离物镜 三片型物镜 摄远物镜 ｛

  37. 物镜可选双胶合 ｛ f’ = 120 D/f’ = 1/4 目镜型式 г = -tgω’ / tgω= -f1 ’ /f2 ’ 2ω’ Lz’ f2 ’ 冉斯登目镜 2ω：30˚-40 ˚相对镜目距 Lz’ =1/4 凯涅尔目镜 2ω：40˚-50 ˚相对镜目距 Lz’ =1/2 可选凯涅尔目镜

  38. 仔细计算外形尺寸 显微系统：p410 照明系统 目镜焦面与成象象面重合 P388 画显微镜的光学原理图 NA=0.1 NA=nsinu =0.1 β=-2 Sinu=0.1,u=-0.1, lu=l’u’,u’=0.05

  39. 显微镜系统 △ ≠ 0 ，物放在物镜的F1 前面 AB对物镜的象A1’B1’可在F2上，也可在F2以内。 A1’B1’的象可在无穷远，也可在250mm-∞之间 △L=1 mm , △L’=4mm 横向放大率α = β2 = 4

  40. 在光学设计中，显微物镜反追，由大量 向小量变化计算，很方便 书中p222,已用反追算好了，显微物镜结构参数（反追）。 P222,1题，显微镜lz=-33.6,y=-10,r1=-23 （或-24）（改为大1 mm),反追计算

  41. u' -u

  42. 复习：几何光学、象差概念 改变（n,r,d) 完善光学系统象差 实际象差= 初级象差 + 高级象差 球差δL’ = A1h 2+ A2h 4 + A3h6 +---- 改变（n,r,d) ，使初级象差和高级象差平衡 使δL’ = 0 哪些象差与哪些光学参量有关 光学参量：D/f’(孔径）,2y,2y’,2ω,2ω’（视场) 象差的现象、产生原因、如何消除各种象差

  43. 明确象差概念 • 2. 掌握初级象差理论

  44. 象差分类 • 球差δL’ • 彗差KT，KS 象散x’ts 场曲x’t x’s 畸变δyz’ 位置色差△lFC’ 倍率色差δyFC’

  45. 典型光学系统 1 显微镜，望远镜， 照相机，投影仪 成像原理 2 外形尺寸计算：轴向尺寸、垂轴 尺寸、通光口径、物高象高、光阑

  46. 镜头设计和质量评价 镜头选型： 应用象差理论、 通过光路计算象差,校正象差 设计出质量好,满足使用要求的系统

  47. 光线的光路计算和象差理论 象差理论 单色象差:球差,慧差,象散,场曲,畸变 色差:轴向位置色差,倍率色差 要消除哪些象差

  48. 球差: δL’= L’– l’ δL’正比于U2 沿轴象差，象面上为弥散圆斑 球差为零的三对物象共轭点

  49. 正弦差 SC’= KS’/y’(<0.0025-0.00025) 子午 慧差 ｛ 慧差 弧矢慧差KS’与孔径，视场有关 KT’ =3KS’正比于U2、ω 第一近轴光 第二近轴光

  50. SC' • 视场小的宽光束Sc’=Ks’/y’ • Sc’∠0.0025—0.00025 A -u -w B

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