光学与光学设计讲义

-與光學設計基本概念

1. 一般稱為可見光是位於光波帶中400~770 nm (0.1~0.77μ )，而波長較短為藍光，波長較長的為紅

光。波長比可見光短的紫外光(UV)，而波長比可見光長的稱為紅外光(IR)，一般的光學玻璃或塑膠材料可應用之400~1500nm，而波長更長的IR區域(1.5~15μ )使用的光學材料為鍺或矽。

2. 光學鏡片置於空氣界面中，當光線經過透鏡時，光線會產生穿透與反射現像，而其中一部份會

被光學材料吸收。所以折射率n之材料於空氣中的反射率計算式如下：

R(反射率)={(n-1) / (n+1)}2

T(穿透率)=(1-R)X X為透鏡的面數，而此計算值時是忽略材料的吸收率。

3. 當鏡片產生反射現像，而此時反射光被別的面再反射或鏡筒內面產生反射而到達成像面時，這

會造成降低像質之有害光，而有害光擴大至像面整體時，則會產生某種像，我們稱為鬼影(像)。

而防止鬼影的產生與界面反射的方法：(1)鏡片鍍膜(Coating)( 2)鏡片塗墨。

光線射入n和n’的交界處的情形，有些光線被反射，有些被折射，而產生反射線和折射線，而反射線在同介質中依據光程的極值行進方向，這就是反射現象。另外折射線在折射率為n的介質裡斜射入折射率為n’的介質時，由於光在不同介質裡的速率不相同，因此就改變了進行方向，這就是折射現象。如下圖：

這些光線都遵守下面這些光學基本原則：

?入射線、反射線、折射線和法線在同一平面上。

?入射角i等於反射角r（反射律）。

?入射角i至折射角t的關係必遵循Snell's law

由於折射率是波長的函數n(λ)，因各單色光的折射率各不相同，所以造成折射方向有所差異，或是說不同波長的光在介質內行進的速度不同所造成，這個現象，稱之為色散(dispersion)。

由上圖，我們定義色散能力(dispersion power) V=1

--d c f n n n ，效率愈大，色散效果愈好，稜鏡分光效

果較佳。而色散率(Abbe 數) (dispersion index)V

1

=

υ ，此值與製造光學玻璃有關(6020→=υ之間)。

另外，我們也可以由稜鏡（prism ）做分光來了解色散。當白光通過一狹縫（silt ）兒轉入一稜鏡（prism ）如上圖所示，則各色光因在稜鏡中的折射角不同而分散。故在鏡後的白屏上出現一列有色的光帶稱之為光譜（spectrum ）。有色光帶各色光的鄰接處，並無明顯的分界，但是各色的順序為：紅（red ）、橙（orange ）、黃（yellow ）、綠（green ）、藍（blue ）、靛（indigo ）、紫（violet ）等七色，而這樣的現象就是光的色散。

鏡片本身的材質影響進入鏡片的光線，並造成各種顏色的光,其折射率不同，讓藍色光系在離透鏡較近處成像，紅色系則在較遠處。(如下圖)

消色差可以利用強的色散力(值小的材料)，可以使凹透鏡具有抵消击透鏡之色差的逆向像差，使合成焦距變成一樣。如下圖

畫面是由許多點所構成的，解析度代表的就是這些點的數量，如800 x 600 SVGA，就代表畫面是由800 x 600個點所構成。下列幾種標準規格：

影像是利用影像的小方格就是所謂的「像素」（Pixel）所構成的，這些小方格是影像中最小的單位，每一個小方格都有一個明確的位置，和單一的色彩，而這些一格格的位置和色彩就決定了該影像所呈現出來的樣子。

數位影像測試兩大項目：『解像力』和『色彩』，測試解像力簡單的說就是量度、計算影像從清晰--> 模糊之間的轉換點。解像力測試就是應用科學的方法將這個極限找出來。

反差（Contrast）指明暗對比所造成的清淅範圍大小，在彩色來說還有所謂的色彩濃淡的分色能力。能夠容納明暗對比越大的鏡頭其所表現的細節越豐富，相反的就不是一個透光性很好的鏡頭。

首先，為了可以清楚的計算解像力的數據，目前使用歷史最悠久，也同時是最多人採用的就是MTF = Modulation Transfer Function為基礎的測試程序。MTF主要是引進反差對比的概念來檢定鏡頭解像力，使用者必頇對「空間頻率/ Spatial frequency」這個概念進行瞭解。所謂空間頻率就是1mm的寬度中（或是等寬的其他單位），正弦濃度變化反覆有幾次的意思（請想像空間頻率如同海浪一樣的波型變化）。

原本充足的反差可以很容易辨識出兩條線來，而當空間頻率加大時，也就是線條越緊密時，反差也逐漸縮小，終於反差衰減到全部變成灰色，再也分辨不出黑白條紋來，就表示鏡頭的解像力已到極限（如上圖所示）。

在一個（理論上的）無像差系統中，影像點（image point）具有最小的維度，但尺寸並不是無限小的。光的衍射效應，實際上決定了一個最小光點的實體大小。這個光點直徑稱為「光暈圓」（Airy-disc），其大小取決於光波長與光圈直徑，形狀則類似具有一圈環狀分佈的核（core），核中央聚集最多能量的光子，周圍則環繞著光環。

光束穿越影像平面繼續前行，接著形成另外一個分散而非集聚的光錐。由於影像的點實際上是一道光束，因此集中與分散的光錐體形成的並不是一個「絕對銳利」的影像平面（參見下圖）。

穿越影像平面的光束的形狀，很像是沙漏時鐘，它的正式名稱為「焦散面」（caustic surface）。這個焦散面的外型變化，與像差校正程度有很大的關係，其實有兩種不同意義的焦平面。其中一種我們稱為「光暈焦平面」（paraxial focal plane），理論上它是影像成像的最佳位置，有最大量的光束集中在這一平面上，光束形成了一個很小的高密度核，但是外圍有著大面積、低反差的光暈。因此光點雖然小，但對比卻很低。

