光学设计实例(完整版)--zhenglibanppt课件
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光学设计光学PPT教案
明适应：黑暗环境到明亮环境 暗适应：明亮环境到黑暗环境
第15页/共81页
引起光感觉的最小亮 度和最低光出射角度
应用：隧道路灯照明
明适应的时间较短，通常为10-3 s-2 min 暗适应的时间较长，通常为20分钟到一个小时
第16页/共81页
3 光度学基础
3.1 辐射度学与光度学 3.2 辐通量与光通量 3.3 发光强度 3.4 亮度 3.5 光出射度 3.6 照度 3.7 发光效率 3.8 各个物理量的关联
通量。 单位：流明/球面度（lm/sr）或坎德拉
（cd）。
Iv
d v d
坎德拉是国际单位制（SI）的基本单位，等于一个发射 频率5.4X1014Hz（555nm）的单色光，辐射强度为 1/683(W/sr)的光源的发光强度。
注意：发光强度的概念不能直接应用于不可看作为点
光源的众多光源。
第33页/共81页
第6页/共81页
2 人的视觉
第7页/共81页
视神经乳头
中央凹
（最敏感的地方）
黄斑
（密集着椎体细胞的 区域，颜色呈黄色）
第8页/共81页
（ 盲视 点神 ）经
盘 （ 视 神 经 乳 头 ）
杆体细胞
锥体细胞
锥体与杆体细 胞的混合系统 双极细胞
神经节 细胞
第9页/共81页
2 人的视觉
光线进入人眼的视网膜,杆状细胞和锥状细胞起作用。 杆体细胞和锥体细胞经电化学作用产生脉冲信号。 脉冲信号通过视神经传送到大脑。 从而产生视觉效应，使人们能看到物体。
第24页/共81页
1.3.2 辐通量与光通量
International Commission on Illumination （国际照明委员会），简称 CIE
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引起光感觉的最小亮 度和最低光出射角度
应用：隧道路灯照明
明适应的时间较短，通常为10-3 s-2 min 暗适应的时间较长，通常为20分钟到一个小时
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3 光度学基础
3.1 辐射度学与光度学 3.2 辐通量与光通量 3.3 发光强度 3.4 亮度 3.5 光出射度 3.6 照度 3.7 发光效率 3.8 各个物理量的关联
通量。 单位：流明/球面度（lm/sr）或坎德拉
（cd）。
Iv
d v d
坎德拉是国际单位制（SI）的基本单位，等于一个发射 频率5.4X1014Hz（555nm）的单色光，辐射强度为 1/683(W/sr)的光源的发光强度。
注意：发光强度的概念不能直接应用于不可看作为点
光源的众多光源。
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第6页/共81页
2 人的视觉
第7页/共81页
视神经乳头
中央凹
（最敏感的地方）
黄斑
（密集着椎体细胞的 区域，颜色呈黄色）
第8页/共81页
（ 盲视 点神 ）经
盘 （ 视 神 经 乳 头 ）
杆体细胞
锥体细胞
锥体与杆体细 胞的混合系统 双极细胞
神经节 细胞
第9页/共81页
2 人的视觉
光线进入人眼的视网膜,杆状细胞和锥状细胞起作用。 杆体细胞和锥体细胞经电化学作用产生脉冲信号。 脉冲信号通过视神经传送到大脑。 从而产生视觉效应，使人们能看到物体。
第24页/共81页
1.3.2 辐通量与光通量
International Commission on Illumination （国际照明委员会），简称 CIE
第6章 光学系统设计PPT课件
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
10
7
4.5 2.5 1
0.2 5
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在 由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
图6-7 HG500发光二极管的配光曲线
4．光源的温度和颜色
任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为
温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 Mb ,T 表示为
：
M b
,T
M ,T ,T
式中，M
,T
de ddA
为辐射本领； ,T 为吸收率，当 ,T 1 时的物体称
被测 对象
光学系统 光学系统
光电探测器 光源
调理电路
作用：将光束变成平行光束、发散光束、 会聚光束或其他形式结构的光束
控制电路
计算机 显示与控制
现代光学仪器构成框图
❖光学系统的特点： ❖1、信息加载于光波，非接触、不破坏 ❖2、光波传播速度快，可实时测量控制 ❖3、波长短，测量精度高 ❖4、具有很高的空间分辨率 ❖5、可进行图像处理
