光学系统范文

光学系统一:光学系统设计光学人生陪你一起走过你的光学人生梦想即时交流，努力打造最大的掌上光学互助平台。

一、掌握采用常用评价指标评价光学系统成像质量的方法，对几何像差和垂轴像差进行分类和总结。

常用指标评价光学系统成像质量的方法1 用于在光学系统实际制造完成后对其进行实际测量分辨力检测和星点检测星点检测实际上每一个发光点物基元通过光学系统后，由于衍射和像差以及其他工艺瑕疵的影响，绝对地点对应点的成像是不存在的，因此卷记的结果是对原物强度分布起了平滑的作用，从而造成点物基元经系统成像后的失真，因此，采用点物基元描述成像的过程，其实是一个卷积成像过程，通过考察光学系统对一个点物基元的成像质量就可以了解和评价光学系统对任意物分布的成像质量，这就是星点检验的思想。

分辨力检测所谓分辨力就是光学系统成像时所能分辨的最小间隔，它是衡量图像细节表现力的技术参数。

测量分辨力所获得的有关被测系统像质的信息量虽然不及星点检验多，发现像差和误差的灵敏度也不如星点检验高；但分辨力能确定的数值作为评价被测系统的像质综合性指标，并且不需要多少经验就能获得正确的分辨力值。

