下载文档原格式
光学成像系统的设计与制造研究光学成像系统是指利用光学元件对物体进行成像的技术，其具有很高的应用价值和广阔的发展前景。
为了达到高质量的成像效果，需要对光学成像系统进行设计和制造研究。
一、光学成像系统设计1. 光学系统参数的确定光学系统参数包括视场、倍率、焦距和F值等，这些参数会直接影响成像效果。
在设计光学成像系统时，需要根据具体的应用需求和光学元件的特性来确定这些参数。
视场的大小需要根据成像物体的大小和场景来确定，倍率则需要根据需要调整成像物体的大小。
焦距和F值则是根据成像物体的距离和光学元件的口径来计算。
2. 光学元件的选用和组合光学元件包括透镜、棱镜、反射镜、滤光片等，它们都有着不同的光学特性。
在设计光学成像系统时，需要根据需求选用和组合不同的光学元件，以实现高质量的成像效果。
3. 光路设计和光学模拟光学成像系统的光路设计是其设计的重要步骤之一。
通过对光路进行合理的设计，可以避免像差等问题，并实现更好的成像质量。
对于复杂的光学系统，需要进行光学模拟，对成像效果进行预测和分析。
4. 光学系统的优化在进行光学系统设计时，常会遇到一些问题，如像差、畸变等。
此时，需要对光学系统进行优化，通过改变光学元件的位置或组合方式来解决这些问题，从而实现更好的成像效果。
二、光学成像系统制造1. 光学元件的制造光学元件的制造是光学成像系统制造的重要环节之一。
在制造透镜等光学元件时，需要精准地控制材料的质量和制造工艺，以达到高质量的成像效果。
2. 光学系统的组装组装光学系统需要保证光学元件的位置和精度，以确保成像的准确性。
在组装过程中，需要保证光学元件的表面光滑度，防止污染和氧化。
3. 检测和调试在制造完成后，需要对光学成像系统进行检测和调试。
检测可以发现问题并进行修复，调试可以优化系统的性能和成像效果。
三、光学成像系统的应用光学成像系统具有广泛的应用领域，如医疗、航空、军事、工业制造等。
在医疗领域中，光学成像系统可以用于疾病的诊断和治疗；在航空和军事领域中，光学成像系统可以用于侦查、监测和目标追踪；在工业制造中，光学成像系统可以用于产品质量检测和材料分析等。
光学系统设计与工艺光学系统设计与工艺是光学工程学科中的重要内容之一，它涉及到光学元件的选择、光路的布局、光学系统的设计和制造工艺等方面。
一个优秀的光学系统设计与工艺能够保证光学系统的性能和稳定性，提高光学系统的效率和可靠性。
在光学系统设计与工艺中，首先需要考虑的是光学元件的选择。
光学元件是构成光学系统的基本组成部分，它们的性能和质量直接影响整个光学系统的性能。
因此，在选择光学元件时，需要考虑元件的透过率、反射率、折射率等光学性能指标，以及元件的材料、制造工艺等因素。
同时，还需要考虑元件的尺寸、重量、成本等因素，以便在光学系统设计中做出合理的权衡。
光路的布局也是光学系统设计与工艺中的重要内容。
光路的布局决定了光学系统中各个元件的相对位置和光路的传输特性。
在进行光路布局时，需要考虑光路的长度、光路中的光学元件的排列方式、光路中可能存在的干扰源等因素。
通过合理的光路布局，可以降低光学系统的光损耗，提高光学系统的传输效率。
光学系统设计与工艺中的另一个重要内容是光学系统的设计。
光学系统的设计是指根据光学系统的需求和要求，确定光学元件的参数和光学系统的结构。
在进行光学系统设计时，需要考虑光学系统的功能和性能要求，以及光学系统的制造工艺和技术可行性。
通过光学系统的设计，可以实现光学系统的功能和性能要求，并提高光学系统的稳定性和可靠性。
光学系统设计与工艺中的最后一个重要内容是光学系统的制造工艺。
光学系统的制造工艺是指根据光学系统的设计要求，选择合适的制造工艺和工艺流程，对光学元件进行加工和制造。
在光学系统的制造工艺中，需要考虑光学元件的制造精度、表面质量、表面涂层等因素，以及光学元件的组装和调试工艺。
通过优化光学系统的制造工艺，可以提高光学系统的制造效率和质量。