一、光源的基本参数
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量
与产生该光通量所
V
需要的功率P 之比，称为该光源的发光效率，表示为:
V
2 d
1
P
P
（6－8）
式中，1 ~ 2 为该光电测量系统的光谱范围。
《光学》全套课件 PPT
τ
cosΔ
dt =0
τ0
I = I1 +I2
叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，
无干涉现象
2、相干叠加 满足相干条件的两束光叠加后
I =I1 +I2 +2 I1I2 cosΔ 位相差恒定，有干涉现象
若 I1 I2
I =2I1(1+cosΔ
)
=4I 1cos2
Δ 2
Δ =±2kπ I =4I1
r2
§1-7 薄膜干涉
利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和 折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。
一、薄膜干涉 扩展光源照射下的薄膜干涉
在一均匀透明介质n1中
放入上下表面平行,厚度
为e 的均匀介质 n2(>n1)，
用扩展光源照射薄膜，其
反射和透射光如图所示
a
n1
i
a1 D
B
n2
A
n1 C
2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满 足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．
3、在空间任一点处
εE = μH
4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，
为
u= 1 εμ
在真空中u= c =
1 ≈3×108[m ε0μ0
s 1]
5、电磁波的能量
S
=E
×H ,
只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形
成系统理论。
二、几何光学时期
•这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。
•李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。
•延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复 合显微镜。 •1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。 • 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
光学设计课件
｛
横向及纵向尺寸
各组光瞳之间的衔接
三 成象质量
光学系统的外形尺寸计算
由物镜和目镜组成的望远系统
结构和光束限制
望远镜光路图：
反射棱镜成像特性:在光路中相当于平行平板 轴向位移 △L’= d ( 1 - 1/n)
｛
棱镜
简单棱镜 复合棱镜
屋脊棱镜
棱镜展开：沿反射面的次序依次展开
等效空气层的厚度
4D / n
h1 = ?棱镜 厚4h,半口 径8.5，假 设高8.5， 厚度d= 8.5х4=34 等效空气 平板厚d = d/n
系统等效光路图
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
系统结构图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
有两个渐晕
｛
棱镜最后一面:挡上边25% 光束
目镜 ：挡下边25%的光束
望远物镜选型：P410课本
物镜D/f1’=1/4， D=30 , f1’=120
双胶合物镜
双分离物镜
三片型物镜
摄远物镜
｛
物镜可选双胶合 f’ = 120
D/f’ = 1/4 目镜型式 г = -tgω’ / tgω= -f1 ’ /f2 ’ 2ω’ Lz’ f2 ’
冉斯登目镜 2ω：30˚-40 ˚相对镜目距 Lz’ =1/4 凯涅尔目镜 2ω：40˚-50 ˚相对镜目距 Lz’
象差的现象、产生原因、如何消除各种象差
1. 明确象差概念
2. 掌握初级象差理论
象差分类
球差δL’ 彗差KT，KS 象散x’ts 场曲x’t x’s 畸变δyz’ 位置色差△lFC’ 倍率色差δyFC’
典型光学系统 1 显微镜，望远镜， 照相机，投影仪 成像原理 2 外形尺寸计算：轴向尺寸、垂轴 尺寸、通光口径、物高象高、光阑
光学设计与光学工艺ppt课件
1、光学设计中的材料选择
国内生产光学玻璃材料的厂家
成都光明光电有限公司
上海新沪玻璃厂
国外生产光学玻璃材料的厂家
德国肖特
日本保谷（HOYA）
日本小原（OHARA）等
三、光 学 设 计 注 意 问 题
1 2 3 4 5 6 材料选择的问题
零件技术指标的问题
标准零件图纸的问题 加工工艺及成本的问题 检验方案的问题 加工超差补救的问题
