光学系统设计基础知识 PPT
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课件工程光学-08典型光学系统.ppt
1.0
0.8
光谱光效率
为什么暗环境下能
0.6
做饭、洗衣，但不
0.4
能描龙绣凤？
0.2
2024/10/8
0.0 400 500 600 700 800
l(nm)
光谱光效率函数曲线
第七章 光度学基础
7
§8.1.5 眼睛的分辨率
眼睛刚能分辨开二个很靠近点的能力称为眼睛的分辨率。 二者成反 比
刚能分辨的二个点对眼睛物方节点的张角称为极限分辨角。
瞄准精度和前面讲到的分辨率是不是一个概念？
瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。
二实线重合 60
2024/10/8
二直线端部对准 叉线对准单线
（10～20）
10
第七章 光度学基础
双线对称夹单线 （5～10）
9
§8.1.7 眼睛的立体视觉
眼睛观察空间物体时，能区别它们的相对远近而具有立体视觉。简称体视。 C
若以50％渐晕点为界来决定线视场2 y
F
2 y 2B2F
f tanW2
f h d
250 f
2 y 500h d
W F
f 眼瞳
W3W2 W1 2a 2h
眼瞳
d
2024/10/8
第七章 光度学基础
14
讨论：
逢年过节，要买放大镜孝敬老人， 该如何选择其放大倍率？
2y h
2y 1
2y 1 d
（2）与照明光谱成份有关：单色光分辨率高（眼睛有色差）； （3）与视网膜上成像位置有关，黄斑处分辨率最高。
对眼睛张角小物体的要借助望远镜或显微镜等仪器，仪器 应有适当的放大率，使能被仪器分辨的也能被眼睛分辨。
光学系统
视场光阑是光学系统中决定其成像范围的一个光孔。在有中间实像平面的系统（例如开普勒望远镜和显微镜） 和有实像平面的系统（例如摄影系统）中，视场光阑都设置在这种像平面上。视场光阑被其前面的光学零件在物 空间中所成的像称为入射窗，它对入射光瞳中心所张的角度是所有光孔像中最小者，这个角度称为视场角。同样， 视场光阑被其后面的光学零件在像空间所成的像称为出射窗。入射窗、视场光阑和出射窗也是共轭的。当视场光 阑设置在实像平面或中间实像平面上时，入射窗和出射窗分别与物平面和像平面重合，此时视场有明晰的边界。 在无实像或中间实像平面的场合，例如眼睛通过放大镜或伽利略望远镜观察时，系统中也总有一个零件，它的通 光孔径起着限制视场的作用，上述二情况中，放大镜本身孔径和望远镜物镜的孔径就是决定可见视场范围的视场 光阑。显然，此时入射窗不与物平面重合，无明晰的视场边界。
光学系统
光学术语
01 理想
03 放大率
目录
02 物像关系 04 光阑
05 渐晕现象
07 像差
目录
06 成像光束 08 对称共轴作图
光学系统（optical system）是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统。 通常用来成像或做光学信息处理。曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射（或反射）球面组成的光学系统 称为共轴球面系统，曲率中心所在的那条直线称为光轴。
由于轴上点的成像光束被孔径光阑所限制，易于想到，将系统的所有光孔分别通过其前面的光学零件成像于 物空间时，其中对轴上物点张角为最小的那个像，或当物在无穷远时孔径为最小的那个像所对应的光孔，一定是 孔径光阑。孔径光阑在物空间的像称为入射光瞳，其对物点的张角称为物方的光束孔径角。同样，孔径光阑被其 后面的光学零件成在像空间的像，称为出射光瞳，它一定也是对轴上像点张角为最小的一个光孔像，这个张角是 像方的光束孔径角。入射光瞳、孔径光阑与出射光瞳三者是共轭的。如果忽略光阑像差，入射光瞳是物面上各点 成像光束的公共入口；出射光瞳是成像光束的公共出口。通过孔径光阑中心的光线叫主光线，因共轭关系，它也 通过入射光瞳中心和出射光瞳中心。因此，一般说主光线是成像光束的中心线。
光学系统
光学术语
01 理想
03 放大率
目录
02 物像关系 04 光阑
05 渐晕现象
07 像差
目录
06 成像光束 08 对称共轴作图
光学系统（optical system）是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统。 通常用来成像或做光学信息处理。曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射（或反射）球面组成的光学系统 称为共轴球面系统，曲率中心所在的那条直线称为光轴。
由于轴上点的成像光束被孔径光阑所限制，易于想到，将系统的所有光孔分别通过其前面的光学零件成像于 物空间时，其中对轴上物点张角为最小的那个像，或当物在无穷远时孔径为最小的那个像所对应的光孔，一定是 孔径光阑。孔径光阑在物空间的像称为入射光瞳，其对物点的张角称为物方的光束孔径角。同样，孔径光阑被其 后面的光学零件成在像空间的像，称为出射光瞳，它一定也是对轴上像点张角为最小的一个光孔像，这个张角是 像方的光束孔径角。入射光瞳、孔径光阑与出射光瞳三者是共轭的。如果忽略光阑像差，入射光瞳是物面上各点 成像光束的公共入口；出射光瞳是成像光束的公共出口。通过孔径光阑中心的光线叫主光线，因共轭关系，它也 通过入射光瞳中心和出射光瞳中心。因此，一般说主光线是成像光束的中心线。
