光学设计第一牛人的光学设计讲义
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傅里叶光学讲义
傅⾥叶光学讲义傅⾥叶光学实验傅⾥叶光学原理的发明最早可以追溯到1893年阿贝（Abbe ）为了提⾼显微镜的分辨本领所做的努⼒。
他提出⼀种新的相⼲成象的原理，以波动光学衍射和⼲涉的原理来解释显微镜的成像的过程，解决了提⾼成像质量的理论问题。
1906年波特（Porter ）⽤实验验证了阿贝的理论。
1948年全息术提出，1955年光学传递函数作为像质评价兴起，1960年由于激光器的出现使相⼲光学的实验得到重新装备，因此从上世纪四⼗年代起古⽼的光学进⼊了“现代光学”的阶段，⽽现代光学的蓬勃发展阶段是从上世纪六⼗年代起开始。
由于阿贝理论的启发，⼈们开始考虑到光学成像系统与电⼦通讯系统都是⽤来收集、传递或者处理信息的，因此上世纪三⼗年代后期起电⼦信息论的结果被⼤量应⽤于光学系统分析中。
两者⼀个为时间信号，⼀个是空间信号，但都具有线性性和不变性，所以数学上都可以⽤傅⽴叶变换的⽅法。
将光学衍射现象和傅⽴叶变换频谱分析对应起来，进⽽应⽤于光学成像系统的分析中，不仅是以新的概念来理解熟知的物理光学现象，⽽且使近代光学技术得到了许多重⼤的发展，例如泽尼克相衬显微镜，光学匹配滤波器等等，因此形成了现代光学中⼀门技术性很强的分⽀学科—傅⾥叶光学。
实验原理：我们知道⼀个复变函数f(x,y)的傅⽴叶变换为：+-=?=dxdy vy ux 2i y x f y x f v u F )](exp[),()},({),(π ( 1 )F (u,v)叫作f(x,y)的傅⽴叶变换函数或频谱函数。
它⼀般也为复变函数，f(x,y)叫做原函数，也可以通过求 F(u,v)逆傅⽴叶变换得到原函数f(x,y)：+=?=-dudv vy ux 2i v u F v u F y x f 1)](exp[),()},({),(π（2）在光学系统中处理的是平⾯图形，当光波照明图形时从图形反射或透射出来的光波可⽤空间两维复变函数（简称空间函数）来表⽰。
在这些情况下⼀般都可以进⾏傅⾥叶变换或⼴义的傅⾥叶变换。
光学研究中的科学家故事
总结：
在人们对光学认识发展的路上，有过停滞，有过犹 豫，但最终依旧在综合整理、变化发展中不断进步，其 间，少不了科学家们的执着和对自己秉持理论的革新改 进。尤其是普朗克量子理论的提出，颠覆了太多人的世 界观。但终究，量子的理论不断地被富有创新精神的人 们所接受并不断使用。科学，就是这样，不断地被认知， 改进，发展创新，在这个螺旋式上升的过程里，人们也 在不断进步，超越。
量子力学的发展可能是二十世纪中最重要的科 学发展，甚至比爱因斯坦的相对论还要重要。普朗 克常数h在物理理论中有着重要的作用。它出现在 原子结构学说、海森堡测不准原理、辐射学说和许 多科学公式中。普朗克最初计算出来的常数数值比 今天使用的相差百分之二。一般认为普朗克是量子 力学之父。他所做的起始突破非常重要，使人们在 思想上摆脱了先前的错误概念。因此他的继承人才 能创立出今天这样完美的学说。
光学研究中的科学家故事
托马斯·杨
菲涅尔和阿拉果
普朗克
光的波动学说的复兴：
文本
牛顿曾在其《光学》的论著中提出光是由微 文本 粒组成的，在之后的近百年时间，人们对光学的 文本 认识几乎停滞不前，直到托马斯·杨的诞生，他成 文本 为开启光学真理的一把钥匙，为后来的研究者指 明了方向。
托马斯·杨（1773～1829 ） 英国医生、物理学家，光的 波动说的奠基人之一。 他发展了惠更斯的光学理论， 做了杨氏双缝干涉实验,为光 的波动说奠定了基础。
由此，波动说得到了巨大胜利。但还需要用波动说进一步解释偏 振现象。在这方面，菲提耳受杨氏双光干涉实验的启发，和阿拉果合 作进行了各种实验，发现了偏振光的干涉现象，从而进一步论证了光 的横波性。
阿拉果（1786-1853）法国 物理学家。
捍卫光波动学说 阿拉果长期拉普拉斯学派 教育，早年遵循微粒说观点 研究光学。
光学设计讲义
A -f
C
C Ab B
l
标尺像
十字丝
标尺
-l D
光学测距原理图
《光学设计-应用光学课程设计》
D l δ
由图中相似三角形关系，有：
于是：
所以有：
b -l- (-f ) -l- f - b -f f b -l - f f b
f 式中：k 称为乘常数，c = + f称为加常数。 为仪器转 b
d0 111.25 111.48 111.71 111.94
L=170 f2 -46.99 -57.57 -71.11 -89.20
f3 12.88 11.80 10.90 10.12
lF(l2) 58.75 58.56 58.28 58.06
l2 26.11 29.02 32.03 35.17
112.17 112.40
d0 117.80 118.04 118.26 118.52 118.76 119.01
-114.47 -152.36 L=180 f2
-49.75 -60.94 -75.31 -94.46 -121.24 -161.26
9.44 8.85
在满足基本设计要求的前提下，尽量做到结构简单、紧凑， 具有良好的工艺性，成本低。
《光学设计-应用光学课程设计》
§2-1 内调焦望远系统参数的确定
一、望远镜的缩短系数Q
内调焦望远系统显著的优点是能缩短筒长，即物镜的筒长比 其组合焦距要短。 为满足体积小、重量轻, 便于携带的要求, 应使望远镜的筒长 尽可能短，但筒长并不是越短越好。 为便于研究筒长与焦距的关系，定义缩短系数Q：
由于d = L-l2, 即：l2=L-d, 又：l2= l1-d, 代入调焦镜物像公式：
《光学》全套课件 PPT
τ
cosΔ
dt =0
τ0
I = I1 +I2
叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，
无干涉现象
2、相干叠加 满足相干条件的两束光叠加后
I =I1 +I2 +2 I1I2 cosΔ 位相差恒定，有干涉现象
若 I1 I2
I =2I1(1+cosΔ
)
=4I 1cos2
Δ 2
Δ =±2kπ I =4I1
r2
§1-7 薄膜干涉
利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和 折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。
一、薄膜干涉 扩展光源照射下的薄膜干涉
在一均匀透明介质n1中
放入上下表面平行,厚度
为e 的均匀介质 n2(>n1)，
用扩展光源照射薄膜，其
反射和透射光如图所示
a
n1
i
a1 D
B
n2
A
n1 C
2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满 足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．
3、在空间任一点处
εE = μH
4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，
为
u= 1 εμ
在真空中u= c =
1 ≈3×108[m ε0μ0
s 1]
5、电磁波的能量
S
=E
×H ,
只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形
成系统理论。
二、几何光学时期
•这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。
•李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。
•延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复 合显微镜。 •1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。 • 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
高明老师-光 学 设 计1、2
二、光学设计的设计步骤 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)。
