现代光学设计——结课总结
光学工程一班陈江坤
学号2120100556
一、掌握采用常用评价指标评价光学系统成像质量的方法，对几何像差和垂轴像差进行分类和总结。
像质评价方法
一、几何像差曲线
1、球差曲线：
球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球
差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单
根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。
2、轴外细光束像差曲线
这一般是由两个曲线图构成。图中左边的是像散场曲曲线，右边的是畸变，不同颜色
表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值，左图中几种不同色曲线间距
是放大色差值。
3、横向特性曲线（子午垂轴像差曲线）：
不同视场的子午垂轴像差曲线，纵坐标EY代表像差大小，横坐标PY代表入瞳大小，每一条曲线代表一个视场的子午光束在像面上的聚交情况。理想的成像效果应当是曲线和横轴重合，所有孔径的光线对都在一点成像。纵坐标上对应的区间就是子午光束在理想像面上的最大弥散斑范围。这个数值和点列图中的GEO尺寸一致，GEO尺寸就是横向特性曲线中该视场三个光波中弥散最大的那个半径。其中主光线用于描述单色像差情况；三个波长曲线用于描述垂轴色差情况。横向像差特性曲线图表示了视场角由小到大时垂轴像差曲线的变化，从中可以看出子午垂轴像差随视场变化规律。子午垂轴像差曲线的形状当然是子午像差：细光束子午场曲、子午球差和子午彗差决定的，因此曲线形状和像差数量的对应关系经常在像差校正中用到。根据像差曲线可以判断出要改善系统的成像质量，就必须改变曲线的形状和位置，即改变三种子午像差的数量。
将子午光线对a、b作连线，该连线的斜率m = (Ya-Yb)/2h 与宽光束子午场曲X’T 成正比。口径改变时，连线斜率变化表示宽光束子午场曲也随着变化。当口径减小趋于0时，连线成了坐标原点(对应主光线)的切线，切线的斜率和细光束子午场曲x’t相对应。子午光线对连线的斜率与原点切线斜率之间的差和子午球差(X’T –x’t)成正比，两个斜率夹角越大，子午球差越大。即：宽光束子午场曲与细光束子午场曲的差和子午球差成正比。当宽光束子午场曲与细光束子午场曲的符号由同号变成异号时表明子午球差加大。子午光线对连线和纵坐标交点的高度等于(Ya +Yb)/2，是子午彗差K’T。不同波长子午光线对连线和纵坐标交点之差表示两种不同波长光之间的“色彗差”。彗差是与孔径和视场都有关的一个像差，主要反映了经过光学系统后与主光线原对称的光线对不再与主光线对称的情形，能量上反映了对于中心点的不对称，也就是“彗尾现象”。
至于色差情况，三个波长的横向特性曲线差值就反映了轴外点垂轴色差的情况。横向特性曲线充分反映了轴外像点的成像质量和随入瞳孔径、视场大小的变化规律。在光学设计过程中，我们需要仔细的分析这些像差中那一个占据主要地位以及采取相应的措施，达到像差校正和像差平衡的目的。
弧矢像差的分析方法与子午像差分析方法相同。
对应轴上点，只有两种像差需要分析，即：轴向球差和轴向色差。“轴上点像差特性曲线（longitudinal aberration）”，通过对于轴上点球差、轴向色差的描述，综合的反映了轴上点成像质量；“场曲和畸变特性曲线”，描述了系统的子午场曲、弧矢场曲、色散、畸变等像差参数；“横向色差特性曲线”，描述了系统垂轴色差随着视场变化的规律。
二、点列图
由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。，点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。
图中的几个图分别表示给定的几个视场上不同光线与像面交点的分布情况。使用点列图，一要注意下方表格中的数值，值越小成像质量越好。二根据分布图形的形状也可了解系统的几何像差的影响，如，是否有明显像散特征，或彗差特征，几种色斑的分开程度如何，有经验的设计者可以根据不同的情况采取相应的措施。
三、传递函数
调制传递函数MTF：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。一般而言，高频传递函数反映了物体细节传递能力，低频传递函数反映物体轮廓传递能力，中频传递函数反映对物体层次的传递能力。
1、 MTF曲线图
图中不同色的曲线表示不同视场的复色光（白光）MTF曲线，T和S分别表示子午和弧矢方向，最上方黑色的曲线是衍射极限。横坐标是空间频率lp/mm（每毫米线对），纵坐标是对比度，最大是1。曲线越高，表明成像质量越好。
2、传函与离焦关系曲线图
此图表明对设定空间频率不同视场的子午、弧矢MTF与离焦量的关系，图中横坐标是离
焦量，纵坐标是对比度，通过此图可以看出各视场的最佳焦面是否比较一致，MTF是否对离焦比较敏感。此图在光学设计后期，精细校正时很有用。
四、波像差
1、光程差曲线
图中几个曲线图分别是不同视场子午和弧矢方向上的光程差，不同颜色表示不同色光。下方表格的数据为纵坐标（光程差）的最大值，单位一般用波长。
2、波面三维图
此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，下方表格中的数字给出了波差的大小
PEAK TO VALLEY 波差的峰谷值（最大最小）
RMS 波差均方根值
3、干涉图
这是模拟系统波差在干涉仪上测出的干涉图图形。图中给出的是设定视场和色光的干涉图。
像差分类总结
总的来说，镜头的像差可以分成两大类，即单色像差及色差。
镜头的单色像差五种，它们分别是影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似度的畸变。单色像差对单色光而言的像差。按照理想像平面上像差的大小与物高、入射光瞳口径的关系可区分为：
1. 球差：球差是由于镜头的透镜球面上各点的聚光能力不同而引起的。从无穷远处来的平行光线在理论上应该会聚在焦点上。但是由于近轴光线与远轴光线的会聚点并不一致，会聚光线并不是形成一个点，而是一个以光轴为中心对称的弥散圆，这种像差就称为球差。球差的存在引起了成像的模糊，而从下图可以看出，这种模糊是与光圈的大小有关的。小光圈时，由于光阑挡去了远轴光线，弥散圆的直径就小，图像就会清晰。大光圈时弥散圆直径就大，图像就会比较模糊。
必须注意，这种由球差引起的图像模糊与景深中的模糊完全是两会事，不可以混为一谈的。球差可以通过复合透镜或者非球面镜等办法在最大限度下消除的。在照相镜头中，光圈数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。我们在拍摄时，只要光线条件允许，可以考虑使用较小的光圈来减小球差的影响。
2. 慧差：彗差是在轴外成像时产生的一种像差。从光轴外的某一点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在像平面上并不是成一个点的像，而是形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状象彗星，从中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴，首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。这种轴外光束引起的像差就称为彗差。彗差的大小既与光圈有关，也与视场有关。我们在拍摄时也可以采取适当采用较小的光圈来减少彗差对成象的影响。
3. 像散：当拍摄垂直于光轴的平面上的物时，经过镜头所成的像并不在一个像平面内，而是在以光轴为对称的一个弯曲表面上，这种成像的缺陷就是场曲。场曲是一种与孔径无关的像差。靠减小光圈并不能改善因场曲带来的模糊。
4. 场曲：垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的
像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像
误差称为场曲。
用存在场曲的镜头拍照时，当调焦至画面中央处影象清晰，画面四周影象就模糊；而当
调焦至画面四周影象清晰时，画面中央处的影象又开始模糊，无法在平直的象平面上获得中
