工程光学 几何光学与光学设计
几何光学像差光学设计第三版课程设计
几何光学像差光学设计第三版课程设计一、前言几何光学像差光学设计是光学工程领域的一门重要课程，它是研究如何通过设计光学元件来达到良好的成像效果的学科。
本次课程设计主要探究几何光学像差理论的应用，以及如何进行基于几何光学像差理论的光学设计。
二、课程设计目标本次课程设计的主要目标是学生能够掌握几何光学像差理论的关键概念和计算方法，能够使用光学设计软件进行基于几何光学像差理论的光学元件设计，并且能够进行仿真分析和实验验证。
三、课程设计内容1. 几何光学像差理论本部分主要介绍几何光学像差理论的基本概念和计算方法，包括球差、色差、畸变以及场曲等内容。
2. 光学设计软件的使用本部分主要介绍Zemax、Code V等光学设计软件的基本使用方法，包括建模、优化和分析等方面的知识。
3. 光学元件的仿真分析本部分主要介绍如何使用光学仿真软件进行光学元件的模拟分析，包括成像质量、波前畸变等指标的计算及其评价。
4. 实验验证本部分主要介绍如何使用实验验证手段进行光学元件设计方案的验证，包括实验室操作技巧和实验数据分析等方面的内容。
四、课程设计流程课程设计流程如下所示：1.学习几何光学像差理论及其计算方法；2.使用光学设计软件进行基于几何光学像差理论的光学元件设计；3.对光学元件进行仿真分析，并进行成像质量和波前畸变等方面的评价；4.制作实验样机，并进行实验验证；5.对实验结果进行数据分析和讨论，并完善光学元件设计方案。
五、评分方式本次课程设计评分方式如下所示：1.光学元件设计的创新性及实用性（30%）；2.光学元件仿真模拟分析结果（30%）；3.实验验证结果及数据分析（30%）；4.实验报告撰写质量（10%）。
六、参考书目•刘瑜，金志海，邢安义. 光学设计基础[M]. 北京：电子工业出版社，2015.•黄维. 光学设计与计算[M]. 北京：科学出版社，2018.•刘耿辉. 光学设计基础及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2019.结语通过本次课程设计，相信学生能够对几何光学像差理论及其应用有更深刻的理解和掌握，为今后的光学工程研究和实践打下坚实的基础。
《工程光学》教学大纲(0807408002)
《工程光学》课程教学大纲课程代码：0807408002课程名称：工程光学英文名称：Engineering Optics学分：4 总学时：64讲课学时：56 实验学时：8上机学时：0 课外学时：0适用对象：光电信息科学与工程专业学生先修课程：大学物理、高等数学学生自主学习时数建议：128一、课程性质、目的和任务工程光学课程是一门专业基础课，是光学设计、光电成像技术、光电检测和光学测量等专业课的先修课程。
本课程主要讲授几何光学和物理光学方面的基本理论、基本方法和典型光学系统实例及应用。
通过本课程的学习，学生能对光学的基本概念、基本原理和典型系统有较为深刻的认识，为学习光学设计、光信息理论和从事光学研究打下坚实的基础。
二、教学基本要求1、掌握几何光学的基本定律与成像理论；2、了解球面光学成像系统的基本知识；3、掌握理想光学系统和平面光学系统的基本理论，了解典型光学系统和现代光学系统的结构；4、理解光学系统的像质评价，光的衍射与傅里叶光学知识；5、掌握光波的特性，了解光的干涉、光的衍射，光扁振和光调制的内容；三、教学内容第一章几何光学基本定律与成像概念1、教学内容（1）几何光学的基本定律1．几何光学的点、线、面；2．几何光学的基本定律；3．费马原理；（2）光学系统的物像概念2、重点和难点（1）重点：费马原理（2）难点：实物、实像、虚物、虚像的概念及分辨第二章理想光学系统1、教学内容（1）理想光学系统的基本理论（2）理想光学系统的基点与基面1．无限远的轴上物点与像方焦点；2．无限远的轴上像点与物方焦点；3．主平面；4．光学系统的焦距；5．理想光学系统的节点；（3）理想光学系统的物像关系1．作图法求像；2．解析法求像；（4）理想光学系统的多光组成像1．多光组成像的一般过程；2．多光组系统的等效系统；3．双光组组合；4．双光组组合的应用实例；（5）实际光学系统的基点和基面1．实际光学系统的基点和基面；2．实际光学系统的基点和基面；2、重点和难点（1）重点：图解法求像的方法、解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）（2）难点：理想光学系统的放大率概念及公式，理想光学系统两焦距之间的关系，理想光学系统的组合公式和正切计算法第三章平面与系统1、教学内容（1）平面镜1．