第6章 光学系统设计

第六章光学成像系统的传递函数由衍射理论知道，即使一个没有象斧的完善的透镜或光学系统，也得不到理想的几何象，而是一个由孔径决定的衍射光斑。

衍射斑的存在影响光学系统分辨物体细节的能力。

对于有象差存在的实际光学系统，还因为象差的存在而影响衍射斑中光能的分布，从而降低了光学系统的质量。

在常用的评价成象质量的方法中，如星点法是通过研究一个点物的衍射图形来判断象差的人小；分辨率法是用一个具有一定空间分布的鉴别率板作为物体来判断成彖的好坏。

这些方法都存在一定的局限性。

实际的物体是有复朵的光强分布或振幅分布的，可以看作一个包含有各种空间频率的复杂光栅。

按照阿贝成象理论，一个只受衍射限制而无象差的理想光学系统，因为物体的频谱中的高频部分受到孔径的限制而不能参与成象，致使象面的复振幅分布不同于物面，即表示细节的高频部分丢失而使分辨率卞降。

对于有象差存在的实际光学系统，不仅反映细节的高频部分由于孔径的限制而丢失，•其它较低频率成分的光波也由于彖差的存在而使得其振幅降低或位相改变，从而影响成象质量。

为了全面评价一个光学系统的成象质量的优劣，必须全面考察物面上的各种频率成分经过光学系统的传播悄况，用来衡量这个传播状况的函数就是传递函数。

现在，光学传递函数的概念和理论己经较普遍地应用于光学设计结果的评价、控制光学元件的自动设计过程、光学镜头质量检验、光学系统总体设计的考虑及光学信息处理等方面。

特别是光学传递函数为光学仪器的设计、制造和使用提供了统一的评价标准, 成为一个更全面更客观的质量评价方法。

本章主要讲授在频率域中描写衍射受限系统的成像特性。

所谓衍射受限系统即成像只受到有限人小孔经衍射的彩响，无儿何光学像差的理想系统。

对于有象差存在的实际光学系统对传递函数的影响也将作原理性的介绍。

§6-1透镜、衍射受限系统的点扩展函数一、透镜的点扩展函数在§2詔中我们在学习脉冲响应和叠加积分时，引入了线性系统的点扩展函数（脉冲响应）的概念。

光学系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光学系统基本概念，掌握光学元件的作用和原理；2. 学会使用透镜公式和光路图分析光学系统；3. 了解光学成像的规律，掌握不同类型光学成像的特点；4. 掌握光学系统设计的基本方法和步骤。

技能目标：1. 能够正确使用光学仪器，进行光学实验操作；2. 能够运用透镜公式解决实际问题，分析光学系统性能；3. 能够根据给定的需求，设计简单的光学系统；4. 能够通过团队合作，完成光学系统设计项目。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对光学现象的好奇心和探索精神，激发学习兴趣；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据和事实；3. 培养学生团队协作意识，提高沟通与交流能力；4. 培养学生环保意识，关注光学技术在环保领域的应用。

课程性质：本课程为物理学科选修课程，旨在帮助学生掌握光学基础知识，提高解决实际问题的能力。

学生特点：学生处于高中阶段，具备一定的物理基础和实验操作能力，对光学现象感兴趣，但需进一步培养探究精神和实践能力。

教学要求：注重理论联系实际，以实验为基础，引导学生通过观察、思考、实践，掌握光学系统设计的方法和技巧。

教学过程中，注重启发式教学，鼓励学生提问和讨论，提高学生的主动学习能力。

通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的学习和研究打下基础。

二、教学内容1. 光学基本概念：光的基本性质、光学元件（透镜、面镜）、光学成像分类；2. 透镜公式与光路图：透镜公式推导、光路图绘制、光学系统分析；3. 光学成像规律：实像与虚像、放大与缩小、成像位置与物距关系；4. 光学系统设计：光学系统设计方法、步骤、实例分析；5. 光学实验操作：光学仪器使用、实验操作技巧、实验数据处理；6. 光学技术应用：光学在日常生活、科技、环保等领域的应用案例。

教材章节关联：1. 与教材第二章“光的传播”相关，深化对光直线传播、反射、折射等概念的理解；2. 与教材第三章“光学成像”相关，学习透镜成像、面镜成像等知识点；3. 与教材第四章“光学仪器”相关，了解光学仪器的基本构造和原理。