§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。
h f sin U
对于近轴物点，用宽光束成像时也不能成 完善像，故只能要求其成像光束结构与轴 上点成像的光束结构一致，也就是说，轴 上点和近轴点有相同的成像缺陷。欲满足 上述要求，光学系统必须满足如下条件：
n sin U L 1 n sin U L l z
这个条件称为等晕条件 。 它是当光学系统轴上点成像有剩余球差时， 近轴点或垂轴小面积成同质像的充要条件。
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：
1 L uk sin U k 2nk
S
1
k
初级球差可以表示为：
k 1 L 2 SⅠ 2 nk u k 1 S lunii ii u Ⅰ
对单个折射球面而言，由每个面的球差分 布式可知，当物点处于三个位置时，其SⅠ ＝０，可以不产生球差。这三个位置是： ① sin I sin I 0 ，即 I I 。表示物 点和像点均位于球面的曲率中心，或者 n 说， L L r ，垂轴放大率 。 n ② L 0 ，此时 L 0 , 1 ，即物点和像 点均位于球面顶点时，不产生球差。
根据简单关系：
lu l u h
光学设计ZEMAX_实验讲义
（5）Paraxial Working F/#（近轴工作F数）
定义式为：
（1.5）
式中 为系统像方折射率，θ为高斯边缘像方光线孔径角。在计算θ过程中，认为系统无像差，按照理想系统的边缘光线追迹方法。在Aper Value中输入F数，注意前面的Image Space F/#区别。
（6）Object Cone Angle（物方锥角）
ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。
相对孔径的定义在Aperture中设置。最常用的选项解释如下：
A.Aperture
Aperture Type用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。定义的种类有：
（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）
当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的Aper Value中输入具体的入瞳直径数值，选择Lens Units为Millimeter（毫米）。
表1.1例题的初始结构参数
1.4.3
1．General输入相对孔径
General功能可以由“System”→“General…”选择，还可以通过桌面上“Gen”快捷键来打开，General对话框如图1.2所示。
图1.2 General对话框
由图1.2可以看出，General对话框中具有Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，Glass Catalogs，Ray Aiming等项。
定义式为：
（1.5）
式中 为系统像方折射率，θ为高斯边缘像方光线孔径角。在计算θ过程中，认为系统无像差，按照理想系统的边缘光线追迹方法。在Aper Value中输入F数，注意前面的Image Space F/#区别。
（6）Object Cone Angle（物方锥角）
ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。
相对孔径的定义在Aperture中设置。最常用的选项解释如下：
A.Aperture
Aperture Type用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。定义的种类有：
（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）
当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的Aper Value中输入具体的入瞳直径数值，选择Lens Units为Millimeter（毫米）。
表1.1例题的初始结构参数
1.4.3
1．General输入相对孔径
General功能可以由“System”→“General…”选择，还可以通过桌面上“Gen”快捷键来打开，General对话框如图1.2所示。
图1.2 General对话框
由图1.2可以看出，General对话框中具有Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，Glass Catalogs，Ray Aiming等项。
光学设计ppt课件
4
光学设计方法
光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子计算机之前的方法统称 为“手工”设汁法。那时主要通过追迹光线，计算像差和逐次修改结构参数使之 接近使用要求的方法来做设计。 电子计算机的使用，使得对光学系统(特别是复杂 系统)的分析计 算更加完善了，进而使光学自动设计逐步发展起来。
任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想。所以，设计时我们应 该根据像差理论对系统提出尽量合理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动 设计，这一点也是很重要的。 用优化技术来自动平衡光学系统的像差时，如果要 求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同时提出正弦条件和赫谢耳条件)，就可能 产生“病态”方程，使自动平衡不能顺利进行。
3
参考书目
R.Kinslake, Lens design Fundamental, 1978. R.Kinslake, optical system design,1983, Academic Press.
这位百岁老人去年刚去世，他是A.E.Conrady的学生，从上世纪三十年代 被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。 iKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非常实用的各种光学系统 设计，有新版。 R.E. Fischer, Optical system design, 2000,McGraw Hill. 此人从上世纪八十年代一直到现在，都在SPIE Photonics West 之类的会 上讲Short Courses——”光学设计”，本书属于这种教材。 斯留萨列夫， 谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。 本书可启发人们去认真思考问题。 张以谟，应用光学，机械工业出版社，中国高校教科书 王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。本教材的公式取自此 书。
光学设计方法
光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子计算机之前的方法统称 为“手工”设汁法。那时主要通过追迹光线，计算像差和逐次修改结构参数使之 接近使用要求的方法来做设计。 电子计算机的使用，使得对光学系统(特别是复杂 系统)的分析计 算更加完善了，进而使光学自动设计逐步发展起来。
任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想。所以，设计时我们应 该根据像差理论对系统提出尽量合理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动 设计，这一点也是很重要的。 用优化技术来自动平衡光学系统的像差时，如果要 求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同时提出正弦条件和赫谢耳条件)，就可能 产生“病态”方程，使自动平衡不能顺利进行。
3
参考书目
R.Kinslake, Lens design Fundamental, 1978. R.Kinslake, optical system design,1983, Academic Press.
