第八章-光学系统的设计
光学系统设计
光学系统设计光学系统设计是一项复杂而重要的任务，它涉及到光学元件的选择、布局和优化，以及系统参数的确定和调整。
在光学系统设计中，考虑到的因素有很多，包括光源的特性、光学元件的性能、系统的限制等等。
本文将探讨光学系统设计中的一些关键问题，并介绍一些常见的方法和技巧。
首先，光学系统设计的第一步是电磁波的传播。
光学系统中的光源发出一束光线，光线在经过各种光学元件（如透镜、棱镜、反射镜等）后，最终到达像平面上。
而光线的传播遵循光的物理定律，如折射、反射、散射等。
因此，在光学系统设计中，需要对光线的传播进行准确的建模和计算。
在光学系统设计中，光学元件的选择和布局是非常重要的。
不同的光学元件有不同的功能和特性，如透镜用于聚焦、反射镜用于反射等。
根据系统的需求，需要选择合适的光学元件，并合理地布局它们，以实现系统的设计目标。
例如，如果要实现高分辨率的成像，可以选择高质量的透镜，并将其放置在适当的位置。
除了光学元件的选择和布局，光学系统设计还需要考虑系统的性能和限制。
例如，光学系统的分辨率、灵敏度、动态范围等参数对系统的性能有很大的影响。
因此，在光学系统设计中，需要进行系统参数的确定和调整，以实现设计要求。
这可以通过优化方法，如遗传算法、粒子群算法等来实现。
在光学系统设计中，光源的选择也是非常重要的。
光源的特性直接影响了光线的传播和成像质量。
根据不同的应用需求，可以选择不同类型的光源，如激光器、LED等。
同时，还需要根据系统的设计要求，合理选择光源的参数，如波长、功率等。
最后，在光学系统设计中，需考虑到光学系统的误差和校准。
在实际应用中，光学系统存在一些误差，如光学元件的偏差、噪声、散射等。
这些误差会导致成像质量下降，因此，需要对光学系统进行校准。
校准可以通过相机标定、反射板法等方法来实现，以提高系统的精度和稳定性。
综上所述，光学系统设计是一项复杂而重要的任务。
在设计过程中，需要考虑到光线的传播、光学元件的选择和布局、系统的参数和限制、光源的选择、系统误差和校准等。
光学系统设计原理
光学系统设计原理光学系统指的是由光学元件组成的系统，用于控制光的传输和成像。
在光学系统的设计中，需要考虑光学元件的选择、排列和调节等多个方面。
本文将围绕“光学系统设计原理”展开阐述，分步骤介绍光学系统设计的重要原理。
一、光路选择原理光路选择原理指的是在光学系统设计中应该考虑光路的选择。
首先需要确定光路的类型，例如是像差补偿型光路还是透镜型光路。
其次需要考虑光路的长度，长度越长，成像越清晰，但相应的成本也会越高。
最后需要考虑光路的结构，即光学元件的排列顺序和位置。
这里需要注意，光学系统的结构应该是连续的，即光线应该能够直接经过所有光学元件，避免出现光路中断或重合的情况。
二、光学元件选择原理光学系统中常用的光学元件包括透镜、棱镜、衍射光栅和反射镜等。
在选择光学元件时，需要考虑其折射率、直径和质量等因素。
透镜的折射率越高，成像越清晰，但同时也会导致反射镜的重量和体积增加。
棱镜的质量和直径也会影响成像效果，因此需要根据实际需求进行选择。
三、光学元件排列原理光学元件的排列顺序和位置对光学系统的成像效果也有很大的影响。
在排列光学元件时，需要注意以下原则：1. 透镜应该尽量靠近成像面，反射镜应该放在系统的尽头。
2. 光路应该尽可能直线，避免出现弯曲和交叉的情况。
3. 光学元件之间的距离应该尽可能远，避免出现干涉和散射等问题。
四、调节原理在光学系统设计中，需要对光学元件进行调节，以达到最佳成像效果。
调节光学元件时，需要注意以下原则：1. 光学元件需要垂直于光路，避免出现倾斜或旋转的情况。
2. 光学元件之间要保持一定的距离，避免出现干涉和折射等问题。
3. 调节光学元件时应该先调整较大的元件，然后再对小元件进行微调。
总之，在光学系统设计中，需要综合考虑光路选择、光学元件选择、光学元件排列和调节等多个因素，以获得最佳的成像效果。
同时还需要注意光学系统的制造和检测，保证系统的质量和可靠性。
光学系统设计实验报告
光学系统设计实验报告光学系统设计实验报告摘要：本实验旨在通过设计和搭建一个光学系统，探究光的传播规律和光学元件的特性。
通过实验，我们成功设计了一个光学系统，并对其进行了测试和分析。
实验结果表明，光学系统的设计和调整对于光的传播和成像具有重要影响。
引言：光学系统是由光源、光学元件和光学器件组成的系统，用于控制光的传播和成像。
光学系统设计是光学学科的重要分支，广泛应用于光学仪器、通信技术、光学显微镜等领域。
本实验旨在通过设计和搭建一个光学系统，探究光的传播规律和光学元件的特性。
实验方法：1. 准备实验所需材料和仪器，包括光源、透镜、反射镜、光屏等。
2. 搭建光学系统，根据实验要求确定光源和光学元件的位置和方向。
3. 调整光学系统，使光线聚焦在光屏上，并记录调整过程中的观察结果。
4. 测量光学系统的参数，如焦距、放大倍数等，并进行数据分析。
实验结果：通过实验，我们成功设计了一个光学系统，并对其进行了测试和分析。
实验结果表明，光学系统的设计和调整对于光的传播和成像具有重要影响。
首先，我们调整了光源的位置和方向，使光线能够尽可能均匀地照射到光学元件上。
然后，我们调整了透镜的位置和方向，使光线能够聚焦在光屏上。