光学系统设计与工艺是光学工程学科中的重要内容，它涉及到光学元件的选择、光路的布局、光学系统的设计和制造工艺等方面。
一个优秀的光学系统设计与工艺能够保证光学系统的性能和稳定性，提高光学系统的效率和可靠性。
光学4f系统1. 4f系统简介4f系统是一种特殊的、应用较广的光学系统。
当输入两束相干的偏振光时，经过特殊的光学装置，余弦光栅、变换平面等,使输入的光在屏幕上产生衍射谱。
精密的横向移动余弦光栅，可以连续的改变两束光的衍射级数的相位差，达到衍射光强相减或相加的目的。
最简单的来说就是：有两个焦距为f的透镜，相距2f，物距为f，相距也为f，所以是4f系统. 只有距离大于4f的系统才能做变焦系统。
系统如图1—1所示，(x1 y1)(x2 y2)（x0 y0)L1、L2为一对已很好消像差的透镜,其焦距相等，同轴共焦地放置。
待处理的物理放在L1的前焦面（x0 ，y0）上.（x1，y1）是L1的后焦面也是L2的前焦面。
（x1，y1）是整个系统的频谱面或称为变换平面.（x2，y2）是系统的像平面。
用相干平行光入射到置于物平面（x0，y0）上的平面物体上，例如放置一正交光栅。
则在频谱面(x1，y1)上便出现光栅的频谱,一组呈正交分布的,分立有一定扩展的频谱分量，在象平面（x2，y2）上出现光栅的象。
4f系统的变换过程,使人们可以物理地实现对光信息进行频谱分析和在频域进行处理。
只要在频谱面（即变换平面)上,加入一定形状的滤波器，阻止某些频率的信息通过，或使某些频率引进一定的相位变化，就可以按照人们的需要提取某些信息,改造象的结构，获得需要的输出图像，所以4f 系统又称为光学计算机，广泛用于空间滤波，特征识别等光学信息处理实验中。
2。
4f 系统在飞秒激光器中的应用飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，是目前在实验室条件下所能获得的脉宽最窄的脉冲.它以其极高的时间、空间分辨率，极高的峰值功率在基础科学和技术科学中都有着广泛的应用。
由于通过压缩获得的超短脉冲往往有很宽的基座，或者对脉冲的形状也有特定的要求，因此需要通过整形技术对脉冲进行整形.目前，许多方面都已经应用飞秒脉冲整形系统,产生特定形状的光脉冲。
利用4f 系统进行飞秒脉冲整形的基本原理是频域和时域是互为傅里叶变换的，所需要的输出波形可有滤波实现。
光学设计的概念光学设计是指利用光学原理和技术进行光学元件、光学系统或者光学仪器的设计的过程。
它涉及到光学元件的形状、材料，以及光的传播和控制等方面的内容。
光学设计的目标是通过合理的设计和优化，使得光学元件或者系统能够实现特定的功能或者满足特定的要求。
光学设计的基本原理包括几何光学原理、物理光学原理和波动光学原理。
几何光学原理主要研究光的传播规律，例如折射、反射、光程差等。
物理光学原理则研究光的波动性质，例如干涉、衍射等。
而波动光学原理主要研究光的传播过程中的波动效应，例如像差、散焦等。
这些原理为光学设计提供了理论基础和计算方法。
在光学设计中，首先需要确定光学元件或者系统的功能和要求。
例如，如果设计一个光学透镜，首先需要确定其要实现的光学焦距、光学孔径和像差等性能要求。
对于系统而言，需要确定系统的成像质量、分辨率和光学效率等指标。
然后，根据已有的光学知识和技术，确定合适的光学原理和光学元件的组合方式，选择合适的材料和形状。
在进行光学设计时，通常需要使用光学设计软件。
这些软件提供了光学元件和光学系统的建模和仿真功能，可以进行参数优化和性能分析。
通过这些软件，可以快速而准确地进行光学设计和模拟，节省了时间和资源。
光学设计的一个重要任务是进行光学元件的优化。
在设计过程中，可以通过改变元件的形状、材料和表面性质等参数，来改善元件的性能。
例如，在设计光学透镜时，可以通过优化曲面形状、厚度分布和折射率分布等参数，来减小像差并提高光学质量。
通过多次迭代优化，可以找到最佳的设计方案。
光学设计的应用非常广泛。
在光学仪器上，例如显微镜、望远镜和相机等，都使用了复杂的光学系统进行成像。