Decenter（偏心）
样板的检测精度，光学设计 偏心包括两种，一种是简单的横 包括光学元件的厚度和机械元件 师应该与光学加工师沟通 支撑的间隔。 向偏心（上、下），另一种是使元 N=λ/2 ，普通的光学加工一般控制 在使用 ZEMAX软件模拟公差时， 件始终保持与机架座接触的“滚 在 5个光圈，较好的精度应该控制 公差操作数 TTHI有两个参数， 动”。两种偏心模型实际上完全不 在3个光圈以内。 表面不规则度可以通过局部 int1是用来定义公差的表面编号， 同。在滚动的情况下，与机架座接 光圈（△ N）来考察，工艺上 而int2 是作为补偿的表面编号， 触良好的左侧半径被良好地校准， 可以做到 0.3个光圈。 表面倾斜只发生的右侧表面上。 最小值和最大值是以镜头长度单 在ZEMAX里TSDX、TSDY用来 位表示的极值偏差。 实际上，有楔角的元件 与 光轴相 模拟一个标准表面的偏心公差，单 对于其机械轴倾斜 位为镜头长度（ mm的元件完全相 ）,而TEDX、 同，当旋转元件时，元件具有边缘 TEDY是用来模拟一个元件的偏心 厚度差。 公差，可以是标准面也可以是非标 准面，int1、int2定义了一个镜头 组的边界面。
1、光学设计中的材料选择
光学均匀性
b
典型光学系统与设计ppt课件
折反
Cassegrain-type Ritchie Cretien望远镜
632.8nm这个 波长可以看做 没球差
在较大空间频率范围内，都有 较大的MTF值
常数场曲，无畸变！
可见这个 望远镜是 设计相当 完美的一 个
显微镜
显微镜由物镜和目镜组成 物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实 像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚 像，该像位于无穷远或明视距离处
施密特望远镜： 它在球面反射镜的球心位置处放 置一施密特校正板。它是一个面 是平面，另一个面是轻度变形的 非球面，使光束的中心部分略有 会聚，而外围部分略有发散，正 好矫正球差和彗差。
马克苏托夫望远镜 ：
在球面反射镜前面加一个弯月型透 镜，选择合适的弯月透镜的参数和 位置，可以同时校正球差和彗差。
以马克苏托夫望远镜为例：
让我们把反射和折反的图放一起比较下
注意： 比较像差的大小要看图像的范围。 这里反射弥散斑范围1000um，而 折射仅40um。所以如果两个放到 一个比例下比较，折反射的像差 远小于反射的
比较下反射和折反的MTF图：
同样，应注意横坐标的范围： 反射 显然折反式在很高的频率仍具有较高的 MTF
NEC GT1150投影机光学系统实物图
对光学设计而言，设计投影系统，一是要让整体结构尽量紧 凑，尺寸小，重量要轻。此外好的照明系统，和好的物镜都 是设计的关键
投影的小型化趋势
投影仪就是把待投影的图像放在一个物镜一倍和二倍焦距之 间，这样能在远处的屏幕上成像。但其实际结构却复杂的多， 以我们教室头上的投影仪为例，它的内部是怎样的呢？
注意:在投影机中所使用的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并没有 针对红、绿、蓝等颜色差别。为了清晰再现图像色彩，它其实是使用了 三张LCD液晶板来分别再现三种颜色，然后再经过光学系统的把这些分 离的颜色合成再一起，投影在屏幕上，就组成了一副完整的图像。
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。
光学的课堂教学课件PPT
普朗克公式
为了解释黑体辐射的实验结果，普朗克提出了一个假设，即 能量不是连续的，而是以离散的“量子”形式存在。他推导 出了一个公式来描述黑体辐射的光谱分布，该公式与实验结 果非常吻合。
光电效应与爱因斯坦方程
光电效应
当光照射在物质上时，物质会吸收光子的能量并释放出电子，这种现象被称为 光电效应。
爱因斯坦方程
激光器及其工作原理。
激光的应用
概述激光在科研、工业、医疗 等领域的应用，如激光切割、
激光打印、激光治疗等。
光纤通信原理与技术
光纤通信的基本原理
解释光纤通信中光的传输原理 ，包括光的全反射、光纤的波
导特性等。
光纤通信系统的组成
介绍光纤通信系统的基本构成 ，包括光源、光检测器、光纤 等部分。
光纤通信的关键技术
实验器材
光源、光屏、透镜、测量尺。
实验一：测量透镜焦距
实验步骤
1. 将光源、透镜、光屏依次放置在同一直线上。
2. 调整光源和光屏的位置，使得光源发出的光经过透镜后能在光屏上形成清晰的像 。
实验一：测量透镜焦距
01
3. 测量光源到透镜的距离u和透 镜到光屏的距离v。
02
4. 利用成像公式1/u + 1/v = 1/f 计算透镜的焦距f。
透镜成像原理
透镜的种类
透镜的应用
透镜分为凸透镜和凹透镜两种，它们 对光线有不同的会聚或发散作用。
透镜在日常生活和科技领域中有广泛 应用，如眼镜、相机镜头等。
透镜成像规律
物体通过透镜成像遵循一定的规律， 如物距、像距与焦距之间的关系等。
眼睛与视觉系统
