光学设计第一牛人的光学设计讲义概要
光学设计课程设计
光学设计课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解光学设计的基本概念、原理和方法，掌握光学系统的组成和设计流程，培养学生的创新意识和实践能力。
具体目标如下：1.知识目标：•掌握光学基本概念、原理和定律。
•了解光学系统的组成和分类。
•学习光学设计的方法和步骤。
2.技能目标：•能够运用光学原理分析光学系统。
•掌握光学设计软件的基本操作。
•具备光学系统设计和优化能力。
3.情感态度价值观目标：•培养学生对光学科技的兴趣和热情。
•增强学生的创新意识和团队合作精神。
•培养学生关注社会发展和实际问题的意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.光学基本概念、原理和定律：光的传播、反射、折射、衍射等。
2.光学系统组成：透镜、镜片、光源、探测器等。
3.光学设计方法：几何光学、波动光学、数值光学等。
4.光学系统设计流程：需求分析、光学设计、光学仿真、优化等。
5.光学设计软件操作：Zemax、TracePro、LightTools等。
三、教学方法为实现课程目标，本课程将采用多种教学方法，如：1.讲授法：讲解光学基本概念、原理和定律，以及光学系统设计方法。
2.案例分析法：分析实际光学系统设计案例，让学生了解光学设计的过程和技巧。
3.实验法：让学生动手进行光学实验，培养实际操作能力和实验素养。
4.讨论法：分组讨论光学问题，培养学生的团队协作和沟通能力。
四、教学资源为实现课程目标，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的光学设计教材，如《光学设计》、《光学原理》等。
2.参考书：提供相关领域的参考书籍，如《光学手册》、《光学工程》等。
3.多媒体资料：制作课件、教学视频等，辅助学生理解和掌握光学知识。
4.实验设备：配置光学实验器材，如透镜、光源、探测器等，供学生进行实验。
5.光学设计软件：提供正版光学设计软件，如Zemax、TracePro、LightTools等，供学生学习和使用。
五、教学评估为全面、客观地评估学生的学习成果，本课程将采用以下评估方式：1.平时表现：评估学生在课堂上的参与程度、提问回答等情况，以了解学生的学习态度和实际水平。
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ppt课件
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。
光学设计知识点总结
光学设计知识点总结光学设计是一门研究和应用光学知识的学科，主要涉及光学设备的设计、优化和评估。
在光学设计过程中，我们需要掌握一些基本的知识点，以便能够准确地进行设计和分析。
本文将对几个重要的光学设计知识点进行总结，并进行适当的拓展。
一、光学成像理论在光学设计中，了解光学成像理论是非常重要的。
光学成像理论主要研究光线在透镜、反射镜等光学元件上的传播、折射和反射规律，以及成像的原理和条件。
其中，光的折射定律和瑞利准则是常用的理论基础。
此外，了解成像的质量评价指标，如分辨率、畸变和像差等也是必不可少的。
二、透镜设计透镜是光学系统中常用的一种光学元件，它能够将光线聚焦或发散。
在透镜设计过程中，需要了解透镜的基本参数，如焦距、孔径和曲率等，并掌握透镜成像的基本规律。
此外，透镜设计还需要考虑透射损耗、散射和吸收等因素，并进行适当的优化以达到设计要求。
三、光学系统设计光学系统是由多个光学元件组成，能够完成特定的光学功能。
在光学系统设计中，需要考虑光学元件的数量、排列和参数，以及它们之间的光学联系。
此外，还需要考虑系统的光学性能，如分辨率、聚焦误差和系统灵敏度等。
光学系统设计还可包括光源的选择和波前调控等方面。
四、光学材料选择在光学设计中，光学材料的选择对于系统的性能和成本起着至关重要的作用。
不同的光学材料有不同的折射率、色散性质和光学损耗等特点。
因此，了解各种光学材料的特性，并能够根据设计要求选择适合的材料是非常重要的。
此外，还需考虑光学材料的加工性能和稳定性等因素。
五、光学模拟与优化光学模拟和优化是光学设计过程中不可或缺的步骤。
通过光学模拟软件，可以对光学系统的性能进行预测和分析。
常用的光学模拟软件有Zemax、Code V等。
在模拟过程中，需要设置光学元件的参数、材料和光源等，并进行光学性能的评估。
根据模拟结果，可以进行后续的优化设计，以满足特定的需求。
光学设计是一门重要而复杂的学科，涉及的知识点广泛而深入。
