典型光学系统与设计PPT讲稿.ppt

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1、典型光学系统与设计第1页，共51页，编辑于2022年，星期五典型光学系统o望远镜o显微镜o投影和摄像第2页，共51页，编辑于2022年，星期五望远镜o望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。o望远镜是目视光学系统，其放大率为视觉放大率：第3页，共51页，编辑于2022年，星期五第一个望远镜是伽利略发明的第4页，共51页，编辑于2022年，星期五第5页，共51页，编辑于2022年，星期五望远镜的种类o折射式：伽利略望远镜和多普勒望远镜o反射式o折反共用第6页，共51页，编辑于2022年

2、，星期五第7页，共51页，编辑于2022年，星期五折射式第8页，共51页，编辑于2022年，星期五反射式：色差来源于不同的波长通过透镜具有不同的折射率，因此具有不同的焦距，而反射镜对不同波长来说反射角是一致的牛顿望远镜反射望远镜沒用上透镜，因此沒有折射望远镜的色差问题，现今世界上最好的望远镜都是反射望远镜，用的都是反射镜面，例如夏威夷毛那基峰的十米Keck望远镜。第9页，共51页，编辑于2022年，星期五反射式望远镜的例子：第10页，共51页，编辑于2022年，星期五第11页，共51页，编辑于2022年，星期五第12页，共51页，编辑于2022年，星期五第13页，共51页，编辑于2022年，星

3、期五为什么又有了折反望远镜？o反射和折射望远镜各有优劣o反射可以无色差，但校正其他像差困难o折射可以矫正其他像差，但校正色差困难o于是折反射就是综合利用了两者的优势o折反射望远镜，是在球面反射镜的基础上，再加入用于校正像差的折射元件，可以避免困难的大型非球面加工，又能获得良好的像质量。第14页，共51页，编辑于2022年，星期五施密特望远镜：它在球面反射镜的球心位置处放置一施密特校正板。它是一个面是平面，另一个面是轻度变形的非球面，使光束的中心部分略有会聚，而外围部分略有发散，正好矫正球差和彗差。马克苏托夫望远镜：在球面反射镜前面加一个弯月型透镜，选择合适的弯月透镜的参数和位置，可以同时校正球

4、差和彗差。第15页，共51页，编辑于2022年，星期五以马克苏托夫望远镜为例：第16页，共51页，编辑于2022年，星期五第17页，共51页，编辑于2022年，星期五第18页，共51页，编辑于2022年，星期五第19页，共51页，编辑于2022年，星期五让我们把反射和折反的图放一起比较下注意：比较像差的大小要看图像的范围。这里反射弥散斑范围1000um，而折射仅40um。所以如果两个放到一个比例下比较，折反射的像差远小于反射的第20页，共51页，编辑于2022年，星期五比较下反射和折反的MTF图：同样，应注意横坐标的范围：显然折反式在很高的频率仍具有较高的MTF反射折反第21页，共51页，编辑

5、于2022年，星期五Cassegrain-type Ritchie Cretien望远镜第22页，共51页，编辑于2022年，星期五632.8nm这个波长可以看做没球差第23页，共51页，编辑于2022年，星期五第24页，共51页，编辑于2022年，星期五在较大空间频率范围内，都有较大的MTF值第25页，共51页，编辑于2022年，星期五常数场曲，无畸变！第26页，共51页，编辑于2022年，星期五可见这个望远镜是设计相当完美的一个第27页，共51页，编辑于2022年，星期五显微镜o显微镜由物镜和目镜组成o物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像AB，它位于目镜前焦面或稍后处，经目

6、镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处第28页，共51页，编辑于2022年，星期五举一个Zemax显微镜的设计例子o在用ZEMAX软件进行设计时，将显微镜倒置设计。设置参数如下：垂直放大率为0.04，物方数值孔径为0.016，物高为25mm，物方半视场高度为12.5mm。第29页，共51页，编辑于2022年，星期五从system菜单里点General子菜单，可以直接设置物方数值孔径而要定义物体的大小，则必须从Syetem菜单field data子菜单里录入这里我们先后考察三个物体，分别为轴上点、轴外9mm、轴外12.5mm物体。第30页，共51页，编辑于2022年，星期五定义透镜表面参数第