单平面镜的成像特性；2．双平面镜的成像特性；（2）反射棱镜1．反射棱镜的类型；2．棱镜系统成像的物像坐标变化；3．反射棱镜的等效作用与展开；（3）平行平面平板1．平行平板的成像特性；2．平行平板对光纤位移的计算；3．平行平板的等效空气层；4．共轴球面系统与平面棱镜系统的组合；（4）折射棱镜与光楔1．折射棱镜；2．光楔；2、重点和难点（1）重点：平面镜的成像特点和性质，平面镜的旋转特性，光学杠杆原理和应用（2）难点：折射棱镜的作用，其最小偏向角公式及应用，光楔的偏向角公式及其应用第四章光学系统中的光阑和光束限制1、教学内容（1）概述（2）孔径光阑1．孔径光阑的判断；2．入射光瞳和出射光瞳；（3）视场光阑1．视场范围的计算；2．渐晕及其相关计算；3．入射窗和出射窗；（4）渐晕光阑与场镜1．渐晕光阑；2．场镜；（5）景深与焦深1．景深；2．焦深；3．远心光路；2、重点和难点（1）重点：渐晕、渐晕光阑、渐晕系数的定义及渐晕光阑和视场光阑的关系；孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系（2）难点：望远系统的基本结构、成像关系和光束限制第五章光度学和色度学基础1、教学内容（1）光度学中辐射量和光学量的定义、单位，光度学基本量的定义和单位，辐射量和光学量的关系（2）光传播过程中光学量的主要变化规律（3）颜色的基本概念、性质、定律（4）CIE标准色度学系统简介2、重点和难点（1）重点：光度学中的定义（2）难点：光传播过程中光学量的主要变化规律第六章光线的光路计算及像差理论1、教学内容（1）相差的定义、种类和消像差的基本原则（2）单个折射球面的不晕点（齐明点）的概念和性质，求解方法（3）7种几个像差的定义、影响因素、性质和消像差方法（4）波像差的定义及其与几何像差的关系2、重点和难点（1）重点：像差的定义、种类和消像差的基本原则（2）难点：7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法第七章典型光学系统1、教学内容（1）正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征，校正非正常眼的方法，眼睛调节能力的计算（2）视觉放大率的概念、表达式及其意义，与光学系统角放大率的异同点（3）放大镜的视觉放大率（4）显微镜系统的概念和计算公式，包括：1)组成、成像关系、光束限制 2)视觉放大率公式 3)视场公式 4)数值孔径和出瞳 D' 5)物镜的分辨率 6 )显微镜的有效放大率 7)物镜的景深 8)视度调节：（5）临界照明和坷拉照明（6）望远系统的概念和计算公式，包括： 1)组成、成像关系、光束限制 2)视觉放大率公式 3)分辨率与视觉放大率的关系 4)有效分辨率和工作分辨率（7）摄影系统的概念和计算公式，包括： 1)组成、成像关系、光束限制 2)摄影物镜的3个主要参数及其影响作用 3)分辨率公式 4)光圈的定义及其与孔径光阑、分辨率、像面照度、景深的关系 5)景深公式及其影响因素 6)摄影物镜的种类（8）投影系统的概念和计算公式，包括： 1)系统的基本要求 2)主要光学参数 3)其照明系统的衔接条件2、重点和难点（1）重点：放大镜、显微镜、望远镜、照相机、投影仪的结构及成像（2）难点：光学系统外形尺寸计算、分辩率、变焦距光学系统第八章光的电磁理论基础1、教学内容（1）光波的特性1．麦克斯韦方程组；2．物质方程；3．电磁波动方程；（2）几种简单的光波场1．简谐平面波；2．球面波和柱面波；3．电磁场的能量和能流；（3）光波的叠加1．波的叠加原理；2．同频率、同振动方向单色光波的叠加；3．频率相同、振动方向垂直单色光波的叠加；4．不同频率单色光波的叠加；（4）光在两种介质分界面上的反射和折射1．电磁场的边界条件；2．反射定律和折射定律；3．菲涅尔公式；4．菲涅尔公式的讨论；2、重点和难点（1）重点：电磁波的平面波解，包括：平面波、简谐波解的形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质等（2）难点：波的叠加原理及4种情况下两列波的叠加结果、性质分析第九章光的干涉1、教学内容（1）光的干涉条件和杨氏干涉实验1．光波干涉条件；2．杨氏干涉实验；（2）干涉条纹的可见度1．双光束干涉时干涉条纹的可见度；2．光源的非单色性对干涉条纹可见度的影响；3．光源的大小对干涉条纹可见度的影响；（3）平板的双光束干涉1．干涉条纹的分类；2．等倾干涉；3．等厚干涉；（4）平板干涉的应用1．迈克尔逊干涉；2．泰曼-格林干涉仪和波面干涉技术；3．