光学设计基础课件
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2. 物像关系基础公式
• 高斯公式：
p 为物距，q 为像距，f 为焦距
在一般摄影时像距其实与焦距非常接近， 但是在微距摄影时，像距则可能大于焦距，此 时放大率会超过 1。利用高斯公式其实也可以 导出放大率公式：
放大率 M﹦p/q
2. 色差
• 透镜最主要像差一般为色差，大家都知道三棱 镜会将白光分散为光谱，透镜的侧面看来其实 也像棱镜，所以会有色差，红光波长较长，结 果红光焦点就比蓝光焦点长，因此焦点不在同 一平面上，所以目镜看红光影像清晰，蓝光影 像就不清晰，反之亦然，用没有消色差的透镜 当物镜就会看到物体镶了红边或蓝边，不够清 晰。
称轴线 今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、
二、成像基本概念 1、透镜类型 正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜
会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转
负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜
发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转
2、透镜作用－－－成像
1. 焦距
在单透镜而言，如果窗外景物够远，那么透镜到倒立影像之距离 可视为焦距。如要更确实的量测，可以对着太阳在地面呈像，再 量测透镜到影像的距离。
• 要知道真正的焦距，还有一个方法，就是用物距与像距来计算， 因为物距与像距的比与物高与像高的比值是一样的，物高可以找 一个已知高度的物体，像高可以量测，物距可以量测，像距就可 以计算出来，而物距超过焦距五十倍以上时，算出来的像距已经 极接近焦距的数值。
第五节 光学系统类别和成像的概念
各种各样的光学仪器 显微镜:观察细小的物体 望远镜:观察远距离的物体
各种光学零件——反射镜、透镜和棱镜
光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求
ZEMAX培训课件
编辑项目
编辑项目的方法
用户可以通过zemax的菜单栏或右键菜 单选择编辑项目，也可以通过快捷键 Ctrl+E来编辑项目。
VS
编辑项目的步骤
编辑项目时，用户可以修改项目的各种参 数，如系统名称、波长、视场等，还可以 添加或删除组件、改变组件的位置和属性 等。
光线追迹的高级功能
01
02Βιβλιοθήκη 03光线分束zemax支持对多条光线进 行追迹，并可以设置每条 光线的初始状态和属性， 如能量、偏振态等。
光学材料的分类
光学材料包括透明材料和不透明材料两大类，透明材料如玻璃、水晶等，不透 明材料如金属、陶瓷等。
光学材料的属性
光学材料的属性包括折射率、透射率、反射率、色散等，这些属性对光线的传 播和出射有不同的影响。
导入和导出文件
导入文件
zemax支持导入多种类型的文件，包括.zem文件、.opt文件、.zmx文件等，用户可以通过导入功能将这些文件导 入到zemax中。
导出文件
zemax支持导出多种类型的文件，包括.zem文件、.opt文件、.zmx文件等，用户可以通过导出功能将zemax中 的文件导出到其他应用程序中。
建立新项目
新建项目的方法
用户可以通过zemax的菜单栏或右键菜单选择新建项目，也可以通过快捷键 Ctrl+N来新建项目。
新建项目的步骤
新建项目后，用户需要选择一个模板，设置项目名称、保存路径等参数，然后就 可以开始设计光学系统了。
zemax界面主要包括菜单栏、工 具栏、项目浏览器、工作区等部 分。
工具栏包括常用工具、快捷键等 。
工作区包括设计界面和仿真界面 ，可以方便地进行光学设计和仿 真分析。
02
光学设计中必备的理论基础
用
代入物像位置关系式
同时还可得到以下两个关系式：
• 物平面以细光束经球面所成的像 1 ． 物平面以细小光束成像
细光束， A—— 》 A' 完善成像 同心球面 A1A A2—— 》曲面 A1'A'A2' 完善成像 由公式， l 变小， l ' 也变小，平面 B1AB2—— 》曲面 B1'A'B2' 不再是平面：像面弯曲
由
得
j 为拉氏不变量，它是表征光学系统性能的重要参数
§ 2-4 反射球面 —— 球面镜 返回本章要点
反射是折射当n'=-n的特殊情况 一．物像公式
由 n'=－n 得
球面镜的光焦度为
二．焦距
f '=f 且与 r 同号。
凹面镜 f’<0 为实焦
点
三 、放大率与拉氏不变量
三种放大率
凸面镜
f’>0 为虚焦 点
对某一环带
称消色差
色差曲线可以画成
形式或
形式，大多数软件是将三种色光球差曲
线画在一起，以主色光像面为基准，称三色球差曲线。 返回本章要点
设
，若对 0.7 带光消色差，则有
本图形由软件 GA 画出
想一想：在消色差环带，F 光与 C 光像点重合，它们能否与 d 光像点重合？为什么？ 位置色差是对两种色光而言，在某孔径带校正了位置色差后，两种色光像点与主色光的像点之间的距离称 二级光谱。
• 摄影光学系统的焦距、相对孔径与视场 返回
焦距
远处
决定像的大小： 近处
大视场小：特写镜头，远摄镜头 小视场大：全景镜头，广角镜头
与像面照度有关
大：强光镜头
相对孔径
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》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
光学设计课件
｛
横向及纵向尺寸
各组光瞳之间的衔接
三 成象质量
光学系统的外形尺寸计算
由物镜和目镜组成的望远系统
结构和光束限制
望远镜光路图：
反射棱镜成像特性:在光路中相当于平行平板 轴向位移 △L’= d ( 1 - 1/n)
｛
棱镜
简单棱镜 复合棱镜
屋脊棱镜
棱镜展开：沿反射面的次序依次展开
等效空气层的厚度
4D / n
h1 = ?棱镜 厚4h,半口 径8.5，假 设高8.5， 厚度d= 8.5х4=34 等效空气 平板厚d = d/n
系统等效光路图
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
系统结构图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
有两个渐晕
｛
棱镜最后一面:挡上边25% 光束
目镜 ：挡下边25%的光束
望远物镜选型：P410课本
物镜D/f1’=1/4， D=30 , f1’=120
双胶合物镜
双分离物镜
三片型物镜
摄远物镜
｛
物镜可选双胶合 f’ = 120
D/f’ = 1/4 目镜型式 г = -tgω’ / tgω= -f1 ’ /f2 ’ 2ω’ Lz’ f2 ’
冉斯登目镜 2ω：30˚-40 ˚相对镜目距 Lz’ =1/4 凯涅尔目镜 2ω：40˚-50 ˚相对镜目距 Lz’
象差的现象、产生原因、如何消除各种象差
1. 明确象差概念
2. 掌握初级象差理论
象差分类
球差δL’ 彗差KT，KS 象散x’ts 场曲x’t x’s 畸变δyz’ 位置色差△lFC’ 倍率色差δyFC’
典型光学系统 1 显微镜，望远镜， 照相机，投影仪 成像原理 2 外形尺寸计算：轴向尺寸、垂轴 尺寸、通光口径、物高象高、光阑
光学设计配光曲线课件
道路照明
通过对道路照明灯具的配光曲线 进行优化和改进，提高道路照明
质量，减少交通事故发生率。
室内照明
根据室内环境和照明需求，优化 和改进室内灯具的配光曲线，营
造舒适、健康的室内光环境。
景观照明
通过设计具有艺术性和创意性的 配光曲线，打造出独具特色的城
市夜景和景观照明效果。
06
CATALOGUE