2 用于设计阶段的像质评价指标主要有几何像差、垂轴像差、波象差、光学传递函数、点阵图、点扩散函数、包围圆能量等。

任何一个实际光学系统的实际成像总与理想成像存在差异，实际成像不可能绝对地清晰和没有变形，这种成像差异就是所谓的像差。

下面对几何像差和垂轴像差进行分类和总结。

1 几何像差主要分为两种轴上点像差和轴外点像差。

（1）轴上点的像差又分为轴上点的球差和轴上点的色差。

轴上点的球差由物点A发出与光轴夹角相等为在同一锥面上的光线对经系统以后，其出射光线同样位在一个锥面上，锥面顶点就是这些光线的聚焦点，而且必然位在光轴上。

光线与光轴的夹角不同聚焦点的位置发生改变。

也就是物点A发出的光不再聚焦于同一点，我们称其为球差。

（2）轴外点的像差轴外像点的单色像差轴外物点发出的通过系统的所有光线在像空间的聚焦情况比轴上点复杂的多。

为简化问题，同时又能够定量地描述这些光线的弥散程度，我们从整个入射光束中取两个互相垂直的平面光束，用这两个平面光束的结构近似地代表整个光束的结构。

这两个平面一个称为子午面（由物点和光轴构成的平面）另一个称为弧矢面（过主光线与子午面垂直的平面）。

用来描述这两个平面光束结构的几何参数分别称为子午像差和弧矢像差。

a、子午像差取主光线两侧具有相同孔径高的两条成对的光线，称为子午光线对。

用子午光线对的交点离理想像平面的轴向距离表示此光线对与理想像平面的偏离程度，称为子午场曲。

用光线对交点离开主光线的垂直距离表示此光线对交点偏离主光线的程度，称为子午慧差。

当光线对称地逐渐向主光线靠近，宽度趋于零时，它们的交点趋近于一点，这一点应该位于主光线上，它离开理想像平面的距离称为细光束子午场曲。

不同宽度子午光线对的子午场曲和细光束子午场曲之差，代表了细光束和宽光束交点前后位置的差，可称为轴外子午球差。

b、弧矢像差与子午光线对的情形相对应，我们用弧矢光线对的交点离理想像平面的轴向距离表示此光线对与理想像平面的偏离程度，称为弧矢场曲。

光线对交点离开主光线的垂直距离表示此光线对交点偏离主光线的程度，称为弧矢慧差。

当光线对称地逐渐向主光线靠近，宽度趋于零时，它们的交点趋近于一点，这一点应该位于主光线上，它离开理想像平面的距离称为细光束弧矢场曲。

不同宽度弧矢光线对的弧矢场曲和细光束弧矢场曲之差，代表了细光束和宽光束交点前后位置的差，可称为轴外弧矢球差。

c、正弦差SC像散等于零说明该细光束为一同心光束。

d、轴外像点的畸变2 垂轴像差前面介绍的各种几何像差是用代表成像光束结构的独立几何参数来表示像点的成像质量，是单项独立几何像差。

这种方式表示像差的优点是便于了解解光束的结构，分析它们和光学系统结构的关系，以便进一步校正像差。

它们的缺点是数据繁多，不易获得系统综合成像质量的概念。

垂轴几何像差直接用不同孔径子午、弧矢光线在理想像面上的交点和主光线在理想像面上的交点间的距离来表示。

直接给出了光束在像平面上的弥散情况，反应了像点的大小，更直观的显示了系统的成像质量对弧矢光束来说，由于系统对称于子午面，因此对称于子午面的弧矢光线通过光学系统时永远与子午面对称。

另一侧的弧矢光线很容易根据对称的关系确定。

为了用垂轴像差表示色差，可以将不同颜色光线的垂轴像差用同一基准像面和同一基准主光线作为基准点计算垂轴像差。

一般采用不尊敬波长光线的理想像面和主光线作为基准计算各色光线的垂轴像差。

为了了解整个像面的成像质量，同样需要计算轴上点和若干不同像高轴外点的垂轴像差，对轴上点来说，子午和弧矢垂轴像差是完全相同的。

二、学习光学自动设计和两种常用自动设计程序的原理，掌握阻尼最小二乘法自动设计程序的使用方法，或掌握ZEMAX软件中的自动设计程序使用方法。

1光学自动设计在光学自动设计中，一般把对系统的全部要求，根据它们和结构参数的关系不同重新划分成两大类。

第一类是不随系统结构参数改变的常数。

在计算和校正光学系统像差的过程中这些参数永远保持不变，它们是和自变量（结构参数）无关的常量。

第二类是随结构参数改变的参数。

它们包括代表系统成像质量的各种几何像差或波像差，同时也包括某些近轴光学特性参数。

2阻尼最小二乘法3 自适应法光学自动设计程序三、熟练掌握ZEMAX软件包的像差计算、自动设计、传函计算等程序的使用方法。

利用zemax进行自动光学设计的一般操作步骤如下建立光学系统模型在建立光学系统模型之前，首先要确定是选择序列或非序列模式，然后再进行系统特性参数的输入和初始结构的输入。

系统特性参数的输入系统特性参数输入主要是对孔径、视场和波长进行设定。

初始结构参数的输入初始结构的输入主要是指对面型、表面结构参数、半径、厚度、玻璃和半口径。

进行像质评价系统建立以后可以利用zemax对其性能进行评价。

像质分析主要包括扇形图、点列图、光学传递函数、点扩散函数和波面图等像质评价和照度计算，成像分析等功能，如二维系统机构图、点列图和包围园能量。

优化使用zemax自动优化时，主要有如下步骤设置评价函数和优化操作数；设置优化变量；进行优化。

公差分析Zemax公差分析可以模拟在加工、装配过程中由于光学系统结构或其他参数的改变引起的系统性能变化，从而为实际的生产指导。

利用zemax进行公差分析需分两步公差数据设置和执行公差分析。

Zemax采用三种计算模式进行公差分析灵敏度分析、反向灵敏度分析和蒙特卡洛分析。

四、利用ZEMAX软件设计如下光学系统⑴望远镜物镜设计要求焦距为200，半视场角为4，相对孔径为15优化前，根据查找到的数据手册的数据，设计镜头参数及各项指标如下图设计优化函数，将EFFL设计为200，然后进行优化，优化后结果如下⑵目镜设计与⑴中的望远镜物镜进行配合，要求视放大率为6倍，目镜出瞳距离为20在ZEMAX中设计镜头参数如下设置优化函数进行优化后，所得得结果如下⑶照相物镜设计要求焦距为50，半视场角为25，相对孔径为13优化前设置优化函数，将焦距目标值设为50，进行优化，优化后如下(4)利用Zemax软件中的多重结构构造一个理想的变焦距系统，焦距从30～300，给出变焦数据光学系统二:认识红外光学系统1 概述作用就是接收辐射能量，并把它传送给探测器。