《光学系统CAD》课件
光学系统CAD的未来应用
光通信领域
随着5G、6G等通信技术的发展，光学系统CAD在光通信领域的应 用将更加广泛，涉及光器件设计、光波导结构优化等方面。
生物医疗领域
光学系统CAD在生物医疗领域的应用将逐渐增多，涉及光学成像、 光学生物传感器等方面。
智能驾驶领域
随着智能驾驶技术的发展，光学系统CAD在智能驾驶领域的应用将 更加重要，涉及车载摄像头、激光雷达等方面。
VS
光学系统CAD通过建立数学模型和仿 真，对光学系统的性能进行预测和优 化。它能够大大提高设计效率，缩短 产品研发周期，降低研发成本，提高 产品质量。
光学系统CAD的重要性
光学系统CAD在现代光学产业中具有 举足轻重的地位。随着科技的不断进 步，光学系统的设计和制造变得越来 越复杂，对精度和性能的要求也越来 越高。
光学系统CAD的未来挑战
复杂光场模拟
随着光学系统的复杂度增加，如何准确模拟复杂光场成为 光学系统CAD面临的重要挑战。
高精度制造
随着光学元件的精度要求不断提高，如何实现高精度制造 成为光学系统CAD面临的挑战之一。
多学科交叉
光学系统CAD涉及多个学科领域，如何实现多学科的交叉 融合，提高设计的综合性能，是未来需要解决的问题。
05
光学系统CAD的未来展望
光学系统CAD的发展趋势
技术融合
随着光学、计算机科学和数学的交叉发展， 光学系统CAD将进一步融合多种技术，实现 更高效、精确的光学设计。
智能化
人工智能和机器学习在光学系统CAD中的应用将更 加广泛，实现自动化设计、优化和仿真，提高设计 效率。
云端化
光学系统CAD将逐渐向云端化发展，实现数 据共享、远程协作和实时更新，提高设计协 同性。
第6章 光学系统设计PPT课件
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
10
7
4.5 2.5 1
0.2 5
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在 由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
图6-7 HG500发光二极管的配光曲线
4．光源的温度和颜色
任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为
温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 Mb ,T 表示为
：
M b
,T
M ,T ,T
式中，M
,T
de ddA
为辐射本领； ,T 为吸收率，当 ,T 1 时的物体称
被测 对象
光学系统 光学系统
光电探测器 光源
调理电路
作用：将光束变成平行光束、发散光束、 会聚光束或其他形式结构的光束
控制电路
计算机 显示与控制
现代光学仪器构成框图
❖光学系统的特点： ❖1、信息加载于光波，非接触、不破坏 ❖2、光波传播速度快，可实时测量控制 ❖3、波长短，测量精度高 ❖4、具有很高的空间分辨率 ❖5、可进行图像处理
一、光源的基本参数
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量
与产生该光通量所
V
需要的功率P 之比，称为该光源的发光效率，表示为:
V
2 d
1
P
P
（6－8）
式中，1 ~ 2 为该光电测量系统的光谱范围。
光学设计 第7讲 光的传播基本原理
h1
O’P’=p
h2
费马原理的应用(1)——反射定律
B A b
i i’ x P d
A与B时折射率为n的均匀介质 中的两点，有一光线APB，其 光程为：
a
L( APB) n a 2 x 2 n b 2 (d x)2
n 根据费马原理，这光程 应为极小，所以
1 1 dL 1 2 1 n (a x 2 ) 2 (2 x) n [b 2 (d x) 2 ] 2 2(d x)(1) 0 dx 2 2
n
即：
a
P d
i i'
这就是反射定律。
费马原理的应用(2)——折射定律
折射定律的证明（取极小值） 设A(0,yA)，O(x,0) ，B(xB，yB) y
Δ ni AO+nt BO
2 2 =ni x 2 y A nt ( xB x )2 yB
2(x xB ) dΔ 2x =ni nt 0 2 2 2 2 dx x yA (xB x) yB ni x
n2 偏心率e 1 n1
理想光学系统物像之间的等光程性 理想光学系统成像时，物点s到像点S‘的个光 线的光程相等，请用费马原理解释
n
P
1 nL O1
2
n
O2
s1
s2
s1
P
d
s2
等光程面 物像对应只需单个反射面或折射面 该面＝物像共轭点的等光程面
x
n1
P
O
M ( x, y)
n'
2 i'0
B
练习：
i 0 符合什么条件时 发生全反射现象？
工程光学 典型光学系统PPT课件
眼睛及其光学系统
放大镜 显微镜系统 望远镜系统
目视 光学系统
目镜
第一节 眼睛及其光学系统
一、眼睛(Eyes)的结构
调节肌
1、巩膜：包围眼球的白色 不透明外层，D≈25mm.
