光学设计PPT文档.ppt

光学设计,上海光学精密机械研究所,1,出发点：,依赖于软件进行设计，从利用软件解决具体问题时寻求理论的支持。缺点理论知识不系统和不深入，所以当你工作一段时间后，你需要进行系统的和深入的理论学习来提高自己的设计水平，最后你还要扩大自己的视野，研究历史和现实中的种种问题，它们会给你更多的启示。,大多数人都不是为了研究像差理论而来的，而是为了解决现在或将来可能遇到的具体问题而来的。所以从应用像差理论的角度来讲容易使人接受，特别是对初学者。,设计过程（从中看出理论在设计过程中的作用）：,与客户讨论系统的要求，确定设计的目标（把不可能实现的要求去掉，并尽可能从客户角度帮助提出合理要求）（应用、理论、实现）,挑选初始结构，确定设计的方向,针对光学设计软件设计补偿方案，确定最佳优化路径,样板匹配，公差计算和制图,1,目录,第一章、引言,第二章、光学设计基础（上）像差理论,第三章、光学设计基础（下）各类光学系统像差和结构特点,第四章、ZEMAX和LensVIEW的使用,第五章、光学设计实例,1,光学设计所涉及的知识结构,成像的理论和软件的使用,具体实现系统的方法,光学设计的应用,1,参考书目,R.Kinslake,Lens design fundamentals,1978,Academic Press.,R.Kinslake,Optical system design,1983,Academic Press.,M.Laikin,Lens design,1991,Marchl Dekker.,R.E.Fischer,Optical system design,2000,McGraw Hill.,斯留萨列夫，谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。,张以谟，应用光学，1982，机械工业出版社。,王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。,袁旭沧，光学设计，1983，科学出版社。,林大键，工程光学系统设计，1987，机械工业出版社。,1,参考书目,R.Kinslake,Lens design Fundamental,1978.,R.Kinslake,optical system design,1983,Academic Press.,这位百岁老人去年刚去世，他是,A.E.Conrady,的学生，从上世纪三十年代被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。,M.LaiKin,Lens design,1991,Marchl,Dekker,.,非常实用的各种光学系统设计，有新版。,R.E.Fischer,Optical system design,2000,McGraw Hill.,此人从上世纪八十年代一直到现在，都在,SPIE Photonics West,之类的会上讲,Short Courses”,光学设计”，本书属于这种教材。,斯留萨列夫，谈光学中一些可能的和不可能的问题，,1966,，科学出版社。本书可启发人们去认真思考问题。,张以谟，应用光学，机械工业出版社，中国高校教科书,王之江，光学设计理论基础，,1985,，科学出版社。本教材的公式取自此书。,4,要考虑的主题,光学系统的要求和技术规格,成像基础,理想成像与使像质变坏像差,基本系统分析,一些有用的基本公式,光学系统中的像差和最小化的方法,球差、彗差、像散、场曲，离焦、和色差,光学系统的配置,透镜和反射镜组,玻璃材料选择,光学设计过程,性能计算,高斯光束成像,用于激光系统,用于红外波段的光学系统和材料,环境因素考虑,公差和其它可制造性问题,杂散辐射考虑,光学设计过程中应用大规模优化程序的说明,9,8,光学系统的基本要求,性能,提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体,像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配,有效孔径和透过率必须足够满足设计要求,构形选择,设计形式必须能满足所需的性能,特殊的技术要求比如在扫描系统，在红外系统中的光阑等，要符合要求,可制造性考虑,最小尺寸,/,成本,/,重量,/,环境影响,10,9,光学系统技术要求,11,基本要求,Object distance（物距）,Image formats（成像形式）,Image