另外一種情況，是光束本身形成了一個直徑最小的光暈圓，稱為「最小模糊圓」（Circle of Least Confusion）。光束形成的「核」直徑會較大，但是外圍的低反差光暈卻比較小，整體有較高的反差。

模糊圓是一個很簡單的概念：它是光束（或一個焦散面）聚焦在影像平面上時，所能形成的最小直徑。

當然，位於焦平面以外的影像點，就是失焦（out of focus ）。這些影像點一樣會有相同結構的焦散面，但是在焦平面上產生的橫斷面，和位於焦平面上的最小模糊圓是截然不同的。假如這個橫斷面向最小模糊圓位置靠近，這個點會變小，但是外圍會低反差的光暈；如果橫斷面遠離最小模糊圓，光點會形成一個漫射的光束。

在光線通過鏡片時因介質不同所以會有不同的折射率而鏡片與空氣接觸的界面上約有5％的光線反射，而這個反射也是光斑跟鬼影所以產生的由來，為了使這種反射不至於影響鏡片透光率的減少所作的處理，這種加膜的處理就叫做鍍膜。

紅、綠、藍三種色光依照不同分量的比例混合，可以配成自然界的一切色光，故此三種顏色稱

為三原色。

光為電磁波,速度約為8103 m/s,而可見光波長約為400nm~700nm 之間,其中短波長為藍光,長波長為紅光,人眼感覺最靈敏的波長為550nm,也就是綠光,而波長較可見光短的為紫外光(UV),波長較可見光長的為紅外光(IR)

鏡頭名詞

1.焦距(EFL)

A.物方焦距( f )：由前主面到前焦點的距離。

B.像方焦距(f*)：由前後主面到後焦點的距離。

焦距公式：f*= h / tanU* f = h / tanU

2.後焦距(BFL)

A.由鏡頭或光學系統最後一面到像面的距離為光學後焦距(BFL)

B.由下座端部到像面的距離為機械後焦距(BFL*)

3. F / NO (F數)

F / NO=f*/D入f*---焦距(EFL) D入---入瞳直徑

入瞳為光欄經其前方光學系統所成的像。

4.畸變量(DIST)

在視場角較大或者很大時，所產生的像變形稱為畸變(Distoration)。

DIST=( (Y, - Y0, )/ Y0,)*100%

Y,實際像高Y0,---理想像高

5. 相對照度(REL)

是指像面邊緣照度和中心照度之比。

6.光學總長(TOTR)

