典型光学系统和像差理论三大部分

本课程包括几何光学、典型光学系统和像差理论三大部分，其后继课程是光学CAD课程设计。

几何光学部分以高斯光学理论为核心内容，包括了光线光学的基本概念与成像理论、球面和平面光学系统及其成像原理、理想光学系统原理、光能和光束限制等基础内容；典型光学系统部分包括了眼睛、显微镜与照明系统、望远镜与转像系统、摄影光学系统和投影光学系统等成像原理、光束限制、放大倍率及其外形尺寸计算；像差理论详细叙述了光学系统的轴上点像差、轴外点像差和色差的形成原因、概念、现象、基本计算、典型结构的像差特征和校正像差的基本方法，为学生学习光学系统设计打下基础。

教学内容及学时分配：
第一章几何光学基本定律与成像概念(3学时) 第一节发光点、光线和光束第二节光线传播的基本定律、全反射第三节费马原理第四节物、像的基本概念和完善成像条件
第二章球面与球面系统(3学时) 第一节概念与符号规则第二节轴上物点经单个折射球面成像第三节物平面以细光束经折射球面成像第四节反射球面第五节共轴球面系统
第三章平面与平面系统（5学时）第一节平面镜第二节双平面镜第三节平行平板第四节反射棱镜第五节折射棱镜第六节光的色散第七节光学材料
第四章理想光学系统（10学时）第一节理想光学系统及其原始定义第二节理想光学系统的基点与基面第三节物像位置和放大率、焦距和光焦度、节点第四节光学系统的图
解求像第五节光学系统的组合第六节望远镜系统第七节透镜第八
节光学系统的焦距与基点位置的计算、焦距的测定
第五章光学系统中的光束限制（5学时）第一节概述第二节光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳第三节光学系统的视场光阑、入射窗和出射窗、渐晕光阑第四节平面
上空间像的不清晰度、景深第五节远心光学系统
第六章光能及其计算（5学时）第一节辐射能通量、光通量第二节发光强度、光照度、光出射度和光亮度第三节光学系统光能损失的计算第四节通过光学系统的光通量、像
的照度
几何光学部分总复习（1学时）
第七章典型光学系统（11学时）第一节眼睛第二节放大镜第三节显微镜及照明系统第四节望远镜及转像系统第五节摄影光学系统第六节投影及放映光学系统
第八章像差概论（10学时）第一节轴上点像差第二节轴外点像差第三节色差第四节波像差
第九章像质评价（1学时）第一节中心点亮度第二节瑞利判断第三节分辨率第四节点列图第五节光学传递函数
第一章几何光学基本定律与成像概念(3学时)
1. 发光点、波面、光线、光束的概念
2. 光的直线传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律及其矢量形式
3. 全反射及临界角
4. 光程与极端光程定律（费马原理）
5. 光轴、顶点、共轴光学系统和非共轴光学系统
6. 实物（像）点、虚物（像）点、实物（像）空间、虚物（像）空间
7. 完善成像条件
第二章球面与球面系统(3学时)
1. 子午平面、
2. 物（像）方截距、物（像）方倾斜角
2. 符号规则
3. 近轴光线与近轴区，单个折射球面成像特征：对细小平面以细光束成完善像
4. 阿贝不变量，单个折射球面的近轴物像位置关系
5. 折射球面的光焦度、焦点和焦距
6. 垂轴放大率、沿轴放大率、角放大率：物理意义及关系
7. 拉氏不变量
第三章平面与平面系统(5学时)
1. 平面镜的像，平面镜的偏转，双平面镜二次反射像特征及入、出射光线的夹角
2. 平行平板的近轴光成像特征
3. 常用反射棱镜及其展开、结构常数
4. 屋脊棱镜与棱镜组合系统，坐标判断
5. 角锥棱镜
6. 折射棱镜及其最小偏角，光楔
7. 光的色散
8. 光学材料及其技术参数