心与四周都清晰的象。因此在某些专用照相机中，故意将底片处于弧形位置，以减少场曲的
影响。由于广角镜头的场曲比一般镜头大，在拍团体照（经常使用广角镜头）时采用略带圆
弧形的站位排列，就是为了提高边缘视场的象质。
5. 畸变：被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像
误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。
由于畸变的存在，物方的一条直线在像方就变成了一条曲线，造成像的失真。畸变可分为枕型畸变和桶型畸变两种。造成畸变的根本原因是镜头像场中央区的横向放大率与边缘区的横向放大率不一致。如下图所示，如果边缘放大率大于中央放大率就产生枕型畸变，反之，则产生桶型畸变。
上述单色像差，仅与物高和入射光瞳口径的幂总共三次方成正比，称为三级像差（又称初级像差），此外还有与物高和入射光瞳口径的幂总共高于三次方的成正比像差，称为高级像差。
6 .色差：由于透射材料折射率随波长变化，造成物点发出的不同波长的光线通过光学系统后不会聚在一点，而成为有色的弥散斑。它仅出现于有透射元件的光学系统中。按照理想像平面上像差的线大小与物高的关系，可区分为：
①位置色差（又称纵向色差）与物高无关的像差，即不同波长的光线经由光学系统后会聚在不同的焦点。
②横向色差（又称倍率色差）与物高一次方成正比的像差。它使不同波长光线的像高不同，在理想像平面上物点的像成为一条小光谱。
这是两种最基本的色差，由于波长不同还会引起单色像差的不同，这称为色像差，如色球差、
色彗差等。如果物平面处在无穷远,上述物高应换为物点的视角(即它和光轴的夹角)。
实际的光学系统存在着各种像差。一个物点所成的像是综合各种像差的结果；此外实际光学系统完全可以不调焦在理想像平面处，这时像差（指在这个实像面上的像斑）当然也要变化。在天文上常用光线追迹的点列图来表示实际像差；也可用波像差来表示像差，由一个物点发出的光波是球面波，经过光学系统后，波面一般就不再是球面的。它与某一个基准点为中心的球面的偏离量，乘以该处介质的折射率值，称为波像差。
二、学习光学自动设计和两种常用自动设计程序的原理，掌握阻尼最小二乘法自动设计程序的使用方法，或掌握ZEMAX软件中的自动设计程序使用方法。
阻尼最小二乘法特点
不直接求解像差线性方程组，把各种像差残量的平方和构成一个评价函数。通过求评价函数的极小值解，使像差残量逐步减小，达到校正像差的目的。它对参加校正的像差数没有
限制。
在阻尼最小二乘法程序中，通常可以采用垂轴几何像差或波像差作为单色像差的质量指标，色差则用近似计算的波色差来控制
各种像差在数值上希望达到合理的匹配。把各种像差值乘以不同的系数，再进入评价函数。
设定范围
1）正透镜的最小边缘厚度、负透镜的最小中心厚度和透镜间的最小空气间隔。
2）每个面上光线的最大投射高。
3）玻璃光学常数的限制。
自变量的设定
1）单个结构参数作为自变量
2）非球面系数
3）两个结构参数构成的结组变量
4）组合变量整体弯曲
适应法像差自动校正程序特点
参加校正的像差个数m必须小于或等于自变量个数n
参加校正的像差不能相关
可以控制单个独立的几何像差
对设计者要求较高，需要掌握像差理论
给出每种像差的目标值和公差。
像差公差：固定公差和可变公差两类。
固定公差：不变的像差公差。像差进入公差带即认为满足要求。
可变公差：当各种像差达到目标值或进入公差带以后，程序可以逐步收缩这些可变公差，使像差校正得尽可能好，以便充分发挥系统的校正能力。
固定公差给正值，可变公差给负值。
Zemax软件
对于实际的光学系统来说，它的成像往往是非完善成像，对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣，是光学设计中遇到的一个重要问题。在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中，计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的一种重要手段。其中，由美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件ZEMAX，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seq uential及Non-Sequential的软件。其主要特色有分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt；优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit funct ion参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance 参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。
但是，这里必须强调一点的是，ZEMAX软件只是一个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进行光学设计，而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量。所以，在应用本教程进行光学辅助设计之前，最好先学习一下光学设计的有关知识：首先是几何光学基础，几何光学是光学设计的基础.要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺寸计算方法，了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程。实际光学系统大多由球面和平面构成.记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式，了解公式中各参数的几何意义是必要的，具体公式可参考有关光学书籍，在此就不一一介绍了。对于平面零件有平面反射镜和棱镜，它们的主要作用多为改变光路方向，使倒像成为正像，或把白光分解为各种波长的单色光。在光学系统中造成光能损失的原因有三点：透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失。其次是像差理论知识，对于一个光学系统，一般存在7种几何像差，他们分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差。另外，还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识，以及一些光学工艺的知识，包括切割，粗磨，精磨，抛光和磨边，最后还有镀膜和胶合等。
三、熟练掌握ZEMAX软件包的像差计算、自动设计、传函计算等程序的使用方法。
ZEMAX是一套综合性的光学设计软件。它集成了光学系统所有的概念、设计、优化、分析、公差分析和文档整理功能。具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。
3种不同的版本：SE, XE,和EE。 ZEMAX可以模拟Sequential和non-sequential成像系统和非成像系统。
序列性（Sequential）光线追迹
大多数成像系统都可以由一系列顺序排列的光学面来描述。光线按面的顺序进行追迹。如相机镜头、望远镜镜头、显微镜头等。它有很多优点，如光线追迹速度快、可以直接优化和进行公差预算。
ZEMAX中的光学面可以是反射面、折射面或衍射面。也可以建立因为光学薄膜引起的有不同透射率的光学面特性。面之间的介质可以是各向同性的，如玻璃或空气。也可以是任意的渐变折射率分布，折射率可以是位置、波长、温度或其它特性参数的函数。也支持双折射材料，它的折射率是偏振态和光线角度的函数。
ZEMAX中，所有描述面的特性参数，包括形状、折射、反射、折射率、渐变折射率、热系数、透射率和衍射率都可以自定义。
非序列性（Non-sequential）光线追迹
很多重要的光学系统不能用sequential光线追迹的模式描述，如复杂的棱镜、光管、照明系统、小面反射镜、非成像系统或任意形状的物件等。而且散射和杂光也不能用序列性分析的模式。
这些系统要求用non-sequential模式，此时光线以任意的顺序打到物件上。Non-seque ntial模式可以对光线传播进行更细节的分析，包括散射光或部分反射光。