在调整的过程中，我们发现透镜的位置和方向对于光的聚焦效果有着显著影响。
当透镜与光源的距离增加时，光线的聚焦效果会变差；而当透镜与光源的距离减小时，光线的聚焦效果会变好。
其次，我们测量了光学系统的参数，如焦距和放大倍数。
通过测量，我们发现透镜的焦距与其形状和材料有关。
不同形状和材料的透镜具有不同的焦距，从而影响光的聚焦效果。
此外，我们还测量了光学系统的放大倍数，发现放大倍数与透镜的焦距和物距有关。
当透镜的焦距增大或物距减小时，放大倍数会增大。
讨论：通过本实验，我们深入了解了光学系统的设计和调整原理，以及光的传播规律和光学元件的特性。
光学系统的设计和调整对于光的传播和成像具有重要影响，合理的设计和调整可以提高光学系统的性能和效果。
光学系统设计及其应用研究
光学系统设计及其应用研究光学系统是一种如今广泛应用于各种领域的技术，它可以将光学信息传输、转换和处理，将光的能量转化为电能、热能或机械能等不同类型的能量。
而光学系统设计则是针对不同的应用需求而设计出的光学系统，它可以通过优化光学系统的结构、元件的选择和组装方式等来提高光学系统的性能和效率，满足应用需求。
一、光学系统设计的原理和方法光学系统设计的原理是基于光学折射、反射、衍射等基础理论和光学元件的特性。
设计的方法主要可以分为两类：一种是理论模拟，通过光学软件（如Zemax、Code V等）来进行光学系统的设计、优化和评估。
另一种是实验验证法，在光学实验室中进行光学系统的组装和调试，通过实验数据来验证光学系统的性能。
在理论模拟中，设计者需要首先确定需求，比如光学系统的成像要求、波长范围、物距、焦距等参数，然后再根据需求选择合适的光学元件（如透镜、棱镜、反射镜、光栅等），确定它们的材料、形状、大小和放置位置。
在此基础上，设计者可以通过光学软件来进行光学系统的模拟和优化，比如光路分析、成像分析、光损耗计算等等，通过反复模拟和优化，最终得出一个理想的光学系统设计方案。
在实验验证法中，设计者需要先进行必要的实验前准备，比如选择合适的光学元件、光学仪器、光源等。
接着，通过合理的组装和调试，实验者可以直接观察到光学系统的表现，比如成像质量、衍射图形、光斑大小等等，并通过数据分析和比对来判断光学系统的性能是否符合要求。
如果需要进行优化，则需要通过调整光学元件的位置、大小、形状等参数来实现。
总之，无论是理论模拟还是实验验证，光学系统的设计都需要充分理解光学基础理论和光学元件的特性，合理选取光学元件，并进行合理的组装和调试，从而得出一个满足需求的光学系统设计方案。
二、光学系统设计的应用领域光学系统设计的应用领域非常广泛，以下介绍几个常见的领域：1. 光学成像系统光学成像系统是我们常见的相机、望远镜、显微镜等光学设备的基础，它可以将光学图像转化为电信号，再通过电子技术处理和显示出来。
工程光学—光学系统设计
o 光学设计的发展经历了人工设计和自动化设计 两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改 结构参数进行光学设计，到使用计算机和光学 自动优化设计程序进行设计的巨大飞跃。
二、光学设计基础
• 光学设计的发展概述 • 光学设计的过程与步骤 • 仪器对光学设计的要求 • 光学系统的像差概述
光学设计的发展概况
• 光学设计的概念
o 传统光学仪器日趋成为光学、机械、电子和计算机 一体化的现代智能化仪器，如数码相机、投影仪等。
o 对于一个光学系统而言，无论是成像系统还是照明 系统，光学设计是实现各种光学系统的重要基础。
常见的光学系统的基本特性参数有很多，如相对 孔径、数值孔径、F数、线视场、角视场、工作波段、 放大率、焦距、出瞳位置、入瞳直径、光阑位置、后 工作距离、共轭距、折射率、色散系数、透镜厚度、 透镜间距、透镜面型等。
对光学系统外形尺寸的要求
光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组 成、各组元的焦距、各组元的相对位置和横向尺寸。
一、光学系统简介
对光学系统的要求 成像质量，成像清晰； 物像相似，变形要小。
一、光学系统简介
• 绝大多数的透镜系统都有一条对称轴线，这样的 轴线称为“光轴”。无对称轴的光学系统称为 “非共轴系统”。
• 球面系统： 在各种不同形式的曲面中，球面和平面生 产较易，所以大多数光学系统中的光学零件 均由球面构成，这种光学系统称为球面系统。
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。
光学设计论文
第一章前言随着光学设计的发展，光学仪器已经普遍应用在社会的各个领域。
光学仪器的核心部分是光学系统。
光学系统成像质量的好坏决定着光学仪器整体质量的好坏。
然而，一个高质量的成像光学系统要靠良好的光学设计去完成。
光学设计的理论和方法也在发生着日新月异的变化。
光学是研究光的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。
光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。
光的本性也是光学研究的重要课题。
