《光学设计》参考书（PDF电子版，共十四章）.pdf_大学文库

且录第一章像差概述………………………1 35.4畸变的计算…………………11 §1.1色差 §5.5宽光束子午场曲和轴外球差的 §1.2单色像差………… 计算 ,,,群1 15 第二章球差 §56色差的计算 .IIG §2.1.球差图形 §57子午光束的垂轴像差曲线及其综合 E2、2轴上物点的球差分布公式………13 分析 t17 2.3单个折射球面球差公式的讨论……16 §5.8向量形式的球面光路计算公式…123 §2.4初级球差公式… §59向量形式的二次曲面光路计算公式和至2,5带球差和高级球差…………………2 细光束像散公式… I27 习题与思考题 32 李5.e高次非球面的光赌计算公式……13 算三章初级像差理论 33 35.11向量形式光路计算的被始与终结 31轴外物点的初级像差公式… 公式……………………………135 s32单色像差的性质 .5.12弧矢像差特性曲线………19 至3.3共轴球面系统的初级像差计算 §5,13像差的级数展开和高级像差公式计算 3.4单个折射球画像差的讨论 §514像差衡 3.5场曲的讨论 §5.15像差的综合氵36棱镜的单色像差……… 习题与思考题 §3.7反射球面的单色像差第六章波像差与像差容限 §3.8初级像差系数和光阑位置的关系…63 §6.1概述 33.9初级像差系数和物面位置的关系…66 86.2波像差与几何像差的关系 762 〗3.10薄透镜系统的初级像差公式……71 §6.3参考点移动时波像差的变化及最可题与思考题…………… 隹像面的选择 6.4波像差的一般表示式第四章色差 56.5色差的波像差表示 §4.1光学玻璃的色散和折射率插值 §6.6像差容限…… 公式 77 习题与思考题 184 :2近轴色差……………… 第七章光学系统的解析法设计 §4.3薄透镜系统的近轴色差… 基础 §4;光学系统的色差校正……………88 §7.1像差特性参数的规化………l85 §4.5二级光谱 §72双胶合透健结构与P、W“、c的 §:.6色球差关系 …190 习題与思考题… §73单透镜结构与P"、W”、C的关系…201 第五章像差的计算和平衡第八章望远镜物镜 §51球差的计算……… §8.1望远镜物镜的光学特性和类型…204 §5.2彆差的计算和正弦条作 00 §82双胶合物镜的设计方法 §53颔光束像散的计算公式 883摄远物镜设计 2I0

第一章像差概述在几何光学中曾研究过物体经光学系统成像的一些基本规律,主要是研究物体经过光学系统所成像的大小、位置、倒正等问题,以及如何根据对仪器的成像娶求,确定光学系统各透镜的焦距、口径,棱的型式、尺寸及各光学组件之间的间隔等。也就是解决光学系统的外形尺寸计算问题光学系统的外形尺寸计算是根据理想光学系统理论进行的。这时认为光学系统使物体成“理想像”或“完善像”。所谓“理想像”是指物方一物点发出的一束光线经过光学系统后仍交于一点(仅仅交于唯一的点),在物方位于垂直于光轴的平面上的物体,其像位在与光轴垂直的平面上,且物和像的几何形状完全相似。简单说,就是成像清晰(物点发出的光线经过光学系统不交于一点,像就会模糊。)不变形。这也是对实际光学系统成像的要求。但对实际光学系统,只有在近轴区(即只能对近轴的小物体以很小孔径角的光束成像)才能像理想光学系统那样具有完善成像的性质。从实用的角度,任何光学系统都要根据仪器的使用要求而具有一定大小的视场和相对孔径,它远超出近轴所限定的范国,因而成像不再是理想的,即由同一物点发出的光线经过光学系统以后,出射光线并不聚交于理想像点,使得像变模糊并有变形。通常把用近轴光学公式求出的像称为实际光学系统的理想像,而把实际光线的交点和理想像点之间位置的误差称为“像差”。实际光学系统,除了平面反射镜外,成像总是不完善而存在像差的。具有这种成像缺陷的光学系统是不能满足使用要求的,在设计光学仪器时必须适当选取光学系统的结构参数(透镜的表面曲率半径、厚度、间隔和制造透镜的玻璃)使光学系绕的像差减小到可以允许的限度(人眼和所有其他光能接受骤都具有一定的缺陷,只要光学系统的像差值小于一定的限度,人眼和其它光能接受器就察觉不出)以内,通常称为“消除像差或“校正像差”。 §1.1色差在物理光学中研究正常色散时曾指出;不同波长光的折射率不同,一切透明介质的折射率都随着光的波长增加而减小。由近轴光学的物像位置关系式n/-n/=(m2-r)/r和物像大小关系式=y/y =n/ml可知,对同一物点(!和y一定)来说,介质的折射率n和n不同,像面位置和像高y′都会发生改变。由同一物点发出的白光经光学系统以后,不同颜色光线不再聚交于一点,因而不能成一白色像点,而出现色彩,这样的现象称为色差。不同颜色光线像面位置之差称为轴向色差,不同颜色光线像高之差称为垂轴色差