distance（像距）,Configuration（结构）,f/number or NA（F数或数值孔径）,Magnification（放大率）,Full field of view（全视场）,Transmittance（透过率）,Focal length（焦距）,Vignetting（渐晕）,机械和包装要求,Length（长度）_ Diameter（直径）_,Back focus dist（后焦距）_ Weight of optics(光学载重)_,Object to image（物像间距离）_ Other(其它)_,成像质量要求,Detector type（探测器类型）_,Central or major wavelength（主波长）_,Spectral range（光谱范围）从_到_,Spectral weights光谱权重(3或5)1/W1_2/W2_3/W3_,4/W4_5/W5_,MTF _,RMS wavefront degradation（RMS波前衰减）_,Encircled energy（能量中心度）_%能量在_直径,Distortion（畸变）_,12,光学系统技术要求(续),具体要求,Central obscuration（中心遮拦）_ Environment（环境）：,Off axis rejection（离轴抑制）_ Temperature（温度）_,Number of elements（元件数量）_ Soak range _,Materials（材料）_ Gradients（倾斜度）_,Cost guidelines（价格准则）_ Shock&vibration(振动)_,Illumination profile(光照图)_ Other(其它)_,IR系统的要求,Narcissus _ 如果扫描：,Scan noise（扫描噪音）_ Magnification（放大）_,NE T _ Scanner geometry（扫描几何图）_,Cold stop efficiency _ Other（其它）_,其它系统要求,_,_,_,_,_,_,典型规格,焦距，F,#,相对孔径：,通光孔径,全视场,光谱范围和相对波长权重,封装要求,长度、直径、后焦距,环境参数,温度变化,梯度（径向、轴向）,透过率和相对照度（有渐晕）,畸变,性能,MTF,RMS波前,Encircled energy,其他,F,#,=焦距/数值孔径,13,13,手段,折射,反射,衍射,其它方法,混合使用,1,1,折射与表面形状和材料有关。,表面基本上分为球面和非球面，非球面通常也是轴对称的。球面工艺成熟，用得最多，所以是本讲义的重点。非球面有较强的矫正像差的能力，会使系统得以简化，材料变少，体积变小，重量变轻。随着非球面工艺的日益成熟，相信会有更多的非球面系统出现，但非球面制作毕竟成本高，非球面大多只出现在系统的一个关键面上，并且尽量采用两次非球面（相对容易检验），或球面度低（非球面偏离球面的程度）的非球面（研磨量少，相对容易加工）。,非球面的使用,61,三级球差引起的波前误差,（口径）,4,对非球面上的环带适当修磨,修磨量,（口径）,4,可修正球差,SCHMIDT,望远镜是这个原理的一个很好的例子,球面产生不完善像点,球面反射镜,经典方法,增加微小球面（更易加工，较少的色差）,非球面,1,折射材料，在可见光波段，常用普通光学玻璃（种类最多）和塑料，其他波段要用到特殊光学玻璃、晶体或多晶（陶瓷）。先介绍普通光学玻璃。玻璃研发过程复杂，不大可能为用户特殊生产，因此种类型号非常有限（当然好用的材料更不多），但大体均匀覆盖了折射率和色散一定范围，基本满足设计需求。国家玻璃标准是玻璃生产和应用的依据，但常年的实践之后，尤其是环保的要求，国家标准规定的玻璃厂商可能不提供，国家标准没有的产品厂商却有可能提供，所以应密切注意。玻璃产品通常提供几种波长的折射率，其他波长一般用拟合方法得到，如果你用的波长正好是厂家直接提供折射率的波长，折射率最好直接使用（ZEMAX可以做到这点）。应注意玻璃产品的光学质量、物化性能和价格（ZEMAX可以做到对单个指标有针对性的选择）。在紫外波段（如紫外光刻），常用熔石英玻璃和晶体，在红外波段，材料价格更昂贵。红外系统多用于夜视，所以材料对应于3-5微米和8-12微米大气窗口的相应性质就比较重要，本讲义给出了一些有用的数据。材料在工程使用上有差别，但在理论处理上是一样的。