光学设计基础（二）

1.什么是光学设计？

所谓光学系统设计，就是根据仪器所提出的使用要求，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.光学设计工作内容？

光学设计所要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。

3.光学设计各个阶段的主要内容？

（1）. 根据仪器总体的技术要求，拟定光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸。称为“初步设计”或者“外形尺寸计算” ；

（2）. 根据初步设计的结果，确定每个透镜组的具体结构参数。称为 “像差设计”或称“光学设计”。

4.光学系统设计的一般过程和步骤？

一、光学系统设计的一般过程

1、制定合理的技术参数；

2、光学系统总体设计和布局；

3、光学部件（光组、镜头）的设计；

一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段。

（1）选型;

（2）初始结构的计算和选择；

A、解析法；

B、缩放法；

（3）像差校正、平衡与像质评价。

4、长光路的拼接与统算；

5、绘制光学系统图、部件图和光学零件图；

6、编写设计说明书；

7、必要时进行技术答辩。

二、光学设计的具体设计步骤

1、 选择系统的类型；

2、 分配元件的光焦度和间隔；

3、 校正初级像差；

4、 减小残余像差(高级像差)。

5.光学仪器对光学系统的性能和质量要求

一、光学系统的基本特性

二、系统的外形尺寸

三、成像质量

四、仪器的使用条件与环境

此外，在进行光学系统设计时，还要考虑它应具有良好的工艺性和经济性。

1.什么是孔径？什么是视场？

2.七种像差的基本概念、怎样表示、特点、初级像差描述形式、基本校正方法？ 像差：实际像与理想像之间的差异

（1）球差

概念：轴上点发出的同心光束经光学系统各个球面折射以后，不再是同心光束，其中与光轴成不同角度的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点有不同的偏

离，这种偏离称之为球差。

表示：

特点：

或初级球差描述形式：

式中，称为初级球差系数(也称第一赛得和数)，     为每个面上

的初级球差分布系数。

危害：球差使得在高斯像面上得到的不是点像而是一个圆形弥散斑。

校正：鉴于正负透镜产生不同符号的球差，因此，欲获得一个消球差的系统，必须以正、负

透镜适当组合才有可能，最简单的形式有双胶合光组和双分离光组 。

球差是孔径的偶次方函数，因此，校正球差只能使某带的球差为零。

对于仅含初级和二级球差的光学系统，当对边缘光校正球差时，在

h=0.707hm的带光具有最大的剩余球差。其值是边缘光高级球差的-1/4。

（2）彗差

概念：轴外物点发出的宽光束，经透镜成像后不再交于一点而是形成一种不对称的成彗星状的弥散斑。

表示：子午彗差

弧矢彗差

特点：由于彗差是轴外物点以宽光束成像时所产生的一种单色像差。

因此，它一方面随视场大小而变化；另一方面，对于同一视场，它又随孔径的

不同而变化。

慧差的展开式为

第一项为初级彗差 ，第二项为孔径二级彗差 、第三项为视场二级彗差

初级像差描述形式：初级子午彗差

初级弧矢彗差

危害：彗差使一点的像成为彗星状弥散斑，使能量分散，从而影响成像质量。

校正：彗差能够通过移动光阑和有选择的增加透镜来消除

通过移动孔径光阑或选择增加透镜来控制彗差

（3）像散

概念：轴外物点沿主光线的细光束锥中，子午面上的子午光束在主光线上的会聚点t '与弧矢面上的弧矢光束在主光线上的会聚点s '各处于主光线上的不同位置，这种现象称为像散现象，与像散现象产生相应的成像缺陷，就是像散。