微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。
我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
所谓光学系统设计即设计出系统的性能参数、外形尺寸、和各光组的结构等，大体上分为两个阶段，第一阶段为“初步设计”或者“外形尺寸设计”，即根据仪器总体的设计要求，从仪器总体出发，拟定出光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性。
第二阶段称为“像差设计”，一般称为“光学设计”，即根据初步设计的结果，确定每个透镜的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成型质量成像质量的要求。
一个光学仪器工作性能的优劣，初步设计是关键，当然在初步设计合理的条件下，如果像差设计不当，同样也可能造成不良后果。
一个好的设计应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。
光学设计是20世纪发展起来的一门学科，至今已经经历了一个漫长的过程。
光学系统设计的具体过程：制定合理的技术参数，光学系统总体设计和布局，光组的设计（包括选型，初始结构的计算，像差校正、平衡与像质评价），长光路的拼接与统算，绘制光学系统图、部件图和零件图，编写设计说明书，进行技术答辩。
光学设计的设计步骤为选择系统的类型，分配元件的光焦度，校正初始像差，减小残余像差（高级像差）。
重复以上步骤，最终会找到一个满意结果。
本次设计主要采用ZEMAX光学设计软件已经专门的绘图软件、撰写公式的软件。
第8章 理想光学系统
4)对称轴共轭。即物空间和像空间存在一对唯 一的共轭对称轴。当物点A绕物空间的对称轴 旋转一个任意角α时，它的共轭像点A’也绕像 空间的对称轴旋转角度α，这样的一对共轭轴 称为光轴。 推论：物空间的任一同心光束必对应像空间的 一个同心光束；若物空间中的两点与像空间中 的两点共轭，则物空间两点的连线与像空间两 点的连线也一定共轭；若物空间任意一点位于 一直线上，则该点在像空间的共轭点必位于该 直线的共轭线上。 理想光学系统成像可作为衡量实际光学系统成 像质量的标准，还可成为实际光学系统设计的 初始计算。
f1 f1' xF
(8-23)
由于
' ' lF xF f 2'
lF xF f1
将(8-22)和(8-23)代入可得由主点H2’和H1确定的合 成光组的焦点位置：
f2 l f 1 ' f1 lF f1 1
f x' ' x f
x x1 xF x1 f1 f1' / ，与(8-26)式一起 图8-10可见，
代入垂轴放大率公式得：
f1 f 2 / f1 f 2 f ' x x1 f1 f1 / f1 f1' x1
(8-35)
如果光学系统处于同一介质中，垂轴放大率为：
f x' f ' x' l ' ' x f x f l
(8-12)
6.轴向放大率 理想光学系统的轴向放大率定义为：
dx ' dl ' dx dl
dx
(8-13)
第八章光学系统的像质评价和像差公差
第八章光学系统的像质评价和像差公差光学系统的像质评价和像差公差是光学设计中非常重要的内容，对于确保光学系统的成像效果和减小像差具有重要意义。
本文将从像质评价和像差公差两个方面进行详细介绍。
第一部分：像质评价在光学系统设计中，像质评价是衡量系统成像效果好坏的一项重要指标。
像质评价可以通过不同的参数来进行，如分辨率、畸变、像场曲率等。
1.分辨率：分辨率是指系统能够分辨出最小细节的能力。
在光学系统中，分辨率受到折射率、孔径、波长等因素的影响。
分辨率的提高可以通过增加系统的孔径、减小像散等方法来实现。
2.畸变：畸变是指光学系统成像时图像相对于参考图像的形变情况。
主要分为径向畸变和切向畸变两种。
径向畸变是指图像中心与边缘的变形情况，切向畸变是指图像的扭曲情况。
畸变的产生主要是由于光学元件的形状和定位误差导致的，可以通过优化元件设计和加强装配精度来减小畸变。
3.像场曲率：像场曲率是指光学系统各个像点的焦距随着物距的变化情况。
如果像场曲率过大，会导致成像不清晰，失去焦点。
可以通过调整透镜曲率半径、引入焦点平面等方法来改善像场曲率。
第二部分：像差公差像差是指光学系统成像时图像与理想像之间的差异，它是光学系统中不可避免的问题。
为了减小像差，需要对光学系统进行像差公差的设计和控制。
1.球面像差：球面像差是由于透镜表面的曲率或者抛物率与光线的入射角度不匹配导致的成像失真。
可以通过优化透镜表面形状和选择合适的材料来减小球面像差。
2.形状像差：形状像差是光学元件的形状不规则或者安装位置偏差导致的成像失真。
可以通过优化元件设计和加强装配精度来减小形状像差。
3.色差：色差是指透镜对不同波长的光具有不同的折射率，从而导致颜色偏差。
色差主要分为色散和像散两种。
色散是指透镜对不同波长的光具有不同的聚焦效果，像散是指不同波长的光成像位置不一致。
可以通过使用多片透镜组合、引入补偿透镜等方法来减小色差。
在光学系统设计中，像质评价和像差公差是重要的内容，对于确保系统的成像效果和减小像差具有重要意义。
光学系统课程设计