这位百岁老人去年刚去世，他是A.E.Conrady的学生，从上世纪三十年代 被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。 iKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非常实用的各种光学系统 设计，有新版。 R.E. Fischer, Optical system design, 2000,McGraw Hill. 此人从上世纪八十年代一直到现在，都在SPIE Photonics West 之类的会 上讲Short Courses——”光学设计”，本书属于这种教材。 斯留萨列夫， 谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。 本书可启发人们去认真思考问题。 张以谟，应用光学，机械工业出版社，中国高校教科书 王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。本教材的公式取自此 书。
光学设计性实验讲义
普通物理实验光学设计性实验讲义物理学专业用目录光学设计性实验绪论实验一光具组基点的测定。
实验二反射全息。
实验三偏振光分析。
实验四测量空气折射率。
实验五玻璃折射率的测定。
光学设计性实验绪论一、实验教学目的及任务1、实验教学目的光学设计性实验课程是高等院校物理专业最基本的实训研究课，它对于培养学生的动手实践能力，启发学生思维，培养良好的科学素质，及严谨求实的科学作风、创新精神，提高进行科学实验工作的综合能力，包括实际动手能力、分析判断能力、独立思考能力、革新创造能力、归纳总结能力等起着极其重要的作用。
设计性物理实验的教学目的，是在学生具有一定实验能力的基础上，通过独立分析问题、解决问题，使学生把知识转化为能力，为作毕业设计，写科研成果报告和学术论文，作初步训练。
这对激发学生的创造性和深入研究的探索精神，培养科学实验能力，提高综合素质有重要作用。
2、课程的主要任务设计性实验，就是应用物理思想研究合理的实验程序和方法，研究如何合理控制各因素在实验中的条件和参量，以得出最好的测量结果。
设计性实验还研究在各种条件下存在最佳方案的可能性，并研究如何得出最佳方案。
学生做设计性实验是一种创造性劳动，他们必须利用所学的专业知识和实验技能，根据实验任务自己搜集资料，设计实验方案、选配仪器，调节测量完成实验，分析结果，写出报告，整个过程具有一定的探索性。
二、本实验课的基本理论与实验技术知识本实验课的基本理论是光学理论。
实验技术知识包括方案设计、光路设计、仪器选择、步骤安排、参量选取、故障分析、数据处理和结果评论等。
三、实验内容及具体要求1、选择实验项目，了解实验课题，明确工作任务，熟悉仪器。
2、查阅有关资料，画出必要的原理图，推导出有关的理论公式。
通过分析与比较，选择出能够满足实验要求的最佳实验方案。
3、通过对测量仪器和误差传递公式的研究，对实验方法进行分析，确定出最合适的测量方法和测量条件，确定出数据处理方法。
4、写出一份合格的实验设计方案，对实验方法进行分析。
第4章光学
肆Fra bibliotek光学发展史
五
牛顿对光学的贡献
目 录
Contents
六
光的波动说的复兴
七
量子光学时期
第五节 牛顿对光学的贡献
牛顿不仅在力学上有伟大的成就，在光学方面也有 卓越的贡献。他在光学领域的工作多是奠基性的，其中 尤以色散的研究最为突出，他在光学方面的主要成果大 多记载在1704年出版的《光学》一书中。 牛顿的光学研究在当时是一流的。还在读书期间， 他就在光学研究上表现出强烈的爱好，尤其是他在 1665～1667年进行的日光色散实验，在前人的基础上， 将实验研究推上了一个新的高度。由于他具有较高的光 学研究水平，他在三一学院讲课也主要是讲授光学和数 学，并开展了广泛的光学研究。1673年，牛顿向皇家学 会报告了“光学和颜色的新理论”，1675年又报告了关 于“牛顿环”的著名实验。此外，他的研究还涉及反射、 折射、透镜成像、眼睛的作用、多种颜色光的组合、颜 色理论、虹霓的解释、反射望远镜的发明等。《光学》 一书对他的实验研究进行了细致的描述。
1801年，托马斯·杨发展了惠更斯的波动理论，成功地解释了干涉现象(干涉 这一物理名词是托马斯·杨首先提出的)，是他在论文中用于说明干涉现象的插图。 他是这样阐述他的干涉原理的：“当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者 非常接近地沿同一方向进人人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将 最强，而在于涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的。” 托马斯·杨明确指出，要使两部分光的作用叠加，必须是发自同一光源。这是他用 实验成功地演示干涉现象的关键。 1801年，他做了一个很有名的双圆孔实验，证明光具有波的性质。 1802年·托马斯·杨在英国皇家学会上演讲时讲述了自己所做的双圆孔实验， 并且强调说：“为使这两部分光在屏幕上引起的效果叠加起来，需要使来自同一光 源、经过不同路径的光到达同一区域，而不使其相离散，如有离散，也能根据发射 或折射把光从一方或两方重合起来，将它们的效果叠加。”接着他又描述了双缝干 涉实验：“将平行光通过两个相距很近的针孔，针孔作为新光源，从那里发出了球 面光波，照射到屏幕上，光的暗影对称地向两侧散开……这两部分光叠加后，屏幕 上正对两小孔连线的中心处最明亮，两侧部分，光从两个小孔到达各点有一定的路 程差，若路程差是光波波长的1倍、2倍、3倍……则屏幕上的这些地方为亮区，并且 相邻的亮区间距离相等。”托马斯·杨根据屏幕上出现的亮区间距和两针孔之间的 距离，运用波的理论，计算出了各种颜色光波的波长。
五
牛顿对光学的贡献
目 录
Contents
六
光的波动说的复兴
七
量子光学时期
第五节 牛顿对光学的贡献
牛顿不仅在力学上有伟大的成就，在光学方面也有 卓越的贡献。他在光学领域的工作多是奠基性的，其中 尤以色散的研究最为突出，他在光学方面的主要成果大 多记载在1704年出版的《光学》一书中。 牛顿的光学研究在当时是一流的。还在读书期间， 他就在光学研究上表现出强烈的爱好，尤其是他在 1665～1667年进行的日光色散实验，在前人的基础上， 将实验研究推上了一个新的高度。由于他具有较高的光 学研究水平，他在三一学院讲课也主要是讲授光学和数 学，并开展了广泛的光学研究。1673年，牛顿向皇家学 会报告了“光学和颜色的新理论”，1675年又报告了关 于“牛顿环”的著名实验。此外，他的研究还涉及反射、 折射、透镜成像、眼睛的作用、多种颜色光的组合、颜 色理论、虹霓的解释、反射望远镜的发明等。《光学》 一书对他的实验研究进行了细致的描述。
1801年，托马斯·杨发展了惠更斯的波动理论，成功地解释了干涉现象(干涉 这一物理名词是托马斯·杨首先提出的)，是他在论文中用于说明干涉现象的插图。 他是这样阐述他的干涉原理的：“当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者 非常接近地沿同一方向进人人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将 最强，而在于涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的。” 托马斯·杨明确指出，要使两部分光的作用叠加，必须是发自同一光源。这是他用 实验成功地演示干涉现象的关键。 1801年，他做了一个很有名的双圆孔实验，证明光具有波的性质。 1802年·托马斯·杨在英国皇家学会上演讲时讲述了自己所做的双圆孔实验， 并且强调说：“为使这两部分光在屏幕上引起的效果叠加起来，需要使来自同一光 源、经过不同路径的光到达同一区域，而不使其相离散，如有离散，也能根据发射 或折射把光从一方或两方重合起来，将它们的效果叠加。”接着他又描述了双缝干 涉实验：“将平行光通过两个相距很近的针孔，针孔作为新光源，从那里发出了球 面光波，照射到屏幕上，光的暗影对称地向两侧散开……这两部分光叠加后，屏幕 上正对两小孔连线的中心处最明亮，两侧部分，光从两个小孔到达各点有一定的路 程差，若路程差是光波波长的1倍、2倍、3倍……则屏幕上的这些地方为亮区，并且 相邻的亮区间距离相等。”托马斯·杨根据屏幕上出现的亮区间距和两针孔之间的 距离，运用波的理论，计算出了各种颜色光波的波长。