进行non-sequential追迹时，ZEMAX用3D solid models光学元件，可以是任意的形状。支持散射、衍射、渐变折射率、偏振和薄膜。用光度学和辐射度学的单位。
在sequential追迹中，光源由物面上的视场或上bitmap扩展光源定义。有传统的点光源，视场点可由角度、物高、实际像高或近轴像高定义。点光源可以用不同权重定义，还可以分别指定每个光源的渐晕。
ZEMAX也支持像散或椭园形状的二极管光源。
还有扩展光源。这些光源是用户用ASCII码自己定义的，它类似于 bitmap图形，或用标准的Windows BMP或JPG格式。各个像素上的光强可以不同。
Non-sequential光源
Non-sequential光源比Sequential光源可以复杂得多。它一般是三维的，可以定义其输出的照度（单位为瓦或流明）。用光源发出的光线数控制光源采样，还可以分开控制显示的光线数和用于分析的光线数。
可以同时使用多个光源，它们可以是相干的（自定义相干长度），或非相干的，可以是单色的或复色的。
玻璃、镜头和样板目录
提供包括Schott, Hoya, Ohara, Corning, 和Sumita 的玻璃（目前不包括中国玻璃），和红外材料、塑料和自然材料（如硅），还包括双折射材料。
目录里包括色散、热分析、强度/酸、成本因子和其它数据。所有数据都可以看到或者进行修改。还可以很方便地增加数据。
用户还可以自己建立玻璃和样板库或往已有的库中添加数据。
ZEMAXr 的分析图
Non-sequential光线追迹的应用包括照明系统、杂光控制、成像系统的鬼像分析、和非成像光学系统的一般设计。
Non-sequential物件 vs.面
进行non-sequential光线追迹时，ZEMAX用固体的光学元件。追迹时，考虑能量偏振、BSDF散射分布、薄膜和多级次衍射。
所有物件可以是反射、折射或吸收。物件的数量没有限制，物件也可以从CAD程序中输入(文件格式为IGES, STEP, STL或用ZEMAX定义的ASCII码多面体)。
探测器
任何面状物件都可以作为探测器。还有专门的探测器物件，可以探测和显示光学系统中任意位置的相干或非相干辐射(power per area),或光强(power per solid angle) 。
光线数据库
追迹的所有光线数据都存在一个文件中，计算任何探测器中的数据时，不需要重复计算。
棱镜库。
ZEMAX里面建立了大量的棱镜，常用的如right, dove, roof, penta, pechan等都有。其大小可以为任意值，也可以放在任意位置。
优化
使用最小阻尼二乘法算法。用缺省的或自定义的优化函数，可以同时对任意数量的变量优化。
优化函数
有20个缺省优化函数，包括使弥散斑半径或波像差的peak-to- valley或 RMS最小。可以预先定义控制目标数，包括像差系数等。对变焦系统进行优化也很简单。
优化变量
ZEMAX可以优化系统中任何参数，包括曲率半径、厚度、玻璃、二次项系数和非球面系数、光机周期、孔径、波长、视场等。 Non-sequential的位置和参数也可以进行优化。
全局优化
可以给出一系列满足目标和约束的设计。
ZEMAX支持2种全局优化：(1)search：寻找新的设计形式，然后优化，寻找最佳的10个设计形式。直到用户中断计算为止。(2)hammer optimization：完全寻找当前设计形式的较好的形式。 Hammer优化用在设计的最后阶段，以确定最佳可能设计形式。二种算法用同样的优化函数。
公差分析
ZEMAX综合的、灵活的和功能强的公差分析。
缺省的公差分析项目包括：曲率半径、厚度、条纹、位置、倾斜、离轴、局部误差、折射率、Abbe数等。
还可以自己定义公差，包括非球面系数、离心/倾斜, solve和参数公差等。定义的补偿器包括：焦距、倾斜、任意元件或面或群组的位置。然后可以选择公差评价标准，有RMS s pot radius, RMS wavefront error, MTF, boresight error,或更复杂的自定义标准。
Sensitivity分析
单独考虑每个定义的公差。将参数调整到公差范围的极限，然后确定每补偿器的最佳值。最后将每个公差的贡献列表输出。
Inverse Sensitivity分析
在定义系统最低性能后，inverse sensitivity分析迭代计算每个参数的公差容限。
Monte Carlo分析
Monte Carlo分析非常有用，功能也非常强，因为它同时考虑所有公差的影响。它用定义的公差产生一些随机系统，采用适当的统计模型，调整所有的补偿器，使每个参数随机扰动，然后评估整个系统性能的影响。
变焦和多重结构
ZEMAX支持变焦镜头分析和设计。可以设计变焦镜头、扫描镜头、多光路系统、透镜阵列、干涉仪、分光镜等。
可以对多重结构同时进行优化。每重结构可以是同样的或不同的优化函数，变化和约束条件也可以是相同或不同的。通过在一个温度范围内同时优化，也可以用在热分析中。
物理光学传播
Physical Optics Propagation (POP)不是用光线追迹，而是用衍射计算的方法计算光线在光学系统中的传播。考虑透镜孔径的衍射和光束在透镜之间的传播情况。
可以用单位面积内的能量定义光束。输出包括辐射和位相面的图形、截面图、能量分布和光纤耦合。也可以计算不在光轴上的倾斜光束。
热分析
有些光学系统用在很宽的温度范围或不在常温下使用时，需要考虑温度和压强的影响。ZEMAX用非线性温度模型，而不是简单的 dn/dt 近似。
ZEMAX可以指定或优化热膨胀系统的透镜或元件之间的间隔。
玻璃目录包括温度和压强数据，以支持热效应分析计算。可以精确地模拟光学面的热膨胀特性。
扩展光源分析
在设计成像系统时，点光源能够精确描述成像质量的很多方面。但是扩展光源对观察畸(特别是非径向畸变)很有用，检查像的方向、分色及定量观察整个系统的性能。
ZEMAX支持二种扩展光源。ASCII格式的光源，是一些简单的形状，如字母、方块等。也支持彩色的Windows BMP和JPG格式的光源。可以对光源进行缩放、旋转，也可以放在视场中任何地方。
宏
ZEMAX支持宏语言，称为ZPL。其结构有点象BASIC。也支持函数调用、自定义阵列、数字和字符串、文本和图形输出等。
对更复杂的分析工作，ZEMAX支持更能用程序界面，叫extensions。可以在外部程序的控制下进行光线追迹、分析和优化。用C或C++语言编写。
偏振光追迹
ZEMAX具有全面的偏振光追迹和分析能力。可以任意定义输入光线的偏振态。ZEMAX考虑透射、反射、吸收、偏振态、衰减和延迟。
偏振光追迹要求计算面和体材料的效应。面效应决定于面上的光学薄膜的特性。
薄膜模型
ZEMAX具有薄膜建模能力。可以定义多层金属或电介质膜。薄膜不以用在电介质或金属基底上。可以由任意层数、任意材料组成，每种材料可以由复折射率定义。
如果面从空气-玻璃转换为玻璃-空气，则ZEMAX会自动转换膜层的顺序。
材料建模
ZEMAX中有详细的体吸收模型，包括任意波长、任意厚度的玻璃的透射。体吸收一般使光线衰减，衰减的数量决定于光线的光程长度、材料特性和波长。所有材料都可以定义吸收或透射特性。
四、利用ZEMAX软件设计如下光学系统：
1.远镜物镜设计
要求：焦距为200，半视场角为4?，相对孔径为1：5
2.目镜设计
与1中的望远镜物镜进行配合，要求：视放大率为6倍，目镜出瞳距离为20
（1）望远镜光学特性计算
由物镜焦距'1200f mm =及相对孔径'1:5D f =，可得：
'15D f =＝40mm
由6Γ=，知： 出瞳直径
' 6.67D D mm =
=Γ 目镜焦距''
1220033.336f f mm ===Γ
由物方视场2ω=8
，可得： '64(15%)tg tg tg ω=Γω99(1+?T)=+
像方视场'247.56ω=
设计要求
物镜：，'1:5D f =，
'1200f mm =，28ω= ，'40D mm = 目镜：'21:5D f = ，'233.33f mm =，'247.56ω= ，' 6.67D mm =，
'20z l mm ='122(200)z F F l f l l mm =+=+这里2F l 根据实际初始系统而定。
（2）望远镜物镜的设计