表示：细光束

宽光束

特点：像散是成像物点远离光轴时反映出来的一种像差，并且随着视场的增大而迅速增大。

所以对大系统的轴外点，即使是以细光束成像，也会因此而不能清晰。

像散是以子午像点和弧矢像点之间的距离来描述的

初级像差描述形式：

危害：严重影响成像质量

校正：

（4）场曲

概念：子午像面和弧矢像面偏离于高斯像面的距离。

表示：子午场曲

弧矢场曲

特点：细光束的场曲与孔径无关，只是视场的函数。

初级像差描述形式：

危害：当有场曲时，在高斯像面上超出近轴区的像点都会变得模糊。

校正：正负光焦度分离是校正匹兹伐和数的唯一有效的方法

（5）畸变

概念：在一对共轭平面上的垂轴放大率不为常数时 ,就会使物、像失去了相似性，这种成像缺陷即为畸变。 表示：用线畸变表示： 在光学设计中，通常用相对畸变来表示：

特点：由畸变的定义可知，畸变是垂轴像差，它只改变轴外物点在理想像面上的成像位置使像的形状产生失真，但不影响像的清晰度。

初级像差描述形式：

危害：使像的形状产生失真

校正：

（6）位置色差

概念：描述轴上点用两种色光成像的位置差异的色差

表示：

特点：位置色差仅与孔径有关，故其级数展开式仅与孔径的偶次方有关，当孔径（或）为零时，色差不为零，故展开式中有常数项，

初级像差描述形式：

危害：位置色差严重影响成像质量

校正：用不同的玻璃做成正透镜和负透镜，把它们组合在一起，就可以消除色差。实际光学系统中所使用的透镜组，都是由正负透镜组合起来的。

光学系统是否消色差，取决于是否为零。

（7）倍率色差

概念：两种色光有不同的放大率，对同一物体所成的像也就不同，这就是倍率色差。 

表示：

特点：

初级像差描述形式：

危害：倍率色差使物体像的边缘呈现颜色，影响成像清晰度

校正：

3.七种像差哪些仅与孔径有关、哪些仅与视场有关、哪些与孔径与视场都有关？ 仅与孔径有关：球差、位置色差、（正弦差）仅与视场有关：像散、畸变、倍率色差、细光束的场曲与孔径与视场都有关：彗差、宽光束的场曲

4.标注图中像差？

1.光学设计阶段像质评价的方法有哪些？小像差系统；数（MTF）；小像差系统：瑞利判断、中心点亮度、光学传递函数、；扩散函数）FFT；大像差系统：分辨率、点列图法、光学传递函数、基于；线）；2.在几何像差曲线中如何分析垂轴像差曲线？；3.什么是瑞利判断？怎样使用瑞利判断判断光学系统；实际波面与参考球面波最大波像差小于λ/4时，此波；瑞利判断根据成像波面的变形程

1.光学设计阶段像质评价的方法有哪些？小像差系统、大像差系统分别用什么来评价像质？ 像质评价的方法：瑞利判断、中心点亮度、分辨率、点列图法、光学传递函数、调制传递函数（MTF）

小像差系统：瑞利判断、中心点亮度、光学传递函数、基于衍射的方法：（点扩散函数、线扩散函数）FFT

大像差系统：分辨率、点列图法、光学传递函数、基于几何的方法；（光程差曲线、像差曲线）

2.在几何像差曲线中如何分析垂轴像差曲线？

3.什么是瑞利判断？怎样使用瑞利判断判断光学系统的光学性能？

实际波面与参考球面波最大波像差小于λ/4时，此波面可看作是无缺陷的，此判断成为瑞利判断。

瑞利判断根据成像波面的变形程度来判断成像质量。

4.什么是点列图？怎样用它评价系统的成像质量？

由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。

怎样用点列图法评价成像质量时需要做大量光路计算，只有利用计算机完成；

它是一种形象直观的评价方法；应用于大像差的照相物镜等设计中；

5光学传递函数是什么？怎样用它评价系统的成像质量？曲线评价？积分评价？

光学传递函数是一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。一般来说，高频部分反映物体的细节传递情况，中频部分反映物体的层次传递情况，低频部分反映物体的轮廓传递情况。