是指由鏡頭第一面到像面的距離。

7.光能的損失因素：

(1)光在折射面折射時伴隨少量反射損失。

(2)材質對光能吸收損失。

(3)反射面的損失

(4)光學材質的氣泡、雜質、條紋、局部混濁等等，導致光散射的損失。

(5)光學表面磨光不良和庇病造成光的漫反射，嚴重損失光能，並形成雜散光，嚴重影響像質。

鏡頭問題分析

1.光暈：

●何謂光暈現像：相機置於太陽底下，而鏡頭之光軸方向朝向太陽，使得拍照時太陽位於底片之

中心位置，因為鏡頭之鏡片會產生繞射現像，使得照片會有太陽光芒現像產生，若光芒過足則造成照片的影物產生無法辨識，我們稱為光暈現像。

●光暈之排除：鏡片鍍膜以增加鏡片之穿透率。

2.內面反射：

●何謂內面反射：相機置於太陽下，鏡頭之光軸與太陽中心軸產生協議角度，若是在特定角度內

拍照，若使得照片產生非太陽光影像，也就由反射的太陽影像之現像產生，我們稱為內面反射。

●內面反射之排除：

(1)鏡片鍍膜：使得R值面增加穿透率，而不易產生面間反射現像。

(2)鏡片塗墨：鏡片週邊(有效徑之外區)會產生反射的區域施以塗墨處理，使得黑墨能把反射光

給予吸收而不再反射。

(3)鏡頭之前蓋製作消光環，使得消光暈能把視角以外的光線給予反射與分佈至鏡片以外，並使

得雜光而不至於進入鏡頭內。

(4)縮小鏡片之有效徑或下座孔徑，此做法是不影響光圈值之狀況下實施。

3.照片暗角問題：

●發生原因：(1)鏡頭的像高比底片對角線小。

(2)鏡頭之週邊亮度不足。

(3)檢查相機之結構是否有遮蔽到鏡頭光線路徑。

(4)光圈之位置是否於設計理論值處。

(5)鏡片之有效徑是否過小，而產生入射角度不足。

4.照片清淅度與銳利度不足：

●發生原因：(1)鏡頭之光圈是否正確

(2)鏡頭之解析度(投影本數)是否有達到。

(3)鏡頭投影是否有拖影現像產生。

5.光暈與鬼影發生原因：

1、空氣中的灰塵造成鏡片不潔而產生雜光。

2、視場角過大使得-雜散光進入鏡頭。

3、鏡片邊緣反射、折射造成的雜光等等。

4、鏡片之穿透率不足，而造成反射現象。

6.產生暗角的原因：

(1)鏡頭之成像面比SENSOR感應面小，也就說：像高不夠大，此像現嚴重會產生黑角現像，若

是要考慮到機械之公差依判經驗至少像高要大於感應面0.2mm以上，如此能確保此問之產生。

(2)邊緣相對照度偏低，也說是說週邊之照度值與中心之照度比值過小(低)，依客戶訂立標準相

對照度比至少為50%以上，若是曲線是急遽下降則會非常明顯看到差異量，而不在此標準限內。

(3)鏡頭光軸傾斜嚴重，也就說螺牙配合問題，此現像會造成單邊暗角產生。

(4)鏡頭光軸並非正中於sensor中心位置，而造成位置偏移。

●解決暗角方式：

(1)確認鏡頭之有效徑是否正確，另外確認是否可適時放大部份鏡片之有效徑，已增加成像面積，

但頇考量解析度降低問題。

(2)光學設計進行優化以拉大成像高來解決暗角問題。

(3)光學設計優化來以提高週邊相對亮度值。

(4)嚴格檢驗鏡頭螺牙與holder配合問題，是否造成過鬆現像。

(5)HOLDER之定位是否有偏差。

7.鏡頭模糊發生原因：

(1)鏡頭像高不足。

(2)鏡頭週邊投影解析度不足。

(3)塑膠透鏡週邊之面精度有嚴重問題。

(4)光學設計問題，設計之MTF週邊解析度低。

●解決方式：

(1)評估光學設計之MTF與像高值，若有問題則重新設計與優化、並提高至理想值。

(2)射出成型改善。

其他

1.專業名詞解釋：

EFL：鏡頭的光圈孔大小。

BFL：鏡頭焦距。

FOV：鏡頭底部至底面焦距(範圍)。

F/NO：鏡頭的入射角多少度。

2.非球面與球面的不同之處，K：CONIC常數，以下以K值大小說明其形狀：

K<1 ( 雙圓面) K=1 ( 拋物面) 1

K=0 ( 圓形) K<0 ( 扁橢圓形)

3.R值與後焦的關係長短說明：

4.一般我們在做投影解像，DATA時與S/M是什麼涵義：

直線解析度/ 極線解析度

5.周邊解像標準20本，里面的本數(LP/mm)代表什麼涵義：

每里面有多少黑白相間解析線條。

6.幾何光學定律，光經過介質的傳播問題分為四個基本定律：

(1)光的直線傳播定律

同性的均勻介質中，光是沿著直線方向傳播。

(2)光的獨立傳播定律

不同光源在空間某點相遇的彼此。

(3)光的折射定律與反射定律

P

(4)全反射現像

入射到介質上的光會全部反射回原來介質中，而沒有折射光產生這種現象稱為光的全反射現象。

7.鎖模力的計算方法：

按照下式計算鎖模F

AC

AC ：腔體部分的總投影面積(mm 2) AR ：流道部分的總投影面積 (mm 2)

Pm ：腔體內平均塑料壓力MPa (kgf/cm 2) FCR ：2模板模具的必要鎖模力KN {tf}

FCR= (Pm x Ac)+(2Pm x AR) 1000

8.基本認識:

(1) 反射式偏心儀的電源V/HZ 為110V/60HZ (2) 可測定R 值範圍±R( 2 )~ ±R( 600 ) (3) 可測定外徑 ( 8 ) (4) 可測精度( 10 )秒

(鏡頭設計最主要的定律)

I 入射角 -I``反射角 I`折射角

反射定律=I``=-I

折射定律 `sin sm r =`

n n

(整理)各种光学设计软件介绍-学习光学必备-peter.

光学设计软件介绍 ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，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Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential），是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。ZEMAX的主要特色：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 function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。 CODE V是Optical Research Associates推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格相当昂贵CODE V提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，近三十多年来，Code V进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环境热量分析；MTF和RMS波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直；非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。 CODE V是美国著名的Optical Research Associates（ORA?）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。自1963年起，该公司属下数十名工程技术人员已在CODE V程序的研制中投入了40余年的心血，使其成为世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用1994年，ORA公司聘请北京理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODE V的优越性突出地表现在以下几个方面： 1．CODE V可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可以方便地

《物理光学与应用光学》习题及选解

《物理光学与应用光学》习题及选解 第一章 习题 1-1. 一个线偏振光在玻璃中传播时，表示为：i E ))65.0(10cos(10152t c z -??=π，试求该光的频率、波长，玻璃的折射率。 1-2. 已知单色平面光波的频率为z H 10 14 =ν，在 z = 0 平面上相位线性增加的情况如图所示。求f x ， f y ， f z 。 1-3. 试确定下列各组光波表示式所代表的偏振态： (1))sin(0kz t E E x -=ω，)cos(0kz t E E y -=ω; (2) )cos(0kz t E E x -=ω， )4cos(0πω+-=kz t E E y ; (3) )sin(0kz t E E x -=ω，)sin(0kz t E E y --=ω。 1-4. 在椭圆偏振光中，设椭圆的长轴与x 轴的夹角 为α，椭圆的长、短轴各为2a 1、2a 2，E x 、E y 的相位差为?。求证：?αcos 22tan 220 000y x y x E E E E -= 。 1-5.已知冕牌玻璃对0.3988μm 波长光的折射率为n = 1.52546，11m 1026.1/--?-=μλd dn ，求光在该玻璃中的相速和群速。 1-6. 试计算下面两种色散规律的群速度（表示式中的v 表示是相速度）： (1)电离层中的电磁波，222λb c v +=，其中c 是真空中的光速，λ是介质中的电磁波波长，b 是常数。 (2)充满色散介质（)(ωεε=，)(ωμμ=）的直波导管中的电磁波，222/a c c v p -=εμωω，其中c 真空中的光速，a 是与波导管截面有关的常数。 1-7. 求从折射率n = 1.52的玻璃平板反射和折射的光的偏振度。入射光是自然光，入射角分别为?0，?20，?45，0456'?，?90。 1-8. 若入射光是线偏振的，在全反射的情况下，入射角应为多大方能使在入射面内振动和垂直入射面振动的两反射光间的相位差为极大？这个极大值等于多少？ 1-9. 电矢量振动方向与入射面成45°的线偏振光，入射到两种透明介质的分界面上，若入射角 ?=501θ，n 1 = 1，n 2 = 1.5，则反射光的光矢量与入射面成多大的角度？若?=601θ时，该角度又为多 1-2题用图

