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              光學設計

                光學系統設計就是根據客戶使用條件,來決定滿足使用要求的各種方案,即光學系統的結構形式、性能參數、外形尺寸等。我們可以為客戶提供獨特的、專業的、批量化定制光學系統設計。

               

               

              成 像 鏡 頭 技 術 指標 要 求 表

               

              序號

              參數名稱

              參數值

              備注

              光學規格

              1

                 工作距離(mm)

               

                 從鏡頭前端到被成像物體的距離

              2

                 結構后焦距(mm)

               

                 鏡頭最后機械端到探測器的距離

              3

                 物像總距離(mm)

               

                 被成像物體到探測器的距離,此參數決定了成像鏡頭正常 工作占用的空間

              4

                 系統焦距(mm)

               

                 

              5

                 入瞳口徑(mm)

               

                 成像時有效通光孔徑

              6

                 工作波段(nm)

               

                 鏡頭工作的光學譜段

              7

                 全視場角(°

               

                 被檢測物體的全可現角度

              8

                 全視場(mm)

               

                 被檢測物體的全可視區域

              9

                 傳感器尺寸(mm x mm)

               

                 探測器靶面大小,分辨率

              10

                 主要放大倍率

               

                 傳感器尺寸與視場之間的比例

              11

                 變焦倍率

               

                 變焦鏡頭不同工作焦距下傳感器尺寸與視場之間的比例

              12

                 透過率(%)

               

                 鏡頭對成像光束強度的衰減率

              13

                 相對照度(%)

               

                 外圍照度與中心照度的比值

              14

                 光學函數MTF(%@lp/mm)

               

                 每1mm可解析線下的對比度

              15

                 畸變(%)

               

                 軸外光束成像點和理想成像點高度差與理想成像點高度的比值

              接口要求

              16

                 鏡頭總長(mm)

               

                 

              17

                 入瞳位置(mm)

               

                 鏡頭入瞳距鏡頭機械端面的距離

              18

                 入瞳尺寸(mm)

               

                 鏡頭入瞳直徑

              19

                 最大直徑(mm)

               

               

              20

                 重量(kg)

               

               

              環境要求

              21

                 工作溫度要求(°C

               

                 鏡頭能夠正常工作時的環境溫度范圍

              22

                 存儲溫度要求(°C

               

                 鏡頭存儲環境溫度范圍

              23

                 振動(g)

               

                 鏡頭正常工作時所需承受的最大振動加速度

              24

                 沖擊(g)

               

                 鏡頭所需承受的最大沖擊加速度

              25

                 其他環境要求

               

                 濕度、酸堿性、密封性等



                光學設計過程分為四個個階段:外形尺寸計算、初始結構計算、象差校正和平衡以及象質評價。

                一、外形尺寸計算

                設計擬定出光學系統原理圖,確定基本光學特性,使滿足給定的技術要求,即確定放大倍率或焦距、線視場或角視視場、數值孔徑或相對孔徑、共軛距、后工作距離光闌位置和外形尺寸等。在計算時一定要考慮機械結構和電氣系統,以防止在機構結構上無法實現。每項 性能的確定一定要合理,過高要求會使設計結果復雜造成浪費,過低要求會使設計不符合要求。

               

                二、初始結構的計算和選擇

                初始結構的確定常用以下兩種方法:

                1.根據初級象差理論求解初始結構

                2.從已有的資料中選擇初始結構

                這是一種比較實用又容易獲得成功的方法。但其要求設計者對光學理論有深刻了解,并有豐富的設計經驗,只有這樣才能從類型繁多的結構中挑選出簡單而又合乎要求的初始結構。一個不好的初始結構,再好的自動設計程序和有經驗的設計者也無法使設計獲得成功。

               

                三、象差校正和平衡

                初始結構選好后,要在計算機上用ZEMAX、CODEⅤ等軟件對光學系統進行分析和光路追跡,算出全部象差及各種象差曲線。從象差數據分析就可以找出主要是哪些象差影響光學系統的成象質量,從而找出改進的辦法,開始進行象差校正。象差分析及平衡是一個反復進行的過程,直到滿足成象質量要求為止。

                

               

                四、象質評價

                光學系統的成象質量與象差的大小有關,光學設計的目的就是要對光學系統的象差給予校正。但是任何光學系統都不可能也沒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,成象質量也就不同。因此光學設計者必須對各種光學系統的剩余象差的允許值和象差公差有所了解,以便根據剩余象差的大小判斷光學系統的成象質量。評價光學系統的成象質量的方法很多,下面簡單介紹一下象質評價的方法。

                1.瑞利判斷

                實際波面與理想波面之間的最大波象差不超過1/4 波長。其是一種較為嚴格的象質評價方法,適用于小象差系統如:望遠鏡、顯微物鏡等。

                2.光學傳遞函數MTF

                此方法是基于把物體看作是由各種頻率的譜組成的。把光學系統看作是線性不變系統,這樣,物體經光學系統成象,可視為不同頻率的一系列正弦分布線性系統的傳遞。傳遞的特點是頻率不變,但對比度下有所下降。對比度的降低和位相的推移隨頻率而異,它們之間的函數關系稱為光學傳遞函數。由于光學傳遞函數與象差有關,故可用來評價光學系統成象質量。它具有客觀、可靠的優點,并且便于計算和測量,它不僅能用于光學設計結果的評價,還能控制光學系統設計的過程、鏡頭檢驗、光學總體設計等各方面。

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