由轴上无限远的物点发出的一束与光轴平行的光线,与第一个平面垂直不发生折射,进入透镜内部仍为一平行光束。当遇到第二个球面时要产生折射。对不同入射高度 (h)的光线经光路计算公式计算后可知,它们的折射光线和光轴的交点到球面顶点的距离L1……L4,随入射高度h的增加而减小。而且h越大,L′减小得越迅速。如图1-5 中的曲线所示。通常用不同入射高的光线和光轴的交点到理想像点的距离8L′来表示轴上点球差的大小,L′称为轴向球差或简称为球差。其表示式为图1-5 8L′=L-1 (1-3) 8L的符号规则是:以理想像点为起点,计算到实际光线和光轴的交点,向右为正, 拘左为负。图1-5中标注了最大入射高的光线的球差。为了说明整个光束的球差情况,可以用球差与入射高h之间的关系曲线(8L-h)来表示,该曲线称为球差曲线当存在球差时,不同像平面位置得到的像点图形如下。当像平面在图1-5中位置I 时,光线的弥散图形为一个周围带有亮圈的圆斑;当像平面逐渐往右移时,弥散图形的面积逐渐缩小,亮度增大,并且除了四周的亮圈而外,中心开始出现亮斑;当像平面到达位置I时,弥散图形的面积最小,亮度最大,称为“最小弥散圆”y当像平面继续往右移动,弥散图形周围的亮圈逐渐消失,到达位置后,如果像平面再往右移,则弥散图形的面积很快扩大,亮度迅速减小,最后中央亮斑消失。轴上点的单色像差只有球差。对包含各色光线的白光来说,轴上点除球差而外,还有轴向色差。 12.2轴外点单色像差的分类讨论轴上点单色像差吋,由于共轴系统对称于光轴,当物点位在光轴上时,光轴就是整个光束的对称轴线,通过光轴的任意截面内的光束结构都是相同的,故可用过光轴的某一截面的平面光束结构代表整个光束结构。因而球差曲线能够表示轴上点的光束结构,它就代表了系统轴上物点的成像质量。轴外物点的光束结构就要复杂得多如图1-6所示,由无限远轴外点发出的一束平行光线,投射在透镜O上,经透镛折射以后出现像差。此时出射光束不再仔在对称轴线,而只存在一个对称面,它就是通过

午面上的同一点B。和子午光线对相似,把理想像面到B的距离称为弧矢场曲,用 X表示。主光线到B点的垂轴距离称为弧矢彗差,用Ks表示。 X的符号规则是:以理想像面为计算起点,到弧矢光线对的交点,向右为正,向左为负 K:的符号规则是;以主光线为计算起点,到弧矢光线对交点的垂轴距离,向上为正,向下为负主光线周围的弧矢细光束的焦点与理想像面之间的轴向距离用x表示,称为细光束弧矢场曲。用来表示弧矢光束成像质量的三个几何量是 x—细光束弧矢场曲 2.8Ls=X-x弧矢球差 K5弧矢彗差它们的意义和相应的子午像差相似。根据x和若干弧矢光线对的8L和K:就可以表示弧矢光束的成像质量,它们统称为弧矢像差。三、变上面的六种子午和弧矢像差,可以用来表示轴外光束的结构和轴外像点的清晰度。对整个像画来说,除每个像点应该清晰而外,还要求物像相似。而上面这六种像差并不能说明物像之间的形状对应关系。如果六种像差都等于零,表示整个光束都聚交在理想像面上的同一点,但是这一点并不一定和由近轴光学公式计算出来的理想像点重合,也就是说物像不一定相似,因此还必须另外规定一个量来说明物像之间的形状对应关系。通常把主光线和理想像面的交点B作为实际像点,用它到理想像点B的距离来表示像点变形浧度,称为畸变,用δy表示,如图1-9所示。 Be 图1-9 8y的符号规则是:以理想像点为计算起点到实际像点,向上为正,向下为负。 8y的计算公式为 8y!=y2-y 1-4) 公式中y为理想像高,y为主光线和理想像面交点的高度,称为主光线的实际像高。细光束子午和孤矢焦点的位置,有时也用如下的量来表示 xx-x称为细光束像散,它表示子午和弧矢细光束焦点之间的距离。 x'=(x1+x)/2—称为平均场曲,它表示细光束子午和弧矢焦点的中点到理想像面的距离通常把轴外物点的单色像弟按性质不同分成五类,再加上两种色差共七类像差。 1,细光束像散:x1=xx