光学设计讲义

实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光， 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它 是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data， 键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第 二、三行键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength 主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形 成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture 就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue上键入25，然后点击ok。 5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源， STO即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO行中的glass栏上，直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO行中的thickness栏上直接键入4。 Zemax的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为 负值。再令第2面镜的thickness为100。

LED照明系统设计指南完全版

照明系统设计指南完全版 本文详细讨论照明系统设计的六个设计步骤：(1)确定照明需求；(2)确定设计目标估计光学；(3)热和电气系统的效率；(4)计算需要的数量；(5)对所有的设计可能都予以考虑，从中选择最佳设计；(6)完成最后步骤。虽然本文以一个室内照明设计为例，但所述的设计过程可以用于任何照明设计中。 现在的照明应用，具有普通照明所需的亮度、效率、使用寿命、色温以及白点稳定性。因此，绝大多数普通照明应用设计中都采用这类，包括路面、停车区以及室内方向照明。在这些应用中，由于无需维护(因为的使用寿命比传统灯泡的要长得多)且能耗降低，所以基于的照明降低了总体拥有成本()。 全世界有200亿以上的灯具使用白炽、卤素或荧光灯。其中许多灯具用作方向照明，但都是采用在所有方向发光的灯。美国能源部()称，在新住宅建筑里，嵌顶灯是安装最普遍的照明灯。此外，报告称，采用非反射灯的嵌顶灯一般效率只有50%，就是说，这类灯所产生光的一半都浪费到灯具内了。 相反，照明级具有至少50,000小时的高效、方向性照明。利用照明级的所有优点设计的室内照明有以下优点： 1 功效超过所有白炽灯和卤素灯具 2 能与甚至最好的(紧凑荧光)嵌顶灯的性能相媲美 3 与这些灯具相比，需要维修前的寿命要长5到50倍 4 降低光对环境的影响：不含汞、电站污染小、垃圾处理费用低。 照明还是灯？ 在普通照明中设计需要在两种方法间作出选择，是设计基于的完整的照明，还是设计安装到已有灯具上的基于的灯。一般来说，一个完整的照明设计，其光学、热和电气性能要好于式样翻新的灯，因为现有灯具不会约束设计。对目标应用，到底是新照明的总体系统性能重要还是式样翻新的灯的方便性更重要，这要由设计师来决定。 针对已有照明的设计方法 如果目标应用采用构造新型照明更好，那么就设计照明的光输出，使其相当于或者超过现有照明匹配具有多种优点。首先，现有设计已经针对目标应用进行了优化，可以在围绕有关光输出、成本和工作环境而确定设计目标时提供指导。其次，现有设计的外形尺寸已经得到认可。如果外形尺寸相同，终端用户转换成照明更容易一些。 遗憾的是，有些照明制造商错误报告或者夸大了照明的效率和使用寿命特性。在替换灯泡的早期的数年，照明业也遇到了类似问题。行业标准的缺乏，以及早期产品质量的巨大差异将技术的采用推迟了很多年。美国能源部意识到了早期照明也可能存在相同的标准和质量问题，并且这些问题可能以类似的方式延迟了照明的使用。作为应对措施，美国能源部发起了“ 商用产品测试计划()”，对照明制造商声称的指标进行测试。该计划以匿名方式测试照明的下列4个特性：照明光输出(流明)、 照明效率(流明每瓦)、相关色温(开氏度)、显色指数。 的将关注点放在了照明可用光输出上，而不仅仅是照明的光输出上，这为照明设计设定了一个很好的先例。灯的概念可能过时了

光学设计报告

湖北第二师范学院《光学系统设计》 题目：望远镜的设计 姓名：刘琦 学号:1050730017 班级：10应用物理学

目录 望远系统设计............................................................................................... 第一部分：外形尺寸计算 .......................................................................... 第二部分：PW法求初始结构参数（双胶合物镜设计） ....................... 第三部分：目镜的设计 .............................................................................. 第四部分：像质评价 .................................................................................. 第五部分心得体会 ..................................................................................

望远镜设计 第一部分：外形尺寸计算 一、各类尺寸计算 1、计算'f o 和'f e 由技术要求有：1 '4 o D f = ，又30D mm =，所以'120o f mm =。 又放大率Γ＝6倍，所以' '206o e f f mm ==。 2、计算D 出 30 3056 D D D mm =∴= = =Γ物出物 3、计算D 视场 2'2120416.7824o o D f tg tg mm ω==??=视场 4、计算'ω（目镜视场） ''45o tg tg ωωωΓ?=?≈ 5、计算棱镜通光口径D 棱 （将棱镜展开为平行平板，理论略） 该望远系统采用普罗I 型棱镜转像，普罗I 型棱镜如下图： 将普罗I 型棱镜展开，等效为两块平板，如下图：

光学设计报告

光学设计课程报告 班级： 学号： 姓名： 日期：

目录 双胶合望远物镜的设计 (02) 摄远物镜的设计 (12) 对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合 (20) 艾尔弗目镜的设计 (30) 低倍消色差物镜的设计 (38) 无限筒长的高倍显微物镜的设计 (47) 双高斯照相物镜的设计 (52) 反摄远物镜的设计 (62) 课程总结 (70)

双胶合望远物镜的设计 1、设计指标： 设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：视放大率： 3.7?；出瞳直径：4mm ；出瞳距离：大于等于20mm ；全视场角：210w =?；物 镜焦距： ' =85f mm 物；棱镜折射率：n=(K9)；棱镜展开长：31mm ；棱镜与物镜的 距离40mm ；孔径光阑为在物镜前35mm 。 2、初始结构计算 (1) 求 J h h z ，， 根据光学特性的要求4.728.142=== D h ： 44.75tan 85tan ''=?=?=οωf y 0871 .0''==f h u 648.0'''==y u n J (2)计算平行玻璃板的像差和数 C S S S I I I I ，， 平行玻璃板入射光束的有关参数为 0871.0=u 0875.0)5tan(-=-=οz u 005 .1-=u u z 平行玻璃板本身的参数为 d=31mm ； n=； 1.64=ν 带入平行玻璃板的初级像差公式可得： 000665.01.51631-1.5163×0.0871×-3113 24 432-==--=I du n n S 0.0006682=(-1.005)×-0.000665=u u × =z I I I S S 000824.0087.05163.11.6415163.131122 22-=??-?-=--=I u n n d S C υ