本例物镜利用双胶合物镜结构设计。双胶合望远物镜的特点是结构简单，制造和装配方便，光能损失较小。玻璃选择得当，可以同时校正球差，正弦差和色差。当高级球差得到平衡时，胶合面的曲率较大，剩余的带球差偏大。因而，双胶合物镜只适用于小孔径的使用场合。考虑到胶合面有脱胶的概率，双胶合物镜的口径不宜过大，最大口径为100mm 。双胶合
物镜能适应的视场角不超过10 。
根据像差补偿原则物镜三种像差应满足
'L δ＝－0.1，'FC L ?＝－0.05,'m SC =0
由PW 计算方法得出00.00025,0.0808C P ==
查表找到一对较好的玻璃为K9-ZF1，它们的,D n ν以及00,P Q
000.08, 4.64P Q ==-
计算得123125.7886.73270.36r mm
r mm
r mm ==-=-
取1246d mm
d mm ==
选用双胶合物镜为初始结构，的如下结果：
优化后结构参数
优化后结构图
优化后像差图
从像差图中可以看出优化后的物镜基本适合应用，它还将和目镜相匹配起到像差补偿的作用。
（3）望远目镜的设计
利用艾尔弗目镜结构进行设计优化，埃尔佛目镜中接眼正透镜组有一个双胶合和一个单透镜构成。前面也是一个双胶合组，负光焦度是由前面一个凹面和胶合面产生的，它也起到协助校正接眼透镜组像差的作用。
显微物镜光学参数要求为：β=2?，NA =0.1，共轭距离为195mm 。 1）根据几何光学计算相应参数； 2）运用初级像差理论进行光学系统初始结构计算； 3）使用光学设计软件对初始结构进行优化，要求视场角o 5±； 4）根据系统的特点列出优化后结构的主要像差分析； 5）计算优化后结构的二级光谱色差。 一、显微物镜的基本参数计算 为有效控制显微镜的共轭距离，显微镜设计时，一般总是逆光路设计，即按1/β进行设计。该显微物镜视场小，孔径不大，只需要校正球差、正弦差和位置色差。因此，采用双胶合物镜。 '''' 1 2 195111l l l l l l f β==- -=-= 解，得 ''6513043.33l l f ==-= 正向光路 根据 '' ' J nuy n u y == sin NA n u = 在近轴情况下 NA nu = ' 2y y β== 由此可求解 ''' 0.05NA n u == 由此可知逆向光路的数值孔径 综上，该显微物镜的基本参数为 NA 'f 'l l 0.05 43.33 65 130- 二、求解初始基本结构
1）确定基本像差参量 根据校正要求，令'0L δ=、'0SC =、' 0FC L ?=，即 0C S S S I ∏ I ===∑∑∑，即 43332220 00 z C S h P S h h P Jh W S h C φφφφI I ∏ I ===+===∑∑∑ 解，得 0P W C I === 将其规化到无穷远 11sin 0.1NA n u ==，11n = 则 11sin 0.1/2u U β=?=-，11 6.5h l u mm =?= 规化孔径角为 110.1 20.3333071 6.543.33 u u h φ-== =-? 由公式 () ()() 21141522P P W u W W u μμ∞∞ =++++=++可求得规化后的基本像差参量 代入可得 0.36560.8832 P W ∞∞ ==- 2）选择玻璃组合 取冕牌玻璃在前 得 ( ) 2 00.850.1 0.155792P P W ∞ ∞ =-+=- 根据0P 和C I ，查表选取相近的玻璃组合为BaK7-ZF3，其参数为 Bak7:56,5688.111==v n ZF3:5.29,7172.122==v n 0010.11520, 4.295252, 2.113207P Q ?=-=-= 2.397505A =， 1.698752K = 3）求形状系数Q
光学系统设计（一） 参考答案及评分标准 20 分） 二、填空题（本大题14小题。每空1分，共20 分） 21.球心处、顶点处、齐明点处（r n n n L '+=） 22.%100y y y q z ?''-'=' 23.0 24.球差 25.冕牌、火石 26.?ννν?2111-=、?ννν?2 122--= 27.两面的公共球心处、两面的公共球心处 28.阿贝常数、C F D D n n 1n --= ν 29.畸变 30.圆 31.0 32.二级光谱 33.f 00052.0L FCD '='? 34.EFFL 三、名词解释（本大题共5 小题。每小题2 分，共 10 分） 35．像差：实际光学系统所成的像和近轴区所成的像之间的差异称为像差。 评分标准：主要意思正确得2分。 36．子午场曲：某一视场的子午像点相对于高斯像面的距离称为子午像面弯曲，简称子午场曲。 评分标准：答对主要意思得2分。 37．二级光谱：如果光学系统已对两种色光校正了位置色差，这两种色光的公共像点相对于第三种色光的像点位置仍有差异，该差异称为二级光谱。 评分标准：答对主要意思得2分。 38.色球差：F 光的球差和C 光的球差之差，称为色球差，该差值也等于边缘光和近轴光色差之差。 评分标准：答对得2分。 39．渐晕：轴外点成像光束的宽度较轴上点成像光束的宽度要小，造成像平面边缘部分照度要比像平面中心部分照度低的现象，称为渐晕。 评分标准：答对主要意思得2分。
四、简答题（本大题共 6 小题。每小题 5 分，共30 分） 40．一物体的峰-谷比（peak to valley ）是λ23.0，问是否满足Rayleigh 条件？ 答：满足Rayleigh 条件，因为根据Rayleigh 判断，实际波面和参考波面之间的最大波像差(峰谷比)不超过0.25λ时，此波面可看作是无缺陷的成像质量较好。 评分标准：答对主要意思得5分。 41．在七种几何像差中，仅与孔径有关的像差有哪些？仅与视场有关的像差有哪些？与视场和孔径都有关系的又有哪些？ 答：仅与孔径有关的像差有：球差、位置色差；仅与视场有关的像差有：像散、场曲、畸变、倍率色差；与视场和孔径都有关系的有：彗差 评分标准：第一问中每个答案正确得1分，第二问中每个答案正确得0.5分，第三问中每个答案正确得1分。 42．一物体置于折射球面的球心处，其像在哪？放大倍率多少？若物在球面顶点，其像又在何位置？放大倍率多少？ 答：像分别在球心处和顶点处，放大倍率分别为n 1和1。 评分标准：两位置答对各得1分，第一个放大倍率答对得2分，第二个得1分。 43. 什么是焦深，若像面向前或向后离焦半倍焦深，引起的波像差多大？ 答：（1）实际像点无论在高斯像点之前或之后'?0l 范围内，波像差都不会超过1/4 波长，所以把'02l 定义为焦深，即20u n l 2''='λ （2）引起的波像差为4/λ。 评分标准：第一问答对大意得3分，第二问答案正确得2分。 44. 近视眼应佩戴何种透镜加以矫正？为什么？ 答：应佩戴凹透镜加以矫正，使光线经过水晶体后发散，重新汇聚到视网膜上。 评分标准：答对大意得5分。 45. 在对称式光学系统中，当1-=β时，哪几种初级像差可以得到自动校正？其它初级像差有何特性？ 答：垂轴像差：彗差、畸变、倍率色差均为0。 轴向像差：球差、像散、场曲、位置色差均为半部系统相应像差的两倍。 评分标准：第一问每个答案正确得1分，共3分；第二问每个答案正确得0.5分，共2分。 五、计算题（每题10分，共20分） 46．设计一齐明透镜，第一面曲率半径95m m r 1-=，物点位于第一面曲率中心处，第二球面满足启明条件，若该透镜厚度5mm d =，折射率5.1n =，该透镜位于空气中，求 （1）该透镜第二面的曲率半径； （2）该启明透镜的垂轴放大率。 解： （1）根据题意得，物点发出光线经第一面后按直线传播，相对于第二面，其物距100m m 595l 2-=--=，根据齐明条件100mm r n n n l 22 222-='+=，可得
现代光学设计作业 学号：2220110114 姓名：田训卿
一、光学系统像质评价方法 (2) 1.1 几何像差 (2) 1.1.1 光学系统的色差 (3) 1.1.2 轴上像点的单色像差─球差 (4) 1.1.3 轴外像点的单色像差 (5) 1.1.4 正弦差、像散、畸变 (7) 1.2 垂直像差 (7) 二、光学自动设计原理9 2.1 阻尼最小二乘法光学自动设计程序 (9) 2.2 适应法光学自动设计程序 (11) 三、ZEMAX光学设计.13 3.1 望远镜物镜设计 (13) 3.2 目镜设计 (17) 四、照相物镜设计 (22) 五、变焦系统设计 (26)