第四章理想光学系统(9学时)
1. 理想光学系统原始定义
2. 理想光学系统的焦点、焦平面、主点、主平面
3. 理想光学系统的节点
4. 理想光学系统的物像位置关系，牛顿公式和高斯公式
5. 理想光学系统物方焦距与像方焦距的关系
6. 理想光学系统的拉氏不变量
7. 理想光学系统的光焦度及其与焦距的关系
8. 理想光学系统的垂轴放大率、沿轴放大率和角放大率及其关系
9. 几个特殊位置的三种放大率
10. 理想光学系统的作图法
11. 理想光学系统的组合：作图法和计算法
12. 远距型和反远距型理想光学系统模型
13. 焦距仪基本原理
14. 截距计算法和正切计算法
15. 望远镜系统的理想光学系统模型
16. 视觉放大率概念
17. 望远镜与其他光组的组合
18. 薄透镜成像原理
19. 厚透镜的基点和基面及其与光组组合的关系
第五章光学系统的光束限制(5学时)
1. 光阑的概念
2. 孔径光阑及其判断，
3. 入瞳、出瞳的概念及其与孔径光阑的共轭关系
4. 入、出瞳在光学系统中的作用
5. 主光线
6. 视场光阑概念、位置
7. 视场光阑在光学系统中的作用
8. 拦光及渐晕光阑
9. 渐晕光阑在光学系统中的作用，渐晕系数
10. 对准平面、景像平面、远景平面、近景平面、远景深、近景深、景深
11. 景深与焦距、相对孔径、对准距离的关系
12. 物（像）方远心光学系统
第六章光度学基础(4学时)
1.辐射能通量、光通量
2.光谱光视效率、发光效率
3. 发光强度、光照度、光出射度、光亮度
4. 黑体与白体，余弦辐射体
5. 光束在同种介质中传播时的光亮度
6. 经界面反射和折射时光亮度的传播
7. 光学系统透过率的计算
8. 成像光学系统像面轴上点的照度
9. 像面照度与视场的关系
其他：期中考试(2学时), 总复习(1学时)
实验
光学系统的成像原理（透镜成像、棱镜成像）与光组组合
光学系统的焦距测量
光学材料的参数测量
典型光学系统
第七章典型光学系统(11学时)
眼睛(2)
1. 眼睛的构造，黄斑、中心凹、视轴、盲斑
2. 标准眼和简约眼
3. 眼睛的调节，远点(距)、近点(距)，正常眼和非正常眼(近视、远视、散光、斜视)
4. 眼睛的适应，眼睛的分辨本领与相关因素，瞄准精度
5. 单眼与双眼体视，立体视角差、立体视差、体视锐度、体视圈半径、体视阈值
放大镜(1)
1. 放大镜的成像原理
2. 放大镜的放大倍率
3. 放大镜的光束眼制
显微镜及照明系统(2)
1. 显微镜的成像原理、放大倍率
2. 显微镜的基本结构和齐焦条件
3. 显微镜的光束限制
4. 显微镜的景深及相关因素
5. 显微镜的分辨率与数值孔径，有效放大率与数值孔径关系
6. 显微镜的物镜目镜简介，视度调节、镜目距
显微镜的临界照明与柯拉照明，两对共轭关系，照明系统应满足的条件望远镜及转像系统(3)
1. 望远镜的成像原理与放大率
2. 望远镜的分辨率与正常放大率
3. 望远镜的瞄准精度
4. 望远镜的主观亮度
5. 望远镜的光束限制
6. 望远镜的物镜目镜简介，视度调节
7. 望远镜的棱镜转像系统、单组和双组透镜转像系统，场镜的作用
8. 光学系统外形尺寸计算（含棱镜展开及空气平板法）
摄影光学系统(2)
1. 摄影光学系统的焦距、相对孔径（与光圈数的关系）和视场
2. 摄影物镜的光束限制，相对孔径与照度关系
3. 摄影物镜的景深和几何焦深
4. 摄影物镜的分辨率表示
5. 标准镜头、广角镜头、远摄镜头效果
投影及放映光学系统(1)
1. 像面照度均匀时投影系统和照明系统的位置关系，对照明系统的要求
2. 宽银幕镜头简介
第八章像差概论(10学时)
球差、正弦差(3)
1.球差概念与展开，轴向球差与垂轴球差，初级球差与高级球差