7、31页，共51页，编辑于2022年，星期五第32页，共51页，编辑于2022年，星期五第33页，共51页，编辑于2022年，星期五第34页，共51页，编辑于2022年，星期五第35页，共51页，编辑于2022年，星期五第36页，共51页，编辑于2022年，星期五设置变量，开始优化使用默认目标函数第37页，共51页，编辑于2022年，星期五第38页，共51页，编辑于2022年，星期五第39页，共51页，编辑于2022年，星期五第40页，共51页，编辑于2022年，星期五显微镜的现代变革o放大镜是最简单的显微镜o后来人们使用目镜和物镜共同构成的光学显微镜，使人类的视野进入微观领域，观测到了细胞等o

8、用电子代替光：电子显微镜o但上世纪八十年代开始，显微镜技术发生了一次具有历史意义的革新：扫描隧道显微镜、原子力显微镜等第41页，共51页，编辑于2022年，星期五分辨率：分辨率：人眼或仪器人眼或仪器 能分辨物体的最小间距（角分辨）。能分辨物体的最小间距（角分辨）。人眼分辨率：人眼分辨率：在明视距离内只拥有在明视距离内只拥有1分的分辨率或分的分辨率或0.1mm。显微镜显微镜：最高：最高1600倍放大率，实际上有象差，受衍射极限倍放大率，实际上有象差，受衍射极限 影响影响.分划板 L D 显微探测历史回顾：显微探测历史回顾：当当 =0.3 m 所以，所以，传统光学光学显微微镜分辨率极限是分辨率极限

9、是为为提高分辨率，减小波提高分辨率，减小波长长 从可从可见见光光紫外光紫外光 x射射线线 而更短的波长、电子射线而更短的波长、电子射线Go back from History第42页，共51页，编辑于2022年，星期五l用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。吃惊的。1983年，年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（发明了扫描隧道显微镜（STM）。这）。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。种

10、显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。诺贝尔奖：诺贝尔奖：Ernst Ruska，Gerd Binnig和和Heinrich Rohrer（从左至（从左至右）分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享右）分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺年的诺贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。电子显微镜的发明者卢斯卡电子显微镜的发明者卢斯卡 扫描隧道显微镜的发明者宾尼格和罗勒。扫描隧道显微镜的发明者宾尼格和罗勒。Go back from History天才的宾尼格和罗勒，在随后两年又发明了原子力显微镜，这是纳米科学宾尼格和罗勒，在随后两年又发明了原子力显微镜，这是纳米科学

11、做为独立科学出现的重要标志做为独立科学出现的重要标志第43页，共51页，编辑于2022年，星期五第44页，共51页，编辑于2022年，星期五投影和摄像系统o这两个有些类似，光学部分差不多倒过来用o与望远镜显微镜系统不同的是，投影与摄像的关键部分有两个，一是照明系统，必须保证足够的照度才能清晰成像；二是光学系统，即要有一个好的成像物镜。第45页，共51页，编辑于2022年，星期五投影仪就是把待投影的图像放在一个物镜一倍和二倍焦距之间，这样能在远处的屏幕上成像。但其实际结构却复杂的多，以我们教室头上的投影仪为例，它的内部是怎样的呢？第46页，共51页，编辑于2022年，星期五注意:在投影机中所使用

12、的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并没有针对红、绿、蓝等颜色差别。为了清晰再现图像色彩，它其实是使用了三张LCD液晶板来分别再现三种颜色，然后再经过光学系统的把这些分离的颜色合成再一起，投影在屏幕上，就组成了一副完整的图像。第47页，共51页，编辑于2022年，星期五第48页，共51页，编辑于2022年，星期五NEC GT1150投影机光学系统实物图 第49页，共51页，编辑于2022年，星期五对光学设计而言，设计投影系统，一是要让整体结构尽量紧凑，尺寸小，重量要轻。此外好的照明系统，和好的物镜都是设计的关键第50页，共51页，编辑于2022年，星期五投影的小型化趋势第51页，共51页，编辑于2022年，星期五