眼睛的结构
眼睛主要由角膜、虹膜、晶状体 、视网膜等部分组成，它们共同
为了解释黑体辐射的实验结果，普朗克提出了一个假设，即 能量不是连续的，而是以离散的“量子”形式存在。他推导 出了一个公式来描述黑体辐射的光谱分布，该公式与实验结 果非常吻合。
光电效应与爱因斯坦方程
光电效应
当光照射在物质上时，物质会吸收光子的能量并释放出电子，这种现象被称为 光电效应。
爱因斯坦方程
激光器及其工作原理。
激光的应用
概述激光在科研、工业、医疗 等领域的应用，如激光切割、
激光打印、激光治疗等。
光纤通信原理与技术
光纤通信的基本原理
解释光纤通信中光的传输原理 ，包括光的全反射、光纤的波
导特性等。
光纤通信系统的组成
介绍光纤通信系统的基本构成 ，包括光源、光检测器、光纤 等部分。
光纤通信的关键技术
实验器材
光源、光屏、透镜、测量尺。
实验一：测量透镜焦距
实验步骤
1. 将光源、透镜、光屏依次放置在同一直线上。
2. 调整光源和光屏的位置，使得光源发出的光经过透镜后能在光屏上形成清晰的像 。
实验一：测量透镜焦距
01
3. 测量光源到透镜的距离u和透 镜到光屏的距离v。
02
4. 利用成像公式1/u + 1/v = 1/f 计算透镜的焦距f。
透镜成像原理
透镜的种类
透镜的应用
透镜分为凸透镜和凹透镜两种，它们 对光线有不同的会聚或发散作用。
透镜在日常生活和科技领域中有广泛 应用，如眼镜、相机镜头等。
透镜成像规律
物体通过透镜成像遵循一定的规律， 如物距、像距与焦距之间的关系等。
眼睛与视觉系统
眼睛的结构
眼睛主要由角膜、虹膜、晶状体 、视网膜等部分组成，它们共同
光学设计实例(完整版)--zhengliban
əp/əv3,……,
p: 优化函数结果，v: 变量；
为了使残余结果的平方和最小(最小二乘法)，对每 个变量联立方程求解；
重复上述过程直至实现最优化。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求（需求分析）
2. 选择具有代表性的切入点
前期设计、专利、建立联系、原始推导
3. 建立变量和约束
变量包括：曲率半径-r、厚度-d、空气隙-d、玻璃特性-n、 约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量
约束可能是相关结构如长度半径等或者是光线角度f数等具体的参量使用程序对结果进行优化评价设计结果重复步骤3和4直至满足设计要求如果结果不满足条件通过添加或分离元件变化玻璃种类等来修改设计然后返回步骤4另一种方法是返回步骤2选择的初始结构可能不合理达不到预期要求进行公差分析估计结果误差透镜加工机械结构与装校要求光学设计软件zemax简介优化实例1单透镜2双胶合透镜3非球面单透镜4激光扩束镜5显微镜物镜6双高斯照相物镜公差计算目的1如果初始结构选不好则再简单的系统也难得到好的结果
按Button Opt ，按出dialog box，预定优化次数，即可进行优化，但之前须 规定Merit Function （优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。
关于Merit Function，最简单的做法是用程序内的Default Merit Function，通过 下列方法，即可调用适当的Default Merit Function：
所以这里没有计算能量集中度 Enc 及Huygens Point Spread function, 为 能容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加 大Sampling 点数，增长时间。
p: 优化函数结果，v: 变量；
为了使残余结果的平方和最小(最小二乘法)，对每 个变量联立方程求解；
重复上述过程直至实现最优化。
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求（需求分析）
2. 选择具有代表性的切入点
前期设计、专利、建立联系、原始推导
3. 建立变量和约束
变量包括：曲率半径-r、厚度-d、空气隙-d、玻璃特性-n、 约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量
约束可能是相关结构如长度半径等或者是光线角度f数等具体的参量使用程序对结果进行优化评价设计结果重复步骤3和4直至满足设计要求如果结果不满足条件通过添加或分离元件变化玻璃种类等来修改设计然后返回步骤4另一种方法是返回步骤2选择的初始结构可能不合理达不到预期要求进行公差分析估计结果误差透镜加工机械结构与装校要求光学设计软件zemax简介优化实例1单透镜2双胶合透镜3非球面单透镜4激光扩束镜5显微镜物镜6双高斯照相物镜公差计算目的1如果初始结构选不好则再简单的系统也难得到好的结果
按Button Opt ，按出dialog box，预定优化次数，即可进行优化，但之前须 规定Merit Function （优化目标函数）及变量。关于变量，将结构数据框作double click，得有关dialog box，就可以将此结构数据作为变量（variable）或改为Fixed 不变。