在光学通信中，光学设计可以用于设计光纤、光开关和光封装等。
在光学传感和光学测量中，光学设计可以用于设计各种传感器和测量设备。
在光学制造中，光学设计可以用于优化加工工艺和提高光学元件的制造精度。
总之，光学设计是光学科学与工程的重要组成部分，通过充分利用光学原理和技术，能够实现对光学元件和系统的灵活和精确控制。
光学设计岗位职责光学设计是光学行业中的一项技术工作，主要负责光学元件和光学系统的设计与优化。
光学设计岗位的职责包括以下几个方面：1.光学元件设计：光学设计师需要根据产品要求，设计各种光学元件，如透镜、棱镜、光栅等。
在设计过程中，需要考虑元件的曲率、折射率、形状等参数，以及光学特性，如焦距、光学畸变、透过率等。
设计师需要利用光学软件进行光学元件的建模和优化，以满足产品需要。
2.光学系统设计：光学设计师还需要设计光学系统，如光学显微镜、望远镜、摄像头等。
在进行系统设计时，需要考虑光路设计、光学元件的组合和位置等因素，以实现所需的成像效果。
设计师还需进行系统的整体损耗和性能的优化，以提高系统的成像质量。
3.光学模拟与分析：光学设计师需要利用光学软件进行光学模拟与分析，以评估光学元件和系统的性能。
通过模拟，可以预测光学系统的成像效果、光学畸变等问题，并进行优化。
此外，还可以通过模拟分析光学元件对光学系统性能的影响，确定元件的设计参数。
4.光学制造与测试支持：光学设计师需要与光学制造和测试团队密切合作，提供设计图纸和技术支持。
设计师需要了解光学制造的工艺和要求，以确保设计的可制造性，并根据制造过程中的限制进行相应的优化。
设计师还需要参与光学元件和系统的测试，验证设计的性能和指标，确保产品的质量。
5.技术研究与创新：光学设计师需要关注最新的光学技术发展和创新成果，与同行进行交流与讨论，以保持技术的更新和提高设计的水平。
设计师还需要进行相关技术的研究，探索新的设计方法和算法，以提高设计效率和成像质量。
6.解决问题与项目管理：光学设计师需要解决设计中遇到的各种问题，如成像质量不达标、光学畸变等。
设计师需有较强的问题分析和解决能力，能够找到问题的根本原因和解决方案。
此外，对于大型项目，设计师还需要进行项目管理，包括项目进度的把控、团队协作与沟通等，以保证项目的顺利进行。
总之，光学设计岗位的职责涵盖了光学元件和系统的设计与优化、模拟与分析、制造与测试支持、技术研究与创新，以及问题解决与项目管理等方面。
光学系统机械结构设计
光学系统机械结构设计是指针对某一光学系统的设计，对其机械结构进行优化，以保持或改善其性能，同时满足制造、安装、使用等方面的要求。
在光学系统机械结构设计中，需要考虑以下几个方面：
1. 光学元件的支撑结构设计：光学元件需要通过支撑结构固定在光学系统中的特定位置，以保证光路的稳定性和精度。
支撑结构的设计需要考虑光学元件的尺寸、重量、材料等因素，并确保其在使用过程中不发生变形或松动。
2. 光学系统的外壳设计：外壳是光学系统的保护罩，需要具备防尘、防潮、防震等功能，同时也要考虑制造成本和使用便捷性。
外壳的设计需要考虑光学系统的尺寸、重量、形状等因素，并确保其外观美观、结实耐用。
3. 光学系统的调节机构设计：光学系统需要进行调节以达到最佳的光学性能。
调节机构包括平移、旋转、倾斜等，需要具备微调、精密度高、可靠性好等特点。
调节机构的设计需要考虑调节的范围、灵敏度、精度等因素。
4. 光学系统的固定支架设计：光学系统需要在使用过程中保持稳定，免受外部振动和震动的影响。
固定支架的设计需要考虑支架的刚度、耐用性、可靠性等因素，并确保其与光学元件的支撑结构相匹配。
在进行光学系统机械结构设计时，需要充分考虑光学元件的特性和光学系统的使用环境，并进行适当的计算和模拟。
设计过程中需要进行多次的优化和修改，以保证光学系统的性能和质量。
大视场离轴三反光学系统设计超大视场离轴三反光学系统设计（一）系统概述超大视场离轴三反光学系统是一种具有超大视场、低失真和高性能的反光学系统，主要包括反光镜、聚焦镜组、准直镜组、透镜组和其他光学元件，采用先进离轴技术设计开发。
