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详细说明：这个课程会提供给你三个基本技巧：入门指南，设计规则，基本定律。入门技巧包括第一和第三级的手工计算和薄透镜的预先设计。规则技巧包括命令输入，变量选择，评价函数的建立和优化，以及设计分析。设计的基本定律包括理解具体规则，选择起始点，发展着手操作的计划。在平面记录格式下的,好的,均匀的,亮度一致的像,它要充满整个视场。系统可以给与你这一切,但是系统则不行。后一个的像之所以质量差的原因是没有完全校正: 色差球差离轴像差场曲系统里面的额外透镜是由不同种类的玻璃制成来校正色差的。玻璃的曲率和厚度,以及它们之间的空气间距帮助校正视场上像差。其结果就是在平面记录表面(它有吋能是底片或者 )上旱现高质量的图像。像差和像图显示的是分辨率测试板通过“理想”光学系统所成的像。像只是物不同比例的版本。 2 PERFECT |■H≡ OPTICAL m四 SYSTEM GEOMETRIC SCALED COLLIMATOR IMAGE TARGET REAL OPTICAL POINT SOURCE SYSTEM IMAGE OF POINT SOURCE b 图分辨率测试板完善像(),差的点源像 CONVOLUTION 2 2三■1Ⅲ写 =Ⅲ 4三Ⅲ睛/* 载川=4 PSF 1 6El!ⅢE 细≤ Geometric Scaled Image 图与斑点像卷积所引起的分辨率测试板像的退化在图里我们有一个点源,它通过一个不完善的光学系统成像。最后结果的图像是一个模糊的斑点,而不是一个点。如果我们现在合成两个图像,换句话说我们可以想象成分辨率测试板经由一个不完善的光学系统成像,像的质量很差,如图里所小。实际上,我们已经从根本上用图中的斑点像替换了图中所有的成像点透镜的人小和视场基本上来说,使得成像质量退化的有像差的点像,是由非线性的斯涅尔法则所引起的。当标准光学表血上的入射光的角度开始增大时,像差就产生了。对于给定的曲率,它可以在两种方式下产生。对于与光轴平行的光线,就如图和所示,入射角度的增加也就使光线高度的增加(从图的5°到图1.5b中的17°)。如果光线来自不同视场角,但是到达相同高度,那么入射角会有所增加(如图所显示的,上部光线从的5°到c 的23°)。当两种情况同时发生时,入射角甚至会变得更大(从图的5°到图1.5d 中的37°)。对于c和d的下部光线,入射角是有所减小的。下部和上部光线之间的不对称就会表示为离轴像差。 3.5 23 17 37° 45 图随着光线高度和视场角改变的入射角当一个系统的数减少,视场角(还有光谱带宽)增加时,(需要保持好的成像质量的) 光学系统的复杂性也会增加。图显示的是作为(轴)数和(轴)视场角函数的光学系统类型的性质图。对于视场的条件,一个简单的抛物血镜就足够了。然而对于f/2,视场为20°的情况,就要使用六片双高斯反射镜 FISHEYE S I RETRO- ANGULON、 FOCUS 1 " HENISCUS D。 UBLE GAL 20 TESSAR \\TRIPLET\ SPLIT LAND-飞 TRIPL SCAPE PETZ 可 9出5 SCHMIDT- CASSEG T山 NOBS SCHMIDT L G-MIRROR MICROSOOPE RITCHEY CBUECTWVE CHRETIEN CASSEGRAIN 05 I OPTICAL DISK ACHR。MAT|C ORECTIVE DOUBLET F1=25 15 5 21.510.吕0.5 PERTURE 图1.6图上:显示的是对于各种孔径和视场组合通常所使用的设计种类。(引自W. Smith,现代透镜设计( McGraw li1l,1992), McGraw Ilil1公司许可再版) 1.2.4技术指标在仼何设计开始之前,设计者必须对用户的需求有个很清晰的了解。这不是像看起来那么筍单。当客户还不确定他的需要时,不要急于动手。否则,这会导致在设计工作已经开始之后,我们所不期望的技术指标的改变。在这种情况下,设计者应该在帮助客户具体化他的需要时扮演一个积极的角色。艻外一个极端就是过度的技术指标。这样,客户会给与设计以不切实际的制约。例如,公差超过了当前的加工和测量能力。因此设计者必须与客户相结合最后得出实际的技术要求。视场分布依赖于光学系统的底版大小和有效焦距(EFL)。举个例子,底版大小可以由使用的35mm的底片或者8×6m的CCD芯片来确定。客户可以说出要多大的的外部物方空间或者安装到给定底版上的镜头大小。这可以定义一个确定的视场和视场角,随后会得出有效焦距 FORMAT SIZE CHIEF EFL STOP 图1.7依赖于有效焦距的底版大小和视场分布 MRI MR2 (#2>(l#)1 图1.8藏小的F数意味着越大的光学口径图1.7显示了,对于一个给定的镜头或者角面积,两个不同的有效焦距所需要的底版尺寸。