光学系统设计的要求 |y (Q
.yz}RO mN^
任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，因 =A LTUV3/q
此，在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起来有以下几个方面。 <g$~1fa
一、 光学系统的基本特性 #d6)#:uss
光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场角；系统的放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。 nAv#?1cjz
二、 系统的外形尺寸 j0oR ) du
系统的外形尺寸，即系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 E|iQc8gr&
三、 成象质量 'uBu6G
成象质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成象质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成象质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成象质量。 h1de[q)
四、 仪器的使用条件 45@^L's
在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。如生物显微镜的放大率Г要满足500NA≤Г≤1000NA 条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。 ]n6# VTz*
光学系统设计过程 =l+yA>t|
所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决 AE[b},-[
定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。 _852H$H\
一、外形尺寸计算 JMC. w!
在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔 "&Y`+ 0S8
径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段称为外 ;r<^a6B
形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在 X
$jWo@
计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项 6^] +[q}3
性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使 y
[}.yyye
设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。 ,o86}6Ag
二、初始结构的计算和选择、 vS;RJg=
初始结构的确定常用以下两种方法： k\5c|Wq|g
1．根据初级象差理论求解初始结构 g6j?,c|y
这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。 ,E S0NA
2．从已有的资料中选择初始结构 xi~ ?>f
这是一种比较实用又容易获得成功的方法。因此它被很多光学设计者广泛采 <:+ x+4ru
用。但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这 *4\:8
样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的初始结构。 LSL/ZvSP
初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成 m*&]!mM"0G
功。一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。 ]d$8f
三、象差校正和平衡 ldU?{o:\s
初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线。从象差数据分析就可以找出主要是哪些象差影响光学系统的成象质量，从而找出改进的办法，开始进行象差校正。象差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成象质量要求为止。
&u$Q4
四、象质评价 oB(?_No7
光学系统的成象质量与象差的大小有关，光学设计的目的就是要对光学系统的象差给予校正。但是任何光学系统都不可能也没有必要把所有象差都校正到零，必然有剩余象差的存在，剩余象差大小不同，成象质量也就不同。因此光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的大小判断光学系统的成象质量。评价光学系统的成象质量的方法很多，下面简单介绍一下象质评价的方法。 c"f-3kFv