L1-光学课件(概述部分)
光学课的特点
内容新：中学学得不多，光学发展很快，新 内容不断涌现 分支多：几何光学，干涉，衍射，偏振，光与 物质的相互作用 公式多：大约有近200个公式 课程编排特点：
重点是物理光学部分 (干涉，衍射，偏振)
如何学好光学课程
课前预习 按时听课 及时复习 独立完成作业 要主动答疑
课程安排
带入折射定律：sin i1 / sin i2 n2 / n1
n2 有： n1 sin
m
2 2
sin
n
n1 1，n2 n 时，
sin
m
2 2
sin
光的可逆性原理: 当光线的方向反转时，它将逆着同一 路径传播，称为光的可逆性原理。
A
i2 i
令
' 2
D B
求其最小值： i1 i1' d
di1
i1
折射率 n
E
i2
i
' 2
F
i
' 1
C G
0 ，且有 d 2 di1 0 2
可以得到：当 i1 i , i39; 2
m
此时有：i1
m
2
i2 / 2
讲授课
习题课 观看实验演示
绪
论
一、光学发展的概况
人类感官接收到外部世界的总信 息量中至少有90％以上通过眼睛 光学是一门古老的学科，又是一 门新兴的年青学科 激光器诞生后，光学开始了迅猛 发展，成为科研前沿极为活跃的学科
五个时期
一、萌芽时期
公元前500年~公元1500年 经历大约2000年 面镜、眼镜和幻灯等光学元件 已相继出现
几何光学与光学设计讲义
F’→A：像方无穷远垂轴平面的共轭平面为物方过 F 的垂轴平面（前焦平面，物方焦面）
注意
这里F与F’不为共轭点，A与A’也不为共轭点
10
三、主点H，H’ T
E1 Q’ Q Sk
R
和主平面
A
h
-u
S1 H’ H Ek
u’
F
-f
O1
Ok
F’
f’ H，H’亦为一对共轭点
H，H’——物（像）方主点，前（后）主点 QH，Q’H’——物（像）方主面，前（后）主面
使光轴转折任意角 度的一次反射棱镜
达夫棱镜 即光轴与斜面平行的等腰直角棱镜
棱镜转90度，像转180度
24
周视瞄准镜
以等腰直角棱镜转实 现周视。 达夫棱镜以等腰直角 棱镜旋转角速度的一 半转。
25
二次反射棱镜——相当于夹角为αr 双平面镜系统，成一致像
光轴转90度
入射光线和出射光线夹角为2α 光轴转180度
8
一、原始概念
§1-3 理想光学系统基本概念
理想光学系统——这种光学系统所成的像与物是完全相似的
物空间 像空间 点——>共轭点
直线——>共轭直线
R M
S
直线上的点——>共轭直线上的共轭点
同心光束——>共轭同心光束
平面——>共轭平面
光
学
系
统
R’
M’
S’
理想光学系统理论——高斯光学
9
二、焦点F，F’ 与焦平面
近轴光线所在的区域叫近轴区
阿贝不变量
n(1 − 1) = n'(1 − 1) = Q
rl
r l'
n' − n = n'−n l' l r
注意
这里F与F’不为共轭点，A与A’也不为共轭点
10
三、主点H，H’ T
E1 Q’ Q Sk
R
和主平面
A
h
-u
S1 H’ H Ek
u’
F
-f
O1
Ok
F’
f’ H，H’亦为一对共轭点
H，H’——物（像）方主点，前（后）主点 QH，Q’H’——物（像）方主面，前（后）主面
使光轴转折任意角 度的一次反射棱镜
达夫棱镜 即光轴与斜面平行的等腰直角棱镜
棱镜转90度，像转180度
24
周视瞄准镜
以等腰直角棱镜转实 现周视。 达夫棱镜以等腰直角 棱镜旋转角速度的一 半转。
25
二次反射棱镜——相当于夹角为αr 双平面镜系统，成一致像
光轴转90度
入射光线和出射光线夹角为2α 光轴转180度
8
一、原始概念
§1-3 理想光学系统基本概念
理想光学系统——这种光学系统所成的像与物是完全相似的
物空间 像空间 点——>共轭点
直线——>共轭直线
R M
S
直线上的点——>共轭直线上的共轭点
同心光束——>共轭同心光束
平面——>共轭平面
光
学
系
统
R’
M’
S’
理想光学系统理论——高斯光学
9
二、焦点F，F’ 与焦平面
近轴光线所在的区域叫近轴区
阿贝不变量
n(1 − 1) = n'(1 − 1) = Q
rl
r l'
n' − n = n'−n l' l r
大学光学经典课件L2惠更斯原理
惠更斯在数学、光学和天文学等领域做出了卓越的贡献，被誉为现代科学 之父之一。
惠更斯原理的提出背景
惠更斯原理是在17世纪末提出 的，当时光学理论正处于快速发
展的阶段。
光的本质和传播方式一直是科学 家们研究的重点，而惠更斯原理 的提出为光的波动理论奠定了基
础。
惠更斯原理的提出是基于对光的 干涉和衍射现象的观察和实验研
详细描述
在水槽中设置两个相干的水波源 ，观察水波干涉形成的明暗相间 的条纹，通过测量条纹间距与理 论值对比，验证惠更斯原理。
光波干涉与衍射实验
总结词
通过光
详细描述
利用分束器将单色光分成两束相干光波，观察光波干涉形成 的明暗干涉条纹；同时进行单缝和双缝衍射实验，观察衍射 条纹的分布，并与理论值进行比较。
不适用于非线性光学
惠更斯原理主要适用于线性光学领域，对于非线性光学领域的应用则较 为有限。
03
对光束质量要求高
惠更斯原理要求光束质量高，光束参数偏差小，否则会影响干涉效果。
惠更斯原理的未来发展方向
探索更广泛的应用
领域
随着光学技术和应用的发展，惠 更斯原理有望在更多领域得到应 用，如生物医学、传感检测、通 信等领域。
指导光学系统设计
惠更斯原理在光学仪器和光学系统设计中有重要应用，如透镜、反 射镜等光学元件的设计，以及干涉仪、光谱仪等光学仪器的设计。
促进物理学发展
惠更斯原理是物理学的重要基石之一，它的发展和应用对于推动物理 学和相关学科的发展具有重要意义。
惠更斯原理的局限性
01 02
理想化模型
惠更斯原理是一个理想化的模型，它假设波阵面是无限薄的，这在实际 情况中是不成立的。因此，在某些情况下，惠更斯原理的应用会受到限 制。
惠更斯原理的提出背景
惠更斯原理是在17世纪末提出 的，当时光学理论正处于快速发
展的阶段。
光的本质和传播方式一直是科学 家们研究的重点，而惠更斯原理 的提出为光的波动理论奠定了基
础。
惠更斯原理的提出是基于对光的 干涉和衍射现象的观察和实验研
详细描述
在水槽中设置两个相干的水波源 ，观察水波干涉形成的明暗相间 的条纹，通过测量条纹间距与理 论值对比，验证惠更斯原理。
光波干涉与衍射实验
总结词
通过光
详细描述
利用分束器将单色光分成两束相干光波，观察光波干涉形成 的明暗干涉条纹；同时进行单缝和双缝衍射实验，观察衍射 条纹的分布，并与理论值进行比较。
不适用于非线性光学
惠更斯原理主要适用于线性光学领域，对于非线性光学领域的应用则较 为有限。
03
对光束质量要求高
惠更斯原理要求光束质量高，光束参数偏差小，否则会影响干涉效果。
惠更斯原理的未来发展方向
探索更广泛的应用
领域
随着光学技术和应用的发展，惠 更斯原理有望在更多领域得到应 用，如生物医学、传感检测、通 信等领域。
指导光学系统设计
惠更斯原理在光学仪器和光学系统设计中有重要应用，如透镜、反 射镜等光学元件的设计，以及干涉仪、光谱仪等光学仪器的设计。
促进物理学发展
惠更斯原理是物理学的重要基石之一，它的发展和应用对于推动物理 学和相关学科的发展具有重要意义。
惠更斯原理的局限性
01 02
理想化模型
惠更斯原理是一个理想化的模型，它假设波阵面是无限薄的，这在实际 情况中是不成立的。因此，在某些情况下，惠更斯原理的应用会受到限 制。
《光学》 哈尔滨工业大学出版社 郑植仁,姚凤凤。 讲义。
光学郑植仁姚凤凤《光学》教材提纲挈领、深入浅出地讲述了光学的基本概念和基本原理。
《光学习题课教程》是与《光学》教材配套的光学习题课教材，简明地介绍了光学的基本概念和公式，透彻地讲述了光学问题的基本类型和基本解题方法。
给出了《光学》习题的解答以及模拟试题的解答。
人类认识世界的目的归根到底是为了适应世界、进而改造世界，因此学习任何一门知识都应当做到既明白道理又能够解决问题，也就是既要学懂弄通所学知识的基本概念，又要掌握运用基本原理解决相关问题的基本方法。
