电气与自动化工程学院工程光学课题论文
课题：数码相机的成像原理分析
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常熟理工学院
数码相机的成像原理分析
摘要：简要回顾一下数码相机特点及基本组件，了解数码相机与普通相机的区别，进而探究数码相机的成像原理。说明对数码相机在光学方面的应用已取得重大进展，但无论是具体实际问题还是研究方法等方面都需要系统深入的研究。
关键词：数码相机；成像原理；光学原理
1 引言
随着中国国民人均收入的增加，人们的消费水平也得到相应的提高，从而在物质享受方面的投入也随之增加。数码相机已经走下高高的价格神坛，摘去了高贵的桂冠，众多的家庭把购买数码相机纳入了自己的日程，进而人们可以利用数码相机来进行定位。
数码相机是一种集光、机、电为一体的数字化产品, 集成了影像信息的采集、转换、储存、传输等部件，可方便地传输至计算机内处理。和专业的测量型相机相比，数码相机镜头畸变大，没有框标，内定向元素也是未知的.但由于使用上的便利和价格优势，以及影像后处理的快捷、方便、适阳性，数码相机受到越来越多的专业技术人员的关注.数码相机的数字摄影测量技术在工业制造、土木工程、医学、考古、地理测绘等行业的应用越来越广泛。
随着现代交通的日益发展，形形色色的道路交通监管设备已经成为交通、管理的必备设施，这些设备通常被形象的称为“电子警察”，因此数码相机定位在交通监管（电子警察）方面也有广泛的应用。
2 数码相机的基本介绍
2.1 数码相机的特点及基本部件
数码相机是由镜头、CCD、A/D（模/数转换器）、MPU（微处理器）、内置存储器、LCD（液晶显示器）、PC卡（可移动存储器）和接口（计算机接口、电视机接口）等部分组成。无论是哪种款式的相机，大都包括图1-1、图1-2出示的基本组件。
图1-1 数码相机正面
图1-2 数码相机背面
2.1.1 镜头
镜头是一部相机的重要组件之一，可以说是相机的灵魂，数码相机采用什么镜头是一个非常重要的参数，也是区分不同档次相机的重要指标。
虽然由于感光元件分辨率有限，对镜头的光学分辨率要求也比较低，但由于普通数码相机的影像传感器要比传统胶片的面积小得多，因此镜头的解析度需要很高，一般来说，数码相机采用的光学镜头的解析能力一定要优于感光元件的分辨率。例如，对于某一确定的被摄目标，水平方向需要100个像素才能完美再现其细节，如果成像宽度为10mm，则光学分辨率为10线/mm的镜头完全能够胜任；若成像宽度为1mm，则要求镜头的光学分辨率必须在100线/mm以上。
目前市场上数码相机的镜头主要包括两个系列，一个是佳能、尼康等品牌的日本镜头，其性能好，价格高；另一个是卡尔?蔡司、莱卡等品牌的德国镜头，该类产品的成像质量很高，其价格也相对较昂贵。
2.1.2 闪光灯
闪光灯是增加曝光量的方式之一，尤其在光线较暗的场合，利用闪光灯可以使景物更加明亮。数码相机内置的闪光灯一般有三种模式，即自动闪光、强制闪光和关闭闪光，有的相机还具有消除红眼、慢速同步闪光等功能，下面分别介绍一下这些闪光灯的不同模式。
1.自动闪光
一般情况下，普通数码相机在默认设置时，闪光灯模式都预置在“自动闪光”模式下。这时，相机会自动判断拍摄周围的光线是否充足，如果检测到光线不足，在拍摄时就会自动打开闪光灯进行闪光，以弥补光线不足。在该模式下可以完成大部分的拍摄任务。
2.强制闪光
它是指无论在强光或弱光环境中，都开启闪光灯进行闪光。该模式常用于对背对光源的人物进行拍摄。例如拍摄一个光线较暗房间内的人物，若人物背对着明亮的窗户，人物正面的光线不足，这样拍摄出来人物可能处于阴影中，图像不太清晰，遇到这种情况时，可以启动强制闪光模式，给主体正面补光，这样就可以得到受光均匀的照片。
3．关闭闪光
它是指无论周围拍摄环境的光线强度如何，都不启动闪光灯，该功能适用于一些禁止使用闪光的场合，如音乐会、博物馆等。如果需要拍摄一些特殊效果的相片，关闭闪光灯后在黄昏或光线微弱的环境中拍摄，可以得到氛围自然的画面。
2.1.3 取景器
数码相机上使用的取景器有多种类型，包括LCD取景器、单反式取景器、旁轴式取景器等，下面分别进行介绍。
2.1.4 影像传感器
目前数码相机所使用的影像传感器有CCD和CMOS两种类型，前者技术已经很成熟，后者是新兴的技术，代表未来的发展方向。
2.1.5 按键
在进行拍摄工作时，传统相机大都通过按键或者转动转盘来实现，而数码相机是通过菜单来选择功能的，某些专业数码单反相机为了适应传统相机用户的使用习惯，将一些常用功能设计成与传统相机大体一致的方式。若在进行抓拍时，直接按按键比使用菜单进行设置更加快捷。
2.2 数码相机与普通相机的区别