2、角膜(Cornea)：眼球前突出的透明球面膜，
r≈8mm，n ≈1.38；
——主要折射成像界面(角膜—空气)
眼球横切面
3、前室：角膜后水晶体前的空间，充满透明水状液n =1.336。
1、调焦（对准）平面上的物点——视网膜上的点像
2、远景、近景平面上的物点——视网膜上的像为弥散斑
若弥散斑可看作一像点， 则要求其对人眼张角小于极限分辨角。
八、双目立体视觉
1,视差角
A
A
A
B
l
B
a1
a2 b2a2源自b1 a1b视觉基线
2,视差、体视锐度
视差：
视差越大，两物体的纵向 深度越大，反之越小
二、瑞利判据 ：等亮度的两个物点，其一衍射图样的中央 极大与另一衍射图样的第一级极小重合时，认 为刚好能分辨这两个物点。
——能分辨的两个等亮度点间的距离对应于艾里斑半径。
无限远物点被理想光学系统成衍射图案： 第一暗环半径对出瞳中心的张角：
=1.22 / D,入瞳直径D的函数
——能分辨的二点间的最小角距离
2、眼睛+目视光学仪器：视角可被目视光学仪器放大。 观察物体所需分辨率×目视光学仪器的放大率=眼睛分辨率
★ 不同的目视光学仪器，通常选择的物距为： 1）放大镜、显微镜：观察物位于明视距离附近； 2）望远镜：观察物位于远处或无穷远。
第二节 放大镜 （The Magnifying Glass）
一、放大镜的成像原理
光学设计与光学工艺PPT课件
可编辑课件PPT
9
二、光 学 设 计 过 程
3、象质评价
光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允 许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的 大小判断光学系统的成象质量。
可编辑课件PPT
10
二、光 学 设 计 过 程
瑞利判断
适用于小象差系统如： 望远物镜、显微物镜等。 实际波面与理想波面之 间的最大波象差不超过
每输入一次要可进编辑行课件一PP次T 自动优化。
12
二、光 学 设 计 过 程
5、公差分析
公差分析的目的:给出合理的加工要求，合理的 加工要求既能保证加工的可行性，同时又能降低加 工难度和加工成本，因此公差分析工作至关重要。
公差分析宗旨:
使最差情况下的传递函数由于工艺因素的总下降
量不大于0.15，以便探测器仍能分辨它对应的空
可间编辑频课件率PP。T
13
二、光 学 设 计 过 程
性能合理镜头的首选公差
可编辑课件PPT
14
二、光 学 设 计 过 程
性能合理镜头的首选公差
Radius（半径）
Fringes（光圈） Irregular（表面不规
则度）
样板的检测精度，光学设计 包偏师括心应光包该学括与元两光件种学的，加厚一工度种师和是沟机简通械单元的件横 向N支=偏撑λ心/的2，（间普上隔通、。的下光）学，加另工一一种般是控使制元 件在始5使个终用光保Z圈E持M，与A较机X软好架件的座模精接拟度触公应的差该“时控滚，制 动公表”差面。操不两作规在种数则3偏T个度T心光H可模I圈有以型以两通实内个过际。参局上数部完，全不 同光in。t圈1在是（滚用△动来N的）定情来义况考公下察差，，的与工表机艺面架上编座号接， 触而良in可好t2以的是做左作到侧为0半补.3径偿个被的光良表圈好面。地编校号准，， 表最面小倾值斜和只最发大生值的是右以侧镜表头面长上度。单
浙江大学光学设计ppt
21
二、平行平板
u1 d l1 n l2’ A1
u2’ A2’
u1’ A1’(A2)
当角度u1不大时，依次对第一面、第二面使用公式
n' n n'− n 令 r1=r2=∞ − = l' l r
即轴向位移
并考虑过渡，得 l 2 ' = l 1 − d
n
1 ∆ l ' = l 2 '+ d − l 1 = d (1 − ) 该式中无 u ，完善成像 n
通光口径——允许通过的光斑最大直径
K= d D
二次反射等腰 直角棱镜 K=2 D
27
五角棱镜 K=3.414 D
d D 达夫棱镜
D d= sin( 45° − i ' ) 1 K= sin( 45° − i ' )
d
28
五、屋脊棱镜与棱镜组合系统
1.屋脊棱镜：对奇次反射的反射棱镜，为避免镜像，可加一个屋脊。 屋脊：将一个反射面用两个互成直角的反射面来代替，其交线平行于原 反射面，且在主截面上。 作用：与屋脊垂直的坐标单独改变一次方向，相当于增加一次反射。 光被拦 A C
细小平面以细光束经折射球面成像： 细小平面以细光束经折射球面成像： 平面物 —— 》平面像，完善成像 平面物 —— 》平面像，完善成像
8
§1-3 理想光学系统基本概念
一、原始概念 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 R M S
光 学 系 统
点——>共轭点 直线——>共轭直线 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
R’
M’ S’
二、平行平板
u1 d l1 n l2’ A1
u2’ A2’
u1’ A1’(A2)
当角度u1不大时，依次对第一面、第二面使用公式
n' n n'− n 令 r1=r2=∞ − = l' l r
即轴向位移
并考虑过渡，得 l 2 ' = l 1 − d
n
1 ∆ l ' = l 2 '+ d − l 1 = d (1 − ) 该式中无 u ，完善成像 n
通光口径——允许通过的光斑最大直径
K= d D
二次反射等腰 直角棱镜 K=2 D
27
五角棱镜 K=3.414 D
d D 达夫棱镜
D d= sin( 45° − i ' ) 1 K= sin( 45° − i ' )
d
28
五、屋脊棱镜与棱镜组合系统
1.屋脊棱镜：对奇次反射的反射棱镜，为避免镜像，可加一个屋脊。 屋脊：将一个反射面用两个互成直角的反射面来代替，其交线平行于原 反射面，且在主截面上。 作用：与屋脊垂直的坐标单独改变一次方向，相当于增加一次反射。 光被拦 A C
细小平面以细光束经折射球面成像： 细小平面以细光束经折射球面成像： 平面物 —— 》平面像，完善成像 平面物 —— 》平面像，完善成像
8
§1-3 理想光学系统基本概念
一、原始概念 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 R M S
光 学 系 统