第 六 章 凯萨格林望远镜CASSEGRAIN TELESCOPE MODEL在这章中，我们将暂时离开上一章的Cooke 三片组，开始建立传统而著名的凯萨格林望远镜。

我们可以仅使用三个表面仿真这设计的主要结构设计，如图6.1 所示。

在图中主反射镜的形状为抛物面，其次反射镜为双曲线面。

图6.1一个古典凯萨格林望远镜。

光线来自左边，碰到凹面的主反射镜，反射到凸面的次反射镜后，光线再反射穿出主反射镜中心的一个开口孔径。

这个设计能够给予几乎完美的近轴影像，虽然像差随着离轴的角度会快速的增加，这个设计的其它资料可以在第112 页的补充附录“什么是凯萨格林望远镜”中讨论。

什么是凯萨格林望远镜？What is a Cassegrain Telescop e?大多数的大口径望远镜是使用反射镜，而非透镜来收集光线。

因为光线必须穿透透镜，它只能够利用透镜的边缘来固定。

这个原因限制了折射式望远镜的直径最大为一公尺，因为再大的透镜将被他自己的重量压垮。

重力将使他们的形状变形，（因此影响其成像质量），其变形的量与方式依望远镜所指向的天空角度而定。

反射式望远镜能够被制构来支撑。

唯一的问题是由凹面镜所形成的影像在凹面镜之前。

这个是非常不便及不实用的成像位置，因为成像位置的高度高于地面，及其位置为入射光的中途。

解决这个问题的一个方法是由凯萨造成非常大，因为主反射镜可以由背后稳固的结格林在1672 年提出，他增加一片凸面镜，称为次镜，放在主镜的焦点之前。

光线因此穿出主镜中央圆孔而离开系统如图中所示。

然而次镜是放在入射光的中途，唯一的影响是阻挡了小部分的入射光，同时增加了(通常是小量)部分绕射效应。

凯萨格林望远镜是一个紧凑的设计，一个简单的单一反射镜系统，若具有与凯萨格林组态相同的有效焦距时，其全长将四倍于凯萨格林组态，现在长焦距望远镜可以建造于一个简单的单一反射镜系统，若具有与凯萨格林组态相同的有效焦距时，其全长将四倍于这个凯萨格林望远镜组态。

现代光学设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解现代光学设计的基本原理，掌握光学元件的功能和特性；2. 学生能掌握光学系统的基本组成部分，了解不同类型光学系统的设计方法和应用；3. 学生能了解光学设计中的像差及其校正方法，提高光学系统成像质量。

技能目标：1. 学生能运用光学设计软件进行光学系统的搭建和优化；2. 学生能通过实际操作，解决光学设计中的实际问题，具备一定的光学设计能力；3. 学生能运用所学知识，对光学元件和系统进行性能分析和评价。

情感态度价值观目标：1. 学生能培养对光学设计的兴趣，提高科学探究精神；2. 学生能认识到光学技术在现代科技领域的重要地位，增强国家科技发展的责任感和使命感；3. 学生能在团队协作中发挥个人优势，培养合作精神和沟通能力。

课程性质：本课程为选修课程，旨在让学生深入了解现代光学设计的基本原理和方法，提高学生的实践操作能力和创新意识。

学生特点：高中学生具有一定的物理基础和光学知识，对光学设计有一定的好奇心，但实践操作能力有待提高。

教学要求：结合课程性质和学生特点，注重理论与实践相结合，强调学生在学习过程中的参与和体验，培养其光学设计能力和科学素养。

通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的学习和研究打下坚实基础。

二、教学内容1. 光学基本原理回顾：光学基础知识，光的传播定律，光学元件的基本概念和功能。

教材章节：第一章 光学基础2. 光学系统设计原理：光学系统的组成，光学系统设计的基本原则，光学系统设计方法及应用。

教材章节：第二章 光学系统设计3. 像差理论：像差的定义，常见像差类型，像差校正方法。

教材章节：第三章 像差理论与校正4. 光学设计软件应用：光学设计软件介绍，光学系统建模与优化，光学元件性能分析。

教材章节：第四章 光学设计软件及其应用5. 实践操作：光学系统搭建与调试，光学设计实例分析，光学元件性能测试。

教材章节：第五章 实践操作6. 光学设计案例解析：分析典型光学设计案例，了解光学设计在实际应用中的关键作用。