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光学设计绪
第1页，共111页，2022年，5月20日，4点0分，星期一
课程说明
一、本课程的性质和任务
光学设计是一门专业课。
二、与其他课程的联系
在学习本课程前必修的课程有：应用光学、物理光学、工程制图以及简单计算机知识所提出的使用要求，设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
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一. 设计光学系统的两个阶段：
1. 根据仪器总体的技术要求，拟定光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸。称为“初步设计”或者“外形尺寸计算” ；
2. 根据初步设计的结果，确定每个透镜组的具体结构参数。称为 “像差设计”或称“光学设计”。
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二、光学设计的发展过程
1、用零件拼搭系统；
2、光路计算；
3、用初级像差理论求解初始结构；
4、像差自动校正与光学CAD。
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§1 .2 光学系统设计的一般过程和步骤
一、光学系统设计的一般过程
1、制定合理的技术参数；
2、光学系统总体设计和布局；
3、光学部件（光组、镜头）的设计；
一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段。
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（1）选型;
（2）初始结构的计算和选择；
A、解析法；
B、缩放法；
（3）像差校正、平衡与像质评价。
4、长光路的拼接与统算；
5、绘制光学系统图、部件图和光学零件图；
6、编写设计说明书；
7、必要时进行技术答辩。
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二、光学设计的具体设计步骤
1、 选择系统的类型；
2、 分配元件的光焦度和间隔；
3、 校正初级像差；
4、 减小残余像差(高级像差)。
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§1 .3 现代光学仪器对光学系统性能与质量的要求
一、光学系统的基本特性
二、系统的外形尺寸
三、成像质量
四、仪器的使用条件与环境
此外，在进行光学系统设计时，还要考虑它应具有良好的工艺性和经济性。
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第二章 像差综述
§2 .1 轴上点球差
一、球差的定义和表示方法
A
A,
光学系统
高斯像面
,
U,
-U
-δT,
L,
,
A0,
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A
-Um
高斯像面
A,
4
L,m
U,m
-δT,
5
3
2
1
,
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轴上点发出的同心光束经光学系统各个球面折射以后，不再是同心光束，其中与光轴成不同角度的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点有不同的偏离，这种偏离称之为球差，具体定义为；
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球差是入射高度或孔径角的函数,可将球差表示为
或者
式中，第一项称为初级球差，第二项称为二级球差，第三项称为三级球差；二级以上球差称为高级球差。
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球差可用初级和二级两项来表示，即
系统的球差可以表示成系统每个面对球差的贡献之和，即所谓的球差分布式。当对实际物体成像时，对于由k个面组成的光学系统，球差的分布式为：
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式中 称为光学系统的球差系数， 为每一个面上的球差分布系数，且
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初级球差可以表示为：
式中， 称为初级球差系数(也称第一赛得和数)， 为每个面上的初级球差分布系数。
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二、球差的校正
球差是孔径的偶次方函数，因此，校正球差只能使某带的球差为零。
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对于仅含初级和二级球差的光学系统，当对边缘光校正球差时，在h=。其值是边缘光高级球差的-1/4，如图a所示。
若以（h/hm）2为纵坐标，画出球差曲线和初级球差曲线，如图b所示。
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