半视场角由底版角得出。所使用的镜头在一定的辐射度范围内才会有效。这会帮助你定义目标F数范闱。例如, 有云天气下的F数要小于阳光充足下的所使用的F数。图1.8表现了单透镜的有效直径和F 数之间的关系另外一个亘要的技术指标就是分辨率。对于一个给定的镜头,我们希望看清多少细节呢?分辨率通常给出的定义就是每毫米的线对数。个例子,1001p/m比起501p/m来说是一个更人的设计挑战。空中分辨率(例如,空气中的目标成像的细节总数)和系统分辨率 (它受制于传感器的局限性)之间也有一定区别。例如。黑白的Trix底片的分辨率要比 Pan-X的分辨率差,因为前者的银卤化物颗粒尺寸要更大。分辨率规定为整个底版的平均值,或者某些场点上给定的具体目标。当视场角增加,F 数减小,分辨率需要增加时,这个设计任务变得更难了。探测器只对一定的颜色范围敏感,因此下一个重要的技术指标涉及到光谱的宽度和位置。单色设计或者颜色不是很主要的设计通常比多色设计简单。当多色设计带宽增加时,设计任务机就会变得有一定难度。如果带宽的位置位于可见光谱之外设计工作就会变得吏难。这种情況下只有少数的几种可选材料能用来作为色差校正上面所提到的是最为重要的几个技术指标。然而,在设计中还有些其它的制约因素。他们是体积,外包装,和/或重量的约束。有一些制约因素是在光学系统运行时的环境热量所施加的。大气和海洋的压力也可能成为制约因素。还有操作环境的湿度(或含盐度)施加于玻璃的选择上的约束最后,还有加工,调准,监测和成本的约束。用球面设计折射系统比非球面的更可取。因为后者难于加工和检测,因此成本更高。你不能设计一个公差小到不可能制造的系统。另外,小的公差会增加加工,裝凰,和测量的成木。如果可能的话,你应该避免系统难」调准; 例如,离轴系统要比同轧系统更难调准。他们也更难检测。你将发现你不得不在客户想要的和他能提供的之间找到一个折中 3课后作业根据图1.9中所提供的信息,得出: 有效焦距(EFL), b透镜的光焦度Φ, C.C和C2的表面曲率(假设凸透镜), d.R1和R2的曲率半径 e.底版大小(假设为正方形) f.艾里斑径注意:这个透镜可以看作是溥透镜。 STOP 10 20mm U=5 BK7 R 入=0.587μ n=1.516824 图1.9课后作业图第五章光阕与光瞳 5.1介绍光学设计屮一个重要的概念是光阑及与光阑相关的光瞳。在拍照的时候,大多情况下都会用到光阑。高质量的手机都有内置的可调节的光阑,以便可以控制暴光量它不尽可以控制到达像面的光通量,设计者还可以通过光阑的位置和大小来控制像差。当你设计一个摄影镜头时,你会体会到光阑决定了光学系统中的两条重要光线,主光线和边缘光线。当你做近轴光线追迹的时候,这些是你要考虑的光线,主光线和边缘光线。这些光线在透镜上产生的高度和角度用来计算像差。光阑与光瞳光阑是光学系统的物理孔径,对通过光学系统的光束起限制作用的光学元件。光阑可以通过光具组内光学元件的边缘、框架或特别没置的带孔屏障确定的。光阑中心通常位于主光轴上,且光阑面与主光轴垂直。光阑分两种:孔径光阑,视场光阑。孔径光阑的像分两种入瞳和出瞳。如图所示 STOP a. b STOP STOP STOP 图光阑例子 F STOP STOP XP P 图光阒的像——出瞳图在像空间,光线好像是从出瞳里射出来的在图中,光阑位于镜头的正前面,称为(入射入瞳)入瞳,光阑作为物方对镜头的成像,这个像称为(出射光瞳)出瞳(图)。如果做无穷远处成像在像方焦点光线的反向延长线,可以确定出瞳的大小(图在图中,所放置的光阑位于镜头的后面,光阑又称之为出瞳,光阑由左边镜头的成像(光线由右像追迹),这个物方的成像又称之为入瞳(图)。如图所示,无穷远处的成像光线由入瞳所限制。图中,光阑的位置位于系统的中间,它既不是入瞳也不是出瞳,我们仍然将它视为物,光阑对左边系统的成像为入曈,对右边系统的成像为出瞳(如图对无穷远的物方成像,所有的光线在入瞳边缘聚焦入射,在出瞳边缘出射(图 XP STOP 图透镜之后的光阑 EP STOP STOP EP EP 图光阑的像——出瞳图在物空间,光线好像被出瞳限制了 STOP 图内置光阑,引自许可再版 STOP ←BP STOP XP 图光阑的像:、入瞳,出瞳 ↑ XP STOP EP 真实的光线好像被虚拟的入瞳限制 5.3主光线,边缘光线对轴上点物体,通过光阑边缘的光线(入瞳和出瞳)称之为边缘光线。现在我们来看决定最大视场角的这些点,从这些点发出的光线直接透过光阑的屮心被称之为主光线,如图所示的简单的系统。

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