第2章 光学系统设计概要

光电系统设计---第二章光学系统设计概要2光学系统设计利用光学原理进行各种搜索、探测、观察、识别、测量和分析记录等工作的仪器称为光学仪器或光电仪器。3光学系统设计•光学/光电仪器的发展涉及光学、精密机械、电子技术、计算机的综合发展。•光学系统设计优劣决定着光学系统性能和质量水平。4本章内容2.1、光学仪器及其发展2.2、光学设计及其发展2.3、应掌握的光学设计基础2.4、光线追迹及像差校正常用方法2.5、光学设计的大致类型及各类镜头的设计差别2.6、设计举例5第一节光学仪器及其发展光学仪器是人类认识与改造自然的工具。X-射线粉末（多晶）衍射仪•探索物质结构内部的奥秘并对物质进行微量、超微量分析而发明了光谱仪器。6第一节光学仪器及其发展X-射线粉末（多晶）衍射X-射线粉末（多晶）衍射用来测量晶体物质的晶胞参数，可测得晶系，无法知道组成晶体元素参数和空间群。7第一节光学仪器及其发展X-射线单晶衍射仪8第一节光学仪器及其发展X-射线单晶衍射X-射线单晶衍射测得晶系、空间群、原子之间键长、键角等。9第一节光学仪器及其发展原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪从光源辐射出具有待测元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的含量。可测到10-9g/mL数量级。10第一节光学仪器及其发展原子吸收光谱因原子吸收光谱仪的灵敏、准确、简便等特点，现已广泛用于冶金、地质、采矿、石油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环境监测等方面的常量及微痕量元素分析。11第一节光学仪器及其发展红外光谱仪红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。12第一节光学仪器及其发展红外光谱红外光谱仪应用于染织工业、环境科学、生物学、材料科学、高分子化学、催化、煤结构研究、石油工业、生物医学、生物化学、药学、无机和配位化学基础研究、半导体材料、日用化工等研究领域。13第一节光学仪器及其发展显微镜下的雪花•为生物学和医学的需要发明了显微镜与各种人体窥镜。14第一节光学仪器及其发展内窥镜喉镜15第一节光学仪器及其发展•为观察远距离的目的和军事需要发明了各种望远镜、瞄准镜。潜望镜瞄准镜16第一节光学仪器及其发展高速摄影•为满足人们日常生活需要发明了各种静态和高速照相设备。17第一节光学仪器及其发展哈勃天文望远镜•为研究天体运动规律和探索宇宙奥秘而发展天文光学仪器。距地球两千八百万光年的宽边帽星系18第一节光学仪器及其发展191、光学理论的发展古典光学几何光学应用光学近代光学物理光学薄膜光学傅里叶光学量子光学纤维光学自适应光学激光二元光学第一节光学仪器及其发展20第一节光学仪器及其发展•自适应光学举例太阳表面原始图像太阳表面自适应校正图像21自适应技术拍摄太阳黑子第一节光学仪器及其发展22自适应光学是20世纪50年代以来迅速发展起来的光学新技术，在高分辨率天文观测、高能激光武器、激光通讯，激光核聚变，医学等方面的应用越来越广泛。自适应光学系统能实时探测由大气扰动、环境温度起伏、光轴抖动等因素造成的波面畸变，并通过光学校正系统实时补偿波面误差，现代地基、天基大型望远镜几乎都采用了自适应光学系统。第一节光学仪器及其发展23•自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的最有前景的技术；•遥远的星系达到地球表面的望远镜时，因为受大气扰动和湍流的影响，图像质量大大降低，这也是为何科学家要将哈勃望远镜送到地球高空轨道的原因；•通过复杂的算法，如果在地面上能通过光学方法消除大气的影响，则在地面上就相当于在地球高空轨道上，成本可以大大降低，地面上也可以建造巨大的望远镜系统；•自适应光学就是为达到上述目的而发展起来的。第一节光学仪器及其发展24自适应光学系统组成第一节光学仪器及其发展25LICK望远镜开启自适应光学系统前后效果对比图第一节光学仪器及其发展26第一节光学仪器及其发展27Keck望远镜观测到的土卫六星云未开启自适应开启自适应第一节光学仪器及其发展28自适应技术校正天王星第一节光学仪器及其发展29第一节光学仪器及其发展•傅里叶光学（信息光学）傅里叶光学傅里叶光学运用频谱分析方法对广泛的光学现象作了新的诠释。其主要内容包括标量衍射理论、透镜成像规律以及用频谱分析方法分析光学系统性质等；其应用领域包括空间滤波、光学信息处理、光学系统质量的评估、全息术以及傅里叶光谱学的研究等。302、新设计的发展第一节光学仪器及其发展•光学设计：计算机辅助设计（CAD），譬如Zemax、Matlab等•机构设计：光机一体化，光机电一体化•性能、成本的平衡313、新材料、新工艺、新器件的发展第一节光学仪器及其发展•新材料：提高仪器的精度和稳定性•新工艺：多层镀膜、高速精磨、精加工，提高元件质量，降低成本•新器件：基于电子科学发展的光电器件324、电子技术的发展第一节光学仪器及其发展世界上第一台电子计算机ENIAC于1946年在美国研制成功，ENIAC问世以来的短短的四十多年中，电子计算机的发展异常迅速。迄今为止，它的发展大致已经了下列四代。第一代（1946~1957年）是电子计算机，它的基本电子元件是电子管。第二代（1958~1970年）是晶体管计算机。1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10年后晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。第三代（1963~1970年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发展，1958年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成电路。