光学设计第一牛人的光学设计讲义
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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：
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。
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。
姚启钧光学课件第一章
光程差:
n1r1 n2 r2
若在观察时间内 ( 02 01 ) 保持不变，则两个振源 是相干的。特别地，若 ( 02 01 ) 0 ，则位相差取 决于光程差。有
( n1r1 n2 r2 ) 2π λ
23
2
光学
1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样
光学
1.1 波动的独立性、叠加性和相干性
4．不相干叠加
若在观察时间内，振动时断时续，以致它们的初相位各 自独立地做不规则的改变，在0～2π之间取一切值且概率 均等，则有
平均强度为
1
0
cos( 2 1 )dt 0
2 I A 2 A12 A2
合振动的平均强度等于分振动强度之和 。 结果：在观察时间内强度没有空间强弱分布，此即非相干叠加 。 5．多个振动的不相干叠加 设有n个振动振幅都等于A1，则合成的平均强度
2 I nA 1
光学
1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样
实验结果：等间距的明暗交替的条纹。
托马斯· 杨
光学
1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样
一、波的方程与光程
1．波的方程
r S P
t 0 ) 波源S：E0 A0 cos(
E P AP cos[( t r
波源S的振动传播到P点，P点也引起振动，振动方程为：
I A2
(τ是观察时间)
1
1
0
A2 dt
2 [ A12 A2 2 A1 A2 cos( 2 1 )]dt 2 2
0
A A 2 A1 A2
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。
光学教程05讲解
b
bb
bsin k
☆中央明条纹最亮，随级数增大，亮度迅速减小,第一级 次最大强度不到中央亮纹的5％。
I I0
讨论
5 3
2b 2b b
3 5
2b 2b
b
sin
(1)白光入射
(2)b对衍射图样的影响
b 2 2 b 2 0
b
——衍射图样压缩为一条亮线
只有 b 时，衍射现象可以忽略不计。
考虑过狭缝后沿 方向的衍射光，经透镜后会聚于P点，BB’
上任意一点M和B到达P点的光程差MN x sin x MB
则N点光振动
dE
A0 dx
cos( 2
x sin
t)
b
dE
A0 dx
i( 2
e
x sin t )
b
根据惠－菲原理对上式积分，得到P点合振幅
AP
A0
sin u u
u b sin
地研究了衍射光栅，用其测量了光的波长，后来又给出了光栅方程。
§2.3 夫朗禾费单缝衍射
一.实验装置和衍射图样特点
E
S
二.强度的计算
将缝宽b分为一组平行于缝长的窄带，窄带宽度dx，设波动的
初相位为0，A0 为 0方向上的振幅，则窄带振幅 A0dx / b
忽略振幅与光程成反比以及倾斜因子,则到达P点时振幅 A0dx / b
P1
x
1
0
l
f sin 2 f sin 1
f 2.5mm
f
( 2 b
) b
f
b
夫 琅 禾 费 (Joseph von Fraunhofer 1787— 1826)
夫琅禾费是德国物理学家。1787年3月6日生于 斯特劳宾，父亲是玻璃工匠，夫琅禾费幼年当学徒， 后来自学了数学和光学。1806年开始在光学作坊 当光学机工，1818年任经理，1823年担任慕尼黑 科学院物理陈列馆馆长和慕尼黑大学教授，慕尼黑 科学院院士。夫琅禾费自学成才，一生勤奋刻苦， 终身未婚，1826年6月7日因肺结核在慕尼黑逝世。 夫琅禾费集工艺家和理论家的才干于一身，把理论与丰富的实践经验结合 起来，对光学和光谱学作出了重要贡献。1814年他用自己改进的分光系统， 发现并研究了太阳光谱中的暗线（现称为夫琅禾费谱线），利用衍射原理测 出了它们的波长。他设计和制造了消色差透镜，首创用牛顿环方法检查光学 表面加工精度及透镜形状，对应用光学的发展起了重要的影响。他所制造的 大型折射望远镜等光学仪器负有盛名。他发表了平行光单缝及多缝衍射的研 究成果（后人称之为夫琅禾费衍射），做了光谱分辨率的实验，第一个定量