1．瑞利判断 5_GYrR 2
实际波面与理想波面之间的最大波象差不超过1/4 波长。其是一种较为严格的象 =^M/{51j
质评价方法，适用于小象差系统如：望远镜、显微物镜等。 XP!S$Q]D
2．分辨率 @0Ic3C[rH6
分辨率是反映光学系统分辨物体细节的能力。当一个点的衍射图中心与另一个 igCZ|Ru\
点的衍射图的第一暗环重合时，正好是这两个点刚能分开的界限。 xQ7 l~O
b
3．点列图 n(1l}TJy
由一点发出的许多光线经光学系统以后，由于象差，使其与象面的交点不现集 0q()|y ?}
中于同一点，而形成一个分布在一定范围内的弥散图形，称之为点列图。通常 j'Fpjt"&=
用集中30%以上的点或光线的圆形区域为其实际有效的弥散斑，它的直径的倒 PxvyN_B#>
数，为系统能分辨的条数。其一般用于评价大象差系统。 =W(Q34
4．光学传递函数 Acez'@z
此方法是基于把物体看作是由各种频率的谱组成的，也就是将物的亮度分布函 ha]VWt%}
数展开为傅里叶级数或傅里叶积分。把光学系统看作是线性不变系统，这样， V(H1q`ao9
物体经光学系统成象，可视为不同频率的一系列正弦分布线性系统的传递。传 ?1~` *LE
递的特点是频率不变，但对比度下有所下降，相位发生推移，并截止于某一频 Ri<u/ ]oR"
率。对比度的降低和位相的推移随频率而异，它们之间的函数关系称为光学传 ^UP`%egR
递函数。由于光学传递函数与象差有关，故可用来评价光学系统成象质量。它 B6MB48#0gs
具有客观、可靠的优点，并且便于计算和测量，它不仅能用于光学设计结果的 | mZxfI
评价，还能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学总体设计等各方面。 p_RsU`[
各类镜头的设计差别 NVkV7y X]
一、照相镜头 .]8ZwAs=&
照相镜头的光学特性可由三个参数来表示，即照相镜头的焦距f'、相对孔径D/f'和视场角2ω'。其实就135 照相机而言，其标准画幅已确定为24mm X 36mm，则其对角线长度为2D=43.266。从下表我们可以得出照相机镜头的焦距f'和视场角ω'之间存在着以下关系： tgω'=D/f' zfJT,h-{
式中：2D——画幅的对角线长度； 8I =2lK
f'——镜头的焦距。 /CrSu
照相机镜头的另一个最重要的光学特征指标是相对孔径。它表示镜头通过光线的能力，用D/f'表示。它定义为镜头的光孔直径（也称入瞳直径）D 与镜头焦距f'之比相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数，又称F 数，即F=f'/D。当焦距f'固定时，F 数与入瞳直径D 成反比。由于通光面积与D 的平方成正比，通光面积越大则镜头所能通过的光通量越大。因此当光圈数在最小数时，光孔最大，光通量也最大。随着光圈数的加大，光孔变小，光通量也随之减少。如果不考虑各种镜头透过率差异的影响，不管是多长焦距的镜头，也不管镜头的光孔直径有多大，只要光圈数值相同，它们的光通量都是一样的。对照相机镜头而言，F 数是个特别重要的参数，F 数越小，镜头的适用范围越广。与目视光学系统相比，照相物镜同时具有大相对孔径和大视场，因此，为了使整个象面都能看到清晰的并与物平面相似的象，差不多要校正所有七种象差。照相物镜的分辨率是相对孔径和象差残余量的综合反映。在相对孔径确定后，制定一个既满足使用要求，又易于实现的象差最佳校正方案。为方便起见，往往采用“弥散圆半径”来衡量象差的大小，最终则以光学传递函数对成象质量作出评价。 5AFJC?
近年来兴起的数位相机镜头同上述的传统相机镜头的特性和设计评价上大同 "Wct({n
不异，其主要差别有： =x/X:; )>
1．相对孔径较传统相机大。 R$R *'l
2．较短的焦距，使得景深范围增大。可根据视场角的大小算出相当传统相机镜 \j$&DCv
头的焦距值F’=43.266/（2*tgω）。 ">\?&0
3．较高的分辨率，根据光电器件的PIXEL 的大小，一般数位镜头光学设计要达 {5Q!Y&N.%
到1/（2*PIXEL）线对。 ~n moz/L
二、投影镜头 x+\`gK5
投影物镜是将被照明的物成一明亮清晰的实像在屏幕上，一般讲，像距比焦距 ju8> :y8
大的多，所以物平面在投影物镜物方焦平面外侧附近。 Tf>bX_L?
投影物镜的放大率是测量精度、孔径大小、观测范围和结构尺寸的的重要参数。 u+9hL4
放大率愈大，测量精度愈高，物镜孔径愈大。当工作距离一定时，放大率愈大，共轭距愈大，投影系统结构尺寸越大。由于其是起放大作用，自光学知识可知，像面中心照度与相对孔径平方成正比，可用增大相对孔径的方法来增加象面照度。 )HEa<P^kJl
液晶式投影机上所用的投影镜头同传统的投影物镜的区别： )*$lp'~7 N
1．相对孔径较大。 A7%)~z<
2．出瞳距长，即需要设计成近远心光路。 )* u8/U
3．工作距离长。 &h}#HS>l
4．解像力高. mVj9 , q0
5．畸变要求高. s
n8Qk=K
以上几点，皆使得用于LCD 投影机上的投影物镜较传统的要复杂的多，一般要 $zU P?Gq!