参考书：（1）《光学》赵凯华、钟锡华编，北京大学出版社（2）《光学》，E. 赫克特等著，人民教育出版社出版（3）《光学》，潘笃武等编著，复旦大学出版社出版（4）《光学》，蔡履中等编著，山东大学出版社出版（5）《现代光学基础》钟锡华编，北京大学出版社学好光学课的重要意义•当今科研前沿的热门学科•光学学科是我校的国家重点学科和博士点•光学课程是光学方面课程的基础启蒙课程如：光学，激光原理与技术，量子光学，信息学光纤光学，集成光学，光谱学，光子开关术全息光存储技术，光纤通信技术原理，非性光学晶体光学，原子光学，光电信号检测技术等光学课的特点内容新：中学学得不多，光学发展很快，新内容不断涌现分支多：几何光学，干涉，衍射，偏振，光与物质的相互作用公式多：大约有200多个公式课程编排特点：重点是物理光学部分(干涉，衍射，偏振)如何学好光学课程•课前预习•按时听课•及时复习•独立完成作业•主动答疑课程安排•光学理论授课•光学习题课•观看光学实验演示绪论一、光学发展的概况人类感官感觉外部世界的总信息量中有90％以上通过眼睛接收光学是一门古老的学科，又是一门新兴的年青学科激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成为科研前沿极为活跃的学科五个时期一、萌芽时期公元前500年‾公元1500年经历大约2000年面镜、眼镜和幻灯等光学元件已相继出现二、几何光学时期1500‾1800，大约300年1、建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器3、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位4、其对折射定律的解释是错误的三、波动光学时期1800‾1900，近100年1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小于在空气中的传播速度6、波动光学的理论体系已经形成，光的波动说战胜了光的微粒说四、量子光学时期1900‾1950，近50年1、1900年普朗克提出了量子假说，成功地解释了黑体辐射问题2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了光电效应问题3、光的某些行为象经典的“波动”4、另一些行为却象经典的“粒子”5、光是一种几率波，又具有可分割性，光具有“波粒二象性”五、现代光学时期从1950年至今1、全息术、光学传递函数和激光的问世是经典光学向现代光学过渡的标志2、光学焕发了青春，以空前的规模和速度飞速发展1）智能光学仪器2）全息术3）光纤通信4）光计算机5）激光光谱学的实验方法等等第1章几何光学1.1几何光学的基本规律1. 几何光学三定律2. 全反射临界角3. 光的可逆性原理4. 三棱镜的最小偏向角1. 几何光学三定律1）光的直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播。
台湾牛人光学设计第四讲
A good design has to consider “tolerance”
– Design works with tolerance
The first step is to clrify”which are the critical variables”? Variable budget you still need to work closely with the manufacturer
計算point spread function對Airy Disc做 Normalize!!!
Version 2008 (交大光電 陳志)
光學系統設計 4: 公差容忍分析與光學測試及簡明
4-9
Standard: ISO 10110
Maximum dimension of part (mm) Property Edge length, diameter (mm) Thickness (mm) Angle deviation of prisms and plate Width of protective chamfer (mm) Stress birefringence (nm/cm) Bubbles and inclusions Inhomogeneity and striae Surface form tolerances Centering tolerances Surface imperfection tolerances Up to 10 ± 0.2 ± 0.1 ± 30′ 0.1 – 0.3 0/20 1/3x0.16 2/1;1 3/5(1) 4/30′ 5/3x0.16 Over 10 Up to 30 ± 0.5 ± 0.2 ± 30′ 0.2 – 0.5 0/20 1/5x0.25 2/1;1 3/10(2) 4/20′ 5/5x0.25 Over 30 Up to 100 ± 1.0 ± 0.4 ± 30′ 0.3 – 0.8 1/5x0.4 Over 100 Up to 300 ± 1.5 ± 0.8 ± 30′ 0.5 – 1.6 1/5x0.63
精品文档-光学设计(刘钧)-第2章
当物体在无限远时，其正弦差为
SC h L 1
f sinU L lz
(2-21) (2-22)
第2章 像差综述
正弦差SC′=0，球差δL′≠0，则满足等晕条件；若正弦差 SC′=0，球差δL′=0，由式(2-21)可得
nsinU y
nsinU
yபைடு நூலகம்
(2-23)
即
ny sinU=n′y′ sinU′
差的关系为
SC KS y
(2-33)
第2章 像差综述
2.3 像散与像面弯曲(场曲)
2.3.1 像散 就整个像散光束而言，在子午像点T′处得到的是一垂直
于子午平面的短线(称为子午焦线)；在弧矢像点S′处得到的 是一位于子午平面上的铅垂短线(称为弧矢焦线)，两条焦线互 相垂直, 如图2-10所示。
第2章 像差综述
第2章 像差综述
图2-4 球差随透镜形状变化曲线
第2章 像差综述
鉴于正负透镜产生不同符号的球差，因此，欲获得一个消 球差的系统，必须用正、负透镜适当组合才有可能，最简单的 形式有双胶合光组和双分离光组，如图2-5所示。
图2-5 双胶合与双分离透镜系 (a) 双胶合透镜； (b) 双分离透
镜
第2章 像差综述
图2-10 存在像散时的光束结构
第2章 像差综述
像散是成像物点远离光轴时反映出来的一种像差，并且随 着视场的增大而迅速增大(见图2-11(b))。所以，对大视场系 统的轴外点，即使是以细光束成像，也会因此而不清晰。像散
第2章 像差综述
图2-11 (a) 场曲；(b) 像散
第2章 像差综述
像散是以子午像点T′和弧矢像点S′之间的距离来描述的， 它们都位于主光线上，通常将其投影到光轴上，以两者之间的
SC h L 1
f sinU L lz
(2-21) (2-22)
第2章 像差综述
正弦差SC′=0，球差δL′≠0，则满足等晕条件；若正弦差 SC′=0，球差δL′=0，由式(2-21)可得
nsinU y
nsinU
yபைடு நூலகம்
(2-23)
即
ny sinU=n′y′ sinU′
差的关系为
SC KS y
(2-33)
第2章 像差综述
2.3 像散与像面弯曲(场曲)
2.3.1 像散 就整个像散光束而言，在子午像点T′处得到的是一垂直
于子午平面的短线(称为子午焦线)；在弧矢像点S′处得到的 是一位于子午平面上的铅垂短线(称为弧矢焦线)，两条焦线互 相垂直, 如图2-10所示。
第2章 像差综述
第2章 像差综述
图2-4 球差随透镜形状变化曲线
第2章 像差综述
鉴于正负透镜产生不同符号的球差，因此，欲获得一个消 球差的系统，必须用正、负透镜适当组合才有可能，最简单的 形式有双胶合光组和双分离光组，如图2-5所示。
图2-5 双胶合与双分离透镜系 (a) 双胶合透镜； (b) 双分离透
镜
第2章 像差综述
图2-10 存在像散时的光束结构
第2章 像差综述
像散是成像物点远离光轴时反映出来的一种像差，并且随 着视场的增大而迅速增大(见图2-11(b))。所以，对大视场系 统的轴外点，即使是以细光束成像，也会因此而不清晰。像散
第2章 像差综述
图2-11 (a) 场曲；(b) 像散
第2章 像差综述