一、光学系统像质评价方法 所谓像差就是光学系统所成的实际像和理想像之间的差异。由于一个光学系统不可能理想成像，因此就存在光学系统成像质量优劣的问题，从不同的角度出发会得出不同的像质评价指标。 （1）光学系统实际制造完成后对其进行实际测量 ?星点检验 ?分辨率检验 （2）设计阶段的评价方法 ?几何光学方法：几何像差、波像差、点列图、几何光学传递函数 ?物理光学方法：点扩散函数、相对中心光强、物理光学传递函数 下面就几种典型的评价方法进行说明。 1.1 几何像差 几何像差的分类如图1-1所示。 图1-1 几何像差的分类
1.1.1 光学系统的色差 光波实际上是波长为400~760nm 的电磁波。光学系统中的介质对不同波长光的折射率不同的。如图1-2，薄透镜的焦距公式为 ()'121111n f r r ??=-- ??? (1-1) 因为折射率n 随波长的不同而改变，因此焦距也要随着波长的不同而改变， 这样，当对无限远的轴上物体成像时，不同颜色光线所成像的位置也就不同。我们把不同颜色光线理想像点位置之差称为近轴位置色差，通常用C 和F 两种波长光线的理想像平面间的距离来表示近轴位置色差，也成为近轴轴向色差。若l ′F 和l ′c 分别表示F 与C 两种波长光线的近轴像距，则近轴轴向色差为 '''FC F C l l l ?=- (1-2) 图1-2 单透镜对无限远轴上物点白光成像 当焦距'f 随波长改变时，像高'y 也随之改变，不同颜色光线所成的像高也不 一样。这种像的大小的差异称为垂轴色差，它代表不同颜色光线的主光线和同一基准像面交点高度（即实际像高）之差。通常这个基准像面选定为中心波长的理 想像平面。若'ZF y 和'ZC y 分别表示F 和C 两种波长光线的主光线在D 光理想像平面 上的交点高度，则垂轴色差为 '''FC ZF ZC y y y ?=- (1-3)
光学系统设计(五) 一、单项选择题（本大题共 20小题。每小题 1 分，共 20 分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是正确的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1．对于密接双薄透镜系统，要消除二级光谱，两透镜介质应满足 ( )。 A.相对色散相同，阿贝常数相差较小 B.相对色散相同，阿贝常数相差较大 C.相对色散相差较大，阿贝常数相同 D.相对色散相差较小，阿贝常数相同 2．对于球面反射镜，其初级球差表达公式为 ( )。 A.?δ2h 81L =' B. ?δ2h 81L -=' C. ?δ2h 41 L =' D. ?δ2 h 41 L -=' 3．下列光学系统中属于大视场大孔径的光学系统是 ( )。 A.显微物镜 B.望远物镜 C.目镜 D. 照相物镜 4．场曲之差称为 ( )。 A.球差 B. 彗差 C. 像散 D. 色差 5．初级球差与视场无关，与孔径的平方成 ( )。 A.正比关系 B.反比关系 C.倒数关系 D.相反数关系 6．下面各像差中能在像面上产生彩色弥散斑的像差有( )。 A.球差 B.场曲 C.畸变 D.倍率色差 7．不会影响成像清晰度的像差是 ( )。 A.二级光谱 B.彗差 C.畸变 D.像散 8．下列光学系统中属于大视场小孔径的光学系统是 ( )。 A.显微物镜 B.望远物镜 C.目镜 D. 照相物镜 9．正弦差属于小视场的 ( )。 A.球差 B. 彗差 C. 畸变 D. 色差 10．初级子午彗差和初级弧矢彗差之间的比值为 ( )。 ：1 ：1 C.5：1 ：1 11．光阑与相接触的薄透镜重合时，能够自动校正 ( )。 A.畸变 B.场曲 C.球差 D.二级光谱 12．在子午像差特性曲线中，坐标中心为z B '，如0B '位于该点左侧，则畸变值为 ( )。 A.正值 B.负值 C.零 D.无法判断 13．厚透镜之所以在校正场曲方面有着较为重要的应用，是因为 ( )。 A.通过改变厚度保持场曲为零 B.通过两面曲率调节保持光焦度不变 C.通过改变厚度保持光焦度不变 D.通过两面曲率调节保持场曲为0 14．正畸变又称 ( )。 A.桶形畸变 B.锥形畸变 C.枕形畸变 D.梯形畸变 15．按照瑞利判断，显微镜的分辨率公式为 ( )。 A.NA 5.0λσ= B. NA 61 .0λ σ= C.D 014' '=? D. D 012' '=? 16．与弧矢平面相互垂直的平面叫作 ( )。 A.子午平面 B.高斯像面 C.离焦平面 D.主平面 17．下列软件中，如今较为常用的光学设计软件是 ( )。 软件 软件 软件 软件 18．光学传递函数的横坐标是 ( )。 A.波长数 B.线对数/毫米 C.传递函数值 D.长度单位 19．星点法检验光学系统成像质量的缺陷是 ( )。
《光电技术基础及应用》大作业 （2015年春季学期） 题目激光测距原理及军事应用 姓名崔晓蒙 学号1110811005 班级1108110班 专业机械设计制造及其自动化 报告提交日期2015年4月23日 哈尔滨工业大学
大作业要求 1.请根据课堂布置的4道大作业题，任选其一，题目自拟，拒绝雷 同和抄袭； 2.大作业最好包含自己的心得、体会或意见、建议等； 3.大作业统一用该模板撰写，字数不少于5000字，上限不限； 4.正文格式：小四号字体，行距为1.25倍行距； 5.图表规范，参考文献不少于8篇； 6.用A4纸单面打印；左侧装订，1枚钉； 7.大作业需同时提交打印稿和2003word电子文档予以存档，电子文 档由班长收齐，统一发送至：j_jyq@https://www.doczj.com/doc/374625007.html,； 8.此页不得删除。 评语： 成绩（20分）：教师签名： 2015年5月25日
《激光测距原理及军事应用》 摘要：本文简要介绍了脉冲激光测距原理及常见的激光测距光源，并对它们在军事上的应用作了相应的介绍。 关键词：激光测距，激光光源，军事应用 1.概述 1960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。激光的英文名称是Laser，取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。由于激光在亮度、方向性、单色性以及相干性等方面都有不俗的特点，它一出现就吸引了众多科学工作者的目光，并被迅速地被应用在工业生产方面、国防军工方面、房地产业、各级科研机构、工程、防盗安全等各个行业各个领域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。有关于激光的研究与生产制造也如火如荼地开展了起来。 激光与普通光源所发出的光相比，有显著的区别，形成差别的主要原因在于激光是利用受激辐射原理和激光腔滤波效应。而这些本质性的成因使激光具有一些独特的特点： 1.激光的亮度高。固体激光器的亮度更可高达1011W／cm2Sr这是因为激光虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我们所见所有光（包括可见光中的强者：太阳光），这也是激光可用于星际测量的根本原因所在； 2.激光的单色性好。这是因为激光的光谱频率组成单一。 3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束发散角，经过长距离的飞行以后仍然能够保持直线传输； 4.激光的相干性好。我们通常所见到的可见光是非相干光，激光可以做到他们都做不到的事情，比如说切割钢材。 在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。 激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。自1960年第一台激光器--红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其