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
ZEMAX光学设计讲义
ZEMAX光学设计讲义导言：光学设计是一门重要的工程学科，它主要研究光学系统的设计、分析和优化。
而ZEMAX是光学设计中常用的一种软件工具，它主要用于模拟和优化光学系统的性能。
本篇讲义将介绍ZEMAX的基本原理、使用方法以及一些常见的光学设计案例。
一、ZEMAX的基本原理1.光线追迹ZEMAX的核心原理是光线追迹。
它通过追踪光线在光学系统中的传播路径，并计算出光线经过每个光学元件后的参数变化，如位置、方向、光强等。
通过光线追踪，可以得到光学系统的传输特性，并进行光学系统的性能优化。
2.光学元件建模为了进行光线追踪，需要对光学元件进行建模。
在ZEMAX中，可以通过输入光学元件的参数来进行建模，如曲率半径、折射率、厚度等。
同时，ZEMAX还提供了一套丰富的光学元件库，包括透镜、棱镜、光阑等。
用户可以根据需要选择相应的光学元件进行系统设计。
3.光学系统优化ZEMAX不仅可以进行光学系统的传输特性计算，还可以进行系统的性能优化。
在ZEMAX中，可以设定一系列的优化目标，并通过调整光学系统的参数来达到这些目标。
优化过程主要包括两个阶段，即初始设计和优化迭代。
在初始设计阶段，需要根据设计要求设置光学系统的初值。
在优化迭代阶段，ZEMAX根据预设的优化目标和约束条件，自动调整光学系统的参数，并不断迭代，直到达到最佳设计。
二、ZEMAX的使用方法1.软件安装与启动2.创建新项目在ZEMAX中，每个光学系统都是一个项目。
创建新项目时，需要设定项目的名字和工作目录。
在新建项目后，可以开始进行光学系统的设计。
3.设计光学系统设计光学系统的过程是通过将光学元件拖拽至光学系统的视图中来完成的。
光学元件可以是来自库中的标准元件，也可以根据实际情况进行自定义。
在拖拽元件至视图中后，可以通过双击元件来设置其具体参数。
4.进行光线追踪设计完成后，可以进行光线追踪。
在ZEMAX中，可以选择单个或多个光线进行追踪，并观察光线的传播路径和参数变化。
姚启钧光学课件--第一章
光学
第1章 光的干涉
本章重点：
1．干涉的基本理论和处理方法 2．杨氏干涉 3．等倾干涉和等厚干涉 4．迈克尔逊干涉仪的原理 5．牛顿环及其应用
3
光学
1.0 光的电磁理论
一、光的本质
1．光的本质 是电磁波，在真空中的传播的速度与电 磁波的传播速度是一样的，即为 c
c 1
00
ε0：真空中的介电常数 μ0：真空中的磁导率
2．波的叠加性：两列波在相遇处的振动是按瞬时矢量 叠加的，即某一时刻的合位移是各分位移的矢量和。
光学 1.1 波动的独立性、叠加性和相干性
对光波的叠加就是光波中的电场矢量在空间某点的振动的合成。
E p.t E1 p.t E2 p.t
3．干涉：如果两波频率相同，在观 察时间内波动不中断，而且在相遇处 振动方向几乎沿着同一直线，那么它 们叠加后产生的合振动可能在有些地 方加强，在有些地方减弱。这 一强度 按空间周期性变化的现象称为干涉。
④任何波动传递的平均能流密度与振幅的平方成正比。
同一种介质中两光波强度相比较，
I E02 ,
由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布，因此令 光强等于振幅的平方，即
I E02 . 或
上式定义的光强称为相对光强．
I A2
光学 1.1 波动的独立性、叠加性和相干性
一、机械波的独立性和叠加性
1．波的独立性：从几个振源发出的波相遇于同一区域 时，各自保持自己的特性（频率、振幅和振动方向等）， 按照自己原来的传播方向继续传播前进，彼此不受影响。 此即所谓的独立性原理。
一、波的方程与光程
1．波的方程
r
P
波源S：E0 A0 cos(t 0 ) S
波源S的振动传播到P点，P点也引起振动，振动方程为：
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
光学设计ZEMAX_实验讲义
光学设计ZEMAX_实验讲义光学设计是一门涉及光的传播和光学元件设计的学科。
利用光的特性和光学元件的特性，可以设计出各种光学系统，实现不同的光学功能。
ZEMAX是一款强大的光学设计软件，它可以帮助工程师进行光学设计、性能仿真和优化等工作。
本实验讲义将介绍几个常见的光学设计实验，以帮助读者了解光学设计的基本原理和技术。
在进行这些实验之前，我们需要了解一些光学设计的基本概念和知识。
首先，光线是一个波动现象，可以用射线来近似描述。
光线在光学系统中的传播遵循光的几何光学原理。
其次，光学元件是一种能够对光线进行控制和操纵的物体，如透镜、棱镜和反射镜等。