光学系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光学系统基本概念，掌握光学元件的作用和原理；2. 学会使用透镜公式和光路图分析光学系统；3. 了解光学成像的规律，掌握不同类型光学成像的特点；4. 掌握光学系统设计的基本方法和步骤。
技能目标：1. 能够正确使用光学仪器，进行光学实验操作；2. 能够运用透镜公式解决实际问题，分析光学系统性能；3. 能够根据给定的需求，设计简单的光学系统；4. 能够通过团队合作，完成光学系统设计项目。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光学现象的好奇心和探索精神，激发学习兴趣；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据和事实；3. 培养学生团队协作意识，提高沟通与交流能力；4. 培养学生环保意识，关注光学技术在环保领域的应用。
课程性质：本课程为物理学科选修课程，旨在帮助学生掌握光学基础知识，提高解决实际问题的能力。
学生特点：学生处于高中阶段，具备一定的物理基础和实验操作能力，对光学现象感兴趣，但需进一步培养探究精神和实践能力。
教学要求：注重理论联系实际，以实验为基础，引导学生通过观察、思考、实践，掌握光学系统设计的方法和技巧。
教学过程中，注重启发式教学，鼓励学生提问和讨论，提高学生的主动学习能力。
通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的学习和研究打下基础。
二、教学内容1. 光学基本概念：光的基本性质、光学元件（透镜、面镜）、光学成像分类；2. 透镜公式与光路图：透镜公式推导、光路图绘制、光学系统分析；3. 光学成像规律：实像与虚像、放大与缩小、成像位置与物距关系；4. 光学系统设计：光学系统设计方法、步骤、实例分析；5. 光学实验操作：光学仪器使用、实验操作技巧、实验数据处理；6. 光学技术应用：光学在日常生活、科技、环保等领域的应用案例。
教材章节关联：1. 与教材第二章“光的传播”相关，深化对光直线传播、反射、折射等概念的理解；2. 与教材第三章“光学成像”相关，学习透镜成像、面镜成像等知识点；3. 与教材第四章“光学仪器”相关，了解光学仪器的基本构造和原理。
光学系统设计
m
2897.8 T
λm以为μm单位 T以K为单位
6.2 光辐射源及特征 ——瑞利-金斯定律
M
(T)
C1
5
1
C2
eT 1
λT>>C2
M(T)CC21T4 2c4kT
6.2 光辐射源及特征 ——斯忒藩-玻尔兹曼定律
一个黑体辐射出射度M(T)与黑体本身的热力学温度Ｔ的四次方成正比，即： M(T)=σT4 式中σ=5.67051×10-8 (m2 K4)称为斯忒潘常数。
辐射通量， 辐射功率 辐射强度
辐射亮度
辐射出射度
辐射照度
符号 Q,
定义方程
单位 焦耳
符号 J
焦耳／立方米
3
w
wdQ/dv
瓦特
W
P
dQ/dt
Ｉ
瓦特／球面度
1
Id/d
Ｌ
瓦特／球面度/平方 2 1
Ld2 /d dc Ao s
米
Ｍ
＝ d/Idc Aos 瓦特／平方米
2
Md/dA
Ｅ
瓦特／平方米
2
Ed/dA
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
光度量的最基本单位 （光度量是度量使人眼产生视觉效果的辐射的量）
光出射度：光源上每单位面积向半个空间（2π球面度）内发出的光通量. 光亮度：表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的
发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
光度量的最基本单位 （光度量是度量使人眼产生视觉效果的辐射的量）
光量：表示光照的能量。 发光强度：光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。 单位：坎德拉（）［］，它是
光学系统设计范文
光学系统设计范文光学系统设计是一门研究光学现象和原理的学科，主要应用于光学仪器和设备的设计、制造和优化。
在现代科技发展中，光学系统设计在通信、医疗、工业和科学研究等领域起着重要作用。
本文将介绍光学系统设计的基本原理、步骤以及一些常见的应用实例。
光学系统设计的基本原理包括光的传播、折射、反射、吸收等光学现象。
光线经过透镜、反射镜、光纤等光学元件的组合和配置，可以实现光束的聚焦、分束、调制、衍射等功能。
设计者通常会利用光学设计软件来模拟和优化光学系统的性能，以满足特定的应用需求。
需求分析是光学系统设计的起点，设计者需要明确系统的功能需求和性能指标。
例如，光学系统的工作波长范围、分辨率需求、光强要求等。
光路设计是根据需求分析，确定光学系统的结构和布局。
设计者需要选择适当的光学元件并进行系统的布置。
常用的光学元件包括透镜、反射镜、光纤等，不同的光路设计可以实现不同的光学功能。
光学元件选型是在光路设计的基础上，根据实际需求选择适合的光学元件。
通过光学元件的参数比较和性能评估，设计者可以选择最佳的光学元件，以满足系统的需求。
系统优化是指对光学系统进行性能优化，以提高系统的成像质量、光强等。