,红外材料的折射率和透射波段,57,OSA,Handbook of optics,V.2 chap.33,Properties and glass,GAP,0.54-10um,N=3,通常红外材料的透过率,58,通常的红外光学材料,59,材料,折射率,dn/dT,(/DEG C),评价,4,4,锗,4.0243,4.0032,0.000396,昂贵，dn/dT大,硅,3.4255,3.4179*,0.000150,dn/dT 大,硫化锌（CVD）,2.2520,2.2005,0.0000433,硒化锌（CVD）,2.4331,2.4065,0.000060,昂贵，低吸收,AMTIRI（GE/AS/SE:33/12/55）,2.5141,2.4976,0.000072,氟化镁,1.3526,-*,0.000020,低成本，高散射,蓝宝石,1.6753,-*,0.00001,很硬，高温时辐射率低,三硫化二砷,2.4112,2.3816,*,氟化钙,1.4097,-*,0.000011,氟化钡,1.4580,-*,-0.000016,*不透光,*不推荐,*无值,折射率,V值(在35m及812m位置的红外材料）相互关系,60,1,折射系统有一些缺点。一些系统可能很长，导致整个系统（包括机械件）体积重量增大；在紫外和红外波段，可用材料相当有限，且较昂贵，要得到好的结果，系统结构势必很复杂，并更昂贵，另外红外材料还热敏感；折射系统尺寸大时，不易找到大尺寸的材料，即使找到大尺寸的材料，重量也会随之大幅度增加，由于自重，加工、装配时的机械变形都很难处理。非球面的采用可以简化系统结构，带来一些益处，但能力是有限的。因此在某种情况下加入反射方式是惟一的选择。,1,反射可使光路折叠，并容易实现倒像等功能（利用棱镜），使系统长度缩短，机械结构的重量变轻；反射由于只与表面有关，可反射紫外到红外的很宽波段，使紫外和红外的透射材料的使用减少，成本降低，而极短波长的光只能使用反射镜；同样由于反射只与表面有关，表面可通过镀膜来处理，因此基底材料和具体机械结构的选择就有很大的余地，容易得到大尺寸、稳定、重量轻的元件，是解决系统体积过大的一个有力措施。反射方式的另一个好处是没有色差，且光散射少。反射镜还有分光作用，用于聚光系统，滤掉红外光。因此反射方式在工程上得到了较广泛的应用，值得仔细研究。（缺点是中心遮拦，纯反射方式多用非球面，杂光较多）。,非球面的使用,61,三级球差引起的波前误差,（口径）,4,对非球面上的环带适当修磨,修磨量,（口径）,4,可修正球差,SCHMIDT,望远镜是这个原理的一个很好的例子,球面产生不完善像点,球面反射镜,经典方法,增加微小球面（更易加工，较少的色差）,非球面,折射系统和反射系统的比较,折射系统,反射系统,直接通过，充满全孔径,球面，传统加工方法,应用在红外波段，材料昂贵,在红外波段，材料热敏感,中心遮拦,影响透过率,传递函数下降,装调困难,需要非球面,重量轻,无色差,杂光,降低热敏感性,价格优势,杂光,73,非球面在反射系统中的应用,球面反射镜,受球差限制,62,球面,球面,球面,双曲面,抛物面（较球面平坦）,抛物面,具有完善的轴上像点,受离轴彗差限制,卡塞格林系统,具有完善的轴上像点,受离轴彗差限制,由于使用较少的面数，在典型的大孔径反射系统中，非球面通常是十分重要的,Ritchey-chretien系统，两个双曲面，校正彗处,反射式光学系统的结构（1）,74,反射式光学系统的结构（2）,75,虚拟的无色差系统,反射式卡塞林系统的杂散光路径,78,光学表面或元件杂散光效应,衍射效应也产生杂散光辐射,在光学系统中，必须要考虑杂散光辐射,光学系统经常受到来自于透镜、反射镜和支撑结构的杂散光影响,挡光、消杂光光阑，涂黑色材料、平滑反射表面可以减少杂光散射,散射源可能在视场内部或外部,散射可能来自于反射、散射、透射或衍射,设计合适的光阑、镀膜等，以降低杂散光,光学系统中的杂散光,76,光学系统中杂散光的影响,即使设置光阑，视场外的能量仍然可能传到像面上,视场光阑外的物光线不会成像在探测器上，但一些视场外的杂散光线也有可能入射到探测器上,77,孔径光阑,视场光阑,使辐射保持在视场光阑内,挡光片,视场光阑,散射到视场以外的光线,到达像面的散射能,探,测,器,在可见光范围，用极坐标图表示的来自涂黑表面的相对反射能量分布图,80,Hand of optics,.chap.37,对光学体统中涂黑有详尽的介绍,接近正入射,非轴对称光学系统的像差，柱面系统,轴对称时的初级像差和二级像差表（,5+9,种）,畸 变,零 级,初 级,二 级,像面位置,倍 率,球 差,彗 差,像散和像面弯曲,具有二个正交对称面的光学系统初级像差表（,18,种）,球 差,彗 差,像 散 和 场 曲,初 级,畸 变,也有人企图设计只有一个对称面的光学系统，由于对称性破坏得很厉害，波差函数中将出现奇次项，可能单元将大量增加，需要满足的要求太多，可以预料设计是难以成功的。