点——>共轭点 直线——>共轭直线 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
R’
M’ S’
(完整版)光学设计zemax
➢ Tighten 2x 将现有各项Operands 的Min 及Max 值缩 小一倍
➢ Sort by Surface 将现有各项Operands 以 Surface number 排序(递增)
➢ Sort by Type 将现有各项Operands 以其类型排序 (递增)
➢ Save 将现有的Tolerance Data 存入一个文件
差) ➢TSTX,TSTY(光学零件表面允许倾斜偏心公
差)
2014.9
光学系统设计
公差操作数（续）
➢TIRR（球差的一半与象散的一半表示的表 面不规则度，单位是光圈单位）
➢TIND(d光折射率允许偏差) ➢TABB(阿贝常数允许偏差)
2014.9
光学系统设计
➢上述设定完成之后，即可进行公差分析 ➢Tools---Tolerancing
2014.9
光学系统设计
➢每个镜片加工公司都有自己的样板库，如 “changchun.tpd”是长春理工某附属工厂 （可见光镜片）、“beijing.tpd”是北京蓝斯 泰克光电（红外镜片）的样板库等。
➢将这些tpd文件拷入“C:\ZEMAX\Testplat”目 录即可进行相应的比对
2014.9
2014.9
光学系统设计
2014.9
光学系统设计
➢Fast Tolerance Mode:
• 此项仅对近轴后焦偏差视为补偿器 (Compensator) 时有效。即在 Tolerances Data Editor 中存在一行有关后焦的补 偿器设定。在Default Tolerance 中选中 Use Focus Comp 就可以生成此补偿器的设定。 此模式比一般模式（没有选中此项）的运算模 式快50 倍。
➢ Sort by Surface 将现有各项Operands 以 Surface number 排序(递增)
➢ Sort by Type 将现有各项Operands 以其类型排序 (递增)
➢ Save 将现有的Tolerance Data 存入一个文件
差) ➢TSTX,TSTY(光学零件表面允许倾斜偏心公
差)
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光学系统设计
公差操作数（续）
➢TIRR（球差的一半与象散的一半表示的表 面不规则度，单位是光圈单位）
➢TIND(d光折射率允许偏差) ➢TABB(阿贝常数允许偏差)
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光学系统设计
➢上述设定完成之后，即可进行公差分析 ➢Tools---Tolerancing
2014.9
光学系统设计
➢每个镜片加工公司都有自己的样板库，如 “changchun.tpd”是长春理工某附属工厂 （可见光镜片）、“beijing.tpd”是北京蓝斯 泰克光电（红外镜片）的样板库等。
➢将这些tpd文件拷入“C:\ZEMAX\Testplat”目 录即可进行相应的比对
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光学系统设计
2014.9
光学系统设计
➢Fast Tolerance Mode:
• 此项仅对近轴后焦偏差视为补偿器 (Compensator) 时有效。即在 Tolerances Data Editor 中存在一行有关后焦的补 偿器设定。在Default Tolerance 中选中 Use Focus Comp 就可以生成此补偿器的设定。 此模式比一般模式（没有选中此项）的运算模 式快50 倍。
光学基础知识.ppt
精选
红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。
精选
轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色 彩产生松散或光斑；
倍率色像差别则涉及到成像的大小，在画面 周围引起色彩错开，形成扩散的彩色条纹，如镶 边现象。
精选
消除色差的常用办法之一是采 用不同色散材料的光学元件来组 成镜头，用其中的一种光学元件 的正色散来抵消另一种光学元件 所产生的负色差。例如我们公司 望远镜的消色差镜，利用折射率 较低的PMMA做凸透镜，利用折 射率较高的PC做凹透镜，然后将 两者配合在一起使用。
精选
双胶合镜的消色
差作用对于焦距较 长 (如300mm以上) 的镜头效果会不理 想，因为镜头焦距 愈长，由色散而引 起的色差也就愈严 重。
对于长焦镜头， 更常用的办法是采 用特殊色散或超低 色散玻璃来制作光 学元件。
精选
球差、像散、慧差、场曲和畸变
精选
球差
精选
由主轴上某一物点向光学系统发出的单色平行光 束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的 各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴 上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊 圈），则此光学系统的成像误差称为球差。
精选
双胶合镜中间波长焦距较短、长波和短 波光线焦距较长。
通过合理的选择镜片球面曲率、双胶合 镜的材料，可以使蓝光、红光焦距恰好相 等，这就基本消除了色差。
精选
只对两种有色光校正色差的，称为稳定 的消色差镜头；
若对三种有色光同时校正色差的称为复 消色差镜头；
而对四种有色光校正色差的则称为超消 色差镜头。
场曲和彗差都与视场大小有关，视场越大则越严 重，所以现代望远镜不是很追求广角设计。在视场 较小的天文望远镜中，场曲和彗差就要轻微得多。
红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。
精选
轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色 彩产生松散或光斑；
倍率色像差别则涉及到成像的大小，在画面 周围引起色彩错开，形成扩散的彩色条纹，如镶 边现象。
精选