像散是以子午像点T′和弧矢像点S′之间的距离来描述的， 它们都位于主光线上，通常将其投影到光轴上，以两者之间的
光学教程-总结ppt课件
U f2
f 2
聚光本领
物镜的聚光本领是描述物镜聚集光通量能力的物理量，可以 用象面的照度来量度。
分辨本领
瑞利判据：总照度分布曲线中央有下凹部分，其对应强度不超过每 一分布曲线最大值的74%，当一个中央亮斑的最大值位置恰和另一个中 央亮斑的最小值位置相重合时，两个像点刚好能被分辨。
36
第四章 光学仪器的基本原理
32
第三章 几何光学基本原理
球面折射对光束单心性的破坏
n
l P
A
n
l P
Or C
s
s
B
近轴光线条件下球面折射的物像公式
n n n n s s r
33
第三章 几何光学基本原理
横向放大率
在近轴光线和近轴物
Q
的条件下，垂直于主轴的 y
物所成的像仍然是垂直于
P
O
主轴的，像的横向大小与 物的大小之比值为横向放
棱镜
棱镜是一种常见的光学元件，它的主要用途有两种：作为色散 元件和利用光的棱镜内的全反射来改变光束的方向，即转向元件。
棱镜材料的折射率为：
n
sin i1
sin
0
2
A
sin i2
sin A
2
30
第三章 几何光学基本原理
符号法则
球面的中心点O称为顶 点，球面的球心C称为 曲率中心，球面的半径 称为曲率半径，连接顶 点和曲率中心的直线CO 称为主轴，通过主轴的 平面称为主平面。主轴 对于所有主平面具有对 称性。
u
sin2 N(d sin
sin2(d sin )
)
I0
s in 2 u2
u
sin2 Nv sin2 v
光学设计第一牛人的光学设计讲义概要
5
归结起来，光学设计方法就是：
a) 根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学中“不可能’’的 要求去掉(“手工”完成)；
b) 用高斯光学理论，给出高斯结构(多数由“手工”设计)； c) 平衡初级像差和实际像差，使系统残留像差达到公差允限(一般
用优化技术，由电子计算机来实现)； d) 公差计算和画光学系统图，零件图(可由电子计算机完成)。
性能 •提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体 •像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配 •有效孔径和透过率必须足够满足设计要求
构形选择 •设计形式必须能满足所需的性能 •特殊的技术要求比如在扫描系统，在红外系统中的光阑等，要符合要求
可制造性考虑 •最小尺寸/成本/重量/环境影响
10
光学系统技术要求
Number of elements（元件数量） ______
Materials（材料）
______
Cost guidelines（价格准则）
______
Illumination profile(光照图)
______
Environment（ 环境）：
Temperature（温度） _____
Soak range
____________ λ＝__________ 从λ＝__________到λ＝___________
Spectral weights光谱权重(@3或5λ)
λ1/W1____λ2/W2____λ3/W3____
λ4/W4λ____5/W5____
MTF
___________
RMS wavefront degradation（RMS波前衰减）
_____
Gradients（倾斜度） _____
归结起来，光学设计方法就是：
a) 根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学中“不可能’’的 要求去掉(“手工”完成)；
b) 用高斯光学理论，给出高斯结构(多数由“手工”设计)； c) 平衡初级像差和实际像差，使系统残留像差达到公差允限(一般
用优化技术，由电子计算机来实现)； d) 公差计算和画光学系统图，零件图(可由电子计算机完成)。
性能 •提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体 •像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配 •有效孔径和透过率必须足够满足设计要求
构形选择 •设计形式必须能满足所需的性能 •特殊的技术要求比如在扫描系统，在红外系统中的光阑等，要符合要求
可制造性考虑 •最小尺寸/成本/重量/环境影响
10
光学系统技术要求
Number of elements（元件数量） ______
Materials（材料）
______
Cost guidelines（价格准则）
______
Illumination profile(光照图)
______
Environment（ 环境）：
Temperature（温度） _____
Soak range
____________ λ＝__________ 从λ＝__________到λ＝___________
Spectral weights光谱权重(@3或5λ)
λ1/W1____λ2/W2____λ3/W3____
λ4/W4λ____5/W5____
MTF
___________
RMS wavefront degradation（RMS波前衰减）
_____
Gradients（倾斜度） _____
物理光学缔造者——菲涅尔
菲涅尔透镜fresnellens又名螺纹透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片也有玻璃制作的镜片表面一面为光面另一面刻录了由小到大的同心圆它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的和接收角度要求来设计的
简介：
菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel 1788-1827）法国土 木工程师，物理学家，波动 光学的奠基人之一。1788年5 月10日生于布罗利耶，1806 年毕业于巴黎工艺学院， 1809年又毕业于巴黎桥梁与 公路学校。1823年当选为法 国科学院院士，1825年被选 为英国皇家学会会员。1827 年7月14日因肺病医治无效而 逝世，终年仅39岁。
菲涅耳于1788年出生在诺曼底省的布罗格利，当时法国革命即将爆发。他的父亲是一位建筑家，他的母亲 是梅里美家族的成员。这个家族由于她的兄弟莱翁诺而著名。他是一位名画家，他的儿子即菲涅耳的表兄弟普 罗斯佩．美是一位著名的文学家，他的短篇小说《卡门》是著名歌剧的主题，由此使得人们永远怀念他。 菲涅耳和他在光学上的主要竞争对手托马斯．杨不同，他智力发展较迟，对语言研究也不擅长。但在九岁 时，菲涅耳开始显露出了非凡的技术才能，他依据科学原理制成了一种玩具枪、弓和箭。他的身体不太好，但 十六岁时就进入理工学校学习，然后又从那里转到了土木工程学校。他在政府里任工程师，在法国各省修建道 路和桥梁。在与科学界完全隔绝的情况下，他在那里开始把研究光的性质作为一种业余爱好。1814年他给他最 亲密的兄弟莱翁诺写了一封信，要求给他买一些能用来学习光偏振的书籍。他毫不怀疑，他最后必将写出他想 要读的书。 1815年拿破仑从厄尔巴岛回到了法国，他是在前一年战败后被欧洲列强关禁在岛上的。由于滑铁卢之战后 波旁家族第二次回来掌权，菲涅耳才在1815年底恢复了积极的活动。然而就在这几个月内菲涅耳已经开始了好 几项足以引起光学革命的研究。他观察了来自一个半平面的衍射，并依靠他的数学技巧，把周期振动概念与惠 更斯原理的精确表述结合起来，对衍射现象提出了一个细致的理论。菲涅耳设法离开了他的禁闭地点，到巴黎 去拜访了阿拉戈，当时著名的科学家。阿拉戈立即发现了他的才能。不幸的是，阿拉戈不得不坦率地告诉他， 他得到的结果在很大程度上已由杨占先了。但是，菲涅耳的工作更为详细和定量化，它有着足够的创新性，因 而可以在科学院院刊上发表。在这篇论评文发表后不久，他接着又发表了同一课题的第二篇论文。阿拉戈和以 研究陀螺仪著名的数学家普安索被指定为菲涅耳论文的审查人。他们从菲涅耳的上司那里为他得到了一个阅读 会员限时特惠 7大会员特权立即尝鲜假期。以便他利用阿拉戈的实验设备在巴黎研究几个月。 菲涅耳在马蒂厄进行研究时得到一个乡村铁匠的帮助，制造出一些实验工具来使用，但衍射现象的研究 却需要清密的机械工具，例如测微计、狭缝等，他没有别人的帮助是难以制造出来的。这之后，菲涅耳从衍射 现象的研究转到了薄片颜色的研究。在这方面，杨依然是走在前面的佼佼者。 1818年被阿拉戈和拉普拉斯引荐参加法国灯塔照明改组委员会。1823年被吸收为巴黎科学院院士，1827年 获伦敦皇家学院伦福德奖章。他依靠微薄的收入维持自己的科学研究工作。只是到了1823年才得到承认被选入 法国科学院，用于科学研究上的债务才得以偿清，但他的健康已受到很大损害。1824年因大出血而不得不终止 了一切科学活动。菲涅耳于1827年因肺病卒于巴黎附近的阿弗雷城，终年三十九岁。 菲涅耳一生是一个非常虔诚的人，富有冉森教派的宗教思想。他也有点害羞。他在这与给兄弟的一封信 中说，“我很难发现有任何事如应酬人们那样痛苦的了，我坦白承认，我真不知道如何去应酬他们。” 菲涅耳的光学成就