10 个镜片左右，而传统的一般只要3 个镜片就能达到。 %Tfbs yf%f
三、扫描镜头 " s,1%Ltt
扫描物镜可用三个光学特性来表示，即相对孔径、放大率和共轭距。放大率是 ?e%ZOI
扫描物镜的一个重要指标，由于一般物体大小是固定的，故放大率愈小，意味着镜头的像面愈小，焦距也就愈短，相对来讲扫描系统结构可以做的更小，但同时要求镜头的解像力也愈高。共轭距是指物像之间的长度，对镜头来讲，一般希望其愈长愈好，共轭距愈短，意味着镜头愈难设计（视场角增大）。其原理图同照相物镜一样，是一个缩小的过程。 dn& s *
扫描物镜的设计特点： 8'[~ 2/
1．扫描物镜属于小孔径小象差系统，要求的光学解像力较高。 ]}V<*f
2．由于光电器件的原因，不仅要校正白光（混合光）的象差，同时需要考虑R、 M`0V~P`^
G、B 三种独立波长的象差。 4j-Xi
3．严格校正畸变象差。 ?al'F q
第一章 介绍 ko!)s
LightTools是一种光学建模工具，它让你可以建立、观看、更改和分析光学系统的图片，和CAD程序是非常友好相近的。不像典型的CAD程序，LightTools拥有光学设计和工程所要求的数值精度和特殊的光线追迹工具。 1a/++4O.|
QFA 8 N
LightTools的光学建模设计考虑到了和CODE V一起配合来解决各种光学工程任务。这些建模的核心就是LightTools Core Module-这本手册所描写的。LightTools的成像路径建模在本书中也有描写。其它增加的建模在拥有自己的独立向导手册。 q v-8)MSr
pJ>P[
如何使用本手册 ez7A4>/
The Core module user’s guide 描写了LightTools程序的用处，包括具有方便的界面、LightTools针对你的光学系统的各种视图和对你系统操作的各种工具。 |NlO7aQ>2H
本手册认为你具有光学工作的知识，包括光学terminology和光学系统基础。如果你没有这些背景，我们建议你去找一本好的光学书籍，例如Warren J. Smith (McGraw Hill)的 《Modern Optical Engineering》。 :@ yEQ#nFp
${DUCud,kY
(|2t#'m
本手册所用的定义 kj Jn2c:y
本书的字体类型和风格针对输入输出的重点的不同而有区别。 QL(n} {.%
菜单选项是黑体 pd?M f=>#
特别的项目和文字为了保证重点突出在句子中被标记为斜体字，就像下面的例子： gM&{=WDG6
LightTools利用commas来区分坐标值和white space区分命令中的数据。 U svl}{L[
:'Vf
g[Uq
选定的连续的菜单选项用大于号（>）表示。例如，View > 2D Design 表示点击了主菜单View，然后又点击了子菜单2D Design。 &0d# Y]D4`
7P } W
*
LightTools的多数操作都是通过鼠标完成的，但是也可以输入命令。命令的标记为黑体字，例如， 5%"V[lDx@
DXY 12,3,7 ?d* z8 w
意味着输入了DXY命令，紧接着就是一组变量（LightTools利用commas来区分坐标值和white space区分命令中的数据），除了字符串外（镜头文件的名字），用户输入的命令不是立即执行，你输入可以是各种情况。 IW5, 7.
7^avpf)>
Prompts displayed in the LightTools command line at the bottom of each x[p|G5
view are printed in Courier font. For example, =F|{# F
DefaultSelect Zpt\p7WQ
表示默认的选项已经开启。 }PlRx6r@
Z{*\S0^ST
了解LightTools的界面 RbB.q p
显示器的分辨率 /PV k{3
如果你的显示器能够显示1280 x 1024像素，我们建议用它。你可以用1024 x 768的像素，但是你也许需要调整窗口的大小并且利用滚动条才能看到一些对话框中的信息。（确保在Windows 显示属性对话框中设置成小字体）。用小于1024 x 768的像素，就需要更大范围的滚动条。 &$+ AXzn
RU|Q ]Ymx
背景和颜色 -OV&Md:~
默认的LightTools的银幕是一个均匀黑蓝色的背景。你可以把它变成梯度的背景，选择不同的颜色方案，或者改变背景、前景和其他地带。利用参数选项对话框Preferences的颜色colors G/E+L-N#`
按钮选择各自的颜色(View > View Preferences)。 " Bkfoi
9
ql~q
坐标显示的选项 Options for Axis Display <)Dj9' _J
LightTools 中文 学习手册（二）！ w7L{_aom
LightTools 中文 学习手册（二）！ D\v+wp.
