双高斯物镜的设计

湖南工程学院课程设计课程名称光电设计课题名称双分离物镜设计专业班级学号姓名指导教师刘建2010年06月6日一．光学概述光学(optics)是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。

传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。

光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。

狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。

而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。

光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。

系统设计及其仿真我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。

它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。

它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。

波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。

波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。

1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

光学设计第16章显微镜物镜设计在显微镜中，物镜是显微镜的一个重要组成部分，它决定了显微镜的分辨率和放大倍数。

物镜设计的优劣直接影响显微镜的成像效果。

本章将重点介绍显微镜物镜的设计原理和常见的设计方法。

1.物镜设计原理物镜是显微镜中用于放大样品的光学元件，主要由凸透镜和凹面镜组成。

通过透镜的折射和反射，物镜能够将样品的细节放大并投射到目镜上。

物镜的设计目标是实现高分辨率和高放大倍数。

分辨率决定了物镜能够显示的最小细节，而放大倍数则决定了物镜能够放大的程度。

为了实现高分辨率，物镜需要具有较小的焦距和较高的数值孔径。

而为了实现高放大倍数，物镜需要具有较长的焦距和适当的放大倍数。

2.物镜设计方法物镜设计的一般步骤如下：1)确定显微镜的要求：首先需要确定显微镜的分辨率和放大倍数要求，以及工作距离等参数。

2)选择初设参数：根据显微镜的要求和已知条件，选择合适的初设参数，例如放大倍数和镜片曲率半径。

3)初设设计：根据选择的初设参数，在设计软件中建立物镜的初设模型，并对其进行光学评估。

根据评估结果，对初设模型进行调整和优化。

4)优化设计：通过光机设计软件对初设模型进行优化，使得物镜的性能达到要求。

优化的方式可以是参数优化、智能优化或复合优化等。

5)光机制造：根据优化的设计结果，进行物镜的光机制造。

这包括选择合适的材料和成型方式，以及进行镀膜和组装等工艺过程。

6)测试验证：利用测量仪器对物镜的性能进行测试和验证。

这包括分辨率测试、光学畸变测试和像差测试等。

7)调整优化：根据测试结果，对物镜进行调整和优化，以达到设计要求。

3.物镜设计的注意事项在进行物镜设计时，需要注意以下几个方面：1)数值孔径的选择：数值孔径是物镜中一个重要的参数，它决定了物镜的分辨率和光通量。

因此，在物镜设计中需要根据实际需求选择合适的数值孔径。

2)焦距的选择：焦距决定了物镜的放大倍数和工作距离。

较长的焦距可以实现较高的放大倍数，但也会增加工作距离。

佳能数码相机镜头标识详解AFD：Arc-Form Drive 弧形马达为早期EF镜头的AF驱动而开发的弧形直流马达。

与USM马达不同，AFD 马达对焦是有声的。

DO：Multi- Layer Diffractive Optical Element 多层衍射光学元件Canon于2000年9月4日宣布研制成功世界上第一片用于照相机摄影镜头中的“多层衍射光学元件”。

多层衍射光学镜片同时具有萤石和非球面镜片的特性，所以该镜片的推出，是光学工业的一个里程碑。

衍射光学元件最重要的特性是波长合成结像的位置与折射光学元件的位置是反向的。

在同一个光学系统中，将一片MLDOE与一片折射光学元件组合在一起，就能比萤石元件更有效地校正色散（色彩扩散）。

而且，通过调整衍射光栅的节距（间隙），衍射光学元件可以具有与研磨及抛光的非球面镜片同样的光学特性，有效地校正球面以及其他像差。

代表镜头：EF 400/4 DO IS USMEF: Electronic Focus 电子对焦佳能EOS相机的卡口名称，也是EOS原厂镜头的系列名称。

EMD：Electronic-Magnetic Diaphragm电磁光圈EF镜头的电磁驱动光圈控制元件，是变形步进马达和光圈叶片的一体化组件，用数字信号控制，灵敏度和精确度都很高。

