光学计算机辅助设计讲义12文档格式.docx

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基本要求

Objectdistance（物距）

Imageformats（成像形式）

Imagedistance（像距）

Configuration（结构）

f/numberorNA（F数或数值孔径）

Magnification（放大率）

Fullfieldofview（全视场，2

）

Transmittance（透过率）

Focallength（焦距）

Vignetting（渐晕）

成像质量要求

Detectortype（探测器类型）

Centralormajorwavelength（主波长）λ＝______

Spectralrange（光谱范围）从λ＝_________到λ＝_________

Spectralweights光谱权重（@3λ）λ1/W1__λ2/W2__λ3/W3__

MTF（光学传递函数）__________

RMSwavefrontdegradation（RMS波前衰减）____________

Encircledenergy（能量中心度）________%能量在_____直径

机械和包装要求

Length（长度）

Diameter（直径）

Backfocusdist（后焦距）

Weightofoptics（光学载重）

Objecttoimage（物像间距离）

Other（其它）

具体要求

Centralobscuration（中心遮拦）

Environment（环境）

Offaxisrejection（离轴抑制）

Temperature（温度）

Numberofelements（元件数量）

Soakrange

Materials（材料）

Gradients（倾斜度）

Costguidelines（价格准则）

Shock&

vibration（振动）

Illuminationprofile（光照图）

IR（红外）系统的要求

Narcissus（冷反射）

Scannoise（扫描噪音）

Magnification（放大）

NE△T（噪声等价温差）

Scannergeometry（扫描几何图）

Coldstopefficiency（冷光阑效率）

1f/numberorNA（F数或数值孔径）：

F数俗称光圈。

在光学系统技术指标中，F数是一个非常关键的指标，在设计之前就必须确定的值。

焦距一定，F数越小，通光孔径越大，设计的难度也相对较高。

数值孔径

数值孔径与F数

2Fullfieldofview（全视场，2

一般可以指定某一视场，如水平视场。

如CCD相机镜头以3×

4×

5的投影比覆盖传感器，水平视场为0.8视场。

若指定的视场小于全视场，必须说明是某视场。

例如，将视场指定为±

10°

，则全对角视场为20°

，或半视场10°

。

3Vignetting（渐晕）:

像平面边缘部分比中心暗这种现象称为“渐晕”.

Aspectratio投影比D,Dw’:

光束宽度

线渐晕系数:

K=Dw/D

4Spectralrange（光谱范围）:

是光学系统所能覆盖的波带。

例如，可见光系统一般覆盖约450～650范围内的光谱。

必须指出3～5个特定波长以及它们的相对权重。

图为光谱灵敏度曲线。

如图，在波长450和650之间选择5个代表性波长。

圆点代表特定波长的相对灵敏度，相对权重分别是波长1～5每个波带内的规一化面积即积分。

光谱灵敏度和波长相对权重

注：

除了基于激光的系统要在特定波长下设计，其它系统都必须给出光谱带宽和相应的权重。

5MTF（传递函数）：

MTF（Modulationtransferfunction），是调制度（对比度）与图像内每毫米线对数（lp/mm）之间的关系。

它是评价像质的一种重要手段。

图中横轴为空间频率，纵轴为调制度。

可见，所有视场在截止频率16lp/mm处的MTF值都大于0.4，说明系统具有较好的像质。

MTF曲线

6RMSwavefrontdegradation（RMS波前衰减）

RMS波前像差，一般波像差均方根值小于

，表明系统的像质较好。

图为一系统的点列图。

RMS弥散斑的均方根值：

由点源成像包含大约68％能量的圆的直径，是参考点（主光线或质心）到所采样的所有光线点的距离的均方根值。

弥散斑直径：

geometry直径。

7Encircledenergy（能量中心度）

圆内能量（或正方形内能量），包含特定百分比（如80%）能量的圆的直径（或正方形的边长，如像素边长），即_______%能量在_____直径内。

8Centralobscuration（中心遮拦）

指中心遮拦范围百分比。

下面两种系统类型容易引起中小遮拦。

无焦格里高利系统无焦卡塞格林系统

1.2光学系统设计概述

光学计算机辅助设计是20世纪发展起来的一门学科，先后经历了人工设计和光学自动设计两个阶段。

目前国内外已经出现了不少功能强大的光学设计CAD软件，这使得设计者们能快速、高效地设计出优良的光学系统，加快了光电仪器的快速发展。

光学设计的一般过程和步骤如下：

1.3初级像差理论、像差校正和像质评价

光学设计在很大程度上就是像差设计。

当像差已经校正与平衡到良好的状态后，需要借助适当的方法对像质做全面的评价，因此了解并掌握像差的基本理论与知识非常重要。

1．3．1几何像差

像差（aberration）指在光学系统中由透镜材料的折射（或反射）表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差。