光学系统是由多个光学元件组成的，可以实现不同的光学功能，如成像、聚焦和色散等。
首先我们将介绍透镜设计实验。
透镜是一种常见的光学元件，可以将光线汇聚或发散。
透镜的成像性能与其形状和折射率有关。
在透镜设计实验中，我们将使用ZEMAX软件，选择适当的透镜形状和折射率，设计一个能够将平行光线聚焦到一点的透镜系统。
通过调整透镜的形状和位置，我们可以改变光线的聚焦性能。
接下来是棱镜实验。
棱镜是一种能够使光线发生偏折和色散的光学元件。
在棱镜实验中，我们将使用ZEMAX软件，选择适当的棱镜材料和形状，设计一个能够对光线进行偏折和色散的棱镜系统。
通过调整棱镜的角度和位置，我们可以改变光线的偏折角和色散程度。
最后是反射镜实验。
反射镜是一种能够通过反射来改变光线传播方向的光学元件。
在反射镜实验中，我们将使用ZEMAX软件，选择适当的反射镜形状和材料，设计一个能够将光线反射到预定方向的反射镜系统。
通过调整反射镜的曲率和位置，我们可以改变光线的反射角度和聚焦性能。
在实验过程中，我们需要注意一些光学设计的基本原则和技巧。
首先，要保证光学系统的成像质量和性能。
成像质量可以通过调整光学元件的参数和位置进行优化。
其次，要考虑光学系统的光线传播路径和光束直径。
光线传播路径应该尽量简洁和对称，光束直径应该符合系统的要求。
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
《傅立叶光学》课件
应用实例2
全息术
傅立叶光学在全息术中发挥重要 作用，可用于记录和重现三维物 体的光学信息。
光谱学
傅立叶变换光谱学通过分析光信 号的频谱成分来研究物质的光学 性质。
光计算
光学计算利用傅立叶光学原理， 基于光的干涉和衍射进行信息处 理和计算。
傅立叶光学的未来前景
随着技术的进步和新方法的提出，傅立叶光学在光学系统设计、显微镜技术、 光通信等领域将继续发展并发挥重要作用。
3
光的干涉
当两个或多个波面相遇时，会发生干涉现象，傅立叶光学可以解释干涉引起的明 暗条纹和颜色变化。
应用实例1
光学显微镜
傅立叶光学用于设计和改善 显微镜系统，提高分辨率和 成像质量。
光学通信
傅立叶变换在光纤通信中起 到关键作用，用于调制和解 调光信号。
光学成像
傅立叶光学原理应用于摄影 和图像处理，实现图像的重 建和增强。
《傅立叶光学》PPT课件
傅立叶光学是一门研究光在传播中的衍射和干涉现象的学科，广泛应用于光 学系统的设计和显微镜技术。本课件将介绍傅立叶光学的基本原理及其应用。
引言
傅立叶光学是基于数学家傅立叶的工作，通过分析光的传播和干涉现象来理 解光的性质。它是现代光学的基石，广泛应用于各个领域。
概述傅立叶光学的背景和重要 性
在19世纪初，傅立叶提出了傅立叶级数和傅立叶变换的概念，为光学领域的 发展奠定了基础。傅立叶光学的研究对于理解光的传播和干涉现象至关重要。
傅立叶光学的基本原理
1
傅立叶级数
将任何周期性函数表示为一系列正弦和余弦函数之和，可以用于分析和处理光的 波信号或光场在频域中的转换，可以实现信号和光场的频谱分析和滤波。
结论
通过掌握傅立叶光学的基本原理和应用，我们可以更好地理解光的传播和干涉现象，并将其应用于各个领域的 光学研究和实践中。
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） _____
光学蔡履中1ppt
光学是研究光的现象、光的本性和光与物质相 互作用的学科，是物理学的一个重要学科。
20世纪60年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形 成了现代光学。
几何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各
种光学仪器的理论。 研究光的电磁性质和传播规律，特别 波动光学： 是干涉、衍射、偏振的理论和应用。 以光的量子理论为基础，研究光与物质相 量子光学： 互作用的规律。
Байду номын сангаас
某时刻的干涉图样相当于三维空间中凝固了的干涉场 强度分布
空间频率
空间周期性
例1：设k1，k2均在xz平面内，两列同频率平面波从xy平面 法线异侧入射，入射角分别为θ1和θ2，分析xy平面的 干涉图样.
两列同频率平面波在 z= 0 平面的干涉
例2：三束同频平面波在原点的初相ϕ10= ϕ20= ϕ30= 0， 振幅比E10: E20: E30= 1：2：3，传播方向均在xz面内， 方位如图所示，求z= 0 平面上的光强的相对分布.
两列同频率、同向振动、反向传播的平面波 的叠加——光驻波
为反演时间关系，用实波函数，并取ϕ10= 0.