马赫—曾德尔干涉仪；（5）平行平板的多光束干涉及其应用1．平行平板的多光束干涉原理；2．干涉滤光片；2、重点和难点（1）重点：杨氏双缝干涉性质、装置、公式、条纹特点及其现象的应用（2）难点：平行平板的双光束干涉定域面、干涉装置、干涉条纹的性质和计算公式第十章光的衍射1、教学内容（1）的标量衍射理论1．衍射的基本概念；2．惠更斯—菲涅耳原理；3．两种典型的衍射；（2）菲涅耳衍射1．菲涅耳半波带法；2．菲涅耳波带片；（3）夫琅禾费衍射1．矩孔衍射；2．单缝衍射；3．单缝衍射因子的特点；4．多缝衍射；5．圆孔衍射；（4）光学成像系统的衍射和分辨本领1．望远镜的分辨率；2．照相物镜的分辨率；3．显微镜的分辨率；4．双光组组合的应用实例；（5）衍射光栅1．衍射光栅概述；2．几种典型的衍射光栅；2、重点和难点（1）重点：矩孔、单缝夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析（2）难点：圆孔夫琅和费衍射的光强分布公式和衍射条纹性质分析，成像系统的分辨本领第十一章光的偏振1、教学内容（1）偏振光的描述1．光波的偏振态；2．偏振度；3．偏振态的表示法；（2）各向异性介质中光波的传播特性1．晶体的光学各向异性；2．平面波在晶体中的传播；3．平面波在晶体上的双反射和双折射；（3）偏振器件1．偏振器；2．波片；3．偏振器件的数学描述；（4）偏振光的干涉（5）波导光学基础（6）光的量子性和激光基础2、重点和难点（1）重点：菲涅尔公式、布儒斯特定律和马吕斯定律（2）难点：各种起偏器、分束器和波片的结构、作用和工作原理四、实践环节设计(一)课内实验1、透镜焦距的测量实验2、光的干涉实验3、光的衍射实验4、光的偏振实验5、基于软件模拟设计单透镜、双透镜、牛顿望远镜等实验五、课外习题及课程讨论为达到本课程的教学基本要求，课内和课外习题（包括自测题）不应少于20题。
几何光学和光学设计
几何光学和光学设计几何光学是以光线为研究对象的光学学科，它使用光线传播的简化模型来研究光的传播规律。
根据光的传播特性，几何光学假设光是直线传播的，而不考虑光的波动性和粒子性，更多关注光的传播路径和光线的反射、折射、散射等规律。
几何光学主要应用于光学器件的设计和光学系统的布局，如透镜、反射镜、光纤等，常用于成像系统、光通信和光计算等领域。
而光学设计则是基于几何光学原理，通过计算机辅助的方法来实现光学系统的设计和优化。
光学设计涉及到光学元件的选材、形状和排列等问题，通过数学建模和光学软件的模拟计算，可以得到满足特定需求的光学系统。
光学设计从成本、性能和可行性等方面进行综合考虑，力求使光学系统具有高效率、高分辨率和低畸变等特点。
光学设计常应用于望远镜、显微镜、摄像头等光学仪器的设计与改进。
在光学设计中，通常会采用追迹法进行光线的追踪和模拟传播。
通过确定光线的路径和传播过程，可以得到光线在光学系统中的参数，如入射角、入射位置、发散角等。
通过光线参数的计算和比较，可以优化光学系统的设计和布局，如调整光学元件的位置、形状和材料等，以达到预期的成像效果或光场分布。
此外，光学设计还需要考虑光学元件的制造和装配等实际问题。
光学元件的制造过程中，常常会受到光学材料的限制、表面形貌的影响以及镀膜的特性等因素。
因此，光学设计师需要在光学参数的计算和光学元件的实际制造之间进行平衡，以便实现最佳的光学性能和制造工艺。
总之，几何光学和光学设计作为光学学科中的两个重要分支，互相依存、相互促进。
几何光学提供了光的传播基本规律和光线追踪的方法，为光学设计奠定了基础；而光学设计则通过光线追踪和优化计算，实现了光学系统的设计和改进，为光学应用领域提供了有效的技术支持。
在未来，随着光学技术的不断发展和进步，几何光学和光学设计将继续在光学领域中发挥重要的作用，推动光学科学和技术的进一步发展。
考研工程光学知识点归纳
考研工程光学知识点归纳工程光学是光学工程领域的一个重要分支，它主要研究光学系统的设计、制造和应用。
以下是考研工程光学的一些关键知识点归纳：一、光的波动性质- 光波的基本概念：波长、频率、速度。
- 光的干涉现象：双缝干涉、薄膜干涉。
- 光的衍射现象：单缝衍射、圆孔衍射、衍射光栅。
- 光的偏振现象：偏振原理、偏振器、偏振的应用。
二、光学成像理论- 几何光学基本原理：光线、光路、成像。
- 光学系统的分类：透镜、反射镜、折射镜。
- 薄透镜公式：焦距、物距、像距的关系。
- 光学系统的像差：球差、色差、像散、场曲、畸变。
三、光学仪器设计- 光学系统设计原则：分辨率、景深、视场。
