第五章 光学系统初始结构计算

光学设计过程及初始结构选择、建立光学设计过程下面是有经验的光学设计者在完成特定设计任务时通常遵循的基本步骤。

由于光学设计的内在复杂性，设计过程通常复杂而且很费时。

1、研究指标2、选择起点3、建立变量和约束4、设置性能评价函数5、优化6、评价性能7、重复步骤3、5、68、分解元件、修改玻璃、优化重复3、5、69、如果指标仍不满足，请返回到第二步10、公差与误差预算11、光学制图、设计结构12、装配和检测1、设计过程的第一步是获得并研究所有技术指标，包括所有光学指标，如焦距、f/#、全视场、封装约束，性能目标、环境要求等等。

2、选择一个有代表性的可行起点。

重点说一下起点的选择。

在任何可能的情况下，这个起点应该是最可能满足设计技术要求的结构。

例如，如果要设计一个小视场、入瞳直径为5mm的f/10单色光镜头，则这个镜头很可能采用单个元件。

然而，如果要求设计宽光谱段而全视场为40°的f/1.2镜头，则解很可能是6-7个元件的双高斯镜头形式。

如果将单元件用于后者的设计起点，则根本不可能得到可行的结果。

寻找良好起点对获得可行结果是非常重要的。

以下是起点的可行来源（1）、使用专利将现有的专利设计作为起点。

有很多镜头专利资料，将专利的设计数据输入到计算机中，并用任何方式进行处理都是合法的。

建立专利系统的目的是为了促进发明和改革，该目的通过给发明人提供对其发明的17年专有权以鼓励其在专利中说明实现发明专利的方法。

因此，实际上鼓励使用专利设计数据并对其进行处理、改进。

其目的在于能提出更好的设计，那时，可以公布该改进设计并取得其专利。

照此哲学，发明人不断接受到挑战以改进发明，有效地促进了技术的发展。

这就是专利的核心价值观，或者说核心作用。

认真使用专利应受到鼓励。

（2）、所谓的“混合”设计还有可以使用所谓的“混合”设计。

混合设计指结合两个或多个其他可行的设计以产生一个新的系统结构的设计方法。

“混合”设计，其实就是合理的拼接光路，以满足新的设计要求。

PW法（即P和W法）是一种在光学设计中用于求解初始结构参数的方法，其主要依据是初级像差理论。

以下是使用PW法计算初始结构的一般步骤：
1.确定系统参数：首先需要明确光学系统的参数，包括曲率半径、
透镜的厚度、间隔、玻璃折射率和色散等。

这些参数将作为后续计算的输入。

2.建立像差方程式：根据初级像差理论，可以建立一系列与结构
参数相关的像差方程式。

这些方程式描述了不同透镜组的像差特性。

3.求解像差方程式：利用已知的像差要求，通过求解像差方程式，
可以得到满足条件的透镜组的P和W值（即初级像差的特性参数）。

4.确定初始结构：利用求解得到的P和W值，可以确定各个透镜
组的结构参数，包括透镜的形状、位置等。

这样就得到了整个光学系统的初始结构。

需要注意的是，PW法是一种近似方法，其近似程度取决于所设计的系统的视场和孔径。

因此，在实际应用中，可能需要对初始结构进行进一步的优化和调整，以达到更好的成像效果。

此外，具体的计算过程可能涉及复杂的数学运算和光学知识，需要具备一定的专业背景和计算能力。

因此，在实际操作中，可以参考相关的光学设计书籍、软件工具或咨询专业的光学设计师来获取更详细和准确的指导。

光学系统初始结构计算方法
光学系统初始结构的计算方法主要包括以下几个步骤：
1. 确定光源：光学系统的初始结构需要先确定光源的位置、发
光方式、光束的波长等参数。

2. 选择适当的光学元件：根据光源的特性以及系统设计要求，
选择透镜、棱镜、滤光片、反射镜等适当的光学元件，并确定它们的
位置与朝向。

3. 进行光路分析：通过几何光学的原理，计算出光线经过光学
元件后的光路、光程差、光强等参数，以及出射光线的方向。

4. 进行光学系统的成像计算：根据成像原理，计算出物体成像
在成像面上的位置、大小、清晰度等参数，以及光学系统的放大倍数、孔径、角度等性能指标。

5. 优化光学系统：通过对光学系统的结构、光学元件的选择、
光路的优化等手段，对系统性能进行优化，达到最佳的成像效果。

在以上计算过程中，需要使用光学知识、计算机模拟软件、实验
数据等多种手段进行验证和调整，以确保光学系统的初始结构计算结
果的准确性和可靠性。

光学课程设计——望远镜系统结构设计姓名：学号：班级：指导老师：一、设计题目：光学课程设计二、设计目的：运用应用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。

了解光学设计中的PW法基本原理。

三、设计原理：光学望远镜是最常用的助视光学仪器，常被组合在其它光学仪器中。

为了观察远处的物体,所用的光学仪器就是望远镜,望远镜的光学系统简称望远系统. 望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。

所以，望远镜是天文和地面观测中不可缺少的工具。

它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统.其系统由物镜和目镜组成,当观察远处物体时,物镜的像方焦距和目镜的物方焦距重合,光学间距为零.在观察有限远的物体时,其光学间距是一个不为零的小数量,一般情况下,可以认为望远镜是由光学间距为零的物镜和目镜组成的无焦系统.常见望远镜按结构可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜，和牛顿式望远镜。