课程名称：现代光学设计方法 一、课程编码：0400013 课内学时：32学分：2 二、适用专业：仪器科学与技术各专业，光学工程专业，物理电子学专业 三、先修课程：应用光学，物理光学，光学测量，光学工艺等。 四、教学目的： 通过本课程的学习，使研究生： 1、了解现代光学系统像质评价所采用的方法，了解几何像差、垂轴像差、波像差、点列图、包围圆能量、光学传递函数等常用像质评价指标的概念和特点，掌握用Zemax软件中相应功能的使用方法； 2、了解光学自动设计的原理，了解适应法和阻尼最小二乘法两种自动优化方法的原理和特点，掌握用Zemax软件中自动优化功能的使用方法； 3、了解公差分析与计算的原理，掌握常用光学系统公差分析与计算的方法，掌握用Zemax软件中公差分析计算功能的使用方法； 4、学习经典光学系统的设计方法，了解变焦距系统的原理和设计方法，掌握用Zemax 软件中相应功能设计光学系统的方法； 5、学习空间光学系统、红外光学系统、非球面光学系统等现代典型光学系统的特点和设计方法。 五、教学方式： 课堂讲授，材料自学与课堂讨论，穿插设计实例分析。 六、教学主要内容及对学生的要求： 1光学系统像质评价方法4学时 1.1光学系统的坐标系统、结构参数和特性参数 1.2检测阶段的像质评价指标——星点检验 1.3检测阶段的像质评价指标——分辨率测量 1.4几何像差的定义及其计算 1.5垂轴像差的概念及其计算 1.6几何像差计算程序ABR的输入数据与输出结果 1.7几何像差及垂轴像差的图形输出 1.8用波像差评价光学系统的成像质量 1.9光学传递函数 1.10点列图 1.11包围圆能量 2光学自动设计方法4学时 2.1阻尼最小二乘法光学自动设计程序 2.2光学自动设计的全局优化 2.3适应法光学自动设计程序 2.4典型光学设计软件介绍 3公差分析与计算4学时 3.1公差设计中的评价函数 3.2光学公差的概率关系 3.3公差设计中的随机模拟检验
现代光学设计——结课总结 光学工程一班陈江坤 学号2120100556
一、掌握采用常用评价指标评价光学系统成像质量的方法，对几何像差和垂轴像差进行分类和总结。 像质评价方法 一、几何像差曲线 1、球差曲线： 球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球 差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单 根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。 2、轴外细光束像差曲线 这一般是由两个曲线图构成。图中左边的是像散场曲曲线，右边的是畸变，不同颜色 表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值，左图中几种不同色曲线间距 是放大色差值。
3、横向特性曲线（子午垂轴像差曲线）： 不同视场的子午垂轴像差曲线，纵坐标EY代表像差大小，横坐标PY代表入瞳大小，每一条曲线代表一个视场的子午光束在像面上的聚交情况。理想的成像效果应当是曲线和横轴重合，所有孔径的光线对都在一点成像。纵坐标上对应的区间就是子午光束在理想像面上的最大弥散斑范围。这个数值和点列图中的GEO尺寸一致，GEO尺寸就是横向特性曲线中该视场三个光波中弥散最大的那个半径。其中主光线用于描述单色像差情况；三个波长曲线用于描述垂轴色差情况。横向像差特性曲线图表示了视场角由小到大时垂轴像差曲线的变化，从中可以看出子午垂轴像差随视场变化规律。子午垂轴像差曲线的形状当然是子午像差：细光束子午场曲、子午球差和子午彗差决定的，因此曲线形状和像差数量的对应关系经常在像差校正中用到。根据像差曲线可以判断出要改善系统的成像质量，就必须改变曲线的形状和位置，即改变三种子午像差的数量。 将子午光线对a、b作连线，该连线的斜率m = (Ya-Yb)/2h 与宽光束子午场曲X’T 成正比。口径改变时，连线斜率变化表示宽光束子午场曲也随着变化。当口径减小趋于0时，连线成了坐标原点(对应主光线)的切线，切线的斜率和细光束子午场曲x’t相对应。子午光线对连线的斜率与原点切线斜率之间的差和子午球差(X’T –x’t)成正比，两个斜率夹角越大，子午球差越大。即：宽光束子午场曲与细光束子午场曲的差和子午球差成正比。当宽光束子午场曲与细光束子午场曲的符号由同号变成异号时表明子午球差加大。子午光线对连线和纵坐标交点的高度等于(Ya +Yb)/2，是子午彗差K’T。不同波长子午光线对连线和纵坐标交点之差表示两种不同波长光之间的“色彗差”。彗差是与孔径和视场都有关的一个像差，主要反映了经过光学系统后与主光线原对称的光线对不再与主光线对称的情形，能量上反映了对于中心点的不对称，也就是“彗尾现象”。 至于色差情况，三个波长的横向特性曲线差值就反映了轴外点垂轴色差的情况。横向特性曲线充分反映了轴外像点的成像质量和随入瞳孔径、视场大小的变化规律。在光学设计过程中，我们需要仔细的分析这些像差中那一个占据主要地位以及采取相应的措施，达到像差校正和像差平衡的目的。 弧矢像差的分析方法与子午像差分析方法相同。 对应轴上点，只有两种像差需要分析，即：轴向球差和轴向色差。“轴上点像差特性曲线（longitudinal aberration）”，通过对于轴上点球差、轴向色差的描述，综合的反映了轴上点成像质量；“场曲和畸变特性曲线”，描述了系统的子午场曲、弧矢场曲、色散、畸变等像差参数；“横向色差特性曲线”，描述了系统垂轴色差随着视场变化的规律。 二、点列图 由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。，点列图是在现代光学设计中最常用的评价方法之一。
作业一： 1. [单选题] 平面构成是从（B ）这些单个元素开始的。 A、色彩、图形 B、点、线、面 C、构图、排版 D、文字、图片 2．[单选题] 在几何学上，点只有位置，没有（B ） A、色彩 B、大小和形状 C、空间 D、长度 3．[单选题] （B ）是平面构成中最基本的单位元素。 A、点 B、基本形 C、线 D、骨格 4. [单选题] 重复构成是指以一个基本形为主体，在骨格内（B ）排列，排列可做方向、位置及大小等变化。 A、随意 B、重复 C、倾斜 D、并列 5. [单选题] 平时说的“万绿丛中一点红”、“鹤立鸡群”等指的是（A ）现象。 A、特异 B、重复 C、分割 D、自然 6. [单选题] 渐变构成指的是基本形或骨格有规律的（）地变化。 A、渐次 B、倾斜 C、重复 D、排列 7. [单选题] 光是指发光体释放出的射线，即（ A） A、光线 B、色彩 C、色光 D、辐射 8. [单选题] 自然界中，任何客观物象色彩关系的形成都具备光源的照射、物体的反射和环境的折射3个基本因素，即光源色、固有色、（C ）。 A、太阳光 B、人造光 C、环境色 D、对比色 9. [单选题] 明度是指色彩的明暗程度或深浅程度，以光源色来说可以称为（C ） A、深度 B、浅度 C、明暗度 D、发光度 10. [单选题]
同类色是指在色相环中任意（C ）左右的两种以上的颜色。 A、130° B、180° C、15° D、45° 作业二 1．[判断题] 光线与色彩是相互依存的，光是前提，色是结果，没有光也会有色彩。（×）2. [判断题] 固有色不是一个非常准确的概念，因为物体本身并不存在恒定的色彩。（∨）3. [判断题] 光线微弱时物体的固有色变得暗淡模糊。（∨） 4. [判断题] 在可见光谱中红、橙、黄、绿、青、蓝、紫是最纯的颜色。（∨） 5. [判断题] 同种色是指在色相环中任意一种颜色自身产生相同明度的变化的颜色。（∨）6. [判断题] 在平面构成的学习中，可以不考虑设计的具体应用，而把注意力集中于形 式的创造。（∨） 7. [判断题] 平面构成中的重复、特异、对称等方法都可应用到标志设计中。（∨） 8. [判断题] 平面构成中的点是相对而言的，一般来说，点越大，点的感觉越强。（×）9. [判断题] CorelDRAW软件中，按住Ctrl+Alt键后拖动鼠标，可绘制出以鼠标单击点 为中心的正方形边界的网格。（×） 10. [判断题] 矢量图形与分辨率无关，可以将它缩放到任意大小都不会影响其清晰度。（∨） 作业三 1. [单选题] 骨格决定了基本形在构图中（A ）。 A、彼此的关系 B、大小 C、空间 D、形状 2. [单选题] 特异构成指在有规律的形态中，出现一个或几个（ A）的元素。 A、变异 B、相同 C、重复 D、渐变
三片式物镜的设计 小组成员： 执笔人：
1.设计任务的具体指标及其要求 35mm相机胶片50mm焦距F/3.5 玻璃最小中心厚度与边缘厚度4mm，最大中心厚18mm 空气间隔最小2mm 可见光波段光阑位于中间透镜各透镜所用材料SK4---F2----SK4 2.入瞳直径的设定 点击Gen打开General窗口，在General系统通用数据对话框中设置孔径。在孔径类型中选择Image Space F/#，并根据设计要求在Aperture Value中输入3.5.