关于Merit Function，最简单的做法是用程序内的Default Merit Function，通过 下列方法，即可调用适当的Default Merit Function：
所以这里没有计算能量集中度 Enc 及Huygens Point Spread function, 为 能容易完成这类计算，波像差（OPD，不是RMS）宜小于一个波长，否则必须加 大Sampling 点数，增长时间。
光学设计pw法及例子PPT课件
D/ f'
2u 选双胶合
第20页/共67页
确定基本象差参量
• 球差 • 正弦差 • 位置色差
L'
L'
l'
1 2nK' uK'2
S1 0
K
' SK
SC '
YZ'
yZ'
1 2nK' uK'
S1 0
lF' C
lF'
lC'
1 nK' uK'2
C1 0
第21页/共67页
第22页/共67页
〔五〕、求形状系数Ｑ
Q Q0
P P0 A
Q
Q0
W
K
W0
P P0 ,Q Q0 4.284074
W W0 0.06099
第36页/共67页
〔六〕、求透镜各面的曲率半径
ρ1
ρ2
ρ3
第37页/共67页
〔七〕、求薄透镜各面的曲率半径及象 差
ρ1 ρ2 ρ3
第38页/共67页
〔八〕、薄透镜的结构参数及象差
B在无限远
P
PA
uA1[4WA
h
(u
' Ak
uA1)]
22h(3
2)
W WA uA1h(2 u)Байду номын сангаас
第4页/共67页
求任意物面位置Ｂ的参量
PB P uB1[4WA h(uA' k uA1)] 22 h(3 2) WB u uB1h(2 u)
第5页/共67页
• 三、薄透镜组的象差参量
求P 的极小值P0
P0 P P(W W0 )2 , P 0.85 P0 0 0.85(0 0.1)2 0.0085 令W 0 0.1
光学系统设计解析PPT教学课件
辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上通过单位立
体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］（Sr=ds/r2： 球面度）
2020/10/16
5
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位： ［W/m2］
辐射出射度Ｍe ：辐射源单位面积所辐射的通量
（也称辐射本领）。单位：［W/m2］
瓦特
W
P
dQ /dt
Ｉ
瓦特／球面度 Wsr-1
Id /d
Ｌ L d2 /d dc A o瓦s特／球面度/ Wm-2
＝ d/Idc Ao s 平方米
sr-1
Ｍ
瓦特／平方米 Wm-2
Md /dA
Ｅ
Ed/dA瓦特／平方米 Wm-2
7
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
2020/10/16
2020/10/16
12
6.2 光辐射源及特征 ——普朗克黑体辐射定律
热辐射能量取决于物体的温度，绝对黑体的单
色辐射出射度Mλ(T)与热力学温度T的关系遵循普朗 克黑体辐射定律：
式中：
M(T)C15
1
C2
eT 1
C1=2πc2h C2=hc/k h——普朗克常数 k——波尔兹曼常数
2020/10/16
18
6.2 光辐射源及特征 ——色温
实际的发光体不是黑体，如果光源辐射在可见 区和Tc温度时的绝对黑体的辐射完全相同时，此时 黑体的温度Tc就称此光源的色温。
通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱叠加所组成。 但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度 和计算光线的颜色成分的方法。
例如：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为 2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为 5600K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。
体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］（Sr=ds/r2： 球面度）
2020/10/16
5
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位： ［W/m2］
辐射出射度Ｍe ：辐射源单位面积所辐射的通量
（也称辐射本领）。单位：［W/m2］
瓦特
W
P
dQ /dt
Ｉ
瓦特／球面度 Wsr-1
Id /d
Ｌ L d2 /d dc A o瓦s特／球面度/ Wm-2
＝ d/Idc Ao s 平方米
sr-1
Ｍ
瓦特／平方米 Wm-2
Md /dA
Ｅ