特点多采用反射式和折反式系统光学玻璃的透光特性及机械性能，限制了透镜系统在红外光学系统中的应用。

性能评定是以与探测器匹配的灵敏度、信噪比为主红外系统属光电子系统，接收器是光电器件，分辨率受到光电器件尺寸的限制，对光学系统的要求有所降低。

视场小，孔径大探测器接收面积较小、反射系统没有色差、系统对象质要求不高。

采用扫描器当探测器阵列为线列时，为实现对空间目标的扫描成像，常采用扫描器。

波长的特殊性使得系统的重量重、成本高常用红外波段的波长约为可见光的5～20倍，要得到高分辨率的系统，必须有大的孔径。

设计光学系统时应遵循的原则光学系统与目标、大气窗口、探测器之间的光谱匹配。

接收口径、相对孔径尽可能大，以保证系统有高的灵敏度。

系统应对噪声有较强的抑制能力。

系统的形式和组成应有利于发挥探测器的效能。

系统和组成元件力求简单，减少能量损失。

根据不同要求，选择合适的元件组成所需的系统。

2 光学系统的主要参数1光阑、入瞳在光学系统中起拦光作用的透镜和屏孔统称为光阑。

孔径光阑决定最小入射光束截面积的光阑，如透镜的边框MN和特加的圆孔光阑I。

视场光阑限制物空间的被成像范围，如光阑II。

入射光瞳通过光学系统的光束的最大孔径角，描述目标辐射能量有多少为光学系统接收。

AB是系统的孔径光阑。

从F点来看，AB的大小相当于以孔径光阑为物，通过透镜L在物空间所成的像A，B，，这个像的边缘对物点F所作的张角，就是通过光学系统的光束的最大孔径角。

光阑AB的像A，B，就称为系统的入射光瞳。

2相对孔径、F/数1、焦距F，点为像方焦点，F点为物方焦点；过F，点且垂直于光轴的平面称为像方焦面；H，为象方主点，H为物方主点；象方主点与像方焦点之间的距离称为后焦距f，一般称焦距。

2、相对孔径像面上的辐照度与光学系统的相对孔径的平方成正比，要增加像面的辐照度，必须增加相对孔径。

3、F/数F／8表示系统的焦距为入瞳直径的8倍。

相对孔径或F/数是衡量光学系统聚光能力的一个参数。

像面上的辐照度为4、F/数与数值孔径光学系统在空气中使用时，数值孔径与F/数的关系为数值孔径和F数都可用来表示物镜的聚光能力，物在有限远时，如显微系统，较多用数值孔径；物在无穷远时，如望远系统，较多用F数。

3视场(FOV)、瞬时视场(IFOV)视场是探测器通过光学系统能感知目标存在的空间范围。

度量视场的立体角称为视场角,习惯上常用平面角表示。

大多数红外系统的探测器放在光学系统的焦面上，探测器本身就是视场光阑，垂直和水平视场角可分别表达为由多个探测元组成线阵或面阵探测器时，将单个探测元所对应的视场称为瞬时视场(IFOV)，而将线阵或面阵探测器所对应的视场称为光学视场(FOV)单元探测器的红外系统，其光学视场和瞬时视场是一致的；线阵或面阵探测器的瞬时视场角与单元探测器相同，光学视场则与具体的光机扫描方式和面阵大小有关。

4焦深、景深会聚到焦点的光束，在焦点处光束的截面积最小；在焦点两侧的一个短距离内，光束的截面积近似相等，这一距离称为焦深。

根据波像差理论，焦深为当物距变化时，只要像面位置与理想像面轴向位置的偏差不超过焦深，像点的亮度不会有明显的变化。

将像的移动等于焦深的物距变化称为景深。

如光照足够，可以减小光圈，即增加F数来增加景深。

5光学增益总结小F数的光学系统具有较强的聚光能力，设计中应尽量减小F数；但大F数有助于增加景深；小F数、大孔径红外系统的重量重、成本高，会带来象差方面的其它影响。