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光学系统设计

任何一种光学仪器的使用和使用条件都必然对其光学系统提出要求。因此,在进行光学设计之前,必须了解其对光学系统的要求。这些要求概括在以下几个方面。

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内华达州。光学系统的基本特性
光学系统的基本特性是:数值孔径或相对孔径;线性场或场角;系统放大或焦距。此外,还有一些相关的特征,如瞳孔的大小和位置、工作距离和共轭距离。

二。系统外形尺寸
系统的外形尺寸,即系统的水平和垂直尺寸。在复杂光学系统的设计中。设计人员必须正确定义光学元件组的兼容性。

III成像质量
与光学系统使用有关的成像质量要求。按用途分类,不同的光学系统对成像质量有不同的要求。对于望远镜系统和普通显微镜来说,只有在中心视场才能获得良好的图像质量。但是对于摄影镜头来说,需要在整个视场中满足良好的质量要求。、仪器

的使用条件当我们提出对光学系统的功能要求时,我们必须考虑技术和物理两方面实现的可能性。如生物放大倍数应在500NA之间≤Г≤当我们开发望远镜系统时,在考虑望远镜视觉放大的情况下,必须考虑伸缩系统和人眼的分辨极限。
光学系统的设计过程

光学系统的设计是根据使用条件和满足应用成像质量使用要求确定各种数据的过程,即确定光学系统的性能参数,因此,光学设计过程可分为4个阶段:尺寸计算、初始结构计算、像差校正与平衡、像质评价。
内华达州。总体尺寸计算
在这一阶段,我们需要制定光学系统的设计原则,确定满足给定技术要求的基本光学性能,即放大率或焦距、线性场或场角、数值孔径或相对孔径、共轭距离,隔膜位置和外形尺寸等工作距离后。。因此,这一阶段通常称为外形尺寸计算。一般根据理想光学系统理论和计算公式计算其外形尺寸。在此过程中,必须考虑机械结构和电气系统,以防止不可行结构的发生。每个性能的确定都必须合理,如果太高,设计结果就会浪费,如果太低,设计就不符合要求,所以这一步需要慎重考虑。

二。初始结构的计算与选择

通常采用以下两种方法来确定初始结构:
1根据初始结构求解初级像差理论。
求解初始结构的方法是基于由外形尺寸计算出的基本特征,利用初级像差理论求解满足图像质量要求的初始结构。
2从现有的
文件中解决初始结构这是一种实用且易于实现的方法。因此被许多光学设计人员广泛采用。但这需要设计者对光学理论有深刻的理解,并具有丰富的设计经验。只有这样,他才能从各种各样的结构中挑选出一个简单而苛刻的初始结构。初始结构的选择是透镜设计的基础。一个不好的初始结构,再好的自动设计过程和经验丰富的设计师也不能使设计成功。
Ⅲ像差校正与平衡

初始结构选定后,用光学计算程序在计算机上计算光路,计算出所有像差和像差曲线。通过对像差数据的分析,可以找出哪些像差是影响光学系统成像质量的主要因素。然后,找出改进的方法,对像差进行校正。图像差分分析和平衡是一个迭代过程,直到满足图像质量要求。图像质量评价
光学系统的成像质量与像差的大小有关。光学设计的目的是校正光学系统的像差。然而,任何一个光学系统都不可能将所有的像差都调节到零,而残余像差的存在是不可避免的。因此,光学设计人员必须掌握光学系统残差的容限值和像差容限,才能根据残差来判断光学系统的成像质量。评价光学系统成像质量的方法很多。我们将简要介绍像差平差法

1。瑞利判断
实际波面和理想波面之间的最大波差不超过1/4波长。它是一种较为严格的图像质量评价方法,适用于小像差系统,如望远镜、显微物镜等。分辨率

分辨率是指光学系统分辨物体细节的能力。当一个点的衍射像的中心与另一个点的第一个暗环重合时,可以分开的正是这两点的边界。
底点

当一个点发出的大量光通过光学系统时,像差会导致光与像面相交处不聚焦在同一点上,并在一定范围内形成分散的图形,称为底点。通常作为一种实用有效的色散点,其浓度在30%以上的点或光圈。直径的倒数是系统所能识别的数字。它通常用于评价大像差系统。
4光学传递函数

这种方法的理论基础是物体是由具有不同频率的光谱组成的,即物体的亮度分布函数展开为傅里叶级数或傅里叶积分。将光学系统视为线性不变系统,使物体通过光学系统的像可以看作是一系列不同频率的线性系统的传输。传输的特点是频率相同,但对比度下降,移动相位到一定的频率。对比度的降低和相位的变化随频率的变化而变化,两者之间的关系称为光学传递函数。由于光学传递函数与像差有关,可以用来评价光学系统的成像质量。它客观可靠,易于计算和测量。它不仅可以用来评价光学设计的结果,而且可以控制光学系统设计、光学透镜检验和总体设计过程的各个环节。
不同类型镜头的设计差异

I。相机镜头
相机镜头的光学特性可以用三个参数来表示:相机镜头的焦距F'、相对孔径D/F'和视场角(2Ω)。实际上,就135台摄像机而言,其标准帧已经确定为24mm×36mm,对角线长度为2D=43266。从下表可以看出,在这个公式中,照相机镜头的焦距与视场角f’:tgω’=D/f’
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之间存在一个关系:2D—帧的对角线长度;

F’——镜头焦距。
相机镜头的另一个重要光学特性是相对光圈。它表示透镜通过光线的能力,用D/f'表示。它被定义为透镜孔径直径(也称为瞳孔直径)D和透镜焦距F'的比值。相对孔径的倒数称为透镜的孔径因子或孔径,也称为F,即F=F'/D。当焦距F'固定时,F与瞳孔直径D成反比。因为光的面积与D的平方成正比,光的面积越大,透镜的光通量就越大。因此,当孔径数处于最小值时,孔处于其最大值,光通量也最大。随着光阑数的增加,光孔变小,光通量减小。如果不考虑具有不同透射率差异的不同透镜的影响,无论透镜焦距有多长,不管透镜孔径大小有多远,只要光圈值相同,它们就具有相同的光通量。与相机镜头相比,F是一个非常重要的参数,F值越小,镜头宽度越大



























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