前沿技术与发展趋势
基础。
发展历程
简要介绍光学设计从古典时代到现 代的发展历程，以及未来的发展趋 势。
应用领域
阐述光学设计在通信、生物医疗、 军事、科研等领域的应用。
光学设计基本原理
01
02
03
04
光线传播原理
包括直线传播、反射、折射等 基本原理。
成像原理
涉及透镜成像、镜子成像等基 本原理。
像差理论
阐述像差的定义、分类、计算 方法及校正措施。
微纳光学设计
微纳光学设计利用微纳结构对光线进行操控，可以实现超 常规的光学功能，为新一代光学器件的设计提供了新的思 路。
先进配光曲线分析方法
非成像光学分析
非成像光学分析不仅考虑光线的几何路径，还综合考虑光线的强度、颜色、相干性等因素，能够更准确地预测和评估 照明系统的性能。
基于物理的渲染技术
基于物理的渲染技术通过模拟真实世界中的光线传播、反射、折射、散射等物理过程，生成逼真的配光曲线，为照明 设计提供更为直观、准确的参考。02来自03光源性能评估
通过配光曲线可以全面了 解光源的光强分布特性， 为光源的性能评估提供依 据。
光学设计基础
在照明设计、光学仪器设 计等领域，配光曲线是评 估和设计光学系统的基础 数据。
节能环保
光学设计基础
FIBER_CAD
Fiber_CAD 是为设计或使用光纤、光器件和光通信系统的工程师、 科学家和学生们推出的，此软件包通用、强大，通过融合光纤色散、损 耗和偏振模色散（PMD）各个模型计算所得的数值解来解决光纤模式传 输问题。
HS_DESIGN
一个动态的计算机辅助工程程序，通过基于物理层对异质结结构电 学光学的特性仿真来协助半导体光器件的设计。HS_Design 利用对各个 半导体层的精微仿真来分析生长时晶体外延结构的光学特性，包括缓 冲、分隔、蚀刻、接触、覆膜和金属化层。客户只需定义材料系统（例
TRACEPRO
TracePro 是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分 析的光线仿真软件。它是第一套以 ACIS Solid Modeling Kernel 为基 本的光学软件。也是第一套结合真实固体模型、强大光学分析功能、数 据转换能力强及易上手的使用接口的仿真软件。 TracePro 多变化的应 用领域包括： 照明（Illumination）；导光管（Light Pipes）；薄膜
FDTD_CAD
FDTD_CAD 是用于高级有源和无源光器件的计算机辅助设计的强大 而界面友好的软件。FDTD_CAD 的理论基础是时域有限元（FDTD）的方 法，这种方法可以直接在时域中计算 Maxwell 方程。与其他必须假定传 播场类型或特定的传播方向的方法不同，FDTD 方法不对光的传播行为 简单的作任何事先假定。结果是，FDTD 的计算能够提供任意时间点上 整个计算窗内全部或离散的时域信息。如果还需要频域的信息，用离散 傅里叶变换（DFT）就可以得到相应的数据。FDTD_CAD 软件使用的 FDTD 方法的强大功能在于它把动态特性整合于一体，可高效率地用于以下模 型：光传输，散射，折射，反射，极化效应，材料各向异性，色散和非 线性，媒介损耗和增益。
Fiber_CAD 是为设计或使用光纤、光器件和光通信系统的工程师、 科学家和学生们推出的，此软件包通用、强大，通过融合光纤色散、损 耗和偏振模色散（PMD）各个模型计算所得的数值解来解决光纤模式传 输问题。
HS_DESIGN
一个动态的计算机辅助工程程序，通过基于物理层对异质结结构电 学光学的特性仿真来协助半导体光器件的设计。HS_Design 利用对各个 半导体层的精微仿真来分析生长时晶体外延结构的光学特性，包括缓 冲、分隔、蚀刻、接触、覆膜和金属化层。客户只需定义材料系统（例
TRACEPRO
TracePro 是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分 析的光线仿真软件。它是第一套以 ACIS Solid Modeling Kernel 为基 本的光学软件。也是第一套结合真实固体模型、强大光学分析功能、数 据转换能力强及易上手的使用接口的仿真软件。 TracePro 多变化的应 用领域包括： 照明（Illumination）；导光管（Light Pipes）；薄膜
FDTD_CAD
FDTD_CAD 是用于高级有源和无源光器件的计算机辅助设计的强大 而界面友好的软件。FDTD_CAD 的理论基础是时域有限元（FDTD）的方 法，这种方法可以直接在时域中计算 Maxwell 方程。与其他必须假定传 播场类型或特定的传播方向的方法不同，FDTD 方法不对光的传播行为 简单的作任何事先假定。结果是，FDTD 的计算能够提供任意时间点上 整个计算窗内全部或离散的时域信息。如果还需要频域的信息，用离散 傅里叶变换（DFT）就可以得到相应的数据。FDTD_CAD 软件使用的 FDTD 方法的强大功能在于它把动态特性整合于一体，可高效率地用于以下模 型：光传输，散射，折射，反射，极化效应，材料各向异性，色散和非 线性，媒介损耗和增益。
光学设计基础PPT课件
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P 3J
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精品课件
23
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。
小视场 显微物镜 大孔径 望远物镜
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
精品课件
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
14
第二章 光学系统设计过程
精品课件
3
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
精品课件
4
（2）象差的分类与表示
分类
轴上点 单白色光 ::光 Ll'F',SC C'
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
(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
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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
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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。
ZEMAX光学设计课件
实验一：单镜头设计(Singlet)实验目的：1、学习如何启用Zemax2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data）3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams），MTF等。
4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables）5、学习如何进行优化设计（optimization）实验仪器：微机、zemax光学设计软件实验步骤：1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光，用BK7玻璃为材料。
2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。