【免费下载】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：( 1 )⎰⎰+-=ℑ=dxdy vy ux 2i y x f y x f v u F )](exp[),()},({),(πF (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)：（2）⎰⎰+=ℑ=-dudv vy ux 2i v u F v u F y x f 1)](exp[),()},({),(π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。
第4章光学
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。
精品文档-光学设计(刘钧)-第1章
第1章 绪论
4. 以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的 拼接与统算。若结果不合理，则应反复试算并调整各光组的位
5. 绘制各类图纸，包括确定各光学零件之间的相对位置，光 学零件的实际大小和技术条件。这些图纸为光学零件加工、检 验，部件的胶合、装配、校正，乃至整机的装调、测试提供依
第1章 绪论
第1章 绪论
1.2 光学系统设计的具体过程和步骤
1.2.1 光学系统设计的具体过程 1. 从光学系统对使用要求满足程度出发，制定光学系统合理
2. 光学系统总体设计和布局
第1章 绪论
3. 一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段 1) 选型 2) (1) 解析法(代数法) (2) 缩放法 3) 像差校正、平衡与像质评价
D tan
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f 100
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第1章 绪论
每一种知识都需要努力， 都需要付出，感谢支持！
第1章 绪论
知识就是力量，感谢支持！
第1章 绪论
一一一一谢谢大家！！
第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 光学设计的发展概况 1.2 光学系统设计的具体过程和步骤 1.3 仪器对光学系统性能与质量的要求
第1章 绪论
1.1 光学设计的发展概况
1.1.1 光学设计的概念 所谓光学系统设计，就是根据仪器所提出的使用要求，来
决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、 外形尺寸和各光组的结构等。 1.1.2 光学设计的发展概况
第1章 绪论
1.3.4 仪器的使用条件 望远镜的工作放大率应按下式选取: 0.2D≤Γ≤0.75D 有时对光学系统提出的要求是互相矛盾的。这时，应进行
深入分析，全面考虑，抓住主要矛盾，切忌提出不合理的要求。 例如在设计照相物镜时，为了使相对孔径、视场角和焦距三者 之间的选择更加合理，应该参照下列关系式来选择这三个参数:
(完整版)光学设计zemax
➢ 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。
学科教案光学设计
学科教案光学设计学科教案：光学设计导言光学设计是光学学科中的重要内容，它是指利用光学原理和相关知识来设计并优化光学系统的过程。
优秀的光学设计能够使得光学系统的成像质量更加优良，满足实际应用的需求。
本教案以学科教学的角度，将介绍光学设计的基本概念、步骤以及实际应用案例，以期帮助学生快速了解和掌握光学设计的基本知识。
第一章光学设计的基本概念1.1 光学设计的定义光学设计是指利用光学原理和相关知识对光学系统进行设计、优化和改进的过程。
它涉及到光线传播、成像、折射、衍射等光学现象的研究和应用。
1.2 光学设计的重要性光学设计在现代科学技术和工程领域中具有重要的地位和作用。
它不仅对于光学仪器的研制和生产具有指导意义，也对于光学通信、光学存储、光学显示等领域的发展提供了基础支撑。
1.3 光学设计的基本原理光学设计的基本原理包括几何光学原理、物理光学原理以及光学设计的数学方法和计算方法等。
几何光学原理是光线传播的一种简化描述，物理光学原理基于波动性质对光传播和成像进行研究，而数学方法和计算方法则是光学设计中常用的工具。
第二章光学设计的步骤2.1 光学设计的需求分析在进行光学设计之前，首先需要明确设计的具体需求，包括系统的光学参数、成像质量要求、设计的目标等。
只有明确需求，才能有针对性地进行后续的设计工作。
2.2 光学系统的初始设计根据光学设计的需求，进行初步的设计，包括光学元件的选择、布局的确定等。
在初始设计中，可以利用光学设计软件进行模拟和优化，以获得一个初步的理想设计。
2.3 光学系统的详细设计在初步设计基础上，进行详细的设计工作。
这包括光学元件的尺寸确定、系统的组装布局、光束的匹配和修正等。