空间变化项
时间变化项
δ0＝0
界面为波腹
δ0=π
反射波有相位跃变 界面为波节
[
i]
[
i]
干涉项 相干条件：干涉项不等于0. 则称两列波发生了干涉，而这两列波是相干的. (1) E 20⋅ E 10≠0即E10不垂直于E20； (2) 两列波的频率相同 (3) 对给定P点，δ(P)恒定，不随时间而变化
2. 3. 3 两列同频率、同向振动的平面波的叠加
一、光强公式和干涉图样
现代光学：20世纪后半期发展起来的很庞大的光学体系。
第二章 波动光学通论
20世纪60年代激光问世后，光学有了飞速的发展，形 成了现代光学。
几何光学：以光的直线传播规律为基础，研究各
种光学仪器的理论。 研究光的电磁性质和传播规律，特别 波动光学： 是干涉、衍射、偏振的理论和应用。 以光的量子理论为基础，研究光与物质相 量子光学： 互作用的规律。
Байду номын сангаас
某时刻的干涉图样相当于三维空间中凝固了的干涉场 强度分布
空间频率
空间周期性
例1：设k1，k2均在xz平面内，两列同频率平面波从xy平面 法线异侧入射，入射角分别为θ1和θ2，分析xy平面的 干涉图样.
两列同频率平面波在 z= 0 平面的干涉
例2：三束同频平面波在原点的初相ϕ10= ϕ20= ϕ30= 0， 振幅比E10: E20: E30= 1：2：3，传播方向均在xz面内， 方位如图所示，求z= 0 平面上的光强的相对分布.
两列同频率、同向振动、反向传播的平面波 的叠加——光驻波
为反演时间关系，用实波函数，并取ϕ10= 0.
空间变化项
时间变化项
δ0＝0
界面为波腹
δ0=π
反射波有相位跃变 界面为波节
[
i]
[
i]
干涉项 相干条件：干涉项不等于0. 则称两列波发生了干涉，而这两列波是相干的. (1) E 20⋅ E 10≠0即E10不垂直于E20； (2) 两列波的频率相同 (3) 对给定P点，δ(P)恒定，不随时间而变化
2. 3. 3 两列同频率、同向振动的平面波的叠加
一、光强公式和干涉图样
现代光学：20世纪后半期发展起来的很庞大的光学体系。
第二章 波动光学通论
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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
1
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，光焦度和主平 面。
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。
8
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
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） ______
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。
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） ____________
7
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
4. 像差理论
球面的球差，球差零点，球差与折射率，初级球差，正弦条件，彗差，透镜弯曲， 主光线，主光线光路像差，畸变，像散，像面弯曲，初级像差理论，像差与光阑 移动，像差与物面移动，色差，光学玻璃和晶体，二级光谱，薄透镜组，非球面， 校正像面弯曲的措施，可能校正的像差与不可能校正的像差，轴对称与非轴对称。 5. 为何有多种不同结构的光学系统：望远镜、显微镜、照相物镜、目镜、光刻物镜。 6. 成像质量 衍射，点扩散函数和像差，能量集中度，分辨能力，伪分辨，光学传递函数，星 点检验，杂光，降低杂光的措施，鬼像。
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
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。
10
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
———— ———— ———— ———— ————
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) __________ ___________ ___________
其它系统要求
_________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________
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。
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。 用于光学系统自动设计的电子计算机，70年代趋向于使用大型机，80年代则 有趋向于改用微机的势头。这一方面当然是为了节省设计费用，另一方面也说明 设计过程需要进行多次人工“干预”，这种“干预”过程无疑是设计者运用像差 理论和设计经验的过程。 这可能就是光学设计者更喜欢用微机的理由，同时也是 未有真正成功的光学CAD软件问世的证据。
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)；
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，光焦度和主平 面。
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。
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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
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） ______
d)
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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。
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
4. 像差理论
球面的球差，球差零点，球差与折射率，初级球差，正弦条件，彗差，透镜弯曲， 主光线，主光线光路像差，畸变，像散，像面弯曲，初级像差理论，像差与光阑 移动，像差与物面移动，色差，光学玻璃和晶体，二级光谱，薄透镜组，非球面， 校正像面弯曲的措施，可能校正的像差与不可能校正的像差，轴对称与非轴对称。 5. 为何有多种不同结构的光学系统：望远镜、显微镜、照相物镜、目镜、光刻物镜。 6. 成像质量 衍射，点扩散函数和像差，能量集中度，分辨能力，伪分辨，光学传递函数，星 点检验，杂光，降低杂光的措施，鬼像。
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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
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。
10
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
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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) __________ ___________ ___________
其它系统要求
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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。
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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。 用于光学系统自动设计的电子计算机，70年代趋向于使用大型机，80年代则 有趋向于改用微机的势头。这一方面当然是为了节省设计费用，另一方面也说明 设计过程需要进行多次人工“干预”，这种“干预”过程无疑是设计者运用像差 理论和设计经验的过程。 这可能就是光学设计者更喜欢用微机的理由，同时也是 未有真正成功的光学CAD软件问世的证据。
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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)；