消除色差的常用办法之一是采 用不同色散材料的光学元件来组 成镜头，用其中的一种光学元件 的正色散来抵消另一种光学元件 所产生的负色差。例如我们公司 望远镜的消色差镜，利用折射率 较低的PMMA做凸透镜，利用折 射率较高的PC做凹透镜，然后将 两者配合在一起使用。
精选
双胶合镜的消色
差作用对于焦距较 长 (如300mm以上) 的镜头效果会不理 想，因为镜头焦距 愈长，由色散而引 起的色差也就愈严 重。
对于长焦镜头， 更常用的办法是采 用特殊色散或超低 色散玻璃来制作光 学元件。
精选
球差、像散、慧差、场曲和畸变
精选
球差
精选
由主轴上某一物点向光学系统发出的单色平行光 束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的 各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴 上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊 圈），则此光学系统的成像误差称为球差。
精选
双胶合镜中间波长焦距较短、长波和短 波光线焦距较长。
通过合理的选择镜片球面曲率、双胶合 镜的材料，可以使蓝光、红光焦距恰好相 等，这就基本消除了色差。
精选
只对两种有色光校正色差的，称为稳定 的消色差镜头；
若对三种有色光同时校正色差的称为复 消色差镜头；
而对四种有色光校正色差的则称为超消 色差镜头。
场曲和彗差都与视场大小有关，视场越大则越严 重，所以现代望远镜不是很追求广角设计。在视场 较小的天文望远镜中，场曲和彗差就要轻微得多。
目视光学系统PPT课件
目视光学系统PPT课件
contents
目录
• 目视光学系统概述 • 目视光学系统的基本原理 • 目视光学系统的应用 • 目视光学系统的设计与优化 • 目视光学系统的未来发展 • 目视光学系统案例分析
01 目视光学系统概述
定义与分类
定义
目视光学系统是指通过光学原理，将目标物体成像并呈现给观察者，以便进行 观察、识别和测量的系统。
光学系统初步设计
根据系统目标和性能参数，选择 合适的光学元件和设计光学系统 结构。
光学系统仿真与优化
利用光学仿真软件进行光学系统 的模拟，对设计进行优化，提高 光学性能。
总结词
设计原则与流程
实际制作与测试
根据优化后的设计，制作实际的 光学系统，并进行性能测试和评 估。
光学元件的选择与优化
总
光学元件的选择与优化
02 目视光学系统的基本原理
光的性质与传播
光的波粒二象性
光的反射、折射和散射
光既具有波动性，又具有粒子性。光 波在空间传播时会产生衍射、干涉等 现象。
当光遇到不同介质时，会发生反射、 折射和散射现象，这些现象对目视光 学系统的成像质量有重要影响。
光的传播速度
光在真空中的传播速度最快，约为 299，792，458米/秒，在其他介质 中的传播速度会减慢。
性。
测量与定位
目视光学系统还可以用于测量和 定位，通过观察和测量目标物体 的位置和尺寸等信息，可以用于 各种领域，如科学研究、工业制
造、军事侦察等。
促进科技发展
目视光学系统的发展和应用推动 了多个领域的科技进步，如天文 学、生物学、医学、地理学等， 为人类认识世界和改造世界提供
了重要的工具。
目视光学系统的历史与发展
contents
目录
• 目视光学系统概述 • 目视光学系统的基本原理 • 目视光学系统的应用 • 目视光学系统的设计与优化 • 目视光学系统的未来发展 • 目视光学系统案例分析
01 目视光学系统概述
定义与分类
定义
目视光学系统是指通过光学原理，将目标物体成像并呈现给观察者，以便进行 观察、识别和测量的系统。
光学系统初步设计
根据系统目标和性能参数，选择 合适的光学元件和设计光学系统 结构。
光学系统仿真与优化
利用光学仿真软件进行光学系统 的模拟，对设计进行优化，提高 光学性能。
总结词
设计原则与流程
实际制作与测试
根据优化后的设计，制作实际的 光学系统，并进行性能测试和评 估。
光学元件的选择与优化
总
光学元件的选择与优化
02 目视光学系统的基本原理
光的性质与传播
光的波粒二象性
光的反射、折射和散射
光既具有波动性，又具有粒子性。光 波在空间传播时会产生衍射、干涉等 现象。
当光遇到不同介质时，会发生反射、 折射和散射现象，这些现象对目视光 学系统的成像质量有重要影响。
光的传播速度
光在真空中的传播速度最快，约为 299，792，458米/秒，在其他介质 中的传播速度会减慢。
性。
测量与定位
目视光学系统还可以用于测量和 定位，通过观察和测量目标物体 的位置和尺寸等信息，可以用于 各种领域，如科学研究、工业制
造、军事侦察等。
促进科技发展
目视光学系统的发展和应用推动 了多个领域的科技进步，如天文 学、生物学、医学、地理学等， 为人类认识世界和改造世界提供
了重要的工具。
目视光学系统的历史与发展
(完整版)光学设计zemax
2014.9
光学系统设计
➢再点Opt，优化结果如下
2014.9
光学系统设计
样板比对
➢为了降低加工成本，需与镜片加工厂家的 样板进行比对
➢样板比对：将设计中各面的曲率半径与厂 家的样板库进行比对，尽量选择样板库中 已有的尺寸
2014.9
光学系统设计
2014.9
光学系统设计
➢以applied样板库为例，比对样板后获得如下 结果
2014.9
光学系统设计
➢压圈法
球面或曲面
2014.9
光学系统设计
➢补充：压圈与径向的几种接触方式 相切法：
2014.9
光学系统设计
相切法：
2014.9
光学系统设计
球面包络法：
2014.9
光学系统设计
➢弹性元件法：弹性元件固定法是利用琴钢 丝制成的弹性卡圈将透镜或其他光学元件 固定在镜框内的一种方法。一般只用于同 轴度及牢固性要求低的透镜。通常用来固 定保护玻璃、滤光镜等不重要的光学零件。
2014.9
光学系统设计
➢Merit项：
2014.9
前12 项为具体的像质评 质函数,包括点大小、 Merit Function 值、几何 MTF、Diffraction MTF值。 其中对于没有趋近衍射极 限的系统应首选前三项， 即RMS Spot Size。而对 于趋近于衍射极限的系统 则最好选择MTF。
2014.9
光学系统设计
➢Default merit function作如下修改 ➢添加EFFL操作数，target 21.46，weight 1
Why?