简介：
菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel 1788-1827）法国土 木工程师，物理学家，波动 光学的奠基人之一。1788年5 月10日生于布罗利耶，1806 年毕业于巴黎工艺学院， 1809年又毕业于巴黎桥梁与 公路学校。1823年当选为法 国科学院院士，1825年被选 为英国皇家学会会员。1827 年7月14日因肺病医治无效而 逝世，终年仅39岁。
菲涅耳于1788年出生在诺曼底省的布罗格利，当时法国革命即将爆发。他的父亲是一位建筑家，他的母亲 是梅里美家族的成员。这个家族由于她的兄弟莱翁诺而著名。他是一位名画家，他的儿子即菲涅耳的表兄弟普 罗斯佩．美是一位著名的文学家，他的短篇小说《卡门》是著名歌剧的主题，由此使得人们永远怀念他。 菲涅耳和他在光学上的主要竞争对手托马斯．杨不同，他智力发展较迟，对语言研究也不擅长。但在九岁 时，菲涅耳开始显露出了非凡的技术才能，他依据科学原理制成了一种玩具枪、弓和箭。他的身体不太好，但 十六岁时就进入理工学校学习，然后又从那里转到了土木工程学校。他在政府里任工程师，在法国各省修建道 路和桥梁。在与科学界完全隔绝的情况下，他在那里开始把研究光的性质作为一种业余爱好。1814年他给他最 亲密的兄弟莱翁诺写了一封信，要求给他买一些能用来学习光偏振的书籍。他毫不怀疑，他最后必将写出他想 要读的书。 1815年拿破仑从厄尔巴岛回到了法国，他是在前一年战败后被欧洲列强关禁在岛上的。由于滑铁卢之战后 波旁家族第二次回来掌权，菲涅耳才在1815年底恢复了积极的活动。然而就在这几个月内菲涅耳已经开始了好 几项足以引起光学革命的研究。他观察了来自一个半平面的衍射，并依靠他的数学技巧，把周期振动概念与惠 更斯原理的精确表述结合起来，对衍射现象提出了一个细致的理论。菲涅耳设法离开了他的禁闭地点，到巴黎 去拜访了阿拉戈，当时著名的科学家。阿拉戈立即发现了他的才能。不幸的是，阿拉戈不得不坦率地告诉他， 他得到的结果在很大程度上已由杨占先了。但是，菲涅耳的工作更为详细和定量化，它有着足够的创新性，因 而可以在科学院院刊上发表。在这篇论评文发表后不久，他接着又发表了同一课题的第二篇论文。阿拉戈和以 研究陀螺仪著名的数学家普安索被指定为菲涅耳论文的审查人。他们从菲涅耳的上司那里为他得到了一个阅读 会员限时特惠 7大会员特权立即尝鲜假期。以便他利用阿拉戈的实验设备在巴黎研究几个月。 菲涅耳在马蒂厄进行研究时得到一个乡村铁匠的帮助，制造出一些实验工具来使用，但衍射现象的研究 却需要清密的机械工具，例如测微计、狭缝等，他没有别人的帮助是难以制造出来的。这之后，菲涅耳从衍射 现象的研究转到了薄片颜色的研究。在这方面，杨依然是走在前面的佼佼者。 1818年被阿拉戈和拉普拉斯引荐参加法国灯塔照明改组委员会。1823年被吸收为巴黎科学院院士，1827年 获伦敦皇家学院伦福德奖章。他依靠微薄的收入维持自己的科学研究工作。只是到了1823年才得到承认被选入 法国科学院，用于科学研究上的债务才得以偿清，但他的健康已受到很大损害。1824年因大出血而不得不终止 了一切科学活动。菲涅耳于1827年因肺病卒于巴黎附近的阿弗雷城，终年三十九岁。 菲涅耳一生是一个非常虔诚的人，富有冉森教派的宗教思想。他也有点害羞。他在这与给兄弟的一封信 中说，“我很难发现有任何事如应酬人们那样痛苦的了，我坦白承认，我真不知道如何去应酬他们。” 菲涅耳的光学成就
静水流深的光学讲义
静水流深的光学讲义一、介绍光学是物理学的一个分支，研究光的产生、传播、相互作用以及光学器件的设计和应用。
静水流深的光学讲义旨在深入探讨光学的基本原理和应用，以帮助读者全面了解光学的基础知识和相关领域的最新进展。
二、光的本质2.1 光的波粒二象性光既可以被看作是波动现象，也可以被看作是粒子流动。
这种波粒二象性是光学研究的基础，它使得光既可以解释干涉和衍射等波动现象，也可以解释光电效应和康普顿散射等粒子特性。
2.2 光的传播速度光在真空中的传播速度是一个常数，即光速。
根据爱因斯坦的相对论理论，光速是宇宙中最快的速度，为299,792,458米/秒。
三、光的传播3.1 光的直线传播光在各向同性介质中的传播遵循直线传播的规律。
当光从一个介质进入另一个介质时，会发生折射现象，即光线的传播方向发生改变。
3.2 光的反射和折射光在与界面相交时，会发生反射和折射。
根据斯涅尔定律，入射角、反射角和折射角之间满足一定的关系。
3.3 光的散射光在与物体相互作用时，会发生散射现象。
根据散射的特点，可以分为弹性散射和非弹性散射。
四、光的干涉和衍射4.1 光的干涉当两束光相遇时，它们会发生干涉现象。
干涉可以分为相干干涉和非相干干涉，其中相干干涉是基于光的波动性质的。
4.2 光的衍射当光通过一个小孔或者绕过一个障碍物时，会产生衍射现象。
衍射是光的波动性质的重要表现。
4.3 光的干涉和衍射应用干涉和衍射广泛应用于光学仪器和光学技术中，如干涉仪、衍射光栅和激光等。
五、光的偏振5.1 光的偏振现象光的偏振是指光波中电场矢量振动方向的特性。
偏振光可以分为线偏振光、圆偏振光和椭偏振光。
5.2 光的偏振现象解释光的偏振现象可以通过光的波动理论和光的粒子理论来解释。
5.3 光的偏振应用光的偏振在光学仪器、通信和光学材料等领域有着广泛的应用。
六、光的光谱6.1 光的光谱特性光的光谱是指光在频率或波长上的分布特性。
根据光的频率或波长范围，可以分为可见光谱、红外光谱和紫外光谱等。
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其它系统要求
_________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________
Detector type（探测器类型） Central or major wavelength （主波长） Spectral range（光谱范围） Spectral weights光谱权重(@3或5λ) ____________ λ＝__________ 从λ＝__________到λ＝___________ λ1/W1____λ2/W2____λ3/W3____ λ4/W4λ____5/W5____ MTF ___________ RMS wavefront degradation（RMS波前衰减） ____________ Encircled energy（能量中心度） __________% 能量在_____________直径 Distortion（畸变） ____________
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光学系统技术要求
基本要求 Object distance （物距） ———— Image formats（成像形式 ） Image distance（像距） ———— Configuration（结构） f/number or NA（F数或数值孔径） ———— Magnification（放大率） Full field of view （全视场） ———— Transmittance（透过率） Focal length（焦距） ———— Vignetting（ 渐晕） 成像质量要求
IR系统的要求