所谓数码相机，是一种能够进行拍摄，并通过内部处理把拍摄到的景物转换成以数字格式存放的图像的特殊照相机。与普通相机不同，数码相机并不使用胶片，而是使用固定的或者是可拆卸的半导体存储器来保存获取的图像。数码相机可以直接连接到计算机、电视机或者打印机上。在一定条件下，数码相机还可以直接接到移动式电话机或者手持PC机上。由于图像是内部处理的，所以使用者可以马上检查图像是否正确，而且可以立刻打印出来或是通过电子邮件传送出去。
3 数码相机的成像原理
3.1 成像原理中涉及的光学原理
照相机的工作过程，概略地说是应用光学成像原理，通过照相镜头将被摄物体成像在感光材料上。下面将粗略地介绍摄影光学成像原理：人类对于光的本性的认识，光线的传播及透镜成像原理。
人类对于光的本性的认识经历了漫长而又曲折的过程。在整个18世纪中，光的微粒流理论在光学中仍占优势，人们普遍认为光是微小的粒子组成的，从点光源发出并以直线向四面八方辐射。19世纪初，以杨氏（Young）和菲涅耳（Fresnel）的著作为代表逐步发展成今天的波动光学体系。如今对光的本性认识是：光和实物一样，是物质的一种，它同时具有波的性质和微粒（量子）的性质，但从整体来说，它既不是波，也不是微粒，也不是它们的混合物。
从本质上，讲光和一般无线电波并无区别，光和电磁波一样是横波，即波的振动方向与传播方
向垂直。一个发光体就是电磁波的发射源，发光体发射的电磁波向周围空间传播，和水波波动产生的波浪向四周传播相似。强度最大或最小的两点距离称为波长，用λ表示。传播一个波长所需的时间称为周期，用T表示，一个周期就是一个质点完成一次振动所需要的时间。1秒内振动的次数称为频率，用ν表示。经过1s振动传播的距离称为速度，用“v”表示。波长、频率、周期和速度之间有如下关系：
v=λ/T ，ν=1/T，v=λν
由此可见，光的波长与频率成反比。实际上光波只占整个电磁波波段的很小一部分，见图1-2-1。
波长在400～700nm的电磁波能够为人眼所感觉，称为可见光，超过这个范围人眼就感觉不到了。不同波长的可见光在我们的眼睛中产生不同的颜色感觉，按照波长由长到短，光的颜色依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色。不同波长的电磁波在真空中具有完全相同的传播速度，数值是
c=300,000km/s。
光既然是电磁波，研究光的传播问题，应该是一个波动传播问题，但是在设计照相机镜头及其他光学仪器时，并不把光看作是电磁波，而是把光看作是能传播能量的几何线，叫做光线。光源A发光就是向四周发出无数条几何线，这无数条具有方向的几何线就叫做光线。这样在几何光学中研究光的传播问题，就变成了一个几何问题、数学问题，问题简化多了。
下面叙述几何光学的几个基本定律——光线的传播规律：
(1)光的直线传播定律光在均匀介质中，是沿着直线传播的，即在均匀介质中光线为一直线。光的直线传播现象在日常生活中随时随地可以见到，如物体被光照射而成影，小孔成像等。光的直线传播引出了光线这个概念。
(2)光的独立传播定律光的传播是独立的，当不同光线从不同方向通过介质某一点时，彼此互不影响。当两支光线会聚于空间某一点时，它的作用为简单的叠加。光线的这一性质，使被拍摄物体各点的光互不影响地进入照相镜头，在成像面上成像。
(3)光的反射定律当光传播到两种不同介质的分界面时，就会改变传播方向，发生光的反射。光的反射定律指出：
①入射光线、反射光线和分界面上光投射点的法线在同一平面内，人射光线与反射光线分别位于法线的两侧。
②人射角和反射角相等。如图1-2-2所示，入射光线与法线N的夹角记为入射角，用i表示：反射光线与法线N的夹角记为反射角，用α表示。则有i=α。光的反射现象还具有可逆性，假如光线逆着原来反射光线方向入射到界面上，那么它将逆着原来入射光线的方向反射出去。
随着界面的不同，反射又可分为定向反射和漫反射。从一个方向入射到光亮、平整的镜子上的光线，入射点都落到同一平面上，其反射都向着同一方向，如图1-2-3（a）所示，则称为定向反射。当光从一个方向投射到粗糙表面上时（如毛玻璃面等），由于粗糙面可以看成由许多角度不同的小平面组成，光线便从各个不同的方向反射出去，称为漫反射，如图1-2-3（b）所示。但需注意在漫反射现象中，就每一条光线而言都还是遵循反射定律的。
光的反射，在照相术中起着相当重要的作用。例如人本身并不发光，但当光线从各个角度照射到人身上后，光线便可从各个角度有所反射。我们常利用反射光进行拍照，就是遵循光的反射定律。象差对成像质量的影响。
3.2 数码相机的成像过程
数码相机采用电子元器件成像而非胶卷——这是数码相机与传统相机最本质的区别所在。以下是就数码相机如何成像来说：
（1) 光线透过镜头投射到感光元件表层；
（2) 光线被感光元件表层上滤镜分解成不同的色光；