优化的方法可以采用参数调整、光学元件更换等手段，通过模拟和实验验证来提高系统的性能指标。
在通信领域，光学系统设计用于光纤通信和光网络的构建。
光学系统设计师需要设计和优化光纤传输链路、光放大器、光开关等光学元件，以实现高速、高容量的光纤通信。
在医疗领域，光学系统设计用于医疗影像设备的设计和制造。
例如，X射线、CT、MRI等医疗影像设备都需要光学系统来接收、聚焦和检测光信号，以获取生物组织的影像信息。
在工业领域，光学系统设计用于光学仪器的制造。
例如，显微镜、激光切割机、光学传感器等都需要精密的光学系统来实现高分辨率、高精度的成像和测量。
在科学研究领域，光学系统设计用于实验仪器和装置的设计。
例如，激光器、光谱仪、显微镜等科研仪器都需要光学系统来实现特定的实验操作和测量。
光学系统设计
光学系统设计光学系统设计光学系统设计是指通过光学元件将光线进行控制和转换，以满足特定的光学需求。
在现代科技领域中，光学系统设计已经被广泛应用于各种领域，例如医疗、通信、测量、制造等。
本文将从以下几个方面详细介绍光学系统设计。
一、光学元件的选择和优化1. 光学元件的分类根据其功能和形状，光学元件可以分为透镜、棱镜、反射镜等。
其中透镜是最常用的光学元件之一，它可以将入射的平行光线聚焦成点或者将散开的光线汇聚成束。
2. 光学元件的选择原则在进行光学系统设计时，需要根据具体情况选择合适的光学元件。
一般来说，选择一个合适的光学元件需要考虑以下几个方面：（1）波长范围：不同波长的光线对应不同折射率和色散率，在选择透镜时需要考虑到使用波长范围。
（2）孔径大小：孔径大小直接影响到系统分辨率和透过能力。
在选择透镜时需要考虑到孔径大小。
（3）曲率半径：曲率半径决定了透镜的成像质量和聚焦能力。
在选择透镜时需要考虑到曲率半径。
（4）材料特性：不同材料的折射率、色散率、透过率等特性不同，需要根据具体情况进行选择。
3. 光学元件的优化方法在进行光学系统设计时，为了达到理想的光学效果，需要对光学元件进行优化。
常见的优化方法有以下几种：（1）球面形状优化：通过调整球面曲率半径和位置等参数，来达到最小化像差和提高成像质量的目的。
（2）非球面形状优化：通过调整非球面曲面参数来实现更高级别的像差校正。
（3）多元素组合优化：通过组合多个光学元件来实现更高级别的像差校正和成像质量提升。
二、光路设计和分析1. 光路设计原则在进行光路设计时，需要遵循以下原则：（1）保证光线传输路径上无遮挡物；（2）保证系统中各个光学元件之间的距离和位置精度；（3）保证系统中光线的传输方向和光路长度。
2. 光路分析方法在进行光路分析时，需要使用以下方法：（1）光线追迹法：通过计算入射光线的传输路径和折射角度等参数，来确定成像质量和像差情况。
（2）矩阵法：通过矩阵变换来描述光学元件之间的传输关系，从而计算出系统传输函数和成像质量。
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
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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/
光学系统设计
光学系统设计过程介绍关键词：光学系统设计光学传递函数象差所谓光学系统设计就是根据使用条件，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。
因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。
一、外形尺寸计算在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。
因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。
一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。
在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。
每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。
二、初始结构的计算和选择、初始结构的确定常用以下两种方法：1．根据初级象差理论求解初始结构这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。
2．从已有的资料中选择初始结构这是一种比较实用又容易获得成功的方法。
因此它被很多光学设计者广泛采用。
但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的初始结构。
初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成功。
一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。
三、象差校正和平衡初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线。