它能够实现对大物体的密集成像以及实现低失真、高质量的图像。
（二）设计原则1.系统设计原则：应该特别注意偏准物稳定性、图像准直和色散校正。
2.光学元件：尽可能选用可靠性高、性能良好的元件并采用先进的离轴技术，以确保系统能够快速响应，提升性能和质量。
3.复杂结构：系统应该简单但有效，减少系统中的复杂元件数量，减轻重量、减少体积，提高系统的可携带性。
（三）基本结构该系统的基本结构具有如下特点：（1）反光镜以及准直镜组采用多反射面来实现高亮度、高质量的图像在镜片之间，而不是复合光学元件；（2）多反射面设计需要精确的模仿实现；（3）聚焦镜组采用单反射面结构，可以确保系统的精度和可靠性；（4）透镜组则采用由紫外光、可见光和近红外光三种类型的透镜组合，能够得到高质量的图像。
（四）特性1.超大视场：采用离轴技术、多层反射面以及透镜组合的超大视场离轴三反光学系统能够传递大量信息，实现对大物体的密集成像。
2.低失真：采用最新的离轴技术和准直器精确控制，确保图像准直和色散校正，消除几何变形，实现低失真、高质量的图像。
3.高性能：系统的结构紧凑，减少了尺寸和重量，使其可以作为便携式设备使用，提升性能和质量。
（五）总结超大视场离轴三反光学系统具有超大视场、低失真和高性能的特性，可以实现大物体的密集成像，是当今最先进的反光学系统。
它不仅可以用于精密医学成像，而且还具有广泛的临床应用价值，可满足当前市场对高性能设备的需求。
第四部分像差（Aberration）理论图为2个薄透镜组构成的薄透镜系统，对应的物平面位置、物高和光束孔径是给定的，系统外型尺寸计算完成后每个透镜组的光焦度以及各透镜组之间的间隔也已经确定有轴上物点A发出，经过孔径边缘的光线AQ称为第一辅助光线（边缘光线Axial ray），根据理想光学系统的光路计算公式可以计算它在每个透镜组上的投射高度h1和h2由视场边缘的轴外物点B发出的经过孔径光阑中心O的光线BP第二辅助光线（主光线Chief ray），它在每个透镜组的投称为第辅助光线光线y它在每个镜的投射高hz1,hz2也可以计算子午面和弧矢面子午平面(meridional)入瞳 轴外物点与光轴所确定的平面弧矢平面(sagittal)弧矢平面(g )过主光线且与子午面垂直光轴子午平面第四部分像差（Aberration ）理论 像差产生球面折射系统的特性径射线像的不同孔径入射光线像的位置不同 不同视场的成像倍率不同子午弧矢面成像性质不同子午、弧矢面成像性质不同 相同光学介质对不同波长的色光折射率不同i 近轴光学的计算近似 像差分类θθ→sin 几何像差(geometrical aberration)五种单色像差＋两种色差波像差(wave aberration)与几何像差之间有直接的变化关系第四部分像差理论Geometrical Aberration几何像差（Geometrical Aberration）分类 单色像差球差(spherical aberration)彗差(coma)(ti ti)像散(astigmatism)场曲(curvature)(di t ti)畸变(distortion)复色像差(chromatic aberration)垂轴色差(lateral)轴向色差(longitudinal)第四部分像差（Aberration）理论计算光线的选取从物点发出的光线进入系统光瞳的光线有很多，通常只对部分特征光线进行计算就可以把握像差和成像的情况子午面内光线（近轴光线实际光线）计算求出高斯 子午面内光线（近轴光线、实际光线）计算，求出高斯像的位置、大小；实际像的位置、大小及像差轴外点主光线（第二辅助光线）计算像散和场曲轴外点主光线（第二辅助光线）计算：像散和场曲；子午面外空间光线计算（弧矢面）对于小视场的光学系统（望远镜显微镜）般只 对于小视场的光学系统（望远镜、显微镜）一般只需要校正与孔径有关的像差对于大视场的光学系统（照相物镜、投影物镜）一般需要校正所有像差像差计算的谱线选择 