2.球差曲线，具有初级球差和二级球差时的特征
3. 单个折射球面的球差特征，三个无球差点、反常区与半反常区，齐明透镜设计
4. 初级球差与孔径的关系，第一赛得和数，整体缩放对像差的影响
5. 薄透镜与简单薄透镜系统的球差特征、最小球差形状，平行平板的球差
6. 正弦条件、等晕成像与等晕条件，正弦差，单个折射球面不产生正弦差的条件
7. 第二赛得和数，薄透镜和简单薄透镜系统的初级正弦差特征
轴外像差(3)
1. 轴外像差概念
2. 彗差的产生、度量、现象、彗差曲线
3. 像散与像面弯曲的产生、度量、现象、像散与场曲曲线
4. 畸变的产生、度量、现象、畸变曲线
5. 初级轴外像差与孔径、视场的关系，第三、四、五赛得和数
6. 匹兹凡面弯曲及其校正方法
色差(2)
1. 位置色差的产生、度量、现象，与球差的异同
2. 三色球差曲线，二级光谱概念
3. 倍率色差的产生、度量、现象
4. 初级位置色差与初级倍率色差，与孔径、视场的关系，第一、二色差和数
5. 平行平板的位置色差
6. 单薄透镜、接触与分离薄系统的位置色差特征，位置色差、倍率色差的校正波像差(2学时)
1. 波像差概念，瑞利判据，与几何像差关系，离焦原则
2. 参考点移动引起的波像差，焦深
3. 色差引起的波像差，球色差、几何色差与波色差的关系
4. 光学系统的像差容限
第九章光学系统的像质评价(1学时)
1. 光学系统的像质评价（几何像差曲线、点列图、波像差、传递函数）
2. 光学系统的像质检验（星点检验、分辨率、传递函数）
其他：习题讨论1学时，总复习1学时
光学CAD课程设计知识点
光学系统的光路计算(3学时)
1. 第一近轴光和第二近轴光
2. 近轴光线的初始条件
3. 近轴光线的光路计算
4. 子午面内实际光线的初始条件
5. 子午面内实际光线的光路计算
6. 沿主光线的细光束计算初始条件
7. 沿主光线的细光束像点的计算
8. 光路计算的后处理
光学自动设计概述(3学时)
1. 结构参数与像差函数
2. 评价函数
3. 加权阻尼最小二乘法
4. 边界条件
5. 光学系统图画法
6. 光学零件图画法
7. 光学零件公差
光学设计软件介绍(4学时)
1. Zemax软件总体介绍
2. 光学系统结构参数输入
3. 光学系统外部参数输入
4. 评价函数输入
5. 光学系统二维、三维图
6. 沿轴像差图形及数据
7. 轴外像差图形及数据
8. 像质评价图形及数据（点列图、波像差、传递函数）
9. 优化设计边界条件
10. 优化设计功能应用
设计实践(30学时)
选择题练习
1.要使通过放大镜看到的视场大些，设放大镜半径h，人眼到放大镜的距离d，则
增大h，减小d 增大h，增大d 减小h，增大d 减小h，减小d
2. 长焦距物镜要具有较短的工作距离，应采用
两个正组分离的系统两个正组接触的系统正负分离正组在前的系统
正负分离负组在前的系统
3. 设一物经光学系统成像于屏上，今其他条件不变，仅调整孔阑大小使sinU增大到原来的3倍，
则像面中心的光照度将变为原来的
1/9倍9倍1/3 倍3倍
4. 200度的近视眼，应配戴的眼镜的焦距为
200mm 500mm -500mm –200mm
5. 以下几种初级像差中，当视场很小时就要考虑的是
畸变彗差像散场曲
6. 当显微镜将物放大用于显微摄影时，其总焦距为
正负零无穷大
7. 拍摄人像艺术照，为突出主要人物，使背景模糊，应选用
焦距大，F数与对准距离小对准距离与F数大，焦距小对准距离与焦距大，F 数小对准距离小、焦距与F数大
8. 在球差、彗差、像散、像面弯曲、畸变、位置色差、倍率色差中，对轴上点成像产生圆形弥散斑的有
1种2种 3种以上都不对。