一、首先是几何光学基础
几何光学是光学设计的基础。要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理,外形尺寸计算方法,了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程。
实际光学系统大多由球面和平面构成。记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式,了解公式中各参数的几何意义是必要的,具体公式可参考有关光学书籍,在此就不一一介绍了。对于平面零件有平面反射镜和棱镜,它们的主要作用多为改变光路方向,使倒像成为正像,或把白光分解为各种波长的单色光。
在光学系统中造成光能损失的原因有三点:透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失。
二、其次是象差理论
光学系统有七种初级象差:
球差
慧差
象散
场曲
畸变
位置色差
垂轴色差
三、然后是材料的选择和公差的分配
玻璃按下列各项质量指标分类和分级:
折射率和色散系数
同一批玻璃中,折射率及色散系数的一致性
光学均匀性
应力双折射
条纹度
气泡度
光吸收系数
四、最后要了解光学工艺
光学工艺大致分为切割,粗磨,精磨,抛光和磨边,最后还有镀膜和胶合。
望 远 物 镜
光学特性:
相对孔径不大:通常小于1/5。
视场较小: 通常不大于10°
像差校正:
根据望远物镜的光学特性,只需校正球差、彗差和轴向色差。
设计实例:(此天文望远物镜使用中国普通玻璃达到消色差。)
二维输出图形
色差曲线
MTF
目 镜
光学特性:
焦距短:通常在15~30mm左右。
相对孔径比较小:通常小于1/5。
视场角大: 通常不大于40°,广角目镜视场在60°左右,特广角镜可达100°
像差校正:
根据目镜的光学特性,一般不校正场曲,只是用像散进行补偿,所以实际上只校正像散、垂轴色差和彗差。
设计实例:
二维输出图形
MTF
显 微 物 镜
光学特性:
数值孔径:它决定了系统的衍射分辨率。
像差校正:
根据显微物镜的光学特性,主要校正球差、轴向色差和正弦差,特别是减小高级像差。
设计实例:
二维输出图形
MTF
照 相 物 镜
光学特性:
焦 距:根据顾客要求
相对孔径:根据顾客要求
视 场 角:根据顾客要求
在一定的成像质量要求下,照相物镜的这三个光学特性参数之间存在着相互制约的关系。在物镜结构的复杂程度大致相同的情况下,提高任意一个光学特性,都必然使其他两个光学特性降低。
像差校正:
根据照相物镜的光学特性,由于视场和相对孔径都比较大,所以七类像差都需要校正,而且在一定程度上也要校正高级像差。
设计实例:
二维输出图形
MTF
鱼 眼 镜 头
光学特性:
焦 距:根据顾客要求
相对孔径:根据顾客要求
视 场 角:根据顾客要求
像差校正:
根据鱼眼镜头的光学特性,由于视场很大,所以畸变是不可避免的存在。
设计实例:
二维输出图形
MTF
折 发 射 系 统
光学特性:
焦 距:根据顾客要求
相对孔径:根据顾客要求
视 场 角:根据顾客要求
在此类型的系统中存在中心遮拦。
像差校正:
一般用做望远物镜,象差校正与望远物镜类似。
设计实例:
二维输出图形
MTF
特 制 镜 头
光学特性:
焦距:根据顾客要求
相对孔径:根据顾客要求
视场 角:根据顾客要求
变倍倍率:根据顾客要求
像差校正:
根据变焦距物镜设计的基本要求,焦距在变化时,成像面的位置保持不变,各个所对应的成像质量应满足要求。
设计实例:
二维输出图形
MTF
非 球 面
光学特性:
引进非球面可以提高系统的相对孔径,扩大视场角,简化结构和改善成像质量等等。
像差校正:
非球面有利于校正除场曲外的各种单色象差。
设计实例:
二维输出图形
MTF