实际光学系统，只有在近轴区域很小孔径角的光束所生成的像才是完善的。

像差的大小反应了光学系统质量的优劣。

几何像差有七种，球差、慧差、像散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差，其中前五中为单色光像差，后面两种为复色像差。

在所有光学零件中，平面反射镜是唯一能成完善像的光学零件。

1球差（sphericalaberration）

球差是球面像差的简称，是轴上点唯一的单色像差。

图中物点A发出的不同孔径角的光线镜光学系统后分别交在轴上的不同点上。

可见，孔径角越大，其出射光线和光轴的交点越偏离于近轴像点（或理想像点）。

由于不同的光线不交在同一像点上，所以得到的不是一个完善的像点，而是一个边缘模糊而对称的圆斑（弥散斑）。

若h/hmax=0.7,则称为0.7孔径或0.7带光，引起的球差称为带光球差；

hmax称为全孔径，引起的球差称为边光球差。

球差分为轴向球差δL’和垂轴球差△y’两种。

对于单透镜而言，sinU越大球差值越大。

正透镜产生负球差值，负透镜产生正球差值。

以高斯像面（或理想像面）为基准面，左边为负，右边为正。

单透镜自身不能校正球差，必须是正负透镜的组合才能使球差得到校正，这样的正负组合光组称为消球差光组。

光学系统中对于某一给定孔径的光线达到δL’＝0的系统称为消球差系统。

对于理想系统则有δL1.0’＝δL0.85’=δL0.707’=δL0.5’=δL0.3’=0,△y’=0。

图为消球差系统的球差曲线。

说明最大孔径处消球差，0.7孔径处有最大剩余球差，孔径中央球差为0。

单透镜的球差与焦距、相对孔径、透镜的形状及折射率有关。

对于给定孔径焦距和折射率的透，通过改变其形状可使球差达到最小。

2慧差（Coma；

comaticaberration）

慧差是轴外物点发出的宽光束通过光学系统后，并不会聚一点，相对于主光线而是呈彗星状图形的一种失对称的像差。

距离主光线越远，圆斑直径越大。

子午光线对的焦点离开主光线的距离称为子午慧差KT’,弧矢光线对的焦点离开主光线的距离称为弧矢慧差KS’。

子午线对是子午面上对称于主光线的一对光线对，弧矢线对是弧矢面上对称于主光线的一对光线对。

子午面是轴外物点和光轴所确定的平面，弧矢面是过主光线和子午面垂直的平面，主光线是过孔径光阑中心的光线。

图中，轴外点B发出的宽光束在折射以前，子午平面上的上光束BC、下光束BD与弧矢平面上的光束BE、BF，都对称于光束轴线BO。

而折射后的成像光束与主光线OBY’失去了对称性。

即折射前主光线是光束的轴线，折射后主光线不再是光束轴线。

不同孔径的光线在像平面上形成半径不同的错开的圆斑。

距离主光线像点BY’越远，形成的圆斑直径越大，这些圆斑相互叠加的结果，形成一个慧星形状的光斑，光斑的头部（尖端）较亮，自尖端至后部亮度逐渐减弱，称弧矢像差，简称慧差。