,按照这种分析，非对称的系统中只有柱面系统稍有前途。,除了两种由柱形而产生的畸变外，还因柱形而产生像面弯曲，可分别称为柱形畸变和柱形场曲,45,1,光学设计的理论就是像差理论。它有三个层次：,近轴光学；,初级像差；,高级像差。,1,通过几个面的折射来满足成像要求，这几个面的关系是：,这几个面要能满足近轴光学要求和外形尺寸的大致要求,这几个面要能满足校正初级像差（如果有的话）和高级像差（如果有的话）的要求,这几个面要能满足系统大小和成本的要求（公差不能太紧，玻璃不能太特殊，面数不能太多，半径可以匹配）,在初级像差范围内，这三个关系的具体情况是：,首先每个面产生的像差不受前面面产生的像差的影响，可以采用前面面近轴光线计算的入射值，这样系统中每个面的像差是独立的，由入射值和,结构参数,可以算出它的像差值，入射值代表这个面与前面面的一种近轴光学关系。,先保证所有面共同产生的用近轴光线计算的系统出射值是相同的，这样每个面产生的像差乘以后面面通过近轴光线计算的放大倍率，就得到每个面对系统像差的贡献量，后面面通过近轴光线计算的放大倍率代表这个面与后面面的一种近轴光学关系，每个面产生的像差贡献量表示的是这个面与其他面的像差关系。,初级像差公式揭示了前两种关系和它们之间的与结构无关的关系（从初级像差公式推导中可以看出，入射值和结构参数可以相互分离），由它可以算出对于一个面的特殊像差要求。具体过程是：首先进行近轴光线的设计，由近轴光线可以得到各个面的像差关系，再进行像差的分配，得到各个面的像差。,但最后是否成功要看能不能由各个面入射出射近轴光线和像差解出其结构参数来，并观察结构参数是不是好。这就要研究入射出射近轴光线和像差与结构参数的关系。通常情况下，一个面很难满足一定的入射出射近轴光线和像差，一个薄透镜组却有可能，这样一来问题就变成如何求薄透镜组的结构参数。薄透镜理论的好处是大大降低了像差分配和近轴光线设计的难度。,球面初级像差系数,薄透镜的初级像差，P.W方法。,像差的源是球差，离轴,基本由光焦度定,薄透镜组的独立参数P、W。PW为零时,为定值，由光焦度定,42,1,光学设计理论的内容在150年前就基本成型。,在没有像差理论时，已经有一些成功的至今仍使用的结构，那是大师们靠灵感得到的,。当然我们没有那么多灵感，理论指导和经验的作用是不能忽视的。,光线计算、像差分析和优化工具的发展历史。在机械和电子计算机出现以前，在光学设计软件出现以前，,通过手工计算，也得到了许多很好的结构,。当然光学设计软件出现后，的确大大加速了设计进程。,现有理论和工具的应用：从几何光学导出的理论不能按照固定的程序给出最终的结构，所以要针对不同系统，进行分别的研究，改变像差校正的策略，得到一系列有各种特点的结构，作为具体设计的起点；利用计算机软件可以协助对各种系统的研究，并完成最终的优化过程。虽然有各类系统有待进一步研究，但目前这个理论是合理的，相对完善的（讲义在下面的部分重点说明这个问题），因此突破这个理论有相当的难度。工具的改善还有许多事要做。,十六、十七世纪：伽利略、牛顿、惠更斯时代 已经有望远镜、显微镜、目镜等雏形，经验为主。,十九世纪：像差理论、设计方法，衍射成像理论趋于成熟。Seidel,Abbe,Zeiss 工厂，Schott 工厂 由光学设计而制造光学仪器，德国领先世界近百年。,二十世纪：四十年代开始用机械计算机。1946年 发明电子计算机Eniac，五十年代用于光路计算、分析，六十年代“自动平衡”（优化）程序，八十年代普遍使用优化程序，美国商业程序,光学设计理论的作用,挑选合理的初始结构，设计指标，,尽量少用光线就能对现状作出判断 包括初始要求是否合理，可能不可能达到要求。,判断修改的方向,德、美、英、日、俄概况,detector、波段、激光使应用领域扩展。,中国光学仪器历史,光学设计和光学仪器的历史,8,子午光线光路计算，近轴光线光路，像差,近轴光线光路的三种算法,*为何用球面*空间光线光路*符号规则,典型的子午光线入射到球面,14,，,，,球面折射,簿透镜,间距,光焦度，主平面，都可以从矩阵元求出。