什么是LDE呢？它是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。
3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。
在第二、三行键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。
4、确定透镜的孔径大小。
既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。
所以现在我们需要的aperture 就是100/4=25(mm)。
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
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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。
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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。
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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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• 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 lFlC
LFC LFLC
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例如：单透镜
球差
L' L' l ' 实理
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正弦差
SC
K
S
A Q
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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PP仪T学器习交在流特定的环境下能正常工作。
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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
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§2 光学系统的外形尺寸计算
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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。
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。
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复杂 称为大像差系统
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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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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。
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§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
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
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。
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。
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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
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（2）象差的分类与表示
• 分类
轴上点 单白 色光 ::光 Ll'F',SC C'
象差 轴外点 单 白光 色:光 :yKF' TC' ,KS' ,XT' ,XS' ,XT' S,yZ'
光学系统设计基础 知识
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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
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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
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二、典型光学零件的外形尺寸计算
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
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§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。
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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。
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PW形式初级像差系数
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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。
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。
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位置色差
实际：LFC LF LC 近轴：lFC lF lC（ 近轴区） 即色差在近轴区也存在
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（B）轴外点象差（单色象差）
彗差
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像散、场曲
Xts XtXs
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畸变
桶形 畸变
yZyZy PPT学习交流
枕形 畸变
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倍率色差（轴重色差）
yFC yFyC