从象差数据分析就可以找出主要是哪些象差影响光学系统的成象质量，从而找出改进的办法，开始进行象差校正。
象差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成象质量要求为止。
四、象质评价光学系统的成象质量与象差的大小有关，光学设计的目的就是要对光学系统的象差给予校正。
光学系统的设计和优化
光学系统的设计和优化光学系统是指利用光学器件和光学原理来处理和传输光信号的系统，其中包括了光学器件的设计、光路的布局和光学参数的调节等等。
在现代光学技术的发展中，光学系统已经得到了广泛的应用，它不仅可以用于光学通信、成像、测量等领域，还可以在生物医疗、微纳器件等领域发挥重要的作用。
本文将介绍光学系统的设计和优化方法，希望能够为光学工程师和研究人员提供一些指导。
一、光学系统的设计步骤在进行光学系统的设计前，需要对其进行详细的规划和计算。
以下是光学系统的设计步骤：1.明确需求：根据实际需求和应用场景，确定光学系统所需要达到的光学参数和性能。
2.光学元件选择：确定光学系统中需要使用的光学元件，如透镜、棱镜、反射镜等等。
3.光路计算：根据光学元件的参数和布局，计算出光路的传输特性，包括光学路径、衍射、散射、折射等等。
4.光照度计算：计算射入系统的自然光照度和输出光照度，以及光学系统的透光率，以确定系统的性能和光学元件的尺寸。
5.优化设计：对比计算结果和实际需求，进行光学系统的优化设计，包括元件选型、参数调整、布局优化等等。
6.实验测试：在光学系统生产完成后，进行实验测试来验证其性能和参数是否达到预期。
二、光学系统优化的技术光学系统的优化是光学工程师所需要掌握的重要技术之一，因为它能够使光学系统更加高效和精确。
以下是一些光学系统优化的技术：1.光路设计优化：对光路进行优化设计，可以通过变换光学元件的位置、尺寸和数量来达到优化的目的。
2.反射镜调整优化：反射镜是光学系统中的重要组成部分，对反射镜的调整可以影响整个光学系统的性能表现。
3.透镜特性优化：根据透镜的特性和元件之间的距离来优化透镜的性能和调节球面透镜。
4.光源优化：有时使用不同的光源可以改变光学系统的性能，例如350nm-1800nm的光源可以提供光学系统更高的波段范围。
5.模拟光学系统：模拟光学系统的特点和性能可以节省设计成本，确定光学系统的性能和光学元件的尺寸。
光学设计知识点总结
一、光学系统设计的具体过程：二、像差1.在级数展开过程中，所忽略的高次项即表征了光学系统的实际像与理想像之间的差异，这种差异即为像差。
2..3 .1)对光能接收器的最灵敏的谱线校正单色像差;2)对接收器所能接收的波段范围两边缘附近的谱线校正色差;一）球差（孔径的函数）（球差是轴上点成像存在的唯一的一种单色像差）1.轴上一点发出的不同孔径和入射高度的光在通过光学系统后有不同的像距，就是球差δL'=L'-l'危害：球差带来的危害是一个圆形弥散斑，影响像的清晰度校正：1）单个正透镜产生负球差，单个负透镜产生正球差。
因此用正负透镜组合校正球差。
2）非球面校正球差；在zemax中，点击分析-杂项、轴向像差查看2.单个折射球面的无球差点：1）当L=0时，L'=0，即物点与球面顶点重合时不产生球差；2）当sinI - sinI' = 0，即I =I' = 0时，这时L = L' = r，即物点位于球面球心时，不产生球差。
3.）n nL rn'+=，n nL rn'+'='，22nL nn L nβ'=''＝，这一对共轭点称为不晕点，或齐明点4.球差的级数展开式：初级球差与孔径的平方成正比，二级球差与孔径的四次方成正比。
当孔径较小时，主要存在初级球差；孔径较大时，高级球差增大，即：241121 L A h A h δ'=+当光学系统物空间没有球差时，1''211'2kk k k L Sn u δ=-∑5.初级球差是孔径(h/h m )2的函数2412=m m h h δL A A h h ⎛⎫⎛⎫'+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，若对边光校正球差，0.707带光有最大剩余球差，其值等于边光高级球差的1/4，且反号，即070724.δL -A /'=。
最大剩余球差：带球差(特指0.707带孔径的球差)像差校正的实质：用初级像差与高级像差相互抵消（或平衡）的结果。
光学系统的设计与优化
光学系统的设计与优化光学系统是指由多个光学元件组成的光学设备，包括透镜、棱镜、平板玻璃等，用于实现对光的加工、转换和控制，是现代光学系统中不可或缺的组成部分。
一、光学系统的设计光学系统的设计是指根据应用需求和光学原理，确定光学元件的类型、数量和相对位置，以达到所需的光学效果。
光学系统设计的关键在于需要充分的理解光学元件的性质和行为，以及熟练使用光学设计软件进行模拟和优化。
在光学系统的设计中，常用的光学设计软件包括Zemax、CodeV等，这些软件通过输入光学设计参数和优化要求，输出最佳的光学元件组合。
设计时需要考虑到光学元件的质量、形状、表面状况等因素，以及对光学系统的稳定性和可靠性进行评估。
二、光学系统的优化光学系统的优化是指在设计完成后，对系统进行细节调整和性能提升，以达到更好的光学效果。