,线性系统，ABCD矩阵,15,18,一些基本公式,牛顿方程,：,例如，对于一个焦距为2英寸，,物距为100英尺的系统，调焦量为,:,英寸,横向放大率,19,基本公式,=,2,如果,M=Y/Y=2,则,M,2,=4,为光焦度,=1/F=(N-1)(1/R,1,-1/R,2,),=1/F=,A,+,B,-D(,A,B,),光学不变量,I=Y,P,NU,YNU,P,HNU=HNU,(H,为物高，,H,为像高,),20,基本公式,高斯光学（电子光学)理想光学系统的一般性质,Lagrange 不变量，光管，主光线,亮度，耦合匹配,从这两条近轴光线光路计算，可以决定系统的一切初级像差值。,Laglange不变量决定此光管传递的能量大小，也决定此光管能传递的 信息量的大小（分辨点数，CCD）,设计难度随信息量而增,16,45,F/2透镜的球差，实际光学追迹,球差很大,球差趋于最小,23,32,球差形成的象差曲线,将像差看作是各个面贡献（分布值）之和，,像差的倍率选择,，,，,初级球差,高级球差,球差的正负，零点。,正常情况，折射或反射使光束收敛时，产生正球差,时，球差为零,“aplanatic”,二点之间球差反常,24,球差,球差与折射率的关系,22,球差,球差是轴上像差,一般情况与孔径成立方关系（例如：一个特定的透镜其像斑大小为,0.01,英寸，如果口径缩小到,1/2,像斑大小为,0.00125,英寸。）,通过改变透镜的弯曲度校正,通过增加透镜或增加光焦度得到校正,看出三块弯曲不同的透镜的焦距是相同的,坏 好 更好,21,31,光线轨迹图解,截面,彗差,26,主光线与焦面的交点定义为像高,彗差是由于通过透镜的轴外光线相对主光线的轴向放大率不同而产生,彗差能够通过移动孔径光阑和有选择的增加透镜来消除,成像中心高度由中心和主光线确定,在透镜外围会出现彗差，产生比主光线更高或更低的放大率,通过移动孔径光阑或选择增加透镜来控制彗差,主光线,33,彗差弥散斑的形成,正弦条件和彗差；NA,当球差等于0，,，,要求,即正弦条件,分布值,：,初级彗差,当轴上点成像理想时要求轴外点也成像理想，则必须满足正弦条件：,即,25,彗差,透镜曲率对于球差和彗差的影响,27,像散,29,当yz面和xz面上的焦点位置不同时，产生像散,像散基本上是相对于理想波前产生的一个柱状偏离,像散可以通过选择透镜的位置和曲率来控制,一种有效的像散纠正技术,在会聚锥形光束中的倾斜板引入像散,场曲,30,无像散时，成像面为弯曲表面，称做佩兹伐表面,佩兹伐像面的曲率为,为折射率，为焦距，对于平面，,对于一个单一透镜，佩兹伐表面曲率半径约为焦距的1.5倍,对应于,折射率为1.5的玻璃,畸变,28,零畸变,枕形畸变,桶形畸变,轴上色差,46,蓝,黄,红,校正主要轴上色差,二级光谱残量,主要轴上色差,放大,蓝,红,黄,玻璃的选择,对一个薄透镜有：,两个薄透镜的组合关系：,消色差双透镜公式为：,波长,C=0.6563m,d=0.5876m,F=0.4861m,50,60,SCHOTT光学玻璃图、玻璃选择,48,slabs,Blocks,strips,Rods,Cut blanks,Gobs,Pressings,Normal quality,H1 homogeneity group,H2 homogeneity group,H3 homogeneity group,H4 homogeneity group,specially annealed,specially annealed,specially examined,for striae,specially examined,for bubbles,extra-stringent examination for bubbles,N,NH1,-,-,-,NSK,-,-,NVB,1),-,N,NH1,-,-,-,NSK,-,-,NVB,1),-,N,NH1,-,-,-,NSK,-,-,NVB,1),-,N,-,-,-,-,NSK,-,-,NVB,NEVB,N,NH1,NH1,NH1,NH1,NSK,NSSK,NVS,NVB,NEVB,N,-,-,-,-,-,-,-,VB,-,N,LH1,LH2,-,-,SK,SSK,VS,VB,EVB,Precision quality,H3 homogeneity,H4 homogeneity,specially annealed,specially examined,for bubbles,extra-stringent examination