尖端指向视场中心的称为正慧差，尖端指向视场边缘的称为负慧差。

慧差是垂轴像差的一种。

它损害了像的清晰度，使像的质量降低。

慧差对于大孔径系统或望远系统影响很大。

如果能对透镜消球差，则慧差可得到改善。

对于小视场大孔径系统（如显微系统），慧差值很小，此时常用“正弦差”描述小视场的慧差特性。

正弦差SC’等于慧差与像高的比值。

3像散（Astigmatism）和场曲（Curvatureoffield）

轴外点细光束成像，将会产生像散和场曲它们是互相关联的像差，子午光束和弧矢光束的交点不重合。

a像散（Astigmatism）

像散使轴外物点用细光束成像时形成两条相互垂直且相隔一定距离的短线像的一种非对称像差。

如图，轴外物点发出细光束，经过系统后像点不再是一个点。

由子午光束所形成的像是一条垂直于子午面的短线t，称为子午焦线。

由弧矢光束所形成的像是一条垂直于弧矢面的短线s，称为弧矢焦线。

这两条短线不相交而相互垂直且隔一定的距离。

两条短线间的沿光轴方向的距离表示像散的大小，用符合xst’:

图（b）很直观地显示了像散形成过程，当轴外物点B通过有像散的光学系统成像时，将光屏沿光轴缓慢移动在不同位置时，B点的成像光束截面形状会发生变化。

在位置1时，成像光束截面为一长轴垂直于于子午面的椭圆；

移至位置2时，为—垂直于子午面的短线；

位置3时又成为一长轴和子午面垂直的椭圆：

位置4时形成—个圆斑；

位置5时形成—长轴在于午面内的椭圆；

位置6时形成一于午面内的短线：

位置7时又扩散成为椭圆。

当用最后一个面顶点的轴向距离表示像散值则为：

像散矢轴外物点所成的远离光轴的像差，随视场的增大而迅速增大。

b场曲（Curvatureoffield）

场曲是像场弯曲的简称。

它是物平面形成曲面像的一种像差。

仅有场曲时，整个光束仍交于一点，即每个物点都成清晰像，但整个像面在一个回转的曲面上，但实际像面受到像散的影响，所以有子午场曲meridionalcurvatureoffield和弧矢场曲sigitalcurvatureoffield，相应值为：

细光束子午场曲：

宽光束子午场曲：

细光束弧矢场曲：

宽光束弧矢场曲：

有像散必然存在场曲，但存在场曲不一定有像散。

像散和场曲对是对于某一视场而言的。

光学系统存在场曲时，不能使一个较大的平面物体上的各点同时在同一像面上成清晰像。

4畸变Distortion

畸变是垂轴放大率随视场的增大而变化，所引起的一种失去物像相似的像差。

仅存在畸变时，系统成清晰像，但像高和理想像高不等。

畸变分为枕形畸变pin-cushion（又称正畸变）和桶形畸变（又称负畸变）。

如图，垂直于光轴的方格子，由于系统存在畸变，将形成一个变形的格子像。

当光阑位于单透镜组之前或之后时将产生畸变，且两种情况的畸变符合相反，如图。

当孔径光阑与透镜重合时，不产生畸变。

畸变仅有主光线的光路决定，仅有畸变产生时，并不影响像的清晰度。

5色差（chromaticaberration）

复色光成像时，由于不同色光而引起的像差称色差。

色差有轴向色差和垂轴色差两种，如图。

轴向色差：

垂轴色差：

色差校正不足：

称为色差校正过度：

光学系统对F光（兰）和C光（红）消色差：

消色差系统是指对两种色光消轴向（位置）色差的系统。

光学系统只能对一个孔径的光线进行校正色差。

随着接收器的不同，应取接近接收器有效波段边缘的波长进行校色差。

一般情况下对0.7孔径的光线校正位置色差，有

1．3．2像差计算

对于一般的光学系统，当结构形式一定时，结构参数的改变对高级像差的影响很小，修改时只需改变初级像差，就能时实际的像差获得校正。

所以计算初级像差具有重要意义。

光学系统的七种初级像差公式如下：

球差：

弧矢慧差：

像散：

场曲：

畸变：

垂直色差：

计算初级像差，只需对第一近轴光线和第二近轴光线进行追迹，然后计算其像差分布系数。

在计算轴上点近轴光线时，孔径角常选取对入瞳边缘的光线，通过轴上物点和入瞳边缘的近轴光线就称为第一近轴光线。

通过物体边缘和入瞳中心的光线，也就是通过物体边缘点的主光线，在近轴区域内时，叫做第二近轴光线。

如图：