第四代（1971年~目前）是大规模集成电路计算机。随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。33第一节光学仪器及其发展各类芯片34单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。第一节光学仪器及其发展单片机芯片35DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。第一节光学仪器及其发展专用视频处理DSP365、光学仪器的类别第一节光学仪器及其发展•光学计量仪器：测试、标定、传递，对零件的长度、角度、表面粗糙度及轮廓等几何尺寸和形状，以及零部件的直线性和相对位置等进行测量的光学仪器•物理光学仪器：发射光谱仪器，吸收光谱仪器，偏振、干涉和衍射测量仪器•显微镜：读数显微镜，生物显微镜，高温金相显微镜等•测绘仪器：大地测量仪器，摄影测量仪器•光学测试仪器：测量光学器件的加工质量•天文光学仪器•军用光学/光电仪器•医用光学仪器•照相机•电影机械375、光学仪器发展简史及其发展趋势第一节光学仪器及其发展•第二次世界大战前：望远镜，显微镜，像差，衍射成像。1608年，荷兰眼镜工匠李普赛从两个顽童偷玩他的两个镜片，无意中小孩发现了一只苍蝇被高倍放大的像，眼镜师发明了世界上第一架望远镜并申请了专利权，有关资料至今还保存在海牙档案馆。伽利略听到李普塞发明了望远镜后，亲自磨制透镜，几个月内就研制成由凸透镜当目镜，凹透镜当物镜，能放大三十多倍的精巧望远镜，后人称“伽利略望远镜”。38第一节光学仪器及其发展与伽利略同时代的德国天文学家开普勒则设计了一种物镜和目镜都是凸透镜的新型望远镜，人们称为“开普勒望远镜”。望远镜的发明和使用，不仅缩短了人类与天体的距离，而且对天文学的发展有着不可估量的贡献。世界上第一架显微镜则是有荷兰眼镜制造商詹森在1625年发明的。391666年，牛顿在做光的折射实验时，偶然发现了光的色散现象，牛顿用三棱镜把太阳光（白光）分成了七种颜色，又把三棱镜将七种颜色合成为白光，这个实验的成功开创了现代“光谱分析学”的基础。牛顿还用一个精密磨制的曲率半径很大的凸透镜的凸面，压在一个平面玻璃板上，在日光的照射下，中心的接触点是一暗点，周围是一些明暗相间的彩色同心圆。后人称它为“牛顿环”。第一节光学仪器及其发展4040牛顿环实验由一块平板玻璃和一平凸透镜组成。22dL光程差dRrO干涉图样第一节光学仪器及其发展41第一节光学仪器及其发展第一次世界大战之后，出现了光学计量仪器，物理光学仪器，大地测量仪器，航测仪器等。•第二次世界大战至20世纪50年代：改进仪器结构，扩大使用范围，增加产量，提高质量。•20世纪60年代以来：计算机，数字仪器，激光发明，激光仪器，光纤。421607年望远镜意大利科学家伽利略首先将望远镜用于科学观察，通过多年观察，收集了大量证据有力的支持了哥白尼的日心说。130018001400150016001700190020001350年眼镜工匠制作了能装上框并戴在眼前的玻璃盘片。早期的眼镜由凸透镜组成，用于阅读。1625年光学显微镜据说，詹森制造了第一台显微镜。这台显微镜能产生物体实际大小9倍的像。1826年照相机最早的照相机属于单孔相机，是法国的约瑟夫和路易斯制成的。1990年哈勃太空望远镜这个反射式望远镜是由发现号航天飞机发射的。它能探测到太空中的红外线、可见光和紫外线，并把照片传回地球。第一节光学仪器及其发展43X-rayOpticalInfraredRadio用不同波段看到的蟹状星云第一节光学仪器及其发展44光学仪器发展趋势：第一节光学仪器及其发展•数字化和自动化：数字读数技术，即计数光栅数字显示技术、光电轴角转码器技术、干涉条纹计数技术等•激光技术：激光测距，激光雷达，激光通信，激光武器•全息术：信息存储，立体电影，立体电视，全息干涉•纤维光学：光通信，光学仪器照明和成像•计算机：光学仪器与计算机的集成45第二节光学设计及其发展1、光学设计概述•光学系统设计：根据使用要求和使用条件，决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构。•光学结构设计：一台光学仪器的产品结构。46第二节光学设计及其发展光学系统设计：•初步设计：拟定光学系统原理图，系统大致结构形式，初步计算外形尺寸及各部分的光学特性。•像差设计（简称光学设计）：确定每个透镜组的具体结构参数（半径、厚度、间隔、玻璃材料等）。•上述两个阶段也有交叉，有可能根据像差设计修改初步设计。47第二节光学设计及其发展•一个好的设计应该是满足使用要求（光学性能、成像质量）的情况下，结构尽可能简单。•一般军用光学仪器，初步设计工作量较大；而一般照相机和显微镜，像差设计工作量比较大。•望远镜和显微镜，要求中心区域成像质量很好，而对于照相机，则要求尽可能全视场成像质量好。48第二节光学设计及其发展光学系统设计过程一般分为四个阶段：•外形尺寸计算：拟定光学系统原理图，系统大致结构形式，初步计算外形尺寸及各部分的光学特性，一般按照理想光学系统的理论和计算公式进行。•初始结构的计算和选择：根据初级像差理论求解满足成像质量要求确定，也可以参考历史设计图或资料中进行修改。49第二节光学设计及其发展•像差校正和平衡：像差是指在光学系统中由透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起实际像与理想像之间的偏差；校正是先进行光路计算，找出影响成像质量的因素，有的放矢地改进，并且反复进行。•像质评价：小像差系统，波像差（即考虑衍射效应）评价；大像差系统，几何像差评价。•成像质量评价：光学系统设计质量的评价，加工装调好的镜头或仪器的整体质量评价。50第二节光学设计及其发展像质评价的常用方法之一：•瑞利判断：实际波面与理想波面之间