Ed/dA瓦特／平方米 Wm-2
7
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
2020/10/16
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12
6.2 光辐射源及特征 ——普朗克黑体辐射定律
热辐射能量取决于物体的温度，绝对黑体的单
色辐射出射度Mλ(T)与热力学温度T的关系遵循普朗 克黑体辐射定律：
式中：
M(T)C15
1
C2
eT 1
C1=2πc2h C2=hc/k h——普朗克常数 k——波尔兹曼常数
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6.2 光辐射源及特征 ——色温
实际的发光体不是黑体，如果光源辐射在可见 区和Tc温度时的绝对黑体的辐射完全相同时，此时 黑体的温度Tc就称此光源的色温。
通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱叠加所组成。 但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度 和计算光线的颜色成分的方法。
例如：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为 2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为 5600K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。
浙江大学光学设计ppt
21
二、平行平板
u1 d l1 n l2’ A1
u2’ A2’
u1’ A1’(A2)
当角度u1不大时，依次对第一面、第二面使用公式
n' n n'− n 令 r1=r2=∞ − = l' l r
即轴向位移
并考虑过渡，得 l 2 ' = l 1 − d
n
1 ∆ l ' = l 2 '+ d − l 1 = d (1 − ) 该式中无 u ，完善成像 n
3
⑦子午平面——包含光轴的平面 ⑧截距：物方截距——物方光线与光轴的交点到顶点的距离 像方截距——像方光线与光轴的交点到顶点的距离 ⑨倾斜角：物方倾斜角——物方光线与光轴的夹角 像方倾斜角——像方光线与光轴的夹角 E I n’>n I’ h A -U U’ φ O C r -L L’
A’
4
分界面有左右，球面有凹凸，光轴有上方下方，区别？ 二、符号规则：规定 a. 光线传播方向：从左向右 b. 线段：沿轴线段(L,L’,r)以顶点O为基准，左负右正 垂轴线段(h)以光轴为准，上正下负 间隔d （O1O2=d)以前一个面为基准，左负右正 c. 角度：光轴与光线组成角度(U,U’) 光轴以锐角方向转到光线，顺时针正逆时针负 光线与法线组成角度(I,I’) 光线以锐角方向转到法线，顺正逆负 光轴与法线组成角度(φ) 光轴以锐角方向转到法线，顺正逆负
19
F’
§1-6 平面与平面系统
20
一、平面镜
一、平面镜的像 一个点 由 得
n' n n'− n − = l' l r l ' = −l nl ' β= =1 n' l
成像完善 A’
二、平行平板
u1 d l1 n l2’ A1
u2’ A2’
u1’ A1’(A2)
当角度u1不大时，依次对第一面、第二面使用公式
n' n n'− n 令 r1=r2=∞ − = l' l r
即轴向位移
并考虑过渡，得 l 2 ' = l 1 − d
n
1 ∆ l ' = l 2 '+ d − l 1 = d (1 − ) 该式中无 u ，完善成像 n
3
⑦子午平面——包含光轴的平面 ⑧截距：物方截距——物方光线与光轴的交点到顶点的距离 像方截距——像方光线与光轴的交点到顶点的距离 ⑨倾斜角：物方倾斜角——物方光线与光轴的夹角 像方倾斜角——像方光线与光轴的夹角 E I n’>n I’ h A -U U’ φ O C r -L L’
A’
4
分界面有左右，球面有凹凸，光轴有上方下方，区别？ 二、符号规则：规定 a. 光线传播方向：从左向右 b. 线段：沿轴线段(L,L’,r)以顶点O为基准，左负右正 垂轴线段(h)以光轴为准，上正下负 间隔d （O1O2=d)以前一个面为基准，左负右正 c. 角度：光轴与光线组成角度(U,U’) 光轴以锐角方向转到光线，顺时针正逆时针负 光线与法线组成角度(I,I’) 光线以锐角方向转到法线，顺正逆负 光轴与法线组成角度(φ) 光轴以锐角方向转到法线，顺正逆负
19
F’
§1-6 平面与平面系统
20
一、平面镜
一、平面镜的像 一个点 由 得
n' n n'− n − = l' l r l ' = −l nl ' β= =1 n' l
成像完善 A’
精品物理光学PPT课件(完整版)
实验装置
激光源、双缝、屏幕。
实验现象
在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
理论分析
