华中科技大学 《应用光学》课程PPT——第十四章 典型光学系统.docx

PAGE

1-

华中科技大学《应用光学》课程PPT——第十四章典型光学系统

14.1典型光学系统的概述

(1)典型光学系统在光学领域扮演着至关重要的角色，它们广泛应用于科学研究、工业生产、日常生活等多个领域。这些系统通过精确的光学元件和设计，实现了对光波的聚焦、放大、分割、合成等功能。在光学系统的研究中，我们通常关注其成像性能、光学传递函数、像差分析等方面，以确保系统在特定应用中的性能满足要求。

(2)典型的光学系统主要包括透镜系统、反射式系统、折反射式系统等。透镜系统以其结构简单、成像质量好等优点被广泛应用，如照相机、显微镜等。反射式系统则利用镜面反射原理，具有体积小、重量轻的特点，如望远镜、雷达天线等。折反射式系统结合了透镜和镜面的优点，如哈勃望远镜使用的卡塞格林望远镜，既具有反射式系统的紧凑结构，又具有透镜系统的成像质量。

(3)光学系统的设计是一个复杂的过程，需要综合考虑光学性能、机械结构、材料选择、成本控制等多个因素。在设计过程中，我们通常采用光学设计软件进行模拟和优化，以确保系统在理论上的最佳性能。同时，实际制造过程中还需要考虑加工精度、装配误差等因素，以确保最终产品的性能符合设计要求。随着科技的不断发展，新型光学材料、新型光学元件的不断涌现，为光学系统设计提供了更多的可能性。

14.2常见光学系统的分析

(1)常见的光学系统分析中，透镜系统尤为引人注目。以照相机镜头为例，其成像质量受到焦距、光圈大小、分辨率等因素的影响。例如，焦距为50mm的标准镜头在光圈为f/1.8时，可以实现较浅的景深，适用于人像摄影。而焦距为200mm的长焦镜头在光圈为f/5.6时，则更适合捕捉远处的景物，常用于野生动物摄影。在实际应用中，镜头的分辨率通常以线对毫米（lp/mm）来衡量，如一款镜头的分辨率为80lp/mm，意味着其成像清晰度较高。

(2)反射式光学系统以其紧凑的结构和良好的成像性能在望远镜设计中得到广泛应用。以哈勃太空望远镜为例，其主镜采用直径为2.4米的抛物面反射镜，实现了对宇宙深空的观测。哈勃望远镜的光学传递函数（OTF）在可见光波段达到0.7，这意味着其成像质量较高。此外，反射式望远镜的放大倍数通常可以达到数千倍，如一台口径为500mm的望远镜，其理论最大放大倍数可达500倍。

(3)折反射式光学系统结合了透镜和反射镜的优点，在光学系统设计中具有重要地位。以卡塞格林望远镜为例，其由一个凸透镜和一个凹面反射镜组成，具有成像质量高、结构紧凑的特点。在光圈为f/5时，卡塞格林望远镜的OTF可以达到0.8，优于同等级别的透镜系统。在实际应用中，卡塞格林望远镜常用于天文观测、天文摄影等领域。例如，一款口径为300mm的卡塞格林望远镜，其焦距约为1500mm，适用于观测行星、星系等天体。

14.3光学系统设计与应用

(1)光学系统设计是一个多学科交叉的复杂过程，涉及光学、机械、电子、材料等多个领域。在设计过程中，首先要明确光学系统的性能指标，如焦距、光圈、分辨率、像差控制等。以光学显微镜为例，其设计需要保证在特定放大倍数下，样品的细节能够清晰成像。例如，一款高分辨率的生物显微镜，其焦距通常在100mm至150mm之间，光圈达到f/1.4，分辨率高达1000lp/mm。在设计过程中，通过光学仿真软件模拟不同光学元件的性能，调整系统参数，以达到最佳成像效果。

(2)光学系统设计不仅要关注成像性能，还需考虑系统稳定性、环境适应性等因素。以航空航天领域为例，光学系统需要在极端温度、振动、冲击等环境下工作。例如，一款用于卫星遥感的光学系统，需要具备以下特点：焦距为1500mm，光圈f/2.8，重量不超过5kg，能够在-40°C至+85°C的温度范围内稳定工作。在设计过程中，采用高精度材料和先进的制造工艺，如超精密加工、镀膜技术等，以确保系统在各种环境下的性能。

(3)光学系统设计在应用领域具有广泛的前景，如医疗、工业、军事、科研等。以医疗领域为例，光学系统在手术显微镜、内窥镜、生物显微镜等设备中发挥着重要作用。以手术显微镜为例，其设计要求在放大倍数100-200倍范围内，光圈达到f/1.0，分辨率不低于0.1mm。在实际应用中，手术显微镜的光学系统设计需要兼顾成像质量、操作舒适度、稳定性等多个方面。例如，一款手术显微镜的光学系统采用了非球面透镜技术，有效降低了像差，提高了成像质量；同时，通过优化机械结构设计，实现了操作手柄的轻量化，减轻了医生的操作疲劳。这些技术的应用，为医疗领域的光学系统设计提供了新的思路和方向。