- 光学系统性能评价：MTF（调制传递函数）、PSF（点扩散函数）。
- 光学系统设计方法：光线追迹、光学设计软件应用。
四、光学材料与元件- 光学材料的特性：折射率、色散、透过率。
- 光学元件的制造：透镜磨制、反射镜镀膜。
- 光学元件的测试：干涉仪、光学测试仪器。
五、现代光学技术- 光纤光学：光纤的传输原理、光纤通信。
- 激光技术：激光的产生、特性、应用。
- 集成光学：光波导、光电子集成技术。
六、光学测量技术- 光学测量原理：干涉测量、衍射测量。
- 光学测量仪器：干涉仪、光谱仪、光学显微镜。
- 光学测量技术的应用：表面粗糙度测量、位移测量。
七、光学系统的应用- 光学成像系统在医疗、科研、工业等领域的应用。
- 光学传感技术在环境监测、智能制造中的应用。
- 光学信息处理技术在图像识别、数据存储中的应用。
结束语：考研工程光学不仅要求对基础理论有深入的理解，还需要掌握光学系统设计、元件制造和应用的实践技能。
通过对这些知识点的系统学习和掌握，可以为未来的科研或工程实践打下坚实的基础。
工程光学课程设计题目
工程光学课程设计题目一、教学目标本节课的教学目标是使学生掌握工程光学的基本概念、原理和方法，培养学生运用光学知识解决实际问题的能力。
具体目标如下：1.知识目标：（1）了解光学的基本概念和原理；（2）掌握光的传播、反射、折射、干涉、衍射等基本现象；（3）熟悉光学仪器的基本结构和原理。
2.技能目标：（1）能够运用光学知识分析和解光学问题；（2）能够运用光学原理进行简单的光学设计；（3）具备实验操作能力和数据分析能力。
3.情感态度价值观目标：（1）培养学生对光学科学的兴趣和热情；（2）培养学生勇于探索、积极思考的科学精神；（3）培养学生团队协作和交流分享的好习惯。
二、教学内容根据教学目标，本节课的教学内容如下：1.光学基本概念和原理：光的传播、反射、折射、干涉、衍射等；2.光学仪器的基本结构和原理：望远镜、显微镜、摄像机等；3.光学问题的分析方法：几何光学、波动光学等。
三、教学方法为了达到教学目标，本节课将采用以下教学方法：1.讲授法：讲解光学基本概念和原理，引导学生理解光学知识；2.讨论法：分组讨论光学问题，培养学生的思考和表达能力；3.案例分析法：分析实际光学案例，提高学生运用光学知识解决实际问题的能力；4.实验法：进行光学实验，培养学生的实验操作能力和数据分析能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，本节课将准备以下教学资源：1.教材：《工程光学教程》；2.参考书：相关光学学术论文和书籍；3.多媒体资料：光学实验视频、图片等；4.实验设备：光学仪器、实验材料等。
以上是本节课的教学设计，希望能够帮助学生更好地掌握工程光学知识，提高实际操作能力。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，本节课将采用以下评估方式：1.平时表现：通过观察学生在课堂上的参与程度、提问回答、小组讨论等表现，评估其对光学知识的理解和运用能力；2.作业：布置相关的光学练习题，要求学生在规定时间内完成，通过作业的完成质量评估学生的掌握程度；3.考试：安排一次光学知识考试，包括选择题、填空题、计算题和实验题等，全面测试学生对光学知识的掌握情况。
工程光学复试知识点总结
工程光学复试知识点总结第一部分：基本概念1.1 光学基础知识光的概念、光的传播、光的反射和折射、光的波动性和粒子性等1.2 光的几何光学光的几何光学基本假设、光的几何光学基本定律、光的几何光学的典型应用1.3 光的物理光学光的物理光学基本原理、光的衍射和干涉、光的偏振等第二部分：光学系统设计2.1 光学成像系统设计成像系统设计的基本原理、成像系统设计的基本方法、成像系统设计的常见问题及解决方法2.2 光学仪器设计光学仪器设计的基本原理、光学仪器设计的基本方法、光学仪器设计的实际应用2.3 光学系统优化光学系统的成像质量评估、光学系统的成像质量优化、光学系统的成像质量控制第三部分：光学材料与元器件3.1 光学材料光学材料的基本特性、光学材料的分类与应用、光学材料的制备和加工技术3.2 光学元器件光学透镜、光学棱镜、光学偏振器件、光学滤波器件等光学元器件的基本原理、性能特点和制备工艺3.3 光学薄膜光学薄膜的基本原理、光学薄膜的设计和制备、光学薄膜的应用和发展趋势第四部分：光学测量与检测技术4.1 光学测量基础光学测量的基本原理、光学测量的基本方法、光学测量的常见问题及解决方法4.2 光学检测技术光学检测技术的基本原理、光学检测技术的基本方法、光学检测技术的实际应用4.3 