hgG9m[?K
这是我2005年9月在上海的时候翻译的一段，LightTools Manual的一部分。希望对大家有点帮助。 ic:zsuEm
iT+8|Yia
要选择坐标显示类型，点击View > View Preferences，然后选择UCS（(user coordinate system S O/c}vnBB
）选项，坐标显示类型（Axis Display Type）在项目的底部。 'ms-*c &
= jN.1}
在LightTools中使用鼠标 .^` {1%
鼠标是使用LightTools的主要接口。你要利用它来输入、选择和移动物体元素、追迹光线和操作LightTools建模的显示。你要利用键盘输入精确的数据，例如面的半径；但是你会经常用到鼠标。 T= DbBy0-
<_L,t 1H{
左键用来选择物体、定义点、放置元件、点击按钮等等。这个按钮相当于左击或简单的点击。 ~ah~cwmpS
LE Nq_@$
右键相当于右点击，右键用来： w{8xpAqm
显示前后相关的快捷菜单 NWESP U):w
利用下面的方式使用建模的视图： J3V=
46Yc
全局坐标为参考来旋转视图。按住右键不放，移动鼠标旋转视图。水平移动，旋转Y轴。垂直移动旋转X轴。 HQdxL*N%^
平面移动视图。同时按住SHIFT键和鼠标右键，水平移动鼠标视图沿X轴移动，垂直移动鼠标视图沿Y轴移动。 ,L2ZinU:
大小变化视图。同时按住Ctrl键和鼠标右键，向上移动鼠标，视图变大，向下移动鼠标，视图标小。 %6 zB Sje
3DX*gsx(
第二章 开始使用LightTools 8Al{+gx@?
n&4N[Qlv,
这一章介绍了开始和关闭LightTools。如果你是第一次使用LightTools,你应该仔细的阅读本章如何使用窗口和对话框。 ^LnTOdAE
l 'rja.\
在这一章你将会学到： #lo6c;*m5
开始和关闭LightTools 6Igz:eX
LightTools的控制窗口 2QcO R4_V
开始一个新的LightTools建模 5DU6rks%
打开一个已经存在的LightTools模型 eS^7A}*wd-
保存一个LightTools模型 lN)C2 2
和CODE V交换数据 n+9=1Oo"
运行一个LightTools的MACRO R_cA:3q c~
使用LightTools的帮助系统 tKuwpT 1Qc
J1U/.`Oy
开始和关闭LightTools p$c6<'UqH
打开LightTools，双击桌面上的快捷方式或点击开始菜单中的程序选项找到LightTools 程序组中的LightTools中的程序图标。我们建议你最大化程序，让它填满整个桌面。 EWhK0Vej=
HyQJXw?A:
关闭LightTools，你要回到控制窗口Console Window。当控制窗口在激活状态的时候，点击File > Exit 或者在命令行中键入 Exit 。 e2Pcm_Ahv*
|3b^~?S
LightTools的控制窗口 3pROf#M
QVT5}OzMt
控制窗口如下图所示，它是LightTools中的最高层次的窗口，在LightTools打开的时候也随之打开 a5^] 20Fa
~vhE |f
图2-1 LightTools的控制窗口 ` $IK`O
Pj^{|U2 1
控制窗口有三个主要的部分。当你左击鼠标进入下拉菜单时，菜单按钮在顶部。命令行在最底部，你可以输入命令Exit 或者New3Ddesign的命令。中间的部分包含你所使用得当前所有输入输出的命令和信息（不需要管他们是如何产生的）。 s\(k<Ks
控制窗口可以被最小化，但是因为它要经常使用，所以最好将它一直开启， 它也不能被关闭。 +) om^e@.
2,oKVm+
开始一个新的LightTools建模 2zA4vZkbcw
-);Wfs
要开始一个新的LightTools建模，在控制窗口在激活状态下，点击File > New Model，二级子菜单将在右边显示，让你选择要打开的建模类型：2D Design view, 3D Design view, or Imaging Path view. +o{R _
打开建模类型后，相关的窗口将会打开，准备输入数据。
DPxM'7
I]t!xA~
打开一个已经存在的LightTools模型 2wg5#i
要打开一个已经存在的LightTools模型，点击File > Open... 在控制窗口中。然后将会出现一个对话框。 ZQsJL\x[UK
打开对话框，将会显示下面的图片，用来选择路径打开文件。 -Cpl?Io`r5
x+:UN'"r
图 2-2. 打开LightTools文件的对话框 \)904W5R
选择要打开的文件，双击它或者单击再点击打开按钮。注意可用的LightTools 文件将会在文件列表里显示。 .G. 0WR/2
如果你不想打开文件，点击取消件按钮即可关闭对话框。 >8^
$ [}w
[!uG1 GJ>
保存一个LightTools模型 gfd"v
d L 1tl
LightTools的文件用filename.n.lts的文件名来保存，这里filename为文件名称，n代表版本号，lts是文件的扩展名。 HZB>{O
Vb;*m5,?:
