光学设计概要与像差校正.ppt
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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,设计报告: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,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,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 初始结构计算 象差校正 象差平衡及象质评价,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
2、 成象质量,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:,出射光瞳,目镜,视场光阑,物镜,D,f,1,-f,2,l,Z,D,w,三、开普勒望远镜的外形尺寸计算,已知筒长L、,求开普勒望远镜外形尺寸。,y,x,y,z,z,y,x,y,x,z,F,(F,2,),1,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,棱镜展开:沿反射面的次序依次展开等效空气层的厚度,x,y,z,z,y,x,y,x,z,D,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
3、、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,视度调节=mm带有棱镜转象系统的望远系统结构图:,2D/n(等效空气层厚度),25目镜挡住了,25棱镜挡住了,目镜,y,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)=6,D/f=1/4,2w=8,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.,否则第一个棱镜会挡住平行光束出瞳距离Lz 8-10mm,目镜,F,目,望远物镜,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
4、通过厚度为d的空气层,光线 不偏折,等效空气平板:,光线经过MOPN后,在NP面上B点出射情况与光线经过MORQ后在T点出射情况完全相同,不同的是经过MOPN有折射,经过MORQ则没有,称MORQ为MOPN的等效空气平板,令其厚度为。,先定棱镜口径外形尺寸:NA,D/f,f,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,系统,d,d,b,a,F1,不同光学系统孔阑设置,远心光路:,目镜:出瞳和眼瞳重合显微物镜:孔阑在低倍物镜 框上,物方:孔阑在象方焦面上像方:孔阑在物方焦面上,视阑的设置:一般在物、像面上,
5、图书馆,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,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:=6,=-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,系统,y,渐晕50,c,d,1,d,2,a,b,f,2,l,z,w,h,f,1,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,y=f物 tg=tg/tga14(不超过20)b定为2mmC=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 53.702
6、4 目镜焦距知道,目镜口径可由渐晕求出,几何计算,x,f,1,h,h,y,a=14,=7.5,1,求出h1高,两块棱镜一样大,h1=?棱镜厚4h1,半口径8.5,假设高8.5,厚度d=8.54=34等效空气平板厚d=d/n,D/f1=1/4 f1=120,系统等效光路图,f1,c,F1,110,c,b,59,正视图,俯视图,14,F1,(F2),20,目镜,物镜,c=f-d1-b-d2-a=5916,a=14,b=2,d,d,d,=,d,=34/1.5163=d/n=22.42,系统结构图,x,y,z,z,y,x,y,x,z,c=59,b=2,a14,f,2,=20,D,1,=30,k,9,=
7、1.5163,平板的d=4.,等效空气平板厚d=d/n,c=59,b=2,a14,f,2,=20,D,1,=30,k,9,=1.5163,平板的d=4.,等效空气平板厚d=d/n,y,渐晕50,c,d,1,d,2,a,b,f,2,l,z,w,f1,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,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,物镜可选双胶合,f=120D/f=1/4,目镜型式=tg/tg=-f1/f2 2 Lz f2 冉斯登目镜 2:30-40 相对镜目距 Lz=1/4凯涅尔目镜 2:40-
8、50 相对镜目距 Lz=1/2 可选凯涅尔目镜,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=-2 Sinu=0.1,u=-0.1,lu=lu,u=0.05,显微镜系统 0,物放在物镜的F1 前面AB对物镜的象A1B1可在F2上,也可在F2以内。A1B1的象可在无穷远,也可在250mm-之间L=1 mm,L=4mm 横向放大率=2=4,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p211,已用反追算好了,显微物镜结构参数(反追)。P211习题第1题,显微镜lz=-33.6,y=-10