光学测量仪器光学显微镜、光学干涉仪、光学光谱仪等光学测量仪器的基本原理、性能特点和使用方法第五部分：光学影像处理与分析5.1 光学影像处理基础光学影像处理的基本原理、光学影像处理的基本方法、光学影像处理的常见问题及解决方法5.2 光学影像分析技术光学影像分析技术的基本原理、光学影像分析技术的基本方法、光学影像分析技术的实际应用5.3 光学影像处理与分析软件常用的光学影像处理与分析软件的特点、功能和使用方法第六部分：光学工程应用6.1 光学传感技术光学传感技术的基本原理、光学传感技术的常见应用、光学传感技术的发展趋势6.2 光学通信技术光学通信技术的基本原理、光学通信技术的常见应用、光学通信技术的发展趋势6.3 光学图像识别技术光学图像识别技术的基本原理、光学图像识别技术的常见应用、光学图像识别技术的发展趋势综上所述，工程光学是应用光学理论和技术解决实际工程问题的一门重要学科，它涵盖了从基本光学理论到光学系统设计、材料与元器件、测量与检测技术、影像处理与分析、工程应用等多个方面的知识，具有广泛的应用领域和深远的研究价值。
工程光学名词解释。大二末考必备
工程光学名词解释一、几何光学（1）理想光学系统具有下述性质：①光学系统物方一个点（物点）对应像方一个点（像点）。
即从物点发出的所有入射光线经光学系统后，出射光线均交于像点。
由光的可逆性原理，从原来像点发出的所有光线入射到光学系统后，所有出射光线均交于原来的物点，这一对物、像可互换的点称为共轭点。
某条入射光线与对应的出射光线称为共轭光线。
②物方每条直线对应像方的一条直线，称共轭线；物方每个平面对应像方的一个平面，称为共轭面。
③主光轴上任一点的共轭点仍在主光轴上。
任何垂直于主光轴的平面，其共轭面仍与主光轴垂直。
④对垂直于主光轴的共轭平面，横向放大率（见凸透镜）为常量。
（2）入射瞳孔：由轴上物点发出的光线。
经过孔径阑前的组件而形成的孔径阑之像，即由轴上物点的位置去看孔径阑所成的像。
（3）出射瞳孔：由轴上像点发出的光线，经过孔径阑后面的组件而形成的孔径阑之像，即由像平面轴上的位置看孔径阑所成的的像。
（4）入光瞳直经：入光瞳直径等于物空间中用透镜单位表示的近轴像光阐的大小。
（5）出光瞳直径：出光瞳直径等于近轴像空间用透镜单位表示的近轴像光阐的大小。
近轴出光瞳的位置相联系于像表面。
（6）视场、视角：物空间中，在某一距离光学系统所能接受的最大物体尺寸，此量值以角度为单位。
（7）子午平面：在一个轴对称系统中，包含主光线与光轴的平面。
（8）数值孔径：折射率乘以孔径边缘至物面（像面）中心的半夹角之正弦值，其值为两倍的焦数之倒数。
数ˋ值孔径有物面数值孔径与像面数值孔径两种。
（9）物空间数值孔径：物空间数值孔径是度量从物方进入光线的散度。
数值孔径被定义作近轴边缘光线角的折射指数。
（10）球面像差：近轴光束与离轴光束在轴上的焦点位置不同而产生。
（11）渐晕、光晕：离轴越远（越接近最大视场）的光线经过光学系统的有效孔径阑越小，所以越离轴的光线在离轴的像面上的光强度就越弱，而形成影像由中心轴向离轴晕开。
（12）渐晕因子：渐晕因子是描述入瞳大小和不同场角位置的系数。
工程光学第一章基本定律与概念
球面光学成像系统
3
§1-1
一、光波与光线
几何光学的基本定律
•一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其 它情况均可以将光看成是电磁波。
•可见光的波长范围：380-780nm •单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，称 之为单色光； •复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光； •白光是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。
1 2 l l r
（二）成像放大率 y nl l
分析可见： ①α <0，表明当物体沿光轴移动时，像总是以相反的方向移动。 ②球面镜的拉赫不变量： J uyn uy uyn uy ③当物位于球面镜球心时，即l=r时。
y nl l dl nl 2 l 2 2 2 2 dl n l l u l 1 u l
u u i i 光路计算 结果为： l r 1 i u
则当l 一定时,u不论为何值，l′为定植。 表明轴上物点在近轴区内以细光束成像 是完善的。