常见的望远镜大多是开普勒结构，既目镜和物镜都是凸透镜（组），这种望远镜结构导致成像是倒立的，所以在中间还有正像系统。

物镜组（入瞳）目镜组视场光阑出瞳1'1ω2'2'ω3 'f物—f目'l z'3上图为开普勒式望远镜，折射式望远镜的一种。

物镜组也为凸透镜形式，但目镜组是凸透镜形式。

为了成正立的像，采用这种设计的某些折射式望远镜，特别是多数双筒望远镜在光路中增加了转像稜镜系统。

此外，几乎所有的折射式天文望远镜的光学系统为开普勒式。

伽利略望远镜是以会聚透镜作为物镜、发散透镜作为目镜的望远镜（会聚透镜的焦距要大于发散透镜的焦距），当远处的物体通远物镜(u>2f ）在物镜后面成一个倒立缩小的实像，而这个象一个要让它成现在发散透镜（目镜）的后面即靠近眼睛这一边，当光线通过发散透镜时，人就能看到一个正立缩小的虚象。

光学系统设计过程介绍展开全文所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。

因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。

一、外形尺寸计算在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。

因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。

一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。

在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。

每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。

二、初始结构的计算和选择、初始结构的确定常用以下两种方法：1.根据初级象差理论求解初始结构这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。

2.从已有的资料中选择初始结构这是一种比较实用又容易获得成功的方法。

因此它被很多光学设计者广泛采用。

但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的初始结构。

初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成功。

一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。

三、象差校正和平衡初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线。

从象差数据分析就可以找出主要是哪些象差影响光学系统的成象质量，从而找出改进的办法，开始进行象差校正。

象差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成象质量要求为止。

四、象质评价光学系统的成象质量与象差的大小有关，光学设计的目的就是要对光学系统的象差给予校正。

PW 法对连续变焦光学系统初始结构的求解崔恩坤;张葆;洪永丰【摘要】T he solving for the initial structure of continuous zoom optical system by using PW method was introduced .The structure was obtained by distributing the power and length be-tween them for each element on the base of the exchange principle of object and image .The PW values were changing for choosing best glass ,controlling aberration ,calculating the shape of glass .Finally an mid-wave infrared zoom system (50 mm~200 mm) was designed according to this method ,the system had 5 lenses with 2 aspherics ,satisfied 100% cold shield efficiency with simplestructure .Moreover ,the initial structure was optimized with Zemax .Result shows that the continuous optical system has high image quality and high energy transmission ,w hich can meet the requirements of practical applications .In conclusion ,the PW solution has practi-cal meaning for the initial structure of zoom optical system design .%介绍了PW法在连续变焦光学系统初始结构求解过程中的应用。

工程光学第五章知识点第五章光学系统的光束限制第一节概述1，问题提出●光学系统应满足前述的物像共轭位置和成像放大率要求●应满足一定的成像范围●应满足像平面上有一定的光能量和分辨本领●这就是如何合理限制光束的问题●每个光学零件都有一定的大小，能够进入系统成像的光束总是有一定限度的。

决定每个光学零件尺寸的是系统中成像光束的位置和大小，因此在设计光学系统时，都必须考虑如何选择成像光束的位置和大小的问题。

这就是本章所要讨论的内容。

●例如：人的眼睛中的虹膜能随着外界光线的强弱改变瞳孔的直径。

进入眼睛的光能量将随着瞳孔直径的改变而改变。

当外界景物过亮时，瞳孔就缩小，以减少进入眼睛的光能量，避免过度刺激视神经细胞；当外界景物较暗时，虹膜自动收缩，瞳孔直径加大，使进入眼睛的光能量增加，所以瞳孔其实就是一种孔径光阑。

●通常，光学系统中用一些中心开孔的薄金属片来合理的限制成像光束的宽度、位置和成像范围。

这些限制成像光束和成像范围的薄金属片称为光阑。

光阑主要分两类：孔径光阑和视场光阑。

此外还有消杂光阑、渐晕光阑。

下面先一一做简单介绍，再重点讲解孔径光阑和视场光阑。

2.孔径光栅●孔径光阑限制轴上点光束的孔径角（对于无限远物体，限制入射高度）●对有限远处的物体用孔径角U来表示孔径大小，对于无限远物体则用入射高度（孔径高度）h来表示照相机上的“光圈”就是可变的孔径光阑●人眼的瞳孔也是可变的孔径光阑，对于目视光学系统如显微镜、望远镜等必须把瞳孔作为一个光阑来考虑●视场光阑限制成像范围●对有限远处的物体用物高y（或像高y'）来表示视场（线视场），对无限远处的物体用视场角ω来表示●●照相机中的底片框就是视场光阑●照相机的标准镜头的视场角（2ω）为40~45°，而广角镜头的视场角（2ω）在65°以上3.渐晕光栅●渐晕：轴外点光束被部分拦截●光束被部分拦截使得相应像点的照度下降●渐晕光阑可拦截成像质量较差的轴外点光束4.消杂光光栅●杂散光：通过光学系统投射到像平面上不参与成像的有害的光●杂散光产生的原因：主要是由于非成像光线通过光学系统在镜筒的内壁表面反射，或是在光学零件的各表面之间多次反射和折射，最终投射到像面上●通常在光组中加入消杂光光阑以阻拦杂散光，并把光学零件的非工作面、镜筒的内壁、光学零件的支承件涂黑来吸收杂散光第二节孔径光栅●限制轴上物点孔径角u的大小，或者说限制轴上物点成像光束宽度，并有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑叫做孔径光阑。