光学设计资料

光学设计复习 1.球差的概念 不同倾角的光线交光轴于不同位置上，相对于理想像点的位置有不同的偏离。这是单色光的成像缺陷之一，称为球差。 2.色球差 F 光的球差和C 光的球差之差称为色球差。 3.波像差 实际波面相对于理想球面波的偏离就是波像差。（实际波面与理想波面在出瞳处相切时，两波面间的光程差。） 4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的交点不再集中同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。 5.单个折射球面的三个无球差点 ①L =0，L ′=0，物、像点与球面顶点重合（球心处） ②sin I ?sin I′=0,I =I ′=0，L ′=r ，物、像点与球面中心重合。（顶点处） ③sin I′?sin U =0或I ′=U ，此时不管孔径角多大，都不产生球差，此时对应的物像点位置分别为 L =n +n ＇n r ，L ′=n +n ＇n ＇ r 。（齐明处） 6.光学传递函数 光学传递函数是指以空间频率为变量，表征成像过程中调制度和横向相移的相对变化的函数。（光学传递函数是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。） T(s,t)调制传递函数；θ(s,t)相位传递函数。 7.子午平面、弧矢面 子午平面：包含物点和光轴的平面。 弧矢面：包含主光线并与子午平面垂直的面。 8.七种像差，哪些与孔径有关？哪些与视场有关？哪些与两者均有关？ 与孔径有关：球差、位置色差 与视场有关：像散、场曲、畸变、倍率色差 与视场孔径都有关：彗差 9.二级光谱 消色差系统只能对二种色光校正位置色差，它们的公共焦点或像点相对于中间色光的焦点或像点的偏离称为二级光谱。 10.解释五种塞德和数 第一塞德和数：初级球差系数 第二塞德和数：初级彗差 第三塞德和数：初级像散 第四塞德和数：匹兹凡面弯曲 第五塞德和数：初级畸变 11.子午场曲、弧矢场曲 ()()(),,exp ,H s t T s t i s t θ??=-??

最新光学系统设计

光学系统设计

用ZEMAX实现对光源的仿真 要精确地模拟一个照明系统，实现对光源的精确模拟是关键。 这里讨论三个问题： 一、如果只知道有关的光源的简单数据，如何模拟？ 二、如果已知关于光源的详细数据，又如何模拟？ 三、如何模拟一个几何形状复杂的光源？ 下面从第一个问题开始讨论：若仅知道光源的简单数据，如何对光源进行仿真？ 打开ZEMAX，将其切换到非序列模式： 接下来，完成单位的设置，执行system>general>units

有关光能及其计算的问题，要特别注意物理单位。本例中光照度单位采用勒克司。 将缺省的非序列物的类型设为source_radial。在ZEMAX中，source_radial 代表一个矩形或椭圆形平面光源，它能向半球面空间内发射光线。在半球面内，光线关于本地Z轴呈对称分布，并且光线的强度随角度的分布属立方样条拟合。将null object定义为source_radial是将光源数据输入到ZEMAX的最简单直接的方式。 右键单击null object： 如下图所示，是美国Lumileds(流明)公司的LED产品LXML-PWW1说明书中提供的发光强度分布曲线。它呈明显的余弦分布。

根据上述曲线，我们可以构造这样出表2： 表2 LXML-PWW1的空间强度分布 度相对强度(任意单 位) 0 100 5 99 10 98 15 96 20 94 25 90 30 86 35 82 40 74 45 68 50 63 55 53 60 45 65 38 70 28 75 23 80 16 85 10 90 5 说明书上还注明，LXML-PWW1的直径是6mm，典型输出功率是120 lumens。设layout rays数量为30，analysis rays 数量为10000000。将上述参数输入到ZEMAX中： 我们得到光源的外形图和灰度度：

LED照明灯具与光学系统设计

LED照明技术陕西科技大学 电气与信息工程学院 王进军

第七章LED照明光学系统设计 7.1 LED照明光学系统设计CAD软件 7.2 LED照明光学系统的设计原理 7.3 LED照明数据与计算 7.2 LED照明光学系统的选择 7.3 LED矿灯设计 7.4 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统设计 7.5 白光LED射灯设计

第七章LED照明光学系统设计 LED光学系统设计包括LED发光管内的光学设计和LED 发光管外的光学设计，前者通常称为一次光学设计，而后者则称为二次光学设计。 LED内通常由芯片、反射杯和透明环氧树脂制成的光学透镜组成。LDE芯片、反射杯和透镜的几何形状决定了LED出光后的空间光强分布。

第七章LED照明光学系统设计 LED发光管外的二次光学设计主要是根据不同的实际应用需求使LED出光后的空间光强分布发生改变，即光能量的分布发生变化，从而更有效、更合理地利用有限的光能量。 因此，LED照明光学系统设计主要指的是LED发光外的二次光学设计。

§7.1 LED照明光学系统设计CAD软件 计算机辅助设计(CAD)技术的飞速发展，使得照明光学系统的研究方法发生了巨大的变化，这主要表现在光学机构仿真软件在照明产业中的普及。 目前，国际上采用的照明光学系统的设计软件主要下面有三种:

§7.1 LED照明光学系统设计CAD软件 ?TarcePro光学机构仿真软件、 ?AASP高级系统分析程序、 ?Lighttoo1s照明系统设计软件。 在我国大陆用的较多的是TarcePro ，而台湾地区则以AASP较为流行。