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细光束成的完善像为高斯像。 通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯像面。其 位置由l′决定。 这样一对构成物像关系的点称为共轭点。
产生全反射的条件：
①光线从光密介质射向光疏介质，即: n n ②入射角大于临界角，即: I I m , sin I m n n 全反射有比一般反 射更优越的性能，
它几乎无能量的损 失，因此用途广泛。 光纤就是其中的一 种。
10
11
（五）光路的可逆性原理 即光线的传播是可逆的。
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指在近轴区，角放大率为一对共轭点光线与光轴的夹角 的比值。 u l n 1 u l n
工程光学课件第01章
波面：发光点发出的光波向四周传播时， 某一时刻其振动位相相同的点所构成的 面称为波阵面，简称波面。光的传播即 为光波波阵面的传播。 光束：几何波面与几何光线的关系：在 各项同性介质中，波面上某点的法线即 代表了该点处光的传播方向，即光沿着 波面法线方向传播，因此，波面法线即 为光线。与波面对应的所有光线的集合， 称为光束。
时，可以全反射传送，
i i0
时，光线将会透过内壁进入包层
26
定义 na sin i0 为光纤的数值孔径
够传送的光能越多。
i0
越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是光纤能
这意味着光信号越容易耦合入光纤。
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三、费马原理
费马原理与几何光学的基本定律一样，也是描 述光线传播规律的基本理论。 它以光程的观点描述光传播的规律，涵盖了光 的直线传播和光的折、反射规律，具有更普遍 的意义。 根据物理学，光在介质中走过的几何路程与该 介质折射率的乘积定义为光程。设介质的折射 率为n，光在介质中走过的几何路程为l，则光程 s表示为
同心光束：通常波面可分为平面波、
球面波和任意曲面波。与平面波对应的光
束成为平行光束，与球面波对应的光束称
为同心光束。
平行光束与同心光束
平面波面
球形波面
同心光束
平行光束
各类光束及对应的波面
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折射率：折射率是表征透明介质光学 性质的重要参数。我们知道，各种波长的 光在介质中的传播速度会减慢。介质的折 射率正是用来描述介质中光速减慢程度的 物理量，即：
c n v
这就是折射率的定义。
10
二、几何光学的基本定律
几何光学的基本定律决定了光线在一般 情况下的传播方式，也是我们研究光学 系统成像规律以及进行光学系统设计的 理论依据。 几何光学的基本定律有三大定律：
工程光学—光学系统设计1
对光学系统使用条件的要求
有时对光学系统提出的要求是互为制约的，甚至是矛盾的。 此时，应深入分析、全面考虑、抓住主要矛盾，切忌因为提 出不合理的要求导致设计任务非常困难完成，甚至根本无法 实现。
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化，应该参照下式来选取参数：
Cm
=
D tanw
f'
f' 100
Cm=0.22~0.26，常称为“物镜的质量因数”。
对光学系统经济性的要求
评价一个光学系统设计优劣的主要依据是：①成像质量、 ②复杂程度。即一个好的设计应是在功能（成像质量、光学 性能等）能满足用户要求的情况下，追求结构最简单化（成 本最低化）。
在光学系统设计中应用价值工程的原理，对提高光学仪器产 品质量和降低产品成本有重要的意义。
为了简化各种类型光组的外形尺寸计算，可以把光学系统 看成是由一系列薄透镜组成的光学系统，经过简化后的光 学系统可以用理想光学系统的理论和公式进行计算。
但是，不是所有的光学系统或光组都可以看成是薄透镜光 组，如广角物镜、大数值孔径的高倍率显微物镜等。
对光学系统外形尺寸的要求
在进行光学系统的外形尺寸计算时，除了要保证使用条件 决定的基本光学特性外，还要考虑其在技术上和物理上可 否实现，并且要和机械结构、电气系统有很好的匹配，还 要具有良好的工艺性和经济性。
价值工程公式：
V= F C
V是价值（Value）；F是功能（Function）；C是成本（Cost）
光学系统的像差概述
• 实际使用的光学系统对一定大小的物体所成的像是不完善
光学设计基础
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。
