第六章 光线的光路计算.ppt

第一节 概 述 一、基本概念 1、像差：实际像与理想像之间的差异； 2、产生原因：孔径和视场 3、分类： 几何像差：单色像差-----球差、彗差（正弦差）、 像散、场曲和畸变 色差----位置色差和倍率色差 波像差（波差）：在实际光学系统中，由于像差的存在，经光学系统形成的波面已不是球面，这种实际波面与理想球面的偏差称为波像差。 已知光学系统的结构参数（r,d,n)，物体和位置和大小，孔径光阑的位置和大小，为求出光学系统的成像位置和大小以及各种像差，需进行下列光路计算： 一、子午面内的光线光路计算 （一）近轴光线的光路计算 轴上点近轴光线的光路计算 轴外点近轴光线的光路计算（第二近轴光线） 由物体边缘点发出，并通过入射光瞳中心的第二近轴光线的光路计算仍用近轴光线光路计算公式和校对公式。所有量均注以下标z。轴外点近轴光的初始数据为： (二)远轴光线的光路计算 轴外点子午面内远轴光线的光路计算 考虑计算的简化与代表性，只计算3条光线：主光线和上、下光线； （三）折射平面的光路计算 折射平面远轴光线的光路计算公式为： 二、沿轴外点主光线细光束的光路计算 轴外点细光束的计算是沿主光线进行的，主要研究在子午面内的子午细光束和在弧矢面内的弧矢细光束的成像情况。若子午光束和弧矢光束的像点不位于主光线上同一点，则存在像散。 子午像点和弧矢像点的计算公式为： 计算的初始数据是t1=s1 ZEMAX：是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能； ASAP：是功能强大的光学分析软件，是专为仿真成像或光照明的应用而设计，具有强大的指令集可以进行特性光线以及物体的分析，包括： 选择所要分析的物体上的光线；选择并独立出特定的光线群；列出光线的来源（折射/反射/散射…）与以及其路径的变化；追踪光线的来源以及强度 TracePro光学机构仿真软件：TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真软件。 OSLO是一套标准建构系统及最佳化的光学软件：最主要地，他是用来决定光学系统中最佳组件的大小和外型，如照相机、客户产品、通讯系统、军事/外层空间应用以及科学仪器等。 TFCalc： 一个著名的光学薄膜设计软件。 OptiWave系列光通信仿真设计软件 球差是入射高度 h1或孔径角U1的函数，可以用h1或U1的幂级数表示球差随它们的变化规律： 式中第一项为初级球差，第二项为二级球差，第三项为三级球差。 当孔径较小时，主要存在初级球差；孔径较大时，高级球差增大。 对于共轴球面系统，单透镜本身不能校正球差，正负透镜组合有可能校正球差； 校正球差只能使某带的球差为零。如果通过改变结构参数，使公式（6-15）中初级球差系数A1和高级球差系数A2符号相反，并具有一定比例，使某带的初级球差与高级球差大小相等，符号相反，则该带球差为零。 实际设计中，将边缘带的球差校正到零： 对于单个折射球面，有几个特殊的物 点位置，不管球面曲率半径如何，均不产生球差： 彗差与孔径U(h)和视场y都有关。其级数展开式可写为： 第一项为初级彗差；第二项为二级彗差；第三项为三级彗差； 对于大孔径小视场的光学系统，彗差主要由一、二项决定； 对于大视场，相对孔径较小的光学系统，慧差主要由一、三项决定； 彗差值随视场的增大而增大，对大视场的光学系统必须校正慧差 二、正弦差 定义：正弦差是用来表示小视场时宽光束成像的不对称性的量度。 正弦差与视场无关，只是孔径的函数； 改变光阑的位置可以使正弦差发生变化； 第五节 场曲和像散 一、场曲与轴外球差 1、场曲 子午场曲：表示子午光束的交点沿光轴方向与高斯像面的距离的量度。宽光束的子午场曲X’T；细光束的子午场曲x’t； 弧矢场曲：表示弧矢光束交点沿光轴方向到高斯像面的距离的量度；宽光束的弧矢场曲X’S；细光束的弧矢场曲x’s； 2、轴外球差 轴外子午球差：表示轴外点宽光束的交点与细光束的交点沿光轴方向的偏离的量度； 轴外弧矢球差：表示轴外点弧矢宽光束交点与弧矢细光束交点沿光轴方向的偏离的量度； 场曲的计算与表达式 细光束的子午场曲和弧矢场曲的计算公式： 场曲性质： 1、细光束的场曲与孔径无关，只是视场的函数，视场为0场曲也为0； 2、校正场曲通常是对细光束，大孔径、大市场的光学系统也要考虑宽光束场曲。 像散：表示子午像点和弧午像点两者分开的轴向距离的量度；反映了主光线周围的细光束偏离同心光束的程度。 第六节 畸变 畸变是主光线的像差。由于球差的影响，