光学设计cad答案

光学系统设计(三) 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．系统的像散为零，则系统的子午场曲值( )。 A.大于零 B.小于零 C.等于零 D.无法判断 2．双胶合薄透镜组，如果位置色差校正为零，则倍率色差值为 ( )。 A.大于零 B.小于零 C.等于零 D.无法判断 3．下列像差中，对孔径光阑的大小和位置均有影响的是( )。 A.球差 B. 彗差 C. 像散和场曲 D.畸变 4．除球心和顶点外，第三对无球差点的物方截距为 ( ) 。 A.r n n n L '+= B. r n n n L ''+= C. r n n n L '-= D. r n n n L ''-= 5．下列像差中，属于轴外点细光束像差的是( )。 A.球差 B.子午彗差 C.子午场曲 D.畸变 6．瑞利判据表明，焦深是实际像点在高斯像点前后一定范围内时，波像差不会超过 ( )。 A.λ21 B. λ31 C. λ41 D. λ51 7．对于目视光学系统，介质材料的阿贝常数定义为 ( )。 A.C F D D n n 1n --=ν B. C F D D n n 1n ++=ν C. C F D D n n 1n -+=ν D. C F D D n n 1n +-=ν 8．9K 玻璃和6ZF 玻璃属于 ( )。 A.冕牌玻璃和火石玻璃 B.火石玻璃和冕牌玻璃 C.均属火石玻璃 D.均属冕牌玻璃 9．在ZEMAX 软件中进行显微物镜镜设计，输入视场数据时，应选择 ( )。

物理光学与应用光学习题解第三章

物理光学与应用光学习题解第三章

第三章 习题 3-1. 由氩离子激光器发出波长λ= 488 nm的蓝色平面光，垂直照射在一不透明屏的水平矩形孔上，此矩形孔尺寸为0.75 mm×0.25 mm。在位于矩形孔附近正透镜（f = 2.5 m）焦平面处的屏上观察衍射图样。试描绘出所形成的中央最大值。 3-2. 由于衍射效应的限制，人眼能分辨某汽车两前灯时，人离汽车的最远距离l = ?（假定两车灯相距1.22 m。） 3-3. 一准直的单色光束（λ= 600 nm）垂直入射在直径为1.2 cm、焦距为50 cm的汇聚透镜上，试计算在该透镜焦平面上的衍射图样中心亮斑的角宽度和线宽度。 3-4. （1）显微镜用紫外光（λ= 275 nm）照明比用可见光（λ= 550 nm）照明的分辨本领约大多少倍？

（2）它的物镜在空气中的数值孔径为0.9，用用紫外光照明时能分辨的两条线之间的距离是多少？ （3）用油浸系统（n= 1.6）时，这最小距离又是多少？ 3-5. 一照相物镜的相对孔径为1:3.5，用λ= 546 nm的汞绿光照明。问用分辨本领为500线/ mm的底片来记录物镜的像是否合适？ 3-6. 用波长λ= 0.63mμ的激光粗测一单缝的缝宽。若观察屏上衍射条纹左右两个第五级极小的间距是6.3cm，屏和缝之间的距离是5 m，求缝宽。 3-7. 今测得一细丝的夫琅和费零级衍射条纹的宽度为1 cm，已知入射光波长为0.63mμ，透镜焦距为50 cm，求细丝的直径。 3-8. 考察缝宽b = 8.8×10-3 cm，双缝间隔d = 7.0×10-2 cm、波长为0.6328mμ时的双缝衍射，在中央极大值两侧的两个衍射极小值间，将出现多

(整理)光学与光学设计讲义

-與光學設計基本概念 1. 一般稱為可見光是位於光波帶中400~770 nm (0.1~0.77μ )，而波長較短為藍光，波長較長的為紅光。波長比可見光短的紫外光(UV)，而波長比可見光長的稱為紅外光(IR)，一般的光學玻璃或塑膠材料可應用之400~1500nm，而波長更長的IR區域(1.5~15μ )使用的光學材料為鍺或矽。 2. 光學鏡片置於空氣界面中，當光線經過透鏡時，光線會產生穿透與反射現像，而其中一部份會被光學材料吸收。所以折射率n之材料於空氣中的反射率計算式如下： R(反射率)={(n-1) / (n+1)}2 T(穿透率)=(1-R)X X為透鏡的面數，而此計算值時是忽略材料的吸收率。 3. 當鏡片產生反射現像，而此時反射光被別的面再反射或鏡筒內面產生反射而到達成像面時，這會造成降低像質之有害光，而有害光擴大至像面整體時，則會產生某種像，我們稱為鬼影(像)。而防止鬼影的產生與界面反射的方法：(1)鏡片鍍膜(Coating)( 2)鏡片塗墨。 光線射入n和n’的交界處的情形，有些光線被反射，有些被折射，而產生反射線和折射線，而反射線在同介質中依據光程的極值行進方向，這就是反射現象。另外折射線在折射率為n的介質裡斜射入折射率為n’的介質時，由於光在不同介質裡的速率不相同，因此就改變了進行方向，這就是折射現象。如下圖： 這些光線都遵守下面這些光學基本原則： ?入射線、反射線、折射線和法線在同一平面上。 ?入射角i等於反射角r（反射律）。 ?入射角i至折射角t的關係必遵循Snell's law 由於折射率是波長的函數n(λ)，因各單色光的折射率各不相同，所以造成折射方向有所差異，或是說不同波長的光在介質內行進的速度不同所造成，這個現象，稱之為色散(dispersion)。