（3) 色光被各滤镜相对应的感光单元感知，并产生不同强度的模拟电流信号，再由感光元件的电路将这些信号收集起来；
（4) 模拟信号通过数模转换器转换成为数字信号，再由 DSP对这些信号进行处理，还原成为数字影象；
（5) 数字影象再被传输到存储卡上保存起来。
上面只是简单介绍了其大致的过程，下面结合图1-1来详细地介绍相片成像的整个过程。
（1）当使用数码相机拍摄景物时，景物反射的光线通过数码相机的镜头透射到CD上。
（2）当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发而释放出电荷，生成感光元件的电信号。
（3）CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。
（4）经过放大和滤波后的电信号被传送到ADC，由ADC将电信号（模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度与电压的高低成正比，这些数值其实也就是图像的数据。
（5）此时这些图像数据还不能直接生成图像，还要输出到DSP（数字信号处理器）中，在DSP 中，将会对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理，并编码为数码相机所支持的图像格式、分辨率，然后才会被存储为图像文件。
（6）当完成上述步骤后，图像文件就会被保存到存储器上,我们就可以欣赏了。
4 总结与感想
通过本次的探究，熟悉了数码相机的特点及组成部件，也深刻的了解了数码相机和其他普通相机的不同，从而更加在数码相机成像原理方面进行了探究，充分认识到数码相机所涉及到的光学原理，并且在学习的过程中也纠正我以前的错误观点。
例如以前一直认为像素高就代表相机好，其实则不然。什么是像素？简单的说，我们通常所说的像素，就是CCD/CMOS上光电感应元件的数量，一个感光元件经过感光，光电信号转换，A/D转换等步骤以后，在输出的照片上就形成一个点，我们如果把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是
由许多色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”。
当然，通过本次的了解，购买什么款式的相机，自己也有了一定的认识。现在，市面上的数码相机是越来越多，有价格不菲的高档DC和数码单反，也有各种价格便宜的低端产品，更有许多各式各样外观可人的时尚数码相机，选择起来可真是要费不少脑筋。一个可以稍微解除这一烦恼的方法是：首先判断需要一部数码相机来做什么？如果仅仅是需要随意记录一些东西，摄影对你来说本就可有可无，那最好的方法就是选一部容易使用和携带的小型DC，基本上它提供的“人像”、“夜景”、“运动”、“风景”等自动拍摄模式都可以满足你的需要，而且操作非常简便。但如果你真的对摄影感兴趣（或者将来可能会感兴趣），那么你会发现，购买一部不具有手动功能的数码相机可能是你这辈子最傻的决定之一。
参考文献
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[2] 迟春梅.数码相机完全攻略.中国电力出版社,2005
[3] 刘国旗.数码相机的原理、使用与维修.中国计量出版社,2006
[4] https://www.doczj.com/doc/bd3676788.html,/view/0ee46cdace2f0066f53322ed.html
[5] https://www.doczj.com/doc/bd3676788.html,/article/6143.html
[6] https://www.doczj.com/doc/bd3676788.html,/Info/Show_1240.html
摘要 摘要：设计三片库克照相物镜，给出三片镜子的结构参数按照设计要求合理设计。近轴光路追迹求出设计系统的焦距和后焦距。然后利用zemax光学设计软件仿真验证设计结果。 关键词：照相物镜；光学设计 设计要求： 设计要求：采用三片库克（cookie）结构，D/f=1/5，半像面尺寸：18mm 半视场角：20°设计波长：0.486um、0.587um、0.656um，口径D：10mm 计算：系统焦距f，，后焦距（BFL） 第一章绪论 我们设计光学系统采用光线模型方法，即利用几何光学和光学工程中涉及到的基本方法、基本公式设计三片库克照相物镜。利用光线模型设计光学系统是非常重要的方法。曾经有位美国学者在回答有关光线和波动理论应用问题时，睿智的说;“你用光线理论设计照相机镜头，尽管是近视理论，但你用一个星期可以完成；然而你若用衍射理论设计照相机镜头，虽然你用的理论很严格，也去你一辈子才能设计出一个镜头。”