3.视场的设定 由于使用35mm相机胶片，其规格尺寸为36mm*24mm，Zemax中一般使用圆形像面，因此该矩形像面的外接圆半径经计算为21.7mm，0.707像高的视场高度为15.3mm。 点击Fie打开Field Data窗口，设置三个视场分别为0mm、15.3mm、21.7mm。
4.工作波长的设定 选择可见光波段，点击Wav按钮，设置Select-F，d，C（Visible），自动输入三个特征波长。
5.评价函数的选择 执行命令Editors----Mreit Function打开Mreit Function Editor编辑窗口，在Mreit Function Editor编辑窗口中执行命令Tools---Default Merit Function，打开默认评价函数对话窗口，选择RMS---Spot Radius--Centroid评价方法，并将厚度边界条件设置为玻璃最小中心厚度与边缘厚度4mm，最大中心厚18mm，空气间隔最小2mm。
6.系统的透镜参数设定 在Lens Data Editor中输入部分初始结构，设置中间透镜为光阑，设置各透镜所用玻璃材料类型。 因为此时的焦距为49.7684
光学系统设计（四） 参考答案及评分标准 20 分） 二、填空题（本大题11小题。每空1分，共20 分） 21.彗差、像散、畸变 22.圆、彗星 23. ∑' '- ='I 2 S u n 21L δ 24.细光束像散 25.位置色差、倍率色差 26.视场、孔径 27.-20mm 、-13.26mm 或-13.257mm 、-33.36mm 或-33.3586mm 28.2 12 2 1 r r d n )1n ()r 1r 1)( 1n (-+ --=? 29.齐明透镜、球差 30.边缘、0.707 31.位置色差 三、名词解释（本大题共5 小题。每小题2 分，共 10 分） 32．调制传递函数：由于光学系统像差及衍射等原因，会造成像的对比度低于物的对比度。将像的对比度与物的对比度的比值，称之为调制传递函数。 评分标准：答对主要意思得2分。 33．赛得和数：赛得推导出仅有五种独立的初级像差，即以和数∑I S 、∑II S 、 ∑III S 、∑IV S 、∑V S 分别表示初级球差、初级彗差、初级像散、初级场曲、 初级畸变，统称为赛得和数。 评分标准：答对主要意思得2分。 34．出瞳距：光学系统最后一个面顶点到系统出瞳之间的距离，称为出瞳距。 评分标准：主要意思正确得2分。 35．像差容限：根据瑞利判断，当系统的最大波像差小于λ41 时，认为系统像质 是完善的，当系统满足这一要求时，各像差的最大允许值称为像差容限，又称像差允限。 评分标准：主要意思正确得2分。 36．复消色物镜：校正了系统二级光谱的物镜，称为复消色物镜。 评分标准：答对主要意思得2分。 四、简答题（本大题共 6 小题。每小题 5 分，共30 分） 37．简述瑞利判断和斯托列尔准则，二者有什么关系？ 答：瑞利判断：实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过4/λ时，此波面
光学系统设计报告 一．设计要求： 1.物镜的有效焦距f=4mm； 2.光谱范围：400nm-700nm，其中要求400nm，550nm，650nm复消色差； 3.放大倍率-40； 4.物方数值孔径NA=0.65； 5.工作距离不小于0.6mm； 6.后焦距146mm。 二．设计过程： 由于像方焦距设计起来会相对容易，因此把物镜倒过来进行设计，此时物方焦距变成了新光路的像方焦距。倒过来设计以后，系统的相关参数也相应变化，物镜的放大倍率变为-0.025，物方数值孔径变为0.01625，镜组的第一个面到物平面的距离为146mm。 通过网络及相关教材，我找到类似的结构，初始设计参数如下 系统2D结构图： （最右侧的镜片是盖玻片） 仿真结果：
传递函数图（FFT MTF） 色焦移曲线（Focal Shift）
相差图（Ray Fan） 点列图（Spot Diagram）System/Prescription Data File : E:\光学系统设计\光学系统设计.ZMX Title: Lens has no title.
Date : MON DEC 3 2012 LENS NOTES: GENERAL LENS DA TA: Surfaces : 12 Stop : 7 System Aperture : Object Space NA = 0.01625 Glass Catalogs : CHINA Ray Aiming : Off Apodization : Uniform, factor = 0.00000E+000 Effective Focal Length : 3.854214 (in air at system temperature and pressure) Effective Focal Length : 3.854214 (in image space) Back Focal Length : -0.182259 Total Track : 18.25 Image Space F/# : 0.7451534 Paraxial Working F/# : 0.7726446 Working F/# : 0.7759774 Image Space NA : 0.5432923 Object Space NA : 0.01625 Stop Radius : 1.756853 Paraxial Image Height : 0.02511427 Paraxial Magnification : -0.02511427 Entrance Pupil Diameter : 5.172376 Entrance Pupil Position : 13.12902 Exit Pupil Diameter : 3.520975 Exit Pupil Position : -2.805925 Field Type : Object height in Millimeters Maximum Field : 1 Primary Wave : 0.55 Lens Units : Millimeters Angular Magnification : 1.469018 Fields : 3 Field Type: Object height in Millimeters # X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 1.000000 1.000000 Vignetting Factors # VDX VDY VCX VCY VAN 1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
现代光学设计实验报告格式基本要求汇总
湖南文理学院物电学院实验报告 班级：姓名：指导教师：汪胜辉成绩： 实验题目：实验一：单透镜的设计实验时间：实验地点：T2C302 设计任务： 设计一个焦距为80mm，相对孔径为1/4的单透镜系统，全视场2ω为8o，物距为无限远，在可见光下工作，自选一种玻璃，光阑设置在入射光线遇到的透镜的第一个光学表面。 设计过程： 第一步：输入系统参数——入瞳直径值 插入图 第二步：输入系统参数——视场 插入图 第三步：输入系统参数——波长范围 插入图 第四步：输入“透镜数据编辑”窗口的数据 插入图 第五步：查看外形轮廓图 插入图 第六步：打开“RAY”图形窗口查看像差情况 插入图 第七步：打开“FFT MTF”图形窗口查看像差情况 插入图 第八步：设定像质评价函数 插入图；绘制表 第九步：设定参与优化的变量 插入图 第十步：输出优化后的系统参数 插入表， 第十一步：输出优化后的二维轮廓图 插入图 第十二步：输出优化后的“FFT MTF”图。 插入图 设计心得： 100字以上。 打印后左侧装订两个钉子。 实验数据文件请保存在E:\现代光学CAD 文件夹下，文件名为学号+shiyan1
湖南文理学院物电学院实验报告 班级：姓名：指导教师：汪胜辉成绩： 实验题目：实验二：双胶合透镜的设计实验时间：实验地点：T2C302 设计任务： 设计一个焦距为100mm，相对孔径为1/5的双胶合透镜系统，全视场2ω为10o，物距为无限远，在可见光下工作，自选一种玻璃，光阑设置在入射光线遇到的透镜的第一个光学表面。 设计过程： 第一步：输入系统参数——入瞳直径值 插入图 第二步：输入系统参数——视场 插入图 第三步：输入系统参数——波长范围 插入图 第四步：输入“透镜数据编辑”窗口的数据 插入图 第五步：查看外形轮廓图 插入图 第六步：打开“RAY”图形窗口查看像差情况 插入图 第七步：打开“FFT MTF”图形窗口查看像差情况 插入图 第八步：设定像质评价函数 插入图；绘制表 第九步：设定参与优化的变量 插入图 第十步：输出优化后的系统参数 插入表， 第十一步：输出优化后的二维轮廓图 插入图 第十二步：输出优化后的“FFT MTF”图。 插入图 设计心得： 100字以上。 打印后左侧装订两个钉子。 实验数据文件请保存在E:\现代光学CAD 文件夹下，文件名为学号+shiyan2