for bubbles,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,P,PH3,PH4,PSSK,PVB,PEVB,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,光学玻璃表（SCHOTT）,Bubbles class Total area for all,bubbles/inclusions0.05mm,per 100cm,3,of glass,in mm,2,B0 0 -0.029,B1 0.03-0.10,B2 0.11-0.25,B3 0.26-0.50,Homogeneity max.variation Availability,group of n,d,value,H1 2 10,-5,With a selected melt,H2 5 10,-5,With a cut blank,H3 2 10,-5,With a cut blank,depending on dimensions,H4 1 10,-5,With a cut blank,but depending on the type of glass,and dimensions,Homogeneity group,10mm 20mm 50mm 100mm,玻璃厚度 玻璃厚度 玻璃厚度 玻璃厚度,H1,H2,H3,H4,0.32 0.79 1.58 3.16,0.16 0.40 0.79 1.58,0.06 0.16 0.32 0.63,0.03 0.06 0.16 0.32,49,二级光谱,通常的双胶合消色差透镜,校正二级光谱的双胶合消色差透镜,51,消色差透镜对C光线和光线具有一个共同焦点，对中心波长或光线有微量的离焦,选择具有相似色散特性的玻璃，可以把剩余像差降到最低,通常需要“特殊玻璃材料”，价格昂贵，而且难以制造,例如色球差即随波长变化的球差，要求使用曲率半径绝对值较小的正负透镜组件，产生一些附加的像差,相对部分色散与阿贝数对应关系,54,选择减小二级光谱的玻璃,#type,CURVE,SEPN,INDEX1,INDEX2,INDEX3,DISPN,CLR.RAD,GLASS,1 S,0.0246666,0.000,1.000000,1.000000,1.000000,0.000000,7.72,AIR,2 S,-0.016882,5.000,1.585988,1.583105,1.592709,0.009604,7.45,LGSK2,3 S,-0.006557,4.000,1.784430,1.779090,1.796965,0.017875,7.22,LAF10,4 S,0.000000,143.444,1.000000,1.000000,1.000000,0.000000,0.00,AIR,上面的是LGSK2/LAF10玻璃,显著减小二级色差,LGSK2成本是BK7的26倍，KZFSN4成本是BK7的5倍,制造和镀膜成本提高,下面的是PSK53/KZFSN4,充分减少二级色差,PSK53成本是BK7的10倍，KZFSN4成本是BK7的5倍,制造和镀膜成本提高,EFL154.3961,FK7/KZFSN4 f/10 doublet PIPPIN/Basic:GLASS 08-07-1987 16:14:34,0.0005880.0006560.000486,#type,CURVE,SEPN,INDEX1,INDEX2,INDEX3,DISPN,CLR.RAD,GLASS,1 S,0.014012,0.000,1.000000,1.000000,1.000000,0.000000,7.72,AIR,2 S,-0.015205,5.000,1.436999,1.435519,1.440340,0.004821,7.58,FK54,3 S,-0.005006,4.000,1.613398,1.609241,1.623095,0.013854,7.51,KZFSN4,4 S,0.000000,149.764,1.000000,1.000000,1.000000,0.000000,0.00,AIR,EFL54.3961,LGSK2/LAF10 f/10 doublet PIPPIN/Basic:GLASS 08-07-1987 