可见用几何光学和工程光学中的光线模型设计光学系统是多么的重要。而近轴光线的追迹公式又是利用光线理论设计光学系统的基础。 根据近轴光学公式的性质，它只能适用于近轴区域，但是实际使用的光学仪器，无论是成像物体的大小，或者由一物点发出的成像光束都要超出近轴区域。 这样看来，研究近轴光学似乎没有很大的实际意义。但是事实上近轴光学的应用并不仅限于近轴区域内，对于超出近轴区域的物体，仍然可以使用近轴光学公式来计算平面的位置和像的大小。也就是说把近轴光学公式扩大应用到任意空间。对于近轴区域以外的物体，应用近轴光学公式计算出来的像也是很有意义的： 第一，作为衡量实际光学系统成像质量的标准。根据共轴理想光学系统的成像性质：一个物点对应一个像点；垂直于光轴的共轭面上放大率相同。如果实际共轴球面系统的成像符合理想则该理想像的位置和大小必然和用近轴光学公式计算所得结果相同。因为它们代表了实际近轴光线的像面位置和放大率。如果光学系统成像不符合理想，当然就不会和近轴光学公式计算出的结果一致。二者间的差异显然就是该实际光学系统的成像性质和理想像间的误差。也就是说，可以用它作为衡量该实际光学系统成像质量的指标。因此，通常我们把用近轴光学公式计算出来的像，称为实际光学系统的理想像。 第二，用它近似地表示实际光学系统所成像的位置和大小。在设计光学系统或者分析光学系统的工作原理时，往往首先需要近似地确定像的位置的大小。能够满足实际使用要求的光学系统，它所成的像应该近似地符合理想。也就是说，它所成的像应该是比较清晰的，并且物像大体是相似的。所以，可以用近轴光学公式计算出来的理想像的位置和大小，近似地代表实际光学系统所成像的位置和大小。由此可见近轴光学系统具有重要的实际意义，它在今后的研究光学系统的成像原理时经常用到。
第一章 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小得像,若将屏拉远50mm,则像得大小变为70mm,求屏到针孔得初始距离。 解:在同种均匀介质空间中光线直线传播,如果选定经过节点得光线则方向不变,令屏到针孔得初始距离为x,则可以根据三角形相似得出: 所以x=300mm 即屏到针孔得初始距离为300mm。 4、一厚度为200mm得平行平板玻璃(设n=1、5),下面放一直 径为1mm得金属片。若在玻璃板上盖一圆形得纸片,要求在玻璃板上方任何方向上都瞧不到该金属片,问纸片得最小直径应为多少？ 解:位于光纤入射端面,满足由空气入射到光纤芯中,应用折射定律则有: n0sinI1=n2sinI2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层得时候满足全反射,使得光束可以在光纤内传播,则有: (2) 由(1)式与(2)式联立得到n0、
16、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1、5得玻璃球上,求其会聚点得位置。 如果在凸面镀反射膜,其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜,则反射光束在玻璃中得会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后,会聚点又在何处？说明各会聚点得虚实。 解:该题可以应用单个折射面得高斯公式来解决, 设凸面为第一面,凹面为第二面。 (1)首先考虑光束射入玻璃球第一面时得状态,使用高斯公 式: 会聚点位于第二面后15mm处。 (2) 将第一面镀膜,就相当于凸面镜 像位于第一面得右侧,只就 是延长线得交点,因此就是虚像。 还可以用β正负判断: (3)光线经过第一面折射:, 虚像 第二面镀膜,则:
得到: (4) 在经过第一面折射 物像相反为虚像。 18、一直径为400mm,折射率为1、5得玻璃球中有两个小气泡,一个位于球心,另一个位于1 ／2半径处。沿两气泡连线方向在球两边观察,问瞧到得气泡在何处？如果在水中观察,瞧到得气泡又在何处？ 解: 设一个气泡在中心处,另一个在第二面与中心之间。 (1)从第一面向第二面瞧 (2)从第二面向第一面瞧 (3)在水中