2014.9
光学系统设计
Why 尺寸考虑
2014.9
光学设计 ppt课件
ppt课件
12
光路计算
在不同视场、不同孔径、不同色光等条件下，对大量光线， 用准确的三角方法，通过光线追迹计算出射光线。通过近轴 “光路计算”可求得理想像点的位置；通过实际光线的追迹并 与理想像比较得到的各像差值。可以做出各种表示像差的曲线， 有经验的设计师往往一看这些曲线就能知道系统的缺陷所在。
nd -1
分子是可见光谱段两个边界波长的折射率之差，分母是光学材料在 中间光谱的折射率与它在空气中折射率（相对于所有波长都是1）之差。
ppt课件
28
1.6 玻璃的特性
色散
一种测色散的方法是取比值：D
nF - nC nd -1
分子是可见光谱段两个边界波长的折射率之差，分母是光学材料在中间光 谱的折射率与它在空气中折射率（相对于所有波长都是1）之差。
ppt课件
14
系统的修改
随着计算机性能的不断提高，许多告诉计算机程序能用最小二 乘法同时修改几个参数以改变多种相差，为系统设计带来了巨大的 便利。
光学设计师在做镜头设计时，其中一部分既占据时间又消耗精 力的工作是系统一级以及三级的手动计算。
所谓系统的一级特性是指能用近轴公式描述的系统性质，包括 等效焦距和后焦距；F数；像的位置；像的大小；主面位置；顶点 与主面间的间隔；入瞳的大小和位置；出瞳的大小和位置；拉格朗 日不变量；轴向和横向色差等。
ppt课件
9
ppt课件
10
1.2 镜头的设计步骤
镜头要预先设计好才能加工，也就是说，要预先计算或规定好各组 元的表面曲率半径、厚度、空气间隔和口径，以及所采用的玻璃牌号。 这些正是光学设计师的主要共作。
影响镜头成像质量的各种像差， 可以通过改变镜头结构来消除或校正， 改动的镜头参数称为“自由度”，包 括各面的曲率半径、厚度与空气间隔、 各镜片所用玻璃的折射率和色散率， 以及孔径光阑的位置等。
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1. 理想成像理论 2. 渐晕系数 3. 棱镜转像系统 4. 透镜转像系统 5. 场镜
§3 光学系统初始结构的计算方法
初始结构的计算目的就是要确定系统的 初始结构参数：曲率半径、透镜的厚度、 间隔、玻璃折射率和色散等。它的计算方 法有两种：一种是根据初级像差理论用代 数法求解初始结构；另一种是从已有的专 利文献资料中选择初始结构。
L, SC, lFC
大视场 目镜
小孔径
X
ts,
X
t,
X
s
KT, yFC,yZ
大视场 摄影物镜 全部七种象差 大孔径 投影物镜
简单,双胶合 （双分离） 称小象差系统
无须校正轴上点象 差，主要为轴外点 象差，适当校正光 栏球差，比较复杂
复杂 称为大像差系统
第二章 光学系统设计过程
§1.概述
所谓光学系统设计就是根据使用要求， 来决定满足使用要求的各种数据，即决 定光学系统的性能参数、外形尺寸和各 光组的结构等。
i 1 k
k
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k
一、对光学系统的要求
任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统 提出一定的要求。
1、光学系统的基本特性：
NA或D/f′，2y或2ω，β，f′
2、系统的外形尺寸： 包括横向尺寸和纵向尺寸，在设计光学系统时，外形尺寸计
算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 3、成像质量：
成像质量的要求和光学系统的用途有关。对于望远系统和 一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物 镜，要求整个视场都要有较好的成像质量。
4、仪器的使用条件： 根据仪器的使用条件，要求光学系统具有一定的稳定性、抗振性、
耐热性和耐寒性等，以保证仪器在特定的环境下能正常工作。
二、光学系统设计过程概述
1、外形尺寸计算 2、初始结构的选型与计算 3、像差校正和平衡 4、像质评价
§2 光学系统的外形尺寸计算
一、外形尺寸计算的任务
设计光学系统原理图，确定基本光学特性，使其满足给定的技术 要求，即确定NA或D/f′、2y或2ω、β、f′、共轭距、后工作距、 光阑位置和外形尺寸。
' S
,
X
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,
X
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,
X
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,
yZ'
象差的表示 简单表示
（A）轴上点象差（单色象差）：L', SC'
L' L' l ' 实理
SC KS
A
白光：轴上点位置色差
lFC lF lC
LFC LF LC
例如：单透镜
球差
L' L' l ' 实理
正弦差
SC
K
Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
AQ
位置色差
设计步骤：
一、物镜选型
在光学系统整体设计完成以后，应根据计算的光学特性，选 择镜头的结构型式，确定其结构参数r、n、d。