光学系统的优化包括元件的位置、角度和曲率等参数的微调，以及系统的光瞳位置、孔径比、场曲率等参数的优化。
在进行光学系统的优化中，常用的方式包括制备新的光学元件、对光学元件进行加工处理、改变光学元件的位置和角度等。
同时，还可以通过使用光源的不同波长和光强，来实现对光学系统的优化。
三、应用案例在实际应用中，光学系统设计和优化的应用非常广泛。
例如，光学望远镜的设计和优化就需要充分考虑到光学元件的质量、镜面形状等因素，以及对光学系统的稳定性和可靠性的要求。
类似地，激光切割机、激光打标机等光学设备的设计和优化也是必不可少的环节。
以光学显微镜为例，其光学系统的设计和优化是实现高分辨率、高清晰度成像的关键。
在显微镜的设计中，需要考虑到光路长度、聚焦距离、图像对比度等因素，并通过优化光学元件的位置和角度等参数，来提升系统的成像质量。
四、总结在现代光学技术中，光学系统的设计和优化是实现各种光学设备的关键。
通过充分了解光学元件的性质和行为，并精通光学设计软件的使用，可以实现对光学系统的精准设计和优化。
随着光学技术的不断发展，光学系统的设计和优化也将不断推进，为人类社会带来更多的科技进步和生活便利。
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§ 8－1常用光学设计软件
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现代光学设计软件的特点
通用性强
共轴和非共轴系统；各类常规和复杂表面（球面、 平面、非球面、二元面等）；材料种类；孔径形 状等。
分析能力强
几何像差；波像差；点列图；传递函数；热分 析；公差分析等。
优化能力
像差自动平衡和优化；边界条件和评价函数灵活
图形界面
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8
LightTools
与CODE V同公司。 可操作性强，建模功能强大。具有优化功能。
两类软件的区别
前者针对成像系统和像差分析；后者针对非成 像系统和非序列光线追迹。 前者侧重优化；后者侧重仿真分析。
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§ 8－6 光学系统设计实例
南开大学现代光学研究所
投影物镜设计实例
指标要求
焦距 相对孔径
14 mm 1:2.4
视场角2ω 放大率
54度 27×
后工作距离
21 mm
畸变
<1%
MTF
> 60%@36 lp 照度均匀性
选择初始结构
>95%
双胶合前组＋双高斯后组
输入基本参数
系统参数；波长；视场；各面形参数
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初步分析
自动优化
Solves Merit function Optimization
评价与分析
Ray fans Spot diagram OPD fans Aberrations
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7
其他光学分析软件
ASAP
由美国Breault Research Organization Inc(BRO)公司开发。 强大的光线追迹和计算功能，用于杂光分析和 照明系统设计。
TracePro
与OSLO同公司出品。 容易入门，分析功能强大。
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Lens Data Editors
Merit Function Editors
Surface type Radius Glass Thickness Semi-diameter Conic Parameters
Operand Type Target Weight Value Contribute
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面形偏差
被检光学表面相对于参考光学表面（工作样板） 的偏差。
半径偏差：对于参考光学表面曲率半径的偏 差；用光圈数N表示，N的数值表示最大半径 偏差的数值。
像散偏差：两个相互垂直方向上产生的光圈数
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光学零件的外径和最小厚度
外径余量
光学零件除满足通光口径要求，还要为安装、 支撑和固定提供一定的外沿宽度，即为外径余 量。 根据不同的固定方式采用不同的外径余量。 需要在像差校正阶段给予一定的考虑，否则会 产生边缘厚度过小等问题。
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§ 8－4 ZEMAX光学设计软件
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界面介绍
菜单和主要功能
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光学零件材料的要求
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光学零件的其他工艺要求和公差