工程光学课程设计 班级 学号 姓名 一、目的 了解光学系统外形尺寸计算在光学系统设计中的作用，学习和掌握外形尺寸计算的内容和一般方法。根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计过程称为光学系统的外形尺寸计算。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、各光组元的焦距、各光组元的相对位置和横向尺寸。 外形尺寸计算基本要求： 第一，系统的孔径、视场、分辨率、出瞳直径和位置； 第二，几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸，整体结构的布局； 第三，成像质量、视场、孔径的权重。 二、要求 对题中所涉及的光学系统 ⑴按照工作原理正确作出光路图并能正确描述； ⑵完整叙述及列举计算的过程，步骤要详细不能省略中间中程； ⑶完成设计报告 三、内容 （一）只包括物镜和目镜的望远系统 计算一个镜筒长L=f1′+f2′=200+（学号最后两位）mm，放大率Γ= -24+（学号最后一位），视场角2ω=1°40′的刻普勒望远镜的外形尺寸。 1、求物镜和目镜的焦距；
图1只包括物镜和目镜的望远系统结构图 2、求物镜的通光孔径D1。可根据望远系统的有效放大率求出D1。 3、求出瞳直径D1’； 4、视场光阑的直径D3； 5、目镜的视场角2ω′； 6、求出瞳距lz′； 7、求目镜的口径D2； 8、目镜的视度调节（目镜相对视场光阑的移动量x）； 9、选取物镜和目镜的结构。 （二）带有棱镜转像系统的望远镜 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＝8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＝10°； 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 要求计算棱镜转像望远镜的各类尺寸
第十一章 光的干涉和干涉系统 1． 双缝间距为1mm,离观察屏1m,用钠光灯做光源，它发出两种波长的单色光 nm 0.5891=λ和nm 6.5892=λ，问两种单色光的第十级亮条纹之间的间距是多 少？ 解：由题知两种波长光的条纹间距分别为 9 6 113 158910 5891010 D e m d λ---??= = =? 9 6 223 1589.610 589.61010 D e m d λ---??= = =? ∴第十级亮纹间距()()6 5 211010589.6589100.610e e m -?=-=?-?=? 2． 在杨氏实验中，两小孔距离为1mm,观察屏离小孔的距离为50cm,当用一片折射率为 1.58的透明薄片贴住其中一个小孔时（见图11-17），发现屏上的条纹系统移动了 0.5场面，试决定试件厚度。 解：设厚度为h ，则前后光程差为()1n h ?=- ()1x d n h D ??∴-= 2 3 0.510 10 0.580.5 h --??= 2 1.7210h mm -=? 3． 一个长30mm 的充以空气的气室置于杨氏装置中的一个小孔前，在观察屏上观察到 稳定的干涉条纹系。继后抽去气室中的空气，注入某种气体，发现条纹系移动了25个条纹，已知照明光波波长nm 28.656=λ，空气折射率000276.10=n 。试求注入气室内气体的折射率。 解：设气体折射率为n ，则光程差改变()0n n h ?=- 图11-47 习题2 图
()02525x d d n n h e D D λ??∴-= =? = 9 025656.2810 1.000276 1.0008230.03 m n n h λ-??= += += 4． ** 垂直入射的平面波通过折射率为n 的玻璃板，投射光经投射会聚到焦点上。玻 璃板的厚度沿着C 点且垂直于图面（见图11-18）的直线发生光波波长量级的突变 d ，问d 为多少时，焦点光强是玻璃板无突变时光强的一半。 解：无突变时焦点光强为04I ，有突变时为02I ，设',.d D 2 00'4cos 2xd I I I D πλ== ()' 104xd m m D λ? ?∴?= =+≥ ?? ? 又()1n d ?=- 114d m n λ ? ?∴= + ?-?? 5． 若光波的波长为λ，波长宽度为λ?，相应的频率和频率宽度记为ν和ν?，证明 λ λ νν ?=?，对于nm 8.632=λ的氦氖激光，波长宽度nm 8 102-?=?λ，求频 率宽度和相干长度。 解：c λν= λ ν λ ν ??∴ = 对于632.8c nm λνλ =?= 8 9 8 4 18 21010 310 1.4981063 2.8632.810 c Hz λ λ ννλ λ λ ---??????∴?= ?= ? = =??? C 图11-18
工程光学课程设计 设计名称：工程光学课程设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： XXX教务处制 20 13 年12 月