9、,r1=-23(或-24)(改为大1 mm),反追计算,u,-u,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L=A1h 2+A2h 4+A3h6+-改变(n,r,d),使初级象差和高级象差平衡 使L=0,哪些象差与哪些光学参量有关 光学参量:D/f(孔径),2y,2y,2,2(视场)象差的现象、产生原因、如何消除各种象差,明确象差概念2.掌握初级象差理论,象差分类,球差L彗差KT,KS象散xts场曲xt,xs畸变yz位置色差lFC倍率色差yFC,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、
10、通光口径、物高、象高、光阑,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,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,球差:L=L l L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,正弦差 SC=KS/y(0.0025-0.00025),慧差,子午慧差,弧矢慧差KS 与孔径,视场有关KT=3KS正比于U2、,第一近轴光 第二近轴光,视场小的宽光束Sc=Ks/ySc0.00250.00025,-w,-u,A,B,象散:,场曲:像面弯曲 子午场
11、曲 弧矢场曲,畸变:,相对畸变:使象变形,成象清晰,不影响象的清晰度,正比于3,位置色差,弥散彩色斑,近轴光位置色差,倍率色差,视场边缘出现彩色斑完全对称系统=-1,垂轴象差自动消除,复印机光路结构图,p260,p261,双分离照相物镜:图 9-43,正弦差,位置色差,P264 纵坐标为相对视场9-44:相对畸变9-45:场曲、象散,象差归纳,象差曲线:沿轴,垂轴,纵坐标,会分析、评价象差容限的确定,各种各类物镜要消的象差及要求,设计双胶物镜象差、棱镜结构象差、TCOS的使用方法、象差容限,象差计算的谱线选择:初级色差 阿贝常数用人眼观察的目视系统对D光校单色像差,对F、C光校色差,n,F,n
12、,D,n,c,兰光,黄绿光,红光,照相系统 对F光校单色象差 对D光和C光校色差,天文望远镜,航空照明,对G校单色象差对F光和G光校色差,一般系统:,像差容限:第十三章、波像差光沿光线传播:几何像差成象质量评价:用波像差,用波动理论,波像差:理想像面(球面波)与实际像面之差。1倍焦深:2L,2,l,u,k,n,k,理想象面高斯象面,物,瑞利判断成象波面对球面的变形程度。实际波面与理想波面之间的最大波象差小于/4,波面可认为无缺陷,系统成象是完善的,P376 光学系统的象差容限,1倍焦深带光6倍焦深,SC0.0025-0.00025 即可,象散,相对畸变,象面弯曲、在人眼的调节范围倍率色差以角度
13、表示 2-4分,显微物镜的倍率色差 YF-YC/YD=-1.4%,场曲曲线,w/,w,m,XtXs,上机:输入书上照相物镜的参数,看计算结果,棱镜的象差计算,TCOS功能及使用介绍,无穷远:,入瞳高,视场角(半视场角)P247照相物镜 1、指导书上的双胶物镜 2、课本例子 2=37.3,=18.65,13个面,L=-(填0),入瞳高10,色光数3,实际入瞳距,光阑在中间填0,渐晕系数-1,P247表9-14有错误,nF、nc互换,第四块玻璃为ZF2,光阑面平面半径填0,厚度第一面为空气的折射率,1.5163,1.6242,6,10,n,F,n,c,TCOS程序 数据输入存盘,运算后,结果存盘(
14、包括初始数据),若为gab格式,只能在TCOS程序中打开。若要在WINDOWS下打开,换为RTF扩展名。,象差曲线存为bmp格式文件,可在附件中绘图板中打开,STO表光阑,P247的表中第六个面写上STO,直接输入玻璃名或输入玻璃折射率数据,高斯参数(几何光学计算结果),焦距、入瞳、出瞳、系统总长、近轴象高、象距,计算结果:显示输入的参量、高斯参数、显示计算结果,画出光路结构示意图,对反射面的计算TCOS软件的自动优化功能,象差计算量表:1H、0.85H、0.707H、0.5H、0.303HF光球差 LF,C光球差 LC,轴向位置色差,球差:L 弥散斑:,象差曲线,球差位置色差正弦差(慧差),
15、照相物镜:七种象差,上机:练习TCOS的数据输入及结果存盘方法2.课本上照相物镜的结构输入,数据存盘,象差计算3.P211 1题 y=-10第一面r=-23.00(或r=-24),采用反追方式(图示就是反追方式),P211第一题:显微物镜的初始结构中的物距,物距的计算,输入双胶合物镜(平板不输入),用平行光L=-,用软件可计算出焦距(方法),(视场角、入瞳半径随便取)=-4,=-4,焦距 f、y=-10、,由高斯公式计算物象距 L、L、f,L=-L+L=180(显微镜物镜不算平板),H,H,-f,f,l,F,l,F,l,H,l,H,F,F,TCOS软件中辅助功能有焦距缩放整体弯曲:用于校正球差
16、,PW法求结构参数,光学系统的基本象差参量及规化,PW法,解光学结构参数,设计前提 1.只考虑初级象差 2.薄透镜系统,1.外形尺寸计算2.计算棱镜象差(平行平板)望远物镜与它们相反3.由 求p,w.求n,r,d4.薄透镜变厚透镜,17-2 双胶合透镜组p,和CI 与结构参数的关系:系统只有透镜,球差,慧差,位置色差:,由要求象差值,求:,可求得P,再求 p.,如何由p,求解双胶合物镜的n,r,d(课本2.20-2.210),1.先建立Q和物镜结构的关系式2.建立Q和p,的关系式,阿贝不变量,薄透镜系统的基本象差参量,焦距为1 位置为无穷远的p,P,u1=0h1=1=1=1,P.W,u1=0=
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