《物理光学与应用光学》教学大纲

《物理光学与应用光学》教学大纲 一、说明 １、本课程设置目的和任务 《物理光学与应用光学》是光电子技术专业、电子科学与技术及光学工程专业等本科生的专业基础课。本课程以光的电磁理论为理论基础，以物理光学和应用光学为主体内容，着重讲授光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性，光的吸收、色散、散射等现象，以及几何光学基础知识和光在光学仪器中的传播、成像特性。在内容上，既要保持光学学科的理论完整性，又要突出它在光电子技术中的特色。考虑到激光技术的发展，光在实际应用中的要求，应加强有关光的相干性的内容，特别注意光学原理在光电技术中的应用，并尽量反映最新科技成果。 2、基本要求 （1）物理光学与应用光学是普通物理中的一门课程，应保持普通物理的特点，要重视现象的观察、实验及对实验结果的分析，帮助学生透过现象看到事物的本质，要通过对各种光学现象发生的特殊条件、实验定律的分析和归纳，认识到光是电磁波——本质上遵守电磁场的麦克斯韦方程组。 （2）物理光学与应用光学是基础课，应致力于对物理光学与应用光学运动的基本现象，基本概念和基本规律阐述的正确、严格。对某些难点作较详细的分析和深入的讨论。使学生具有一定的分析和解决问题的能力，并为学习后继课程打下必要的基础。 （3）要使学生了解物理光学与应用光学发展史上某些重大的发现及发现过程中的物理思想和实验方法，提高科学素养，培养学生的辩证唯物主义世界观。 3、学时建议 本课程总学时数：72学时。 二、课程内容与学时分配 第一篇物理光学（48学时） 第一章光的本质（8学时） 1、波是振动的传播。 2、波函数与波动方程。 3、光是电磁波。 4、光电效应与光量子。 5、热辐射与光束的统计性质。 基本要求： （1）让学生理解波是能量的传递，是振动状态的传递。 （2）重点讨论平面波，球面波和近轴求面波的波动方程及其运动状态与状态参量。 （3）强调相位概念在波动中的重要地位及意义。 第二章光波的干涉（8学时） 1、干涉的本质是振动的叠加。 2、分振幅干涉。 3、杨氏干涉仪。 4、两个球面波的干涉。 5、光束时间相干性。 6、光束空间相干性。

ZEMAX光学设计报告材料

ZEMAX 光学设计报告 一、设计目的 通过对设计一个双胶合望远物镜，学会zemax 软件的基本应用和操作。 二、设计要求 设计一个全视场角为1.56°，焦距为1000mm ，且相对孔径为1:10的双胶合望远物镜，要求相高为y`=13.6mm 。 三、设计过程 1.双胶合望远物镜系统初始结构的选定 1.1选型 由于该物镜的全视场角较小，所以其轴外像差不太大，主要校正的像差有球差、正弦差和位置色差。又因为其相对孔径较小，所以选用双胶合即可满足设计要求。本系统采用紧贴型双胶合透镜组，且孔径光阑与物镜框相重合。 1.2确定基本像差参量 根据设计要求，假设像差的初级像差值为零，即球差0'0=L δ；正弦差0'0s =K ；位置色差 0'0=FC l δ。那么按初级像差公式可得0===∑∑∑I I I I C S S ,由此可得基本像差参量为 0===I ∞ ∞C W P 。 1.3求0P )(() ?? ?? ?+-+-=∞∞∞∞ 火石玻璃在前时 冕牌玻璃在前时 2 2 02.085.01.085.0W P W P P 因为没有指定玻璃的种类，故暂选用冕牌玻璃进行计算,即0085.00-=P 。 1.4选定玻璃组合 鉴于9K 玻璃的性价比较好，所以选择9K 作为其中一块玻璃。查表发现当000.0=I C ,与 0085.00-=P 最接近的组合是9K 与2ZF 组合，此时对应的038.00=P 。此系统选定9K 与

2ZF 组合。 9 K 的 折 射 率 5163 .11=n ， 2 ZF 的折射率 6725 .12=n ， 038319.00=P ,284074.40-=Q ,06099.00-=W ，009404.21=?，44.2=A ,72.1=K 。 1.5求形状系数Q 一般情况下，先利用下式求解出两个Q 的值： A P P Q Q 00-±=∞ 再与利用下式求的Q 值相比较，取其最相近的一个值： ) (1 20 0+-+ =∞ A P W Q Q 因为 0P P ≈∞ ，所以可近似为284074.40-==Q Q ,06099.00-==∞ W W 。 1.6求归一化条件下的透镜各面的曲率 ()()?????????-=--+-==-=-+=+===-+-?=+-==77370.011 1127467 .2284074.4009404.21 61726.1284074.415163.1009404 .25163.111221233 12211111n Q n n r Q r Q n n r ?ρ?ρ?ρ 1.7求球面曲率半径 ???? ?????-=-='=-=-='==='=491.129277370.01000 624.43927467.21000330.61861726.110003322 11ρρρf r f r f r 1.8整理透镜系统结构数据 视场0136.0tan -=ω（负号表示入射光线从光轴左下方射向右下方），物距-∞=L （表示物体在透镜组左侧无穷远处），入瞳半径mm h 50=，光阑在透镜框上，即入瞳距第一折射

