光学系统设计的要求 #@w8wCj
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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 Zz!XH8sH
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。 SGXXv
一、 光学系统的基本特性 5@ %$M$ E
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。 M/EEoK^K@
二、 系统的外形尺寸 X#EMmB!
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。 Y}&//S A
三、 成象质量 Y4_/G4C
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。 cV\(Z6u
四、 仪器的使用条件 9y{[@KG
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。 Q })x4
光学系统设计过程 ({v$!AAv
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 B5GT^DaT
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。 q6bi{L@/R
一、外形尺寸计算 Nj$3Ig"l
在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔 ~Z9Eb| B
径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段称为外 9]< p
形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在 c@wSv2o$
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 DzydS=`w
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 i ?&t@"'
设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。 9utiev~3
二、初始结构的计算和选择、 Cc/h|4
初始结构的确定常用以下两种方法： /{>$E>N;
1．根据初级象差理论求解初始结构 29("gB
这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。 t J>%Xop
2．从已有的资料中选择初始结构 G0oY`WXOB
这是一种比较实用又容易获得成功的方法。因此它被很多光学设计者广泛采 *1"xvle
用。但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这 4y\qJw)~U
样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的初始结构。 Px{Cvc
初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成 YT'G#U1x~
功。一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。 4QC"|<9R
三、象差校正和平衡 t2skg
初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线。从象差数据分析就可以找出主要是哪些象差影响光学系统的成象质量，从而找出改进的办法，开始进行象差校正。象差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成象质量要求为止。 Aslh}'$}-
四、象质评价 %sxLxx_x!
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。 sU! h^N$
1．瑞利判断 }(k#,&Fv`
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 d3-F?i
5d
质评价方法，适用于小象差系统如：望远镜、显微物镜等。 ^0)Mc"&{
2．分辨率 =r"- Pm{
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 ,cZhkXd
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。 C))5,aX
3．点列图 ,5!&}
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 i[_ (0P+Da
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 -FQ!
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 8X Jg
数，为系统能分辨的条数。其一般用于评价大象差系统。 h1}U#XV
4．光学传递函数 Y-!~x 0-H
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 7k,pUC-w7c
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， aF*KY<w
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 PD #9Z=Hj
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 i7$4i|
率。对比度的降低和位相的推移随频率而异，它们之间的函数关系称为光学传 W>f q 9
递函数。由于光学传递函数与象差有关，故可用来评价光学系统成象质量。它 !d nCr R
具有客观、可靠的优点，并且便于计算和测量，它不仅能用于光学设计结果的 er@"4R0
评价，还能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学总体设计等各方面。 tfB}U.
各类镜头的设计差别 X$*MxMNs
一、照相镜头
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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' gJa48 pi
式中：2D——画幅的对角线长度； %+ln_lgD:
f'——镜头的焦距。 h?_Cv*0q
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。 #1Zqq([@
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 m=Mb'<
不异，其主要差别有： (LiS9|J!
1．相对孔径较传统相机大。 (~>uFH
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 44Dytpvg
头的焦距值F’=43.266/（2*tgω）。 YcQ$n ZAU
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 6/ -]
到1/（2*PIXEL）线对。 G47(LE"2b
二、投影镜头 9NF2a)&~
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 F/pq9
大的多，所以物平面在投影物镜物方焦平面外侧附近。 ')R+Z/hG.
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。 Cws;6i*=@
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。 L
hp
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： d]A.=NAc
1．相对孔径较大。 CzMCd
~*7R
2．出瞳距长，即需要设计成近远心光路。 4X-" yQ<U
3．工作距离长。 B":9C'tip
4．解像力高. Wd`*< +t]
5．畸变要求高. I+oe{#:.
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 V}3 '0
10 个镜片左右，而传统的一般只要3 个镜片就能达到。 n[S-bzU^t
三、扫描镜头 6jw 9p+.
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 |>^5G@e
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。 &9Y ^/ W
扫描物镜的设计特点： 6a*?m{
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。 J#.f%VJ
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+UWvUB)
G、B 三种独立波长的象差。 Yg /g9 $'
3．严格校正畸变象差。 45.<eWH$*(
第一章 介绍 e{Q;,jsh
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。 Vc[aNp E
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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。 Bd 'X~Vj<
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如何使用本手册
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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。 /^]/ iTg
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》。 {EfA#{x
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本手册所用的定义 4 s
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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。 Z UyS+60
菜单选项是黑体 F50l->F2&
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： S j ly]
LightTools利用commas来区分坐标值和white space区分命令中的数据。 -uKTEG[
$u~*V
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。 / Nc)bF%gX
I4 |LD/b
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， 85x34nT
DXY 12,3,7 lfAiW;giJ
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。 KqN;a i,F
MY60%
Prompts displayed in the LightTools command line at the bottom of each wBWqibY |
view are printed in Courier font. For example, o;9 G{Xj3@
DefaultSelect DPlDuUOd
表示默认的选项已经开启。 kwXUjn p
3'Hz,qP
了解LightTools的界面 XDY QV.Bv
显示器的分辨率 3PjX;U|
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。 |K R8=-!7
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背景和颜色 b'ZzDYN
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 4tEAi4H|`@
按钮选择各自的颜色(View > View Preferences)。 `;=-71Gn~
vM@8&,;
坐标显示的选项 Options for Axis Display 4]HW!J
LightTools 中文 学习手册（二）！ / -knqv
LightTools 中文 学习手册（二）！ 4@+']vN4
z cC:b4
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。 x5Ue"RMl+
uHsLlfTn
要选择坐标显示类型，点击View > View Preferences，然后选择UCS（(user coordinate system X
}` o9]y
）选项，坐标显示类型（Axis Display Type）在项目的底部。 NEUr w/
]v/pMg#-
在LightTools中使用鼠标 b^STegz
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。 m-6&-G#
nQOzKw<j%
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。 MgP &9
S0Ur{!9\#^
右键相当于右点击，右键用来： 27+~!R~Yw
显示前后相关的快捷菜单 pw&k0?K #
利用下面的方式使用建模的视图： P(s:+
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。 Y_}_)nE@m
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。 aX~Jk >a0
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。 UT 5xUv5'
C;5`G
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第二章 开始使用LightTools \#PZZH%
OkAgO3>Y/
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。 .p]r S
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在这一章你将会学到： H+ 562W
开始和关闭LightTools ek. @ 0c
LightTools的控制窗口 aZ|?i
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开始一个新的LightTools建模 ^D]J68)#a
打开一个已经存在的LightTools模型 /N({ "G'
保存一个LightTools模型 ,N _/J4Us
和CODE V交换数据 Q cks:|5
运行一个LightTools的MACRO o%f:BJS
使用LightTools的帮助系统 Y]=k"]:%
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xd"cTzx
开始和关闭LightTools H0!$aO
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。 ::+;PRy_E
Z ^}[CQ&Am
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 。 j /_&]6!
W"*2,R[}%
LightTools的控制窗口 $ hHV Ie]+
CPL,QVO9
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 aNs8T`
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图2-1 LightTools的控制窗口 0WfnX>(C7R
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