目视光学系统（380nm~760nm ）D 光589.3nme 光546.1nm 555因此常用接近的人眼最敏感波长为555nm ，因此常用接近的D 和e 来校正单色像差4861nmF 光486.1nmC 光656.3nm −− 阿贝数： 照相系统－对蓝光敏感()()C FD D n n n =/1ν 对F 光校正单色像差G’光434.1nmG‘ 对G 和D 校正色差像差计算的谱线选择近红外校单色像差C光校正单色像差A’光768.2nmd5876d 光587.6nm对中心敏感波长校正单色像差 对系统光谱两端波长校正色差轴上点唯一的单色像差 轴向度量－轴向球差'mL δ垂轴度量－垂轴球差'tan ''U L T m ⋅=Δδ球差是高度或者孔径角的函数 球差的对称性－函数不含奇次项1h 1U 或时球差为零－函数不含常数项01=h 01=U 642"+++=642131211''h A h A h A L δ"+++=131211U a U a U a L δ 初级球差、二级球差、…初级球级球 孔径小－初级球差为主要影响孔径大高级球差为主要影响孔径大－高级球差为主要影响代入上式并微分得到当对边缘()代入上式并微分，得到当对边缘( )校正球差时整个系统的剩余球差极大值为：1m h h =24⎛⎞⎞⎟ 1210.7071'|0.25mh h L A δ==11121d 0d m m h h A A h h h ⎞⎛⎛⎜+=⇒⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠结论：只考虑球差展开式前项的系统，当边缘球差为零时，在0707位置残余球差最大为高0.707位置残余球差最大，为高高级球差与剩余球差反号10.70712'|0.250.25mh h L A A δ===− 高级球差与剩余球差反号；进一步的计算表明：结构形式一定的光学系统，进步的计算表明：结构形式定的光学系统，结构参数对高级球差影响很小；个面产生的高级球差与初级球差的比值和该一个面产生的高级球差与初级球差的比值和该折射面的相对孔径(h/r)的平方成比例，因此各般折射面的半径不能过小(一般h/r < 0.5)相对孔径很大的系统必须采用复杂的结构。
正单透镜产生负球差 负单透镜产生正球差消球差光组球差是球面折射系统的基本像差，也是其他轴外单色像差产生的根本原因。
轴外单色像差产生的根本原因。
－齐明透镜的应用例2齐明透镜的应用物点位于第一折射面顶点，第二表面满足齐明条件⎧111'10L L β==⎨=⎩22223'/L dL n L n nd===−()()2222223//1r n L n n nd n =−=++()223221/n n n nββββ====2311sin sin /sin /U U U nβ==n=1.5，则可使进入后面系统的光束孔如果使后系光束显微镜的物镜高倍物镜，在里斯特物镜前加一半球透镜，其第二面为半球透镜使里斯特物镜的孔径角增加倍这齐明面，半球透镜使里斯特物镜的孔径角增加倍。
这种物镜称作“阿米西”物镜，2n =40×，NA=0.65β显微镜的物镜浸液物镜，在阿米西物镜中再加一个同心齐明透镜，称作阿贝浸液物镜。
在玻璃盖片和物镜前片之间浸液（折在玻璃盖片和物镜前片之间浸液（折射率为n），可使数值孔径提高n倍；β=90×~100×，NA=1.25～1.4浸液正弦条件B设A,B 分别完善成像于A’,B’，物像高度分别为y, y’0d δδ==∫A l n s y y 根据费马原理，O 点到O’点的光程相等，即''''''''⋅−⋅=⋅−⋅从)'()'()''''(')()()(AA BB B O A O n OB OA n B O n BB OB n A O n AA OA n −=−⋅−−⋅++因而： O 为圆心AB 为半径做圆弧交点E ，从，从△△ABE 可得sin()sin OA OB BE AB U y U−==⋅−=−'''''sin '''sin 'sin (')(')O A O B y U n y U ny U BB AA −=−−−=−同理：则： 根据费马原理，即两光程均为常数0)'()'(==BB AA δδ正弦差的实质是相对彗差，是小视场的宽光束像差，轴外像差折射球面对光束会聚（发散）时产生的球差性质和对平面物体成像时的弯曲性质，造成了轴外点成像时衍生出系列像差成像时衍生出一系列像差。