光学零件表面疵病
指表面的麻点、擦痕、开口气泡、破边及破点。 符号B
中心误差
光学表面定心顶点处法线与基准轴（通常光轴） 的偏离量，符号χ（单位分） 用偏心差c表示（焦点像跳动圆半径，单位mm）
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§ 8－5 ZEMAX光学设计基础
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单透镜设计
指标要求
F/#=4； 焦距f’=100mm；（可知口径25mm） 平行光入射； 可见光波段；
输入参数
口径；波长；视场； 初始面形参数：R=100mm；BK7；d=4mm； d2=100mm；
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配合公差
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17
中心和边缘最小厚度
加工和安装过程中的强度和刚性保证，对正透 镜的边缘厚度和负透镜的中心厚度有要求。
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不等对应的偏差；用光圈数Δ1N表示。
局部偏差：在任一方向上产生的干涉条纹局部
不规则程度；用光圈数Δ2N表示。
如标注ΔN的数值则表示最大像散光圈和局部
光圈数值相等。
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22
中心厚度公差
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光学零件的倒角
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§ 8－2 光学设计中涉及的光学零件加
工和装配工艺要求
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光学零件的表面误差
光学样板
光学车间球面透镜生产对加工质量的检验 通常每个曲率半径对应一个样板。 测量基准；精度要求远高于一般球面。 精度要求用ΔR表示，分为A、B两级。 设计中应尽量采用样板库中的曲率半径数值， 即靠样板。 先多后少；先精后粗；先疏后密；先大后小。
表格和图形窗口；输入修改方便。
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光学设计软件能做什么？
输入输出给定的系统结构参数，画出光学系统 的二维或三维图； 计算各种光线的光路和光程，给出各种像质评 价指标； 供用户设定评价函数进行优化设计； 提供一定的二次开发环境。
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窗体 菜单 快捷按钮 编辑窗体
File Editors System Analysis Tools Reports Macros Extensions Windows
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第八章
光学系统的设计
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目录
8-1 常用光学设计软件 8-2 光学设计中涉及的光学零件加工和装
配工艺要求 8-3 光学零件制图 8-4 ZEMAX光学设计软件 8-5 ZEMAX光学设计基础 8-6 光学系统设计实例
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自动优化
设定评价函数 增加变量
工程化
靠样板 调整工艺参数 公差分析 工程制图
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45
5
常用光学设计软件
CODE V
美国Optical Research Associates（ORA）公司 出品。 先进的全局优化算法，优化计算速度快。 程序接口方便，易于和ORA公司其他软件共享 数据。 宏语言功能强大，易于编写。
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9
常规光学系统设计基本流程
确定指标（波长、焦距、视场、相对口径、分辨率、 口径、基本光学外形尺寸、像差要求等）
选择初始结构
在软件中输入基本参数
根据要求优化设计
靠样板；确定零件外径和最小厚度；公差分析
否 达到像质和工艺要求？
是
光学零件制图
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6
OSLO
源自美国罗切斯特大学光学研究所，目前由美 国Lambda Research Corporation公司出品。 交互性好 程序接口方便，可与公司其他软件共享数据。
ZEMAX
美国ZEMAX Development Corporation公司出品。 容易入门，可操作性强。
24
§ 8－3 光学零件制图