《工程光学》课件
光学信号处理原理
光学信号处理概述 简要介绍了光学信号处理的基本 概念和原理，包括光波的干涉、 衍射、傅里叶变换等方面的知识 。
全息术与光学信息处理 简要介绍了全息术的基本原理和 应用，以及光学信息处理技术的 发展和应用前景。
干涉测量技术 详细介绍了干涉测量技术的基本 原理和应用，包括干涉仪的结构 和工作原理、干涉图样的分析和 解释等方面的知识。
的发展提供了新的机遇和挑战。
工程光学在各领域的应用
能源领域
太阳能利用、激光焊接、激光切割等 。
通信领域
光纤通信、光网络技术等。
环境监测领域
光谱分析、大气污染监测等。
生物医学领域
医学成像、光谱诊断、激光医疗等。
CHAPTER 02
工程光学基础知识
光的本质与传播
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。 其电磁场振动方向与传播方向垂直， 表现出横波的特征。
显微镜
介绍了显微镜的基本原理和结构，包括透射光显微镜和反 射光显微镜等类型，以及显微镜的性能参数和选择方法。
激光器
简要介绍了激光器的基本原理和结构，包括气体激光器、 固体激光器、光纤激光器等类型，以及激光器的性能参数 和应用领域。
光学系统设计原理
光学系统设计基础
介绍了光学系统设计的基本概念和原则， 包括光学材料、光学镀膜、光学元件加工
光学信息处理实验
研究光学信息处理技术，如傅里叶 变换、光学图像处理等，掌握光学 信息处理系统的基本构成和操作方 法。
光学系统设计与制造实践
光学系统设计实践
通过实践了解光学系统设计的基本原理和方法，掌握光学设 计软件的使用技巧，熟悉光学元件的选择和加工工艺。
光学制造工艺实践
几何光学和光学设计
几何光学和光学设计一、几何光学几何光学，是指用几何学方法研究光的传播方式以及光线的反射、折射、衍射等现象的学科，常用的数学思想为几何光学提供了理论支持，使我们能够充分理解光容易传播的规律，并可以计算出光线在转弯、折射和反射时实际会遵循的传播路线（Ray tracing），以及光线在几何条件发生改变时将出现的隐含现象（Hidden effect）等。
几何光学的理论支撑方面包括：基本的光线的传播定律，具体指的是光线在传播过程中存在的最小粒子属性、以及光线受环境介质影响后实际表现的一系列物理现象；还有系统的几何光学计算方法包括衍射折射现象的分析、板面和曲面上形成的光学系统分析、反射和传播过程中次精度的系统表征等。
几何光学在光学设计中起着至关重要的作用：几何光学概念本身能够提供对光源传播路径进行全面描述和分析的理论支撑；几何光学方法得以充分应用，可以有效地实现让我们更加精确地计算光线的衍射、折射、反射等现象带来的光学效果；运用几何光学的理论支撑可以更容易地实现光学系统的精确设计以大大提高其光学性能，从而达到高效的光学设计目的。
二、光学设计光学设计是指运用光学元件以及各种几何计算来最大化地满足用户需求，并实现其视觉效果、照明效果等，还能够使光走向预期的方向，允许光去往在用户设定中容易传输的方向，以期达到光学效果的设计目的。
为了实现光学设计的精确表示，光学设计者会把光的传播和反射路线精确的绘制出来，并针对性的使用几何光学的理论，将大型的光学系统分解为多个简单的子系统，以便困难的光学计算能够得以有效简化实现。
当进行光学设计时，需要注意以下几个方面：首先，要界定最重要的特性和参数，它们会对光学设计期间的计算进行影响；其次，计算复杂的光学系。
工程光学课程设计
利用激光进行距离测量，具有测量范围广、精度高等优点。
光学显微镜
用于观察微小物体或结构，可提供高放大倍数和高分辨率的图像 。
光学检测技术应用实例分析
表面形貌检测
利用光学干涉或衍射原理检测物体表面的微观形貌，如表面粗糙度 、波纹度等。
光学零件检测
对光学零件如透镜、棱镜等进行检测，以确保其光学性能和质量符 合要求。
本课程共分为理论教学和实验教学两部分。理论教学主要讲解工程光学的基本理论和基本方法，实验教学则是通 过一系列实验来巩固和加深对理论知识的理解。此外，还将安排一些课程设计和课外实践活动，以提高学生的实 践能力和创新能力。
02
光学基础知识
光的传播与基本性质
01
02
03
光的直线传播
光在同种均匀介质中沿直 线传播，这是光的基本传 播规律。
光学元件与材料
了解了各类光学元件（如透镜、反射镜、 滤光片等）的工作原理和特性，以及常用 光学材料的性质和应用。
学生成果展示与评价
课程设计作品
学生们成功完成了多个具有创新性的工程光学设计项目，如高精 度光学测量系统、微型光谱仪等。
学术成果