对于辅助光轴而言，B 点的高斯像，B’B 'B 对于辅助光轴而言是点的高斯像是点的近轴像，由于像面弯曲，两点并不重合。
在子午面和弧矢面内用不同孔径的光线对在像空彗差（coma ）间的交点到主光线的垂直距离子午彗差 子午面内的光线对交点到主光线的垂直距离T K ' 弧矢彗差 SK '弧矢面内的光线对交点到主光线的垂直距离 在实际光学设计中，一般物点所成像偏离对称光斑的情况都是光学系统的彗差（正弦差）造成meridional coma 子午彗差（meridional coma ） 子午宽光线对交点偏离主光线的垂直距离子午彗差()zb a T y y y K '2/'''−+= 上下光线在高斯像面交点高度平均值与主光线在高斯像面交点高度差zSSyyK'''−=彗差是孔径和视场的函数当孔径改变符号时彗差符号不变－只含有孔径偶次项 当视场改变符号时彗差反号－只含有视场奇次项 视场、孔径为零时彗差为零－不含常数项hh第一项称为初级彗差；第二项为孔径二级彗差；第三"+++=2334221'hyAyhAyhAKS项为视场二级彗差对于大孔径、小视场的系统，彗差主要由第项决定第一、二项决定；对于大视场、小孔径的光学系统，彗差主要由第一、三项决定弧矢彗差（Sagittal coma）Sagittal coma对比初级彗差与正弦差的公式可知KSC/''y'=S当轴外物点发出一束很细的光束通过入瞳时，彗当轴外物点发出一束很细的光束通过入瞳时彗差（宽光束的失对称现象）将被忽略，球差也不对细光束有影响。
但是，由于轴外物点偏离轴对对细光束有影响但是由于轴外物点偏离轴对称位置，细光束中也会表现出子午和弧矢的成像差别，使得子午像点与弧矢像点不重合。
即一个物点的成像将被聚焦为子午和弧矢两个焦线，这种像差我们称为像散弧矢焦线s －弧矢光束所成的像，垂直弧矢面的线 两焦线沿光轴方向的距离表示像散的大小'''s t ts xx x −=2'''1−=∑S x k III ts 21⎛u n k k ⎟⎞⎜=i S S z I III ⎠⎝i为什么会产生像散？观察相交的小区域，在子午面上具有绝对值最大的曲率半径（犹如地球的经度），在弧矢面上具有绝对值最小的曲率半径（犹如地球的纬度），同一束光将相对于折射面上不同的曲率半径折射，射面上不同的曲率半径折射它们将聚焦在不同的位置思考如果轴外物体是一个“十”字图案在思考：如果轴外物体是一个十字图案，在存在像散的光路中像是什么现象？ 像散计算通过计算很细光束的光线可以得到主光线方向的位置和，然后换算成相对于最后一面顶点的轴向距，得到像散为's 't 'l 'l 离和得到像散为子午像点比弧矢像点远离高斯像面像散为负s t '''st ts l l x −=子午像点比弧矢像点远离高斯像面－像散为负子午像点比弧矢像点靠近高斯像面－像散为正 像散是物点远离光轴时的像差，随视场的增大而迅速增大像散应用光盘存储中的聚焦调节技术 像散应用－光盘存储中的聚焦调节技术像散应用光盘存储中的聚焦调节技术像散应用－光盘存储中的聚焦调节技术CD DVD类聚焦精度要求：±(0.5 ~ 0.2) µm±(0.5 ~ 0.2) µmFES++AC=()()DB−电路实现：利用四象限探测器和差动放大器+A B I(Focus Error Signal) DCFES = (A+C) -(B+D) = 0（焦面）< 0（负离焦）>0（正离焦）> 0（正离焦）像散（astigmatism） 具有像散的光学系统在子午面和弧矢面分别形成子午焦面和弧矢焦面两焦面间的距离即不同视场下的像散大小。