如果模型已经被保存了，你可以在任何打开得视窗状态下选择菜单File > Save保存或者在控制窗口状态下保存更高的版本。 nNV'O(x}
(t
K||*u
如果模型还没有被保存，你可以在任何视窗或控制窗口状态下选择File > Save As... 对话框将会打开，在这里你可以输入文件名（文件的版本和扩展名将会自动被加载）。 N)| yu1S
~
'cmSiz-
}'V5/>m[
6vo;! V6
和CODE V交换数据 `2WFk8) F
t#})Awy^R
LightTools能够和CODE V交换镜头数据，这样镜头结构可以在两个程序之间复制。 ] @c+]{
L| +~"'l
注意CODE V的功能不能所有的性质都输入到LightTools中。参考《CODE V Reference Manual 》了解CODE V的哪些功能不能输入到LightTools中的细节。 33x {CY15
jXx<`I+]
一个LightTools镜头模型输入到CODE V中，然后再输出返回到LightTools中，性质将会没有改变，因为在CODE V中没有做任何更改。例如，如果一个棱镜输入到CODE V中，增加一个虚拟的面，再返回到LightTools中，没有任何改变的性质的返回将是不可能的。 4r#= *
wE>\7a*P%
从CODE V中输入镜头 {X+3;& @
iRb T/cc{
CODE V可以利用LTE (LightTools Export)选项将镜头文件以和LightTools相互兼容的格式保存。要在CODE V中运行这个功能，在命令中输入LTE来进入LightTools 输出选项。主要的命令，如下所示： -UEZ#Q
)p0^zv{
输入一个GO命令，告诉CODE V去执行LTE选项并保存LightTools镜头文件。镜头的文件名字必须是filename.syx,，这里x代表版本号。参考《CODE V Reference Manual》获得关于LTE选项选项更多的细节。 !u[9a;Sa#
$y &E(J
将文件输入到LightTools中，点击File > Open....情况将像前面打开已有文件的形式一样。尽管扩展名不同，但是没有其他含义。 +F` S>U
;-lXU0}&
如果你输入了一个CODE V文件到LightTools中，默认的视图将是3D Design view。在镜头文件输入以后，也许镜头的比例看起来会比较大，如果是这样，请选择View > Fit All Same Wx}8T[A}
z"L/G
从CODE V中环绕输入 Oh`69
k
\)N9 aV
如果镜头文件原来是在LightTools中的并且输出到了CODE V中，CODE V了解这些。在这种情况下，当初始的镜头文件在LightTools中被打开的时候，点击File > Import > Import CODE V....，这时会出来一个对话框，让你选择要输入的CODE V文件。这个输入的过程，将会从LightTools到CODE V更新成像路径。 Qh3YJ=X&
B $ PP&/
输出镜头文件到CODE V K~{$oD7!
`Bp.RXsd*
只有一种简单的成像可以被输出到CODE V中。对于成像的镜头，这并不是一个问题。对于2D Design view 或者3D Design view，成像路径首先要被选择。参看第六章 光线追迹，了解成像情况的细节。 )gIK H{JYL
Ad8n<zt|
一旦成像路径被选择，然后输出镜头文件，点击design 窗口菜单中的File > Export > Export CODE V... ，接下来的对话框定义文件名、路径和输出格式。LightTools输入到CODE V中的文件以filename.n.seq的文件名被保存，filename代表文件名，n代表版本号，seq是扩展名。 ~O0 $Suv
L|:`^M+^w
运行一个LightTools的MACRO你可以用辅助的macro 程序来建立物体、输入数据、优化系统等等。要运行一个LightTools macro 程序，点击菜单Tools > Run Macro....将会显示一个对话框，就像下面的图片一样。选择要运行的macro文件，点击打开运行它。 i2Qz4 $z
- >-KCd1b
注意：另外一种执行macro的方法是在命令窗口中输入Run ，然后输入macro文件的名字。要了解LightTools macro 的细节功能，请看《LightTools MACRO Reference Guide》。 Nq[uoaT
<tNBxa$gS
你也可以利用File > Run 菜单去运行第三方的应用。点击下拉菜单，然后双击你要运行的可执行程序。注意用这种方式在Light|Tools和第三方应用程序之间没有信息交换。 !8d{q)JZ
w^|*m/h|@u
?k&Vy
使用LightTools的帮助系统 vn!3l1\+J
Tod&&T'UW
在LightTools中有几种方法可以使用帮助系统： h$>-.-
工具提示-Tooltips IGQaDFr
这是什么？帮助-What.s This? Help T{. pM4Hd
LightTools 在线帮助系统-LightTools Online Help System