在课程期间，学生们积极参与学术交流和研讨，发表了多篇学术论 文，并获得了多项专利。
通过实验现象的观察和分析，帮助学生深化对工 程光学基本理论的理解，提高分析问题和解决问 题的能力。
培养实践创新能力
鼓励学生自主设计实验方案，探索新的实验方法 和技术，培养实践创新能力和科学探索精神。
工程光学实验内容与方法
基础性实验
包括几何光学实验（如光的反射、折射、全反射等）、物理光学实验（如光的干涉、衍射 、偏振等），通过实验现象的观察和分析，验证工程光学的基本理论和定律。
工程光学—光学系统设计概述课件
① 单薄透镜的 SIV由 所决定。 ② SIV与 同号，与薄透镜形状无关。一般不为零。所以单 薄透镜不能校正匹兹凡和。
工程光学—光学系统设计概述
25
光学系统的几何像差——场曲(像面弯曲)
场曲的校正
薄透镜系统的匹兹凡和：
①接触的薄系统： 一般总光焦度大于0，折射率相差不大，匹兹凡和不可能为零。
②分离的薄系统： 正正分离对校正 SIV更不利，正负分离可校正 SI。V
光学系统的几何像差——场曲(像面弯曲)
通过推导，可得光学系统场曲的公式：
å x
' p
=
-
1 2n'u'
SIV
SIV
=
j2
n¢ - n nn¢r
SIV 为第四赛得和数也叫匹兹凡和。 场曲的大小和视场的平方成正比。
工程光学—光学系统设计概述
24
光学系统的几何像差——场曲(像面弯曲)
场曲的校正
单个薄透镜的匹兹凡和：
第一项为初级球差，第二项为二级球差，第三项为三级球差，二级以上的球差都统称
为高级球差。A1（a1）、A2（a2）、A3（a3）分别称为初级球差系数、二级球差系数和三 级球差系数。
工程光学—光学系统设计概述
5
光学系统的几何像差——球差
球差的影响因素
大部分光学系统二级以上的更高级球差很小，可忽略， 其球差可近似用初级和二级球差之和表示：
lz/ :系统最后一光学面到出 射光瞳的距离 31
光学系统的几何像差——正弦差与彗差
正弦差
偏离等晕条件的程度用正弦差SC‘表示：
n sinU
dL'
SC' = b × n'sinU ' - 1- L '- lz/
天津大学《工程光学》学习指南
第一章几何光学的基本定律和成像概念一．教学要求通过本章4课时的授课，应使学生掌握几何光学的基本定律（光的直线传播定律、独立传播定律、反射定律和折射定律），光的全反射性质，费马原理、马吕斯定律以及二者与几何光学基本定律之间的关系；明确完善成像概念和相关表述；会熟练应用符号规则进行单个折射球面的光线光路计算，掌握单个折射球面和反射球面的成像公式，包括物像位置、垂轴放大率β、轴向放大率α、角放大率γ、拉赫不变量等公式及其各量的物理意义，并推广到共轴球面系统的成像计算。
二．重点难点1．几何光学的基本定律光是一种电磁波，它在介质中的传播规律可概括为以下四个基本定律：直线传播定律，独立传播定律、反射定律和折射定律。
4个定律的内容、实例和适用条件。
折射率的概念。
费马原理和马吕斯定律从另外的角度描述了光在介质中的传播规律，它们与几何光学的四个基本定律是完全等价的，可以相互推导证明。
2．成像的基本概念与完善成像条件光学系统的作用之一是对物体成像。
若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍为同心光束，该光束的中心即为该物点的完善像点。
物体上每个点经光学系统后所成完善像点的集合就是该物体经光学系统后的完善像。
物所在的空间称为物空间，像所在的空间称为像空间，物像空间的范围均为（-∞，+∞）。
物像有虚实之分，由实际光线相交所形成的物或像为实，由光线的延长线相交所形成的物或像为虚。
【其中物像空间和物像虚实的判断是难点】光学系统成完善像应满足以下三个条件之一：1）入射波面是球面波时，出射波面也是球面波。
2）入射是同心光束时，出射光也是同心光束。
3）物点及其像点之间任意两条光路的光程相等。
3．几何光学中的符号规则和单个折射球面的光线光路计算为保持几何光学公式的一致性和讨论问题的方便，特确定了如下的符号规则：1）光线的传播方向由左向右。
沿轴线段以折射面顶点为原点度量，若与光线的传播方向相同，其值为正，反之为负；2）垂轴线段以光轴为基准，在光轴以上为正，光轴以下为负；3）光线与光轴的夹角用由光轴转向光线形成的锐角度量，顺时针为正，逆时针为负；4）光线与法线的夹角用由光线转向法线形成的锐角度量，顺时针为正，逆时针为负；5）光轴与法线的夹角用由光轴转向法线形成的锐角度量，顺时针为正，逆时针为负；6）折射面间隔从前一面的顶点到后一面的顶点，与光线的传播方向相同，其值为正，反之为负。