16:27:02,0.0005880.0006560.000486,53,选择减小二级光谱的玻璃,52,上面的是BK7/SF2玻璃,这是一个普通玻璃，,下面的是FK54/KZFSN4,充分减少二级色差,FK54成本是BK7的26倍，KZFSN4成本是BK7的5倍,制造和镀膜成本提高,EFL154.3961,BK7/SF2 f/10 doublet PIPPIN/Basic:GLASS 08-07-1987 16:11:18,0.0005880.0006560.000486,#type,CURVE,SEPN,INDEX1,INDEX2,INDEX3,DISPN,CLR.RAD,GLASS,1 S,0.012471,0.000,1.000000,1.000000,1.000000,0.000000,7.72,AIR,2 S,-0.014288,5.000,1.516798,1.514322,1.522379,0.008057,7.85,BK7,3 S,-0.002972,4.000,1.647685,1.642095,1.661238,0.019143,7.49,SF2,4 S,0.000000,149.383,1.000000,1.000000,1.000000,0.000000,0.00,AIR,EFL54.3961,BK7/SF2 f/10 doublet PIPPIN/Basic:GLASS 08-07-1987 17:00:23,0.0005880.0006560.000486,#type,CURVE,SEPN,INDEX1,INDEX2,INDEX3,DISPN,CLR.RAD,GLASS,1 S,0.011188,0.000,1.000000,1.000000,1.000000,0.000000,7.72,AIR,2 S,-0.024604,5.000,1.620140,1.617170,1.626933,0.009763,7.59,PSK53,3 S,-0.025375,0.500,1.000000,1.000000,1.000000,0.000000,7.50,AIR,4 S,0.000567,4.000,1.613398,1.609241,1.623095,0.013854,7.35,KZFSN$,5 S,0.000000,146.791,1.000000,1.000000,1.000000,0.000000,0.00,AIR,消色差双胶合透镜参数分析：玻璃F,55,f/4 球面双胶合透镜色球差分析,56,倍率色差,倍率色差是由于不同波长光线的焦距不同造成的,如下图所示，红光比蓝光的焦距长，所以红光所成的像比较大,47,蓝光,红光,光阑和,光,瞳,35,出瞳,孔径光阑,出瞳直径,和位置,入瞳位置,下面是一个实际的cooke三组系统的设计,出瞳直径,入瞳,孔径光阑也称有效光阑如果在通过光轴的平面内考虑，它决定了轴上点发出的平面光束的孔径角,主光线通过孔径光阑的中心,入瞳位置：主光线延伸线与光学系统光轴的交点,出瞳位置：像方主光线反向延伸线与光学系统光轴的交点,渐晕,36,位于,A,和,B,位置的几束轴外光线通常会引起较大的像差,有选择的减小有效孔径，可以消除引起较大像差的的光线,这样会减小光通量或者照度,30%-50%,的渐晕可以被接受,这样使透镜组的成像性能变好，体积更小、节约成本,34,典型横向像差曲线,二级光谱色差,球面初级像差系数,薄透镜的初级像差，P.W方法。,像差的源是球差，离轴,基本由光焦度定,薄透镜组的独立参数P、W。PW为零时,为定值，由光焦度定,42,色差,所有初级单色色差均由波长改变而改变，属高级像差范畴。,43,光程差,37,波像差，对称性，Seidel 系数,轴对称系统中波像差,表达式中存在单元：,轴向离焦，垂轴离焦，初级像差Seidel系数，高级像差，规一化坐标,38,几何像差，波面法线,轴对称光学系统中存在五种初级像差：球差、彗差、子午像面弯曲，弧矢像面弯曲，（或像散和Petzval和）畸变,还存在更多种类的高级像差,39,几何像差,光阑移动使像差系数变化,坐标变换,则光阑移动时,不变,40,物面移动使像差系数变化,一个光学系统只有六个独立的初级单色像差系数，任何物体位置和光阑位置的初级像差都可以用这六个系数表示出来,41,非球面,二次非球面和高次非球面（standard surface）,二次曲面计算光线时不需叠代求解；系数有相重叠部分；,将非球面看作球面加校正板，校正板的初级像差：,用非球面校正像差的可能性。