工程光学课程设计评分表 最后成绩的以优（90~100）、良（80~89）、中（70~79）、及格（60~69）和不及格（少于60分）五级给出。
第1章引言 1.1 简单介绍 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，是可以运算Sequential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，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，您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。
第一章习题 1、已知真空中的光速c＝3 m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。 解： 则当光在水中，n=1.333时，v=2.25 m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99 m/s, 当光在火石玻璃中，n＝1.65时，v=1.82 m/s， 当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97 m/s， 当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24 m/s。 2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x，则 可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm。 3、一厚度为200mm的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？ 解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。 4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n0sinI1=n2sinI2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：
波面：某一瞬间光波动传播所到达的曲面 光线：能够传输能量的几何线 光束：和波面对应的法线束 基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的反射与折射定律 实物（像）：实际光线相交形成。可由人眼或接收器所接收。 虚物（像）：光线的延长线相交形成，只可以被人眼观察 完善成像条件：入射波面是球面波，出射波面也是球面波；入射光是同心光束，出射光也是同心光束；物点及其像点之间任意两条光路的光程相等 近轴方程：薄透镜： 无焦系统： 垂轴放大率： 轴向放大率： 角放大率 拉赫不变量 典型光线：平行于光轴入射的光线经过系统后过像方焦点；过物方焦点的光线，经过系统后平行于光轴；倾斜于光轴入射的平行光束，经过系统后会交于像方焦平面上的一点；自物方焦平面上一点发出的光束，经系统后成倾斜于光轴的平行光束；过节点的光线相互平行 近轴理论为基础，建立起理想光学系统模型，便于分析光学系统的成像性质和规律。近轴区成完善像, 但成像范围小,光束宽度小,能量小。实际光学系统，对具有一定大小的物（视场）以宽光束（孔径）成像，成像有缺陷 光学设计的概念：根据仪器的技术参数和要求，考虑和拟定光学系统的整体方案，并计算其中各个具有独立功能的组成部分的光学参数——选择并确定各组成部分的结构型式，查取或计算其初始结构参数（半径、厚度、间隔、材料等）——逐次修改结构参数，使像差得到最佳的校正和平衡——对设计结构进行评价 光学系统设计过程：1、外形尺寸计算 2、初始结构的计算和选择 3、像差校正和平衡 4、像质评价 5、绘制光学系统图、部件图和零件图 6、编写设计说明书 进行技术答辩 国内外光学设计软件：SOD88；Zemax,CODE V,OSLO,LightTools,ASAP,TracePro 孔径选择：Entrance Pupil Diameter(EPD): 入瞳直径（物体位于无限远时）Image Space F/#: 像方F 数（f/D,只用于物距无穷远）；Object Space Numerical Aperture ：物方数值孔径nsin θ（有限物距）；Float by Stop Size ：由光阑决定入瞳大小；Paraxial working F/#: 近轴F 数，忽略像差；Object Cone Angle:物方锥角（轴上物点发出的边缘光线的半角），最大可以达到90度（物在有限远） 视场类型：Angle: 设定物方视场主光线与光轴的夹角，多用于无限共轭平行光条件下。 