通过精细的设计，可以进一步提高系统的光学品质。
2.4 光学系统的测试和验证完成详细设计后，需要进行光学系统的测试和验证工作，以验证设计的合理性和可行性。
通过实验数据的对比和分析，可以评估设计的优劣，并进行相应的改进。
光学设计总结知识点
光学设计总结知识点光学设计是一门综合性的学科，涉及光学原理、设计方法、软件应用等多个方面。
在光学设计中，掌握一些关键的知识点对于设计出高质量的光学系统至关重要。
本文将就光学设计的几个重要知识点进行总结，以帮助读者更好地理解和应用光学设计原理。
一、光学传输矩阵光学传输矩阵是光学设计中常用的一种数学工具，用于描述光线在光学系统中的传输规律。
光学传输矩阵能够将入射光线的位置、方向以及光线的传输路径等信息与出射光线的位置、方向等信息相联系。
通过光学传输矩阵，设计者可以快速计算光学系统中各个元件的参数以及光线的传输特性。
光学传输矩阵的计算方法多种多样，常见的有雅克比矩阵法、ABCD矩阵法等。
其中，ABCD矩阵法是最常用的一种方法，它基于光线的矢量表达，可用于描述球面透镜、薄透镜、光纤等光学元件的传输特性。
二、光学材料参数光学材料参数是指描述光学材料光学性质的一组参数，其中包括折射率、色散性质以及吸收性质等。
在光学设计中，准确地了解和使用光学材料参数是非常重要的。
不同的光学材料具有不同的折射率、色散性质和吸收性质，这些参数对于光学系统的设计和性能有重要影响。
折射率是光学材料重要的光学参数之一，它描述了光线在材料中的传播速度和传播方向的变化情况。
对于不同的波长和入射角，光的折射率一般是有变化的，因此在光学设计中需要考虑光学材料的色散性质。
三、光学设计软件光学设计软件是进行光学系统设计的重要工具，它能够帮助设计者进行光线追迹、光学优化以及系统性能分析等工作。
目前市场上存在着众多的光学设计软件，其中一些常用的有ZEMAX、CODE V、LightTools等。
在使用光学设计软件时，设计者需要了解软件的使用方法以及相关光学原理和设计原则。
只有熟练掌握光学设计软件的使用技巧，并结合光学设计的基本知识，才能更好地进行光学系统设计和优化工作。
四、光学系统的图像质量评价光学系统的图像质量评价是光学设计中的一个重要环节，它用于评估光学系统产生的图像质量是否满足设计要求。
光学设计 课程设计
摘要本课程的任务是在学习工程光学基础、光学测试技术等技术基础课程的基础上，进行光学仪器的设计，目的是了解光学设计中主要的环节，掌握光学仪器设计、开发的基本方法，以便今后能从事光学仪器的设计、研发工作。
本课程主要研究光学仪器设计中的基本部分，如：光源、目镜、物镜、分化板等，以及光学仪器设计中考虑的基本问题，如：物象位置关系、系统放大倍数、系统分辨率、相差等。
课程涉光学基础、光学测试技术、误差理论及数据处理、精密仪器设计等多方面。
了解光学系统的光学特性、光学系统的设计过程。
初级像差理论与像差的校正和平衡方法，像质评价与像差公差，光学系统结构参数的求解方法。
望远物镜设计的特点、双胶合物镜结构参数的求解和光学特性。
目镜设计的特点、常用目镜的型式和像差分析。
关键词：光学系统成像质量像差像距望远镜目录第一章设计要求 (1)第二章基本原理及参数计算 (2)1.望远系统的尺寸计算 (2)2.用PW法计算物镜 (7)3.用PW法计算目镜 (13)第三章像差优化及分析 (14)1.初始像差 (17)2.优化后像差 (19)3.像差比较及分析 (22)第四章结论 (23)第五章参考文献 (24)第一章设计要求望远系统是用于观察远距离目标的一种光学系统，相应的目视仪器称为望远镜。
望远系统一般是由目镜和物镜组成的，有时为了获得正像，需要在物镜和目镜之间加一棱镜或者透镜式转像系统。
本课程设计的内容即为透镜式转像系统。
该透镜转像望远系统的设计要求如下：视放大率为8倍视场角2w=10°出瞳直径D`=4mm渐晕系数K=1/4入瞳距离Lz=-50mm镜筒长度L=1000mm要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差入瞳，出瞳位置不在物镜与目镜上面第二章 基本原理及参数设计1.望远系统的尺寸计算所谓透镜转像系统，就是放置在物镜实像面后的使像再一次倒转成为正像的透镜系统。
它的物平面和物镜的像平面重合，像平面与目镜的前焦面重合。
在有些光学系统中，如潜望镜，内窥镜需要放置透镜转像系统以增加仪器的筒长。
精品文档-光学设计(刘钧)-第2章
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。
精品文档-光学设计(刘钧)-第6章
(4) 系统的外形尺寸计算。 ① ● 主反射镜曲率半径的计算。 主镜的初始结构尺寸由下式确定：
R3 D
2.107
D f
第6章 望远镜物镜设计
伽利略望远镜的成像关系如图6-3所示。