通过双缝的光波在屏幕上叠加，形成干涉图样。根据干涉条件，可推 导出条纹间距与光源波长、双缝间距及屏幕距离的关系。
薄膜干涉原理及应用
01
薄膜干涉
光波在薄膜前后表面反射后叠加形成的干涉现象。
02 03
原理分析
光波在薄膜前后表面反射时，相位发生变化，当光程差为半波长的奇数 倍时，反射光相互加强，形成亮纹；当光程差为半波长的偶数倍时，反 射光相互减弱，形成暗纹。
光的偏振现象
光波是横波，其振动方向 垂直于传播方向。通过偏 振片可以观察到光的偏振 现象。
几何光学基本概念
光线和光束
光线表示光传播的路径和 方向，光束是由无数条光 线组成的集合。
光的反射和折射
光在两种不同介质的交界 面上会发生反射和折射现 象，遵循反射定律和折射 定律。
透镜成像
透镜是一种光学元件，可 以改变光线的传播方向。 通过透镜可以形成实像或 虚像。
光的色散
色散是指复色光分解为单色光的现象 。牛顿的棱镜实验揭示了光的色散现 象。
02
光的干涉现象
干涉现象及其条件
干涉现象
干涉图样
两列或多列光波在空间某些区域相遇 时，光强在空间重新分布的现象。
明暗相间的条纹，反映了光波的振幅 和相位信息。
干涉条件
两列光波的频率相同、振动方向相同 、相位差恒定。
双缝干涉实验分析
量子光学应用与前景
列举量子光学在量子通信、量子计算、量子精密测量等领域的应 用，以及未来可能的发展趋势和挑战。
06
实验方法与技巧指导
基本实验仪器使用说明
分光计
激光源、双缝、屏幕。
实验现象
在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
理论分析
通过双缝的光波在屏幕上叠加，形成干涉图样。根据干涉条件，可推 导出条纹间距与光源波长、双缝间距及屏幕距离的关系。
薄膜干涉原理及应用
01
薄膜干涉
光波在薄膜前后表面反射后叠加形成的干涉现象。
02 03
原理分析
光波在薄膜前后表面反射时，相位发生变化，当光程差为半波长的奇数 倍时，反射光相互加强，形成亮纹；当光程差为半波长的偶数倍时，反 射光相互减弱，形成暗纹。
光的偏振现象
光波是横波，其振动方向 垂直于传播方向。通过偏 振片可以观察到光的偏振 现象。
几何光学基本概念
光线和光束
光线表示光传播的路径和 方向，光束是由无数条光 线组成的集合。
光的反射和折射
光在两种不同介质的交界 面上会发生反射和折射现 象，遵循反射定律和折射 定律。
透镜成像
透镜是一种光学元件，可 以改变光线的传播方向。 通过透镜可以形成实像或 虚像。
光的色散
色散是指复色光分解为单色光的现象 。牛顿的棱镜实验揭示了光的色散现 象。
02
光的干涉现象
干涉现象及其条件
干涉现象
干涉图样
两列或多列光波在空间某些区域相遇 时，光强在空间重新分布的现象。
明暗相间的条纹，反映了光波的振幅 和相位信息。
干涉条件
两列光波的频率相同、振动方向相同 、相位差恒定。
双缝干涉实验分析
量子光学应用与前景
列举量子光学在量子通信、量子计算、量子精密测量等领域的应 用，以及未来可能的发展趋势和挑战。
06
实验方法与技巧指导
基本实验仪器使用说明
分光计
光学设计 ppt课件
ppt课件
12
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。
ppt课件
28
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。
ppt课件
14
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。
ppt课件
9
ppt课件
10
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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• 修改Surface type, Aperture type，改此面为光阑，即“Make surface stop”;
• 修改Radius，由Fixed改为Variable(优化过程中作为变量)，或由Solve给出；
• 修改最后一面到像面的Thickness由Fix改为Marginal Ray Height, Pupil zone 0.7 为0。
• 可从File 内选择Preference(或Environment）出Dialog box，将常用项目 的Button选放在屏上，如 Gen，便于直接选用。
将上述过程表示为：
System
Gen
Aperture
输入视场： System
Field
视场：半视场角、物高、近轴像高、实际像高
.
7
用ZEMAX进行光学系统设计
4. 使用程序对结果进行优化
5. 评价设计பைடு நூலகம்果
6. 重复步骤3和4直至满足设计要求
如果结果不满足条件，通过添加或分离元件、变化玻璃种类等来修改设计， 然后返回步骤4 另一种方法是返回步骤2——选择的初始结构可能不合理，达不到预期要求
7. 进行公差分析，估计结果误差——透镜加工、机械结构与装校 要求
.