LED照明系统设计指南完全版

LED照明系统设计指南完全版 本文详细讨论LED照明系统设计的六个设计步骤：(1)确定照明需求；(2)确定设计目标估计光学；(3)热和电气系统的效率；(4)计算需要的LED数量；(5)对所有的设计可能都予以考虑，从中选择最佳设计；(6)完成最后步骤。虽然本文以一个室内照明设计为例，但所述的设计过程可以用于任何LED照明设计中。 现在的照明应用LED，具有普通照明所需的亮度、效率、使用寿命、色温以及白点稳定性。因此，绝大多数普通照明应用设计中都采用这类LED，包括路面、停车区以及室内方向照明。在这些应用中，由于无需维护(因为LED的使用寿命比传统灯泡的要长得多)且能耗降低，所以基于LED的照明降低了总体拥有成本(TCO)。 全世界有200亿以上的灯具使用白炽、卤素或荧光灯。其中许多灯具用作方向照明，但都是采用在所有方向发光的灯。美国能源部(DOE)称，在新住宅建筑里，嵌顶灯是安装最普遍的照明灯。此外，DOE报告称，采用非反射灯的嵌顶灯一般效率只有50%，就是说，这类灯所产生光的一半都浪费到灯具内了。 相反，照明级LED具有至少50,000小时的高效、方向性照明。利用照明级LED的所有优点设计的室内照明有以下优点： 1 功效超过所有白炽灯和卤素灯具 2 能与甚至最好的CFL(紧凑荧光)嵌顶灯的性能相媲美 3 与这些灯具相比，需要维修前的寿命要长5到50倍 4 降低光对环境的影响：不含汞、电站污染小、垃圾处理费用低。 照明还是灯？ 在普通照明中设计LED需要在两种方法间作出选择，是设计基于LED的完整的照明，还是设计安装到已有灯具上的基于LED的灯。一般来说，一个完整的照明设计，其光学、热和电气性能要好于式样翻新的灯，因为现有灯具不会约束设计。对目标应用，到底是新照明的总体系统性能重要还是式样翻新的灯的方便性更重要，这要由设计师来决定。 针对已有照明的设计方法 如果目标应用采用构造新型LED照明更好，那么就设计照明的光输出，使其相当于或者超过现有照明匹配具有多种优点。首先，现有设计已经针对目标应用进行了优化，可以在围绕有关光输出、成本和工作环境而确定设计目标时提供指导。其次，现有设计的外形尺寸已经得到认可。如果外形尺寸相同，终端用户转换成LED照明更容易一些。

光学设计软件介绍

光学设计 ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，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Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential），是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。 ZEMAX的主要特色：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 function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。 CODE V是Optical Research Associates推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格相当昂贵CODE V提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，近三十多年来，Code V进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环境热量分析；MTF和RMS波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直；非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。 CODE V是美国著名的Optical Research Associates（ORA?）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。自1963年起，该公司属下数十名工程技术人员已在CODE V程序的研制中投入了40余年的心血，使其成为世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用1994年，ORA公司聘请北京理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODE V的优越性突出地表现在以下几个方面 CODE V可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可以方便地处理屋脊棱镜、角反射镜、导光管、光纤、谐振腔等具有特殊光路的元件；而其多重结构的概念则包括了常规变焦镜头，带有可换元件、可逆元件的系统，扫描系统和多个物像共轭的系统。40多年来，世界各地的用户已成功地利用CODE V设计研制了大量照相镜头、显微物镜、光谱仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外光刻系统等等，举不胜举。近几年内，CODE V软件又被广泛地应用于光电子和光通讯系统的设计和分析。光学设计的第一步是要为系统确定合理的初始结构。为此CODE V提供了独有的“镜头魔棒”功能，用户只需输入所要设计的系统的使用波段、相对孔径、视场、变倍比等参数，软件即可从自带的专利库中找出对应的结构以供选择。 CODE V软件中优化计算的评价函数可以是系统的垂轴像差、波像差或是用户定义的其它指标，也可以直接对指定空间频率上的传递函数值进行优化。经过改进的阻尼最小二乘优化算法用拉格朗日乘子法提供既方便又精确的边界条件控制。除了程序本身带有大量不同的优化约束量供选用外，用户还可以根据需要灵活地定义各种新的约束量。此外，以往的优化算法无法克服存在于光学系统结构参量的高度非线性解空间中的大量局部极小，故此自动设计的结果是一个与初始参数接近的像质相对较好的结构，而不一定是全局最优设计。为解决这一问题，ORA公司在CODE V软件中加入了强大的全局优化功能（Global Synthesis）。这种被该公司

ZEMAX光学设计讲义资料讲解

Z E M A X光学设计讲义

实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波 长为可见光， 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么 是LDE呢？它是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜 片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框 wavelength data，键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位， 此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近 轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由 无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比 值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选 general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue上键入25，然后点击 ok。 5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发 光物，即光源，STO即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面 (surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在 STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。

照明光学设计-待续

成都广域 照明光学设计——算法 Snowolf

目录 1、照明光学设计-算法模块分解 2、曲线算法建立 3、能量映射建立 4、实例1：平凸透镜设计（一次曲面为半球面） 5、实例2：平凸透镜设计（一次曲面为直线、球面） 6、实例3：反光杯设计 7、工矿灯透镜设计：60/90/120、反光杯设计15/24/36

1、照明光学设计-算法模块分解 基础参数模块能量映射模块 曲线算法模块 照明光学设计算法分解 输入（如透镜的折射率、尺寸、配光要求） 光源与目标面（即目标需求光斑）关系如：计算光学器件曲线或者曲面坐标点1、基础参数输入信息 2、能量映射theta 与r 一一对应关系 3、折反射定律 光源划分theta(1)theta(2)…theta(90)目标面划分 r(1) r(2) … r(90)

Z 30° B1（r1，h ）=B1（-561.5768 ，1000） A1（X1，Z1）=A1 （10，10） Out Out_z = (r1-X1) ^2+ (h-Z1) ^2 (h -Z1) =cos(30/180*pi) Out_x = (r1-X1) ^2+ (h-Z1) ^2 (r1-X1) =-sin(30/180*pi)

30° B1（r1，h ）=B1（-561.5768 ，1000） A1（X1，Z1）=A1 （10，10） Out (r1-X1) ^2+ (h-Z1) ^2 (r1-X1) (h -Z1) c a b

A1（X1，Z1）=（10，10） Theta1=45°theta2=50° 30° A2（X 2，Z2） X Z 输入： 1、客户输入尺寸 2、反射器 3、能量映射theta与出射角度（30°）