Narcissus ______ Scan noise（扫描噪音）______ NET ______ Cold stop efficiency ______ 如果扫描： Magnification（放大） ______ Scanner geometry（扫描几何图）______ Other（其它） ______
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光学设计和光学仪器的历史
十六、十七世纪 ：伽利略、牛顿、惠更斯时代 已经有望远镜、显微镜、目镜等雏形，经验为主。 十九世纪：像差理论、设计方法，衍射成像理论趋于成熟。 Seidel, Abbe, Zeiss 工厂，Schott 工厂 由光学设计而制造光学仪器，德国领先世界近百年。 二十世纪：四十年代开始用机械计算机。1946年 发明电子计算机Eniac， 五十年代用于光路计算、分析， 六十年代“自动平衡”（优化）程序， 八十年代普遍使用优化程序，美国商业程序 光学设计理论的作用 挑选合理的初始结构，设计指标， 尽量少用光线就能对现状作出判断 包括初始要求是否合理，可能不可能达到要求。 判断修改的方向 德、美、英、日、俄概况 detector、波段、激光使应用领域扩展。 中国光学仪器历史
光学设计
主讲人：王之江
上 海 光 机 所
序
言
去年年底，我同王之江先生谈起想在国内举办一次光学设计的讲习班，时隔一天，王先生就认 真地答复愿意承担这一任务。其实，这种类型的讲习班在国际上已经非常普遍，往往伴随着大型学 术会议，会有各类相关专业性很强的速成讲习班。现代社会的发展要求技术专家终生学习！ 王之江先生在光学设计方面的成就是有目共睹的。早在上世纪六十年代，就由科学出版社出版 了《光学设计理论基础》一书。该书全面总结发展了像差理论和像质评价理论，形成了全新、完整 的理论体系，奠定了中国特色的光学设计的基石。我国一大批从事光学设计的专家，都得益于王之 江先生及其早期长春光机所同事们卓有成效的科研工作。
当今光学技术已经渗透到越来越多的领域，各类新型的光学系统大量涌现，每年国际上都会产 生数以万计的光学设计专利。随着光学设计软件的日臻完善，一般的系统通过简单的变异、移植就 可以完成。但是对于一个优秀的光学工程师，应该说没有像差理论做基础是没有生命力的，没有像 差理论的指导，在设计过程中的参数选取和调整也是盲目的。本讲义的编写宗旨贯穿了从理论到实 践的主线，讲义内容涵盖了光学设计的理论以及利用软件开展具体光学系统设计的实例。相信通过 王先生的讲解，能极大增进新时期光学工程师的设计水准。
d)
6
光学设计的基本观点指南
提供给光学系统设计者广泛而有益的入门指南：
概念，顺着这些概念合理过渡到被开发真实系统的设计 一些术语或常用的“行话”要慎用 不要专注于数学公式及其详细的推导。相反，需重视对设计和工程过 程的理解
光学设计不仅要考虑基本的概念设计和理论，而且要预计可制造能力 与可测试能力。
———— ———— ———— ———— ————
机械和包装要求
Length（长度） ____________ Back focus dist（后焦距） ____________ Object to image（物像间距离）____________ Diameter（直径） Weight of optics(光学载重) Other(其它) __________ ___________ ___________
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要考虑的主题
光学系统的要求和技术规格 成像基础 •理想成像与像差使像质变坏 基本系统分析 一些有用的基本公式 光学系统中的像差和最小化的方法 •球差、彗差、像散、场曲，离焦、和色差 光学系统的配置——透镜和反射镜组 玻璃材料选择 光学设计过程 性能计算 高斯光束成像 •用于激光系统 用于红外波段的光学系统和材料 环境因素考虑 公差和其它可制造性问题 杂散辐射考虑 光学设计过程中应用大规模优化程序的说明 9
iKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非常实用的各种光学系统 设计，有新版。 R.E. Fischer, Optical system design, 2000,McGraw Hill. 此人从上世纪八十年代一直到现在，都在SPIE Photonics West 之类的会 上讲Short Courses——”光学设计”，本书属于这种教材。
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光学系统技术要求(续)
具体要求
Central obscuration（中心遮拦） ______ Off axis rejection（离轴抑制） ______ Number of elements（元件数量） ______ Materials（材料） ______ Cost guidelines（价格准则） ______ Illumination profile(光照图) ______ Environment（ 环境）： Temperature（温度） Soak range Gradients（倾斜度） Shock & vibration(振动 ) Other(其它) _____ _____ _____ _____ _____
5
归结起来，光学设计方法就是：
a)
根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学中“不可能’’的 要求去掉(“手工”完成)； 用高斯光学理论，给出高斯结构(多数由“手工”设计)；
b)
c)
平衡初级像差和实际像差，使系统残留像差达到公差允限(一般 用优化技术，由电子计算机来实现)；
公差计算和画光学系统图，零件图(可由电子计算机完成)。
2
7. 光学设计软件的基本功能 * 成像质量的计算和分析：光学系统结构数据输入，孔径，视场，波长，表面 模型，玻璃表，玻璃模型，光阑，望远镜系统，Analysis包含的项目计算，像 差量级不同时要用不同方法分析。 * 结构优化（Optimization）：变量选择，优化目标函数选择，内定目标函数 调出，限制边界条件，Tools和Solves的作用，如何改变优化过程。Global Optimization 。 *公差计算，内定的公差初值，初值修改，公差计算，根据各变量的灵敏度修 改公差，放宽公差的可能性，公差和成本，机械固定和装校的原则，美国标准， ISO 8. 设计的例子 单透镜：焦距控制，视场选择，目标选择。 消色差透镜组：色差和玻璃、校正像差的可能性。 非球面单透镜：优化步骤的影响。 LensView对光学系统的分类，浏览。 高倍显微物镜：从专利出发，修改内容目标函数，边界条件。 双高斯物镜：从专利出发，变量的变动，玻璃作为变量。 3
光学系统的基本要求
性能 •提供理想像质，足够分辨视场内最小尺寸的特定物体 •像弥散元尺寸与探测器像素尺寸匹配
•有效孔径和透过率必须足够满足设计要求
构形选择 •设计形式必须能满足所需的性能 •特殊的技术要求比如在扫描系统，在红外系统中的光阑等，要符合要求 可制造性考虑
•最小尺寸/成本/重量/环境影响
正值上海光机所建所四十周年之际，回顾历史，展望未来，思绪万千，能聆听大师的报告，实 为有幸，受益终身。 朱熹曾言：问渠哪得清如许，为有源头活水来。做人、做学问当是如此！
2004年4月27日
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内容纲要
1. 光学设计和光学仪器的发展史 2. 对光学系统的基本要求、指标 3. 高斯光学 光学表面对光线偏折，光路计算，近轴光线，像差，物像关系，薄透镜，拉氏不 变量，光管，传输耦合的基本条件，近轴光路计算，ABCD矩阵，光焦度和ke, Lens design Fundamental, 1978. R.Kinslake, optical system design,1983, Academic Press. 这位百岁老人去年刚去世，他是A.E.Conrady的学生，从上世纪三十年代 被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。