利用光学传递函数评价光学系统的成像质量，是基于把物体看作是由各种频率的谱组成的，也就是把物体的光强分布展开成傅里叶级数或傅里叶积分的形式。

积分评价：

曲线评价：

1.外形尺寸计算的任务是什么？需确定哪些尺寸？

光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组成、各光组元的焦距、各光组元的相对位置和横向尺寸。

外形尺寸计算基本要求：

第一，系统的孔径、视场、分辨率、出瞳直径和位置；

第二，几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸，整体结构的布局；

第三，成像质量、视场、孔径的权重。

2.什么是缩放？怎样根据缩放确定光学系统的初始结构？步骤是什么？

缩放：等比例的放大或缩小。

1、物镜选型

2、缩放焦距

3、更换玻璃

4、估算高级象差

5、检查边界条件

1.望远系统原理？光学性能参数？

望远系统一般由物镜、目镜和棱镜（或透镜）转像系统构成。其特点是物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隔为0，因此平行光射入望远系统后，仍以平行光射出。

2.望远物镜的光学性能参数有哪些？有什么特点？像差有什么特点？怎样去评价？

特点：相对孔径不大、视场较小

由于望远物镜视场较小，因此，通常只校正球差、彗差和轴向色差。

1、在有棱镜情况下，物镜和棱镜像差相互补偿。在棱镜中的反射面不产生像差，棱镜的像差等于展开以后的玻璃平板的像差，与位置无关，因此不论物镜光路中有几块棱镜，不论它的位置不同，只要材料相同，都可以合成一块玻璃平板计算像差。

2、目镜中有剩有少量剩余球差和轴向色差，需要物镜来补偿。

3、在系统有分划镜，目镜和物镜应当尽可能分别消像差。

用光学传递函数（MTF）评价成像质量。

1.显微系统工作原理及光学性能指标？怎样评价光学性能？

2.显微物镜光学性能参数有哪些？有什么特点？怎样选择它的初始结构？像差有哪些特点？用什么方法评价它的成像质量？

选用和设计时，考虑的光学特性中最重要的是放大率（β），数值孔径（NA）和线视场（ y   ，y'  ）。

特点：短焦距，大孔径，小视场

用于显微镜观察时，一般选用消色差物镜或复消色差物镜；用于显微摄影时，一般选用平场消色差物镜，使显微摄像像面上获得全视场清晰的像。

设计显微物镜主要校正轴上点的像差和小视场的像差：球差 ，轴向色差 和正弦 ，但对较高倍率的显微镜  ,由于数值孔径加大,除了校正这三种像差的边缘像差之外，还必须同时校正它们的孔径高级像差 ，如孔径高级球差 ,  色球差 ，高级正弦差。

用光学传递函数（MTF）评价成像质量。

1.目镜的工作原理？光学性能指标？

目镜是目视光学系统的重要组成部分。被观察的物体通过望远物镜和显微物镜成像在目镜的物方焦平面处，经目镜放大后将其成像在无穷远，供人眼观察。

2. 目镜光学性能参数有哪些？有什么特点？怎样选择它的初始结构？像差有哪些特点？用什么方法评价它的成像质量？

目镜光学特性的参数主要有焦距、像方视场角、工作距离、镜目距

特点：短焦距、大视场、相对孔径较小

目镜的像差校正以轴外像差为主。在目镜设计中，主要校正像散，垂轴色差和彗差这三种像差。因为彗差不会太大，因此，目镜的设计中最重要的是校正像散，垂轴色差这两种像差。 在目镜中一般不校正场曲，在广角目镜中只是设法使场曲减小些。

在设计望远目镜时，需要考虑它与物镜之间的像差补偿关系。

用光学传递函数（MTF）评价成像质量。

1.照相物镜工作原理？光学性能参数？用什么方法评价它的成像质量？

照相物镜的特点是以感光底片作为接收器，它的作用是把外景成像在感光底片上，是底片曝光产生影像。

照相物镜的光学特性一般用焦距  、相对孔径   、视场角   表示。

用光学传递函数（MTF）评价成像质量。

2.三片式、四片式、双高斯物镜的特点

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