《光学课程设计报告》 姓名：郑宇婷 学号： U201114912 学院：光学与电子信息学院 专业：光信息科学与技术 年段班级：1104班 成绩： 授课教师：张学明 2013年4 月9 日
一光学课程设计任务 1、课程意义 （1）综合运用课程的基本理论知识，进一步培养理论联系实际的能力和独立工作的能力。（2）初步掌握简单的、典型的、与新型系统设计的基本技能，熟练掌握光线光路计算技能，了解并熟悉光学设计中所有例行工作，如数据结果处理、相差曲线绘制、相差优化，光学零件技术要求等。 （3）巩固和消化课程中所学的知识，初步了解新型光学系统的特点，为学习专业课与进行毕业设计打下好的基础。 （4）培养一种对待工作严谨的态度。 2、设计题目 双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像，系统要求为： 1、望远镜的放大率Γ＝6倍； 2、物镜的相对孔径D/f′＝1：4（D为入瞳直径，D＝30mm）； 3、望远镜的视场角2ω＝8°； 4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕； 5、棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm。 6、lz ′>8～10mm 二物镜外形尺寸计算 1、优化前的初始结构+计算过程 3、相差容限的计算 （1）所需校正的像差 望远镜的特点是：相对孔径小，视场角不大。结构较为简单，要校正的像差比较少，一般主要校正球差、轴向色差以及正弦差。 （2）像差容限 ①球差容限： 边光的球差容限：1倍焦深内 带光的球差容限：6倍焦深内 ②轴向色差的容限：1倍焦深内 ③正弦差的容限：0.0025——0.00025之间 三、目镜外形尺寸的计算 1、未优化前初始结构+计算过程 3、目镜像差容限计算 （1）所需校正的像差 目镜的特点是：焦距短、视场角大、相对孔径小，且入和出瞳都离透镜有一定距离。因此，目镜的轴外像差一般比较大，必须校正。 一般来说，目镜所需校正的像差主要有:像散、垂轴色差、彗差、场曲、畸变等。 （2）目镜像差容限
光学透镜参数现代测量方法研究 1.光学透镜的的含义 (3) 1．1什么是镜片的顶焦度？ (4) 1.2面镜度及其实际应用 (4) 1.3为什么散光眼配镜后看物体有变形现象？ (6) 1.4为什么近视镜片看物体是缩小的、远视镜片看物体是放大的？ (9) 1.5如何从三棱镜的角度理解屈光参差的顾客比其他顾客更难适应框架眼镜？ (10) 2.像质评价和像差公差 (12) 2.1瑞利判断和中心点亮度 (12) 2.1.1 瑞利判断 (12) 2.1.2 中心点亮度 (13) 2.2分辨率 (13) 2.2.1 分辨率基本公式 (13) 2.2.2 缺点 (13) 2.2.3 优点 (14) 2.3点列图 (14) 2.3.1 点列图定义 (14) 2.3.2 适用范围 (14) 2.3.3 优缺点 (14) 2.4光学传递函数评价成像质量 (15) 2.4.1 传递函数定义 (15) 2.4.2 优点 (15) 2.4.3 利用MTF 曲线评价成像质量 (15) 2.5光学系统的像差公差 (15) 2.5.1 望远物镜、显微物镜像差公差 (15) 2.5.2 显微目镜、望远目镜像差公差 (16) 2.5.3 照相物镜的像差公差 (17) 3 光学透镜参数的现代测量方法 (19) 3.1曲率半径测量 (19) 3.2面形测量 (21) 3.3焦距测量 (22) 3.4MTF (25) 3.5结论 (27) 参考文献 (28)
摘要：现代光学测量方法通过计算机实时控制，对数据和图像进行采集和处理，代替眼睛进行对准、定焦和读数。曲率半径的接触式测量由精密数显编码器和曲率半径计算软件实现，面型测量使用激光干涉仪、CCD 和计算机进行干涉图的采集和计算，焦距、后焦距、曲率半径的自动光电测量方法代替了传统光具座，高精度传递函数测试仪测量MTF 极大地提高了测量操作的简易性和灵活性。采用光电传感器、计算机辅助、高精度、综合测试是现代光学测量的显著特征。关键词：光学测量；透镜参数 Study on modern measuring methods for lens optical parameters Abstract: Modern optical measuring methods were controlled by the computer, the data and image were collected and processed. The eye was replaced by the modern measuring methods to aim, focus and read data. Curvature radius was measured by encoder and software computation. Surface quality was measured by laser interferometer, CCD and computer. Interference image was collected and computed by computer. The measuring method for focal distance, back focal distance and crvature radius replaced traditional optical bench. High precision MTF instrument improved the facility and agility for measuring. The main characters of modern optical measure are photoelectric sensor used, computer assistant, high precision and compositive measure.
费马原理是一个描述光线传播行为的原理：光线沿光程为平稳值的路径传播。即： ? -P Q ds r n 平均值)( 数学表达式：? ==P Q l L ds r n QP L )()()( 0)(L 0)(==?l ds r m P Q δ或 2. 光程性原理求由聚光纤维薄片制成的微透镜焦距公式 利用物像等光程性有 ()(' ' QOQ L QMQ L = 2 2' 2 2 ' ' ')()()(h x n h s n MQ n QM n QMQ L +?-++?+=+= x n ns QOQ L ' ' )(+= 由于是薄片微透镜，所以x r s ,,<
??? ?? ????? ???=??=????-=??=??t E H H t H E E 0 00 0εεμμ 平面波 )cos(),(0?ω-?-=r k t A t r U )0设(),(0~ =?=?-??t k i r k i e Ae t r U 复振幅 ) cos cos (cos ) (~ ,U z y x ik z k y k x k i r k i Ae Ae Ae t r z y x γβα++++?===）（ 球面波 )cos(),(01?ω-?-= r k t r a t r U )0(),(01~ =?= -??ω设t i r k i e e r a t r U 复振幅2 222 2 2 1 1~ )(z y x k i r ik e z y x a e r a P U ++??++= = )(发散球面波 2 221~ )(z y x r e r a P U r ik ++== ?-， )(汇聚球面波 2 02 02 01 ~ )()()()(z z y y x x r e a P U r ik -+-+-= = ?±，（轴外源点） 平面波 波前函数 （（z=0）平面上）x ik Ae y x U θsin ~ ),(= 球面波 波前函数 ①2 221~ ),(r y x r e r a y x U r ik ++== ?，（发散球面波） ②2 2 2 1~ r ),(++= = ?-y x r e r a y x U r ik ，（汇聚球面波） 例题：已知一列波长为λ的光波在（x ，y ）接受面上的波前函数为 fx i Ae y x U π2~ ),(-=其中常量f 的单位为1 -mm ，试分析与波前函数相 联系的波的类型与特征。 解：由上式可见该波前因子是一个线性相因子，故可断定它代表了一列平面波，为了进 一步确定该平面波的传播方向，现将波前函数改写为含波数k 的形式