光学设计基本理论

杂散光的影 响
第一部分：成像的几何理论
几何光学基本定 理
• 折反射定理
近轴光学
• 近轴近似
孔径和光阑
• 光阑和光瞳
• 费马原理
• 马吕斯定律
• 基点基面
• 近轴光线追迹 • 基本公式 • 拉氏不变量
• 渐晕
• 辐射度相关概 念
几何光学基本定理



光的直线传播定律 在各向同性的均匀介质中，光沿直线方向 传播。 光的独立传播定律 不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼 此互不影响，各光束独立传播（在考虑波 动性时，均有局限性，如“衍射”和“干 涉”） 光的折射和反射定律
◦ 一个共轴系统的每一种初级相差系数，是这个系统中各个面相应的像差系数值和
初级（赛德尔）像差

三级相差：与波像差的W4项相关联的 光线像差是坐标的三次方项
初级（赛德尔）像差
球差
球差的校正
•
球差是轴上像差 • 一般情况与孔径成立放关 系（例如：一个特定的透 镜其像斑大小为0.01英寸， 如果口径缩小到1/2，像 斑大小为0.00123英寸。 通过改变透镜的弯曲度校正
反射系统中的杂散光
光学系统设计
光学系统基本要求
光学系统基本要求
光学系统基本要求（续）
典型光学系统
成像光学系统 照明光学系统 激光光学系统

推荐参考图书：
1.
M. Laikin, Lens Design, 2006, CRC Press, Fourth Edition
光学设计步骤
几何光学基本定理
几何光学基本定理

费马原理（Fermat）（极值原理）
光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次 折射或反射，其光程为极值。

马吕斯定律（Malus）（等光程定律）
光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终 保持着与播面的正交性，且入射波面与出射波 面对应点之间均为定值。 折、反射定律、费马原理和马吕斯定律，三者 中任意一个可视为几何光学三个基本定律之一， 而另两个则为其推论。
光学设计基本理论
内容纲要
第一部分：成 像的几何理论
几何光学基 本定理
第二部分：像 差的几何理论
像差多项式
第三部分：像 质评价
衍射成像理 论 光学传递函 数
第四部分：光 学系统设计
光学系统的 基本要求 典型光学系 统 光学设计步 骤
近轴光学
单色像差
孔径和光阑
色差
几何像差
非球面、光 学材料
光程差、波 像差
近轴光学
近轴近似 基点基面 近轴光线追迹 基本公式 近轴参数 拉氏不变量

近轴近似

Snell Law：
n sin I = n’ sin I’ 近轴近似： n I = n’ I’
基点基面
基点基面
近轴光线追迹
近轴光线追迹
基本公式
基本公式
基本公式
拉氏不变量
拉氏不变量
•
•
通过增加透镜或正佳光角度 得到矫正
球差形成的像差曲线
F/2透镜的球差
彗差
彗差弥散斑的形成
彗差的校正



主光线与焦面的焦点定义为 像高 彗差是由于通过透镜的轴外 光线相对于主光线的轴向放 大率不同而产生 彗差能够通过移动光阑和有 选择的增加透镜来消除 成像中心高度由中心和主光 线确定 在透镜外围会出现彗差，产 生比主光线更高或更低的放 大率 通过移动孔径光阑或选择增 加透镜来控制彗差
拉氏不变量的应用
拉氏不变量的应用
从费马原理得出拉氏不变量
从费马原理得出拉氏不变量
正弦条件和赫歇尔条件
正弦条件和赫歇尔条件
正弦条件和赫歇尔条件
孔径和光阑
渐晕
辐射度相关概念
第二部分：像差的几何理论


球差（Spherical aberration）
彗差（Coma） 像散（Astigmatism）
瑞利判据
焦深
光学传递函数
典型光学传递函数
光学传递函数
方孔时的MTF
分辨率模拟图解
做为中心遮拦函数的MTF
MTF与波前RMS的关系
各类波像差导致的MTF下降
几何像差：点列图（Spot Size）
像差曲线
几何像差：像差曲线
光程差和波像差
Байду номын сангаас
光程差介绍
光程差介绍
光学系统中的杂散光


场曲（Field Curvature）
畸变（Distortion） 色差（Chromatic aberration）
◦ 轴向色差（Axial）
◦ 垂轴色差（Lateral）
像差多项式

用波像差的幂级数展开式表示的像差：
初级（赛德尔）像差

ΣSI， ΣSII， ΣSIII， ΣSIV， ΣSV分别表示初级球差，初级彗差， 初级像散，初级场曲和初级畸变 为什么要这么写？
选择减小二级光谱的玻璃
选择减小二级光谱的玻璃
相对部分色散与阿贝数对应的关系
消色差双胶合透镜参数分析：玻 璃、F/#
F/4球面双胶合透镜色球差分析
非球面的使用
非球面的使用
非球面在反射系统中的应用
第三部分：像质评价
像质评价
像质评价
像质评价
衍射成像理论
衍射成像理论
艾里斑
有像差时的PSF
透镜曲率对球差和彗差的影响
像散
像散
当yz面和xz面上的焦点位置不同时，产生像散 像散基本上是相对于理想波前产生的一个柱状 偏离 像散可以通过选择透镜的位置和曲率来控制

一种有效的像散校正方法
场曲
场曲的校正
场镜的作用
畸变
轴上色差
倍率色差（垂轴色差）
光学玻璃
玻璃的选择
二级光谱