光学系统设计概要新

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1、光学系统设计概要广学明德海纳厚为光学仪器及其发展光学设计及其发展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光学仪器的类别光学计量仪器物理光学仪器显微镜测绘仪器光学测试仪器天文光学仪器军用光学、光电仪器医用光学仪器照相机、摄像机投影机、电影机械2.1.3光学仪器的发展二战以前，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。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。196

2、0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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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