FL：Fluorite 莹石一种氟化钙晶体，具有极低的色散，其控制色差的能力比UD镜片还要好。

从严格的意义上来说，莹石不是玻璃，而是一种晶体。

它的折射率很低（1.4）而且不受潮湿影响。

莹石镜片一般不会暴露在外，所以你不大会直接接触到。

莹石镜片不如普通玻璃耐冲击，但也不像想象中的那么易碎，所以在使用中并不需要特殊的照顾。

FTM：Full-time Manual Focusing 全时手动对焦无论什么时候，即使是镜头正在自动对焦时，都能用手动调节对焦，不会损坏镜头。

L: Luxury 豪华佳能专业镜头的标志。

和消费级镜头相比，L头带有研磨非球面镜片、UD （低色散）、SUD（超低色散）或者Fluorite（萤石）镜片，这些是镜头出色的光学质量的重要基础。

高分辨率超低畸变航天光学成像系统设计李利;张凯迪【摘要】在航天空间交会、对接等高精度定位应用中需要光学成像系统具有高分辨率、低畸变、大视场的特点,为此设计了一种满足上述要求的航天物镜.采用复杂化的双高斯结构形式进行准像方远心光路设计,系统由9片透镜组成,并采用耐辐射玻璃材料减少离子辐射的腐蚀性;采用滤光片避免短波辐射对系统的影响,引入非球面提高成像精度,最后对成像物镜进行了公差分析.设计的系统焦距为24 mm,相对孔径为F/2.2,工作波段600 nm～800 nm,全视场角为35°.设计结果表明,采用该方法设计的物镜在128 lp/mm处各视场传递函数值均大于0.3,畸变值为0.007 2％,达到设计指标要求.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2019(040)003【总页数】6页(P363-368)【关键词】光学设计;航天物镜;准像方远心;系统畸变【作者】李利;张凯迪【作者单位】中科院南京天文仪器有限公司,江苏南京210042;中国科学技术大学,安徽合肥230026;中国科学院南京天文仪器研制中心,江苏南京210042【正文语种】中文【中图分类】TN731.4;V245引言航天物镜有着非常广泛的用途，包括光电捕获、军事侦察、空中测量以及高精度空间交会对接等[1-2]。

在航天空间交会对接等高精度定位应用中，为了分辨目标物的微小细节，得到更加清晰的图像，需要光学成像系统具有大视场、低畸变、高分辨率的特点[3]。

目前国内外实现高分辨率成像探测的主要途径有：小视场高分辨率成像，例如离轴反射式光学系统[4]，但其视场角较窄，外形结构较大，装调复杂；超半球鱼眼成像，虽然视场角可以超过180°，但其存在较大的畸变，影响像面的几何精度。

视场角越大，所摄取的目标范围越广泛，超低畸变是实现成像系统图像数据高精度配准的关键，虽然畸变不会影响系统的成像质量，但是会大大降低几何精度，给高精度对接应用带来严重的后果。

1.1.5远心物镜在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；另一方面，即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样亲会产生测量误差。

为了解决上述问题，可以采用远心物镜。

其中像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。

1）物方远心物镜物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，图1.1－23示出，当孔径光阑放在像方焦平面上时，即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并没有发生改变，即测得的物体尺寸不会变化；图1.1－24清楚地显示出物方远心光路的原理，其中孔径光阑位于像方焦面上，物方主光线平行于光轴。

如果物体B1B2正确地位于与CCD表面M共轭的位置A1上，那么它在CCD表面上的像为M1M2。

如果由于物距改变，物体B1B2不在位置A1而在位置A2，那么它的像B´1B´2偏离CCD表面，B´1和B´2点在CCD表面上投影为一个弥散斑，其中心仍为M1和M2点，按此投影像读出的长度仍为M2M1。

这就是说，上述物距改变并不影响测量精度。

图1－232）像方远心光路像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。

如图1.1－25所示。

如果物体B1B2的像B´1B´2不与CCD表面M重合，则在CCD表面M上得到的是B´1B´2的投影像，其散斑中心距离M1M2＝B´1B´2。

因此，不管CCD表面M是否和B´1B´2相重合，它和标尺所对应的长度总是B1B2，所以没有测量误差。

图1－24图1.1－25 像方远心光路1.1.6远距物镜远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜，从物镜前表面到像平面的距离小于焦距，这对于长焦距物镜来说，有利于缩短物镜的轴向尺寸。

镜头种类：一定焦镜头：焦距固定不变的镜头则称为“定焦镜头”。

1. 标准镜头（简称标头）：指焦距长度接近或等于底片/传感器对角线长度的镜头。

以全幅135单反相机来说，它的底片幅面为24*36mm，对角线的长度为50mm，所以，这类相机的“标头”焦距就是50mm。

当然，画幅的不同的相机，标头的焦距也有所不同，一般来说，120相机的“标头”焦距为75mm，4*5英寸座机为150mm。

数码单反相机的传感器幅面因厂商的不同而有所不同，但只要计算出传感器的对角线长度，就可以得出标准镜头的焦距了。

尽管不同画幅的“标头”焦距不同，但他们的视角却是基本相同的，都接近人眼的正常视角。

因此，在诸如取景范围、透视关系等方面，“标头”都与人眼观看的效果类同，显得特别亲切、自然。

此外，“标头”的技术已经基本趋于完善，显著的特点是孔径大、成像质量出众、价格低廉等，是每个单反用户的必备镜头之一。

2.广角镜头：指焦距短于、视角大于“标头”的镜头。

以全幅135单反相机来说，焦距在30mm左右、视角在70度左右的镜头称为“广角镜头”，焦距小于22 mm，视角大于90度的镜头称为“超广角镜头”。

广角镜头的特点：a. 景深大，有利于获得被摄画面全部清晰的效果。

广泛地用于风光片的拍摄。

b. 视角大，在有限的范围内可以获得较大的取景范围，在室内建筑的拍摄中尤为见长，广泛地用于房地产行业的拍摄。

c. 透视感强烈，可以营造具有强烈视觉冲击感的画面。

d. 畸变较大，尤其是在画面的边缘部分。

3.远摄镜头：指焦距长于、视角小于“标头”的镜头。

以全幅135单反相机来说，焦距在200mm，视角在12度左右的镜头称为“远摄镜头”，焦距在300mm以上，视角在8度左右的镜头称为“超远摄镜头”。

远摄镜头的特点：a. 景深小，容易获得主体清晰，背景虚化的画面效果。

b. 视角小，能够获得远处主体较大的画面且不干扰被摄对象。

广泛地用于户外野生动物的拍摄。

c. 压缩了画面透视的纵身感，拉近了前后景的距离。