,44,衍射效应,82,成像质量,84,成像可能不理想,其他影响成像质量下降的因素：,制造、装配和调整误差,材料特性,外部因素如探测器、空气、振动影响,杂光、光洁度、散射、膜质量,例如以下所示的球差，完全是因为几,何数学效应产生的。,如果没有几何像差，点源成像为艾里斑,按照惠更斯原理，由一定形状的波面作积分，可以算出点像的形状。,点扩散函数（,PSF,）,PSF,的傅立叶变换就是光学传递函数（,MTF,），它决定物方一定空间频率的结构传递到像方时的反差（对比度）一般而言，能量集中度（,Encircle Energy,）可以灵敏反应,PSF,发生的变化。,过去长期曾以,/4,作为高质量光学系统的设计公差（显微镜、望远镜等），实际上，随着某些应用的需求，如线宽接近衍射极限的光刻物镜，,/4,对,MTF,的影响已太大，要求在,/10,以下。,过去已计算过不少像差对,PSF,的影响，结果如下，现在的光学设计程序都提供计算,PSF,的程序，但会在较长时间,下面的一些例子能提供像差对,PSF,影响的基本概念。,衍射成像理论,83,光程差介绍,87,光程差与面型,materia,l,88,瑞利判据,瑞利准则如下所述：,如果光学系统到达所选焦点的最长和最短距离的程差不超过四分之一波长，系统的性能就接近于理想状态。,85,如果,OPD=0.25,系,统刚好满足瑞利准则，,成像接近完善,OPD P-V值和波前RMS的关系,86,PV光程差是光线到达选定焦点的最长和最短距离的程差,RMS波前误差公式为,波阵面,参考面,光程差,该波阵面具有同左侧相同的值，但值较小,注意：上式也应用于透射和,反射面对于标准面的偏离,焦深,89,焦深是引进1/4波前误差的允许离焦量,焦深，/(2n SIN,),2,2(F数),2,F数,1/4,焦深,焦深 （in）,通光孔中心遮拦时的理想衍射图形,理想光学系统衍射形成的光度分布，阴影为几何光学决定的光束,注意：第一环强度为中心的,当中心挡光时中心斑尺寸略小，第一环强度升到,90,理想光学系统的PSF,存在球差，使焦前和焦后星点不对称，在焦散线一方形成多环，另一方则无。,小像差的主要影响是使能量从中心斑向外扩散，中心斑尺寸变化不显著。,91,有球差的PSF,92,有彗差的PSF,93,像散及彗差，PSF,不同球差的点扩散函数,94,完善系统,0.25波长球差,0.5波长球差,1.0波长球差,不同中心遮拦的点扩散函数,95,零遮拦 33%孔径遮拦 66%孔径遮拦,调制传递函数（MTF）,调制传递函数经常有代表性的表征一个光学系统的像质特征。,它能够表述物面到像面分辨率的变化,96,物面,像面,强,度,强,度,典型调制传递函数（MTF）,97,LP/MM 或CY/MM,1/(F,#,),截止频率,方孔时的MTF,98,做为中心遮拦函数的MTF,100,MTF与波前RMS的关系,101,各类波像差导致的MTF下降,102,99,分辨率模拟图解,离焦量很大时，,MTF,会降低到零以下，如下图所示，将会在零上下振荡,负,MTF,值的位相是反转的，这是一种黑白反转,如右图,，引入离焦将会看到位相反转，尤其在中心高频部分,眼部放松，使该页逐渐接近眼睛时，就能看清这种反转,较低处的曲线由离焦产生的,MTF小于零处有180的位相反转,光学系统的缩放,透镜通常按孔径和焦距缩放尺寸,整个系统的缩放,所有的参量（无单位的除外）随缩放,因子呈线性变化,结构数据,几何像差,光程差,理论衍射弥散圆（艾里斑）具有相同大小,物理直径为,2.44,F,数,一个衍射受限的透镜，缩放后质量会变化,一个,1,英寸焦距的透镜，,PV,值为,0.1,，如果,按比例增加五倍，,PV,值为,0.5,光圈直径缩放,(F,数变化）,几何像差缩放对应于三级像差,三级球差呈三次方变化，三级彗差呈二次方变化等；,复杂透镜系统中经常会出现高级像差,视场缩放,像差变化趋势同上,81,光学系统结构,进行成功的光学设计时，选择合适的结构是非常必要的,为初始设计提供基础,自动的设计程序几乎不能改变结构,程序通常对输入结构进行优化处理,这就是优化函数中的局部最小值,结构选择可依照下列方式进行,视场,性能要求,F,数,光谱范围,其它,63,从单透镜开始,球差不能完全校正,用非球面可校正球差彗差。,胶合双透镜可以校正色差，球差及彗差，要将玻璃作为变量。,多片胶合？像散和像面弯曲？,Petzval,照相物镜 用间距校正像散，场镜,Cook Triplet,最简单的校正所有初级像差的结构,的变化，对称性,各种复杂化,Double Gauss,用厚透镜校正,更对称，最成功的结构，大量改进复杂化,显微物镜 加