二、缩放焦距
结构选型选好后，它的焦距不一定完全符合设计要求，因此必 须缩放焦距。
三、更换玻璃
在国外的专利文献中，物镜选用的玻璃牌号与国产牌号很多是 不相符的，尤其是一些高性能的物镜多数采用高折射率的玻璃。这 些玻璃价格昂贵，加工性能差，在满足设计要求的前提下尽量少选 用这些玻璃，因此必须对已有的结构更换玻璃。
有些光学系统可以是这种简化的系统，如：低倍显微镜、开普勒 望远镜、具有棱镜或透镜转像系统的望远镜等；也有一些光学仪器 不能认为是薄透镜光组，如：照相物镜、广角物镜、大数值孔径的 高倍显微物镜等。对于这种光学系统的外形尺寸计算要与求解初始 结构一起进行，它的外形尺寸就是像差校正好以后的结构尺寸。
二、典型光学零件的外形尺寸计算
光学系统设计基础知识
第一章 象差综述
§1.几何象差
（1）概述：理想光学系统观点 两个假定
①必须是充分小孔径、视场 ②或是0孔径、0视场 才能成完善像
实际上这种理想系统是无意义的 ∵ ①必须要以一定宽度的光束（孔径要求）
② 对一定大小的物体（视场要求） 实际成像
∴不再成完善像，出现失真、变形, 并在白光的照明下出现彩色的象 轮廓……这就是象差
在进行外形尺寸计算时，首先要根据要求拟定光学系统的原理 图。合理的光学系统原理图能够保证系统得到良好的成像质量。其 次是按技术要求确定光学系统的基本特性和外形尺寸。对某些光学 系统还要进行光能量计算。最后是确定系统各部件的基本特性，以 便选择各光组的结构。
为了简化各种类型光组的计算，可以把光学系统看成是由一 系列无限薄的光组组成的。经过简化后的光学系统就可以用理想 光学系统的理论和公式进行外形尺寸计算。
一、代数法-PW方法
光学设计中用PW方法目的是按初级象差 理论求取光学系统的初始结构，以供作光路 计算校正象差之用。在求解光学系统的初始 结构时，按初级象差公式计算，并略去透镜 的厚度，因此，它是一个近似解，其近似程 度决定于所设计的系统的视场和孔径。
PW形式初级像差系数
k
SI
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J
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J
2
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1 n2
二、 从已有资料中选择初始结构的方法
随着计算机的发展和光学设计技术的提高， 人们已经设计出很多性能优良的各种光学系统， 并把这些资料载入技术档案和专利文献中。有些 光学设计手册也专门收集了有关设计资料。如能 从这些专利文献中选择一些光学特性与所设计的 物镜尽可能接近的结构做为初始结构，不但会给 设计者节省好多时间，而且也容易获得成功。尤 其是，设计高性能的复杂物镜时，一般都从专利 文献中选择初始结构。
象差研究： （1）象差的分类 （2）象差产生的原因及危害 （3）光学系统对象差的要求及象质评价
所以总的目的 --完成光学系统及光学元件的设计； 象差分析、象差平衡、象质评价
（2）象差的分类与表示
分类
轴上点单白 色光光
: :
L', SC
lF' C
'
象差轴外点单白色光光: :yKF' CT'
,
K
实际：LFC LF LC 近轴：lFC lF lC（ 近轴区） 即色差在近轴区也存在
（B）轴外点象差（单色象差）
彗差
像散、场曲
X
ts
X
t
X
s
畸变
桶形 畸变
枕形 畸变
yZ yZ y
倍率色差（轴重色差） yFC yF yC
§2.光学系统的象差要求
类型
象差要求
镜头结构
小视场 显微物镜 大孔径 望远物镜
§3 光学系统初始结构的计算方法
初始结构的计算目的就是要确定系统的 初始结构参数：曲率半径、透镜的厚度、 间隔、玻璃折射率和色散等。它的计算方 法有两种：一种是根据初级像差理论用代 数法求解初始结构；另一种是从已有的专 利文献资料中选择初始结构。
L, SC, lFC
大视场 目镜
小孔径
X
ts,
X
t,
X
s
KT, yFC,yZ
大视场 摄影物镜 全部七种象差 大孔径 投影物镜
简单,双胶合 （双分离） 称小象差系统
无须校正轴上点象 差，主要为轴外点 象差，适当校正光 栏球差，比较复杂
复杂 称为大像差系统
第二章 光学系统设计过程
§1.概述
所谓光学系统设计就是根据使用要求， 来决定满足使用要求的各种数据，即决 定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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P ni i i i u W i i i u
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S II
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一、对光学系统的要求
任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统 提出一定的要求。
1、光学系统的基本特性：
NA或D/f′，2y或2ω，β，f′