光学性能分析(Analysis)
能量集中度
Analysis
Encircled Energy
或
Enc
Diffraction
点列图
Analysis
Spot Diagrams
或
Spt
Standard
公差计算
（由于时间关系，后面几个常规的设计实例不一定能讲完）
.
3
ZEMAX简介
美国ZEMAX Development Corporation研发
ZEMAX 是一套综合性的光学设计软件，集成了光学系统所 有的概念、设计、优化、分析、公差分析和文件管理功能。
ZEMAX所有的这些功能都有一个直观的接口，它们具有功能 强大、灵活、快速、容易使用等优点。
əp/əv3,……,
p: 优化函数结果，v: 变量；
为了使残余结果的平方和最小(最小二乘法)，对每 个变量联立方程求解；
重复上述过程直至实现最优化。
.
5
光学设计人员的任务
1. 获得并考虑技术要求（需求分析）
2. 选择具有代表性的切入点
前期设计、专利、建立联系、原始推导
3. 建立变量和约束
变量包括：曲率半径-r、厚度-d、空气隙-d、玻璃特性-n、 约束可能是相关结构，如长度、半径等，或者是光线角度、F数等具体的参量
所选玻璃表是在 Gen
Glass catalogs 内选定，可同时
挑多个表；也可打入玻璃牌号，程序自动找玻璃库
• 对于Surface type 和Glass Catalogs，在User’s Guide 内都有一章叙述。
.
8
光学性能分析(Analysis)
当已输入足够的结构数据后，程序就可以计算出像差并分析成像质量，这主要 是Analysis菜单中的各种功能。
ZEMAX 光学设计完整版
目标
通过设计实例，加深对已学几何光学、像差理 论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能 初步运用。
介绍光学设计软件ZEMAX的基本使用方法， 设计实例通过ZEMAX来演示。
.
2
主要内容
光学设计软件ZEMAX简介 优化实例
1-单透镜 2-双胶合透镜 3-非球面单透镜 4-激光扩束镜 5-显微镜物镜 6-双高斯照相物镜
输入波长 System
可用Select选定常用谱线；
Wav
可直接输入波长值（单位：微米）
输入半径、厚度、玻璃 Editor
Lens data
设定谱线weight 设定主波长（Primary）
或从屏上已有的Lens data editor 改数据。
如屏上数据框内作double click 得有关dialog box，可对现状作出修改，例如：
Analysis
Calculations
或
Sei
MTF
Analysis
MTF
或
Mtf
PSF
Analysis
PSF
或
Psf
Field Curv/Dist
Seidel coefficients
Modulation Transfer Function
FFT Point Spread Function
.
10
或即按Button 各个视场的波像差均方值
Ray Opd Analysis
Ray aberration Optical Path
RMS
RMS vs Field
或 RMS
.
9
光学性能分析(Analysis)
畸变和像散、像面弯曲
Analysis
Miscellaneous
或
Fcd
Seidel 像差系数
6
用ZEMAX进行光学系统设计
数据输入的一般过程
输入光学系统结构数据
输入孔径（有几种方式，如F#（物方或像方），NA （物方或像方）， Aperture，… ）
• 在屏上找到Button Gen ，按出Dialog box，按Aperture，挑选Aperture type，并输入数值。
• 可以从System内选General ，按出Dialog box 。
✓ ZEMAX-EE：工程版，在ZEMAX-SE基础上，增加了物理光学、非序列 光线追迹、偏振光线追迹等先进功能（只在EE版本中才具有）。
.
4
光学设计过程
计算机的出现，极大地促进了光学设计进程，但设计 者的知识与经验是获得优良光学系统的基本条件；
大多数光学设计程序（优化功能）的本质如下：
每个变量发生少量改变或增减； 计算每个变量对结果的影响（像差变化量表）； 计算结果是一系列导数，əp/əv1, əp/əv2,
＊系统结构和光路图（Layout）：可以判断透镜厚度是否适当，或者光路内是否
存在显著错误、光路与预期相符，等。
2D Lay out
Analysis
Lay out
Lay
或即按Button L3d
or 3D Lay out Element drawing
（零件图）
几何像差与波像差：
Analysis
Ele Fan
ZEMAX 可以模拟序列性（Sequential）和非序列性（nonsequential）系统，分别针对成像系统和非成像系统。
可设计光学镜头、照明系统，模拟激光束传输、杂光分析， 自由曲面光学设计……
ZEMAX 有两种不同的版本：
✓ ZEMAX-SE：标准版，用于成像光学系统（序列光学系统）的设计；