图6-3 伽利略望远镜的成像关系图
第6章 望远镜物镜设计
刻普勒望远镜是1611年在刻普勒所著的光学书上首先介 绍的，于1615年建造而成。早期的刻普勒望远镜并没有考虑 消色差的问题，它的物镜和目镜都是用单块正透镜构成的。设 物镜和目镜所用的玻璃都是ν值小于60的，则单透镜产生的色 差为
第6章 望远镜物镜设计
(2) 根据焦距计算缩放比K:
K f设 计焦距 f现 有焦距
最好K>1
(3) 将现有结构中的所有线量(r，d，D，l，lz，y， δL，…)放大K倍，角量(如ω，sinu)和相对量(如δy′、
z/y′)不变。
第6章 望远镜物镜设计
(4) 估计使用条件下的像差和瞳孔位置的变化。 所选结构被放大后，所有线量像差进而也随之被放大，原 有结构的使用条件不可能与现在的使用条件完全相同，但可根 据原来使用的孔径和视场及像差曲线的趋势，推算出新的使用
1 1 1 L d l1 ' d f2 '
第6章 望远镜物镜设计
2. 反射式物镜 1) 它由一个抛物面主镜和一块与光轴成45°的平面反射镜构 成，如图6-10所示。抛物面能把无限远的轴上点在它的焦点 F′成一个理想的像点。第二个平面反射镜同样能理想成像。
第6章 望远镜物镜设计
图6-10 牛顿反射式物镜
2y′=2f′ tanω (6-12)
在刻普勒望远镜中，目镜的口径足够大时，光束没有渐晕 现象，这是因为视场光阑与实像平面重合的缘故，则系统的入 射窗与物平面重合。但是，在大视场和大孔径望远镜中，目镜 的口径可以适当地减小，使边缘视场的成像光束直径小于中心 点成像光束的直径，渐晕系数可达50％。这样一来，有利于结 构尺寸的减小，也有利于轴外成像质量的提高。有渐晕现象的 望远镜如图6-4
光学设计第一牛人的光学设计讲义概要
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
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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） _____
光学设计 ppt课件
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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。
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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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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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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。
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。
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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 。
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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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。
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，光焦度和主平 面。 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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
*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。
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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)；
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