2、系统的外形尺寸： 包括横向尺寸和纵向尺寸，在设计光学系统时，外形尺寸计
算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 3、成像质量：
成像质量的要求和光学系统的用途有关。对于望远系统和 一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物 镜，要求整个视场都要有较好的成像质量。
4、仪器的使用条件： 根据仪器的使用条件，要求光学系统具有一定的稳定性、抗振性、
耐热性和耐寒性等，以保证仪器在特定的环境下能正常工作。
二、光学系统设计过程概述
1、外形尺寸计算 2、初始结构的选型与计算 3、像差校正和平衡 4、像质评价
§2 光学系统的外形尺寸计算
一、外形尺寸计算的任务
设计光学系统原理图，确定基本光学特性，使其满足给定的技术 要求，即确定NA或D/f′、2y或2ω、β、f′、共轭距、后工作距、 光阑位置和外形尺寸。
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象差的表示 简单表示
（A）轴上点象差（单色象差）：L', SC'
L' L' l ' 实理
SC KS
A
白光：轴上点位置色差
lFC lF lC
LFC LF LC
例如：单透镜
球差
L' L' l ' 实理
正弦差
SC
K
Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
AQ
位置色差
设计步骤：
一、物镜选型
在光学系统整体设计完成以后，应根据计算的光学特性，选 择镜头的结构型式，确定其结构参数r、n、d。
二、缩放焦距
结构选型选好后，它的焦距不一定完全符合设计要求，因此必 须缩放焦距。
三、更换玻璃
在国外的专利文献中，物镜选用的玻璃牌号与国产牌号很多是 不相符的，尤其是一些高性能的物镜多数采用高折射率的玻璃。这 些玻璃价格昂贵，加工性能差，在满足设计要求的前提下尽量少选 用这些玻璃，因此必须对已有的结构更换玻璃。
有些光学系统可以是这种简化的系统，如：低倍显微镜、开普勒 望远镜、具有棱镜或透镜转像系统的望远镜等；也有一些光学仪器 不能认为是薄透镜光组，如：照相物镜、广角物镜、大数值孔径的 高倍显微物镜等。对于这种光学系统的外形尺寸计算要与求解初始 结构一起进行，它的外形尺寸就是像差校正好以后的结构尺寸。
二、典型光学零件的外形尺寸计算
光学系统设计基础知识
第一章 象差综述
§1.几何象差
（1）概述：理想光学系统观点 两个假定
①必须是充分小孔径、视场 ②或是0孔径、0视场 才能成完善像
实际上这种理想系统是无意义的 ∵ ①必须要以一定宽度的光束（孔径要求）
② 对一定大小的物体（视场要求） 实际成像
∴不再成完善像，出现失真、变形, 并在白光的照明下出现彩色的象 轮廓……这就是象差
在进行外形尺寸计算时，首先要根据要求拟定光学系统的原理 图。合理的光学系统原理图能够保证系统得到良好的成像质量。其 次是按技术要求确定光学系统的基本特性和外形尺寸。对某些光学 系统还要进行光能量计算。最后是确定系统各部件的基本特性，以 便选择各光组的结构。
为了简化各种类型光组的计算，可以把光学系统看成是由一 系列无限薄的光组组成的。经过简化后的光学系统就可以用理想 光学系统的理论和公式进行外形尺寸计算。
一、代数法-PW方法
光学设计中用PW方法目的是按初级象差 理论求取光学系统的初始结构，以供作光路 计算校正象差之用。在求解光学系统的初始 结构时，按初级象差公式计算，并略去透镜 的厚度，因此，它是一个近似解，其近似程 度决定于所设计的系统的视场和孔径。
PW形式初级像差系数
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SI
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J
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1 h2
1 n2
二、 从已有资料中选择初始结构的方法
随着计算机的发展和光学设计技术的提高， 人们已经设计出很多性能优良的各种光学系统， 并把这些资料载入技术档案和专利文献中。有些 光学设计手册也专门收集了有关设计资料。如能 从这些专利文献中选择一些光学特性与所设计的 物镜尽可能接近的结构做为初始结构，不但会给 设计者节省好多时间，而且也容易获得成功。尤 其是，设计高性能的复杂物镜时，一般都从专利 文献中选择初始结构。
象差研究： （1）象差的分类 （2）象差产生的原因及危害 （3）光学系统对象差的要求及象质评价
所以总的目的 --完成光学系统及光学元件的设计； 象差分析、象差平衡、象质评价
（2）象差的分类与表示
分类
轴上点单白 色光光
: :
L', SC
lF' C
'
象差轴外点单白色光光: :yKF' CT'
,
K
实际：LFC LF LC 近轴：lFC lF lC（ 近轴区） 即色差在近轴区也存在
（B）轴外点象差（单色象差）
彗差
像散、场曲
X
ts
X
t
X
s
畸变
桶形 畸变
枕形 畸变
yZ yZ y
倍率色差（轴重色差） yFC yF yC
§2.光学系统的象差要求
类型
象差要求
镜头结构
小视场 显微物镜 大孔径 望远物镜