Object height:设定被成像物体的尺寸大小，用在有限共轭系统。Paraxial Image height:近轴像高。使用近轴光束定义系统成像的像面大小。用于需要固定像大小的设计中，使用近轴方法计算，忽略系统畸变影响，适用于视场角度较小的系统。 Real image height: 实际像高。使用实际光线计算，考虑畸变大小，适用于大视场广角系统。Zemax 计算慢。 曲率求解: Marginal ray angle ：控制边缘光线的角度 Chief ray angle ：控制主光线的角度 Marginal ray normal ：使光学面与近轴边缘的光线垂直，可产生没有球差或慧差的光学面 Chief ray normal ：使光学面与近轴主光线垂直，可产生不具慧差，像散或畸变的光线 Alplanatic ：可产生没有球差，慧差，像散的等光程光学面 Pick up ：使光学面的曲率随所指定面的曲率而改变Element power ：可控制指定镜片的光焦度，也可控制有效焦距，设于第二面 Concentric with surface ：控制曲率使曲率中心落于指定面上Concentric with radius ：控制曲率使曲率中心与指定面的曲率中心在同一点 F/#：控制曲率，控制有效焦距，设于第二面 厚度求解：Marginal ray height ：控制近轴边缘光线在像面上的高度，Pupil zone 在正负1之间 Chief ray height: 控制近轴主光线高度 Edge thickness ：控制镜片边缘厚度，以免优化过厚或过薄 Pick up ：控制厚度随指定面的厚度变化 Optical path difference ：控制厚度使指定光瞳坐标处光程差维持定值 Position ：控制面至指定面之间的距离保持一定 Compensator ：控制面厚度与参考面厚度之和保持定值 Center of curvature ：控制厚度使后光学面的位置在指定面的曲率中心上 玻璃求解：Model ：用于玻璃优化 Pick up ：随指定面变化 Substitute ：指定玻璃库优化 Offset ：在折射率及Abbe 数上增加一偏移量，用于公差计算 光学系统特性：光学特性（焦距、放大率、物距、像距等）：属于物像几何尺寸共轭关系 成像特性：光学系统所成像的清晰程度以及像与物的相似性。 实际光学系统成像：以一定宽度的光束对一定大小的物体成像，不能成完善像 实际像与理想像之间的差异是像差，是光学系统成像不完善程度的描述 像质评价方法：1、设计阶段----通过计算来评定系统成像质量优劣 2、系统制造完成后-----通过对系统进行实际检验测量来评价成像质量 像差分析方法：几何像差法：以特征光线经过光学系统后出射光线在横向或纵向与理想像的偏差分析像差的方法。以几何光学为基础。优点：计算简单、意义直观 波像差法：以波动光学为基础，以实际波面和理想像的波面的偏差分析像差的方法。波像差是几何像差的综合体现。尤其对于小像差系统，波像差更能反映像质。 球差：轴上物点发出的宽光束经透镜后，不同孔径区域的光束汇聚在光轴的不同位置，在像面上形成弥散斑。轴向球差、垂轴球差、边光球差。 球差是入射高度的函数；球差反映轴上点的像差，与视场无关；球差具有轴对称性。 球差的表示、查看：2D Layout 、点列图、球差曲线、赛德尔像差系数、评价函数操作数、光扇图 球差校正：正负透镜补偿法：实际设计时，常使初级球差与二级球差相补偿，将边缘光的球差校正为零。对边光校正球差时，0.707带光球差最大 非球面校正球差：二次曲面代替球面 无球差的三个位置：L=0,L ’=0; L=L ’=r;L ’=(n+n ’)r/n ’（齐明点、不晕点） 彗差：轴外物点发出的宽光束经系统后失对称，不会聚在一点，而在像面上形成彗星状弥散斑，左右对称，上下失对称 彗差度量：通常用子午面和弧矢面上对称于主光线的各对光线，经系统后的交点相对于主光线的偏离来度量。子午彗差以这对光线与理想像面交点高度的平均值与主光线交点高度之差来表征，弧矢度量以前后光线对与理想像面交点高度的平均值与主光线交点高度之差来表征 彗差的性质：彗差与孔径、视场均有关彗差是轴外点以大孔径成像时的像差，不仅随孔径增大而增大，视场越大，彗差也越大 彗差的校正：1、改变光阑位置2、组合透镜，一般能消除球差的组合，也可以使彗差得到改善3、对称结构光学系统 彗差的表示：2D Layout 、Spot Diagrams 、Ray Fans 、评价函数操作数COMA 、Seidel Aberration 像散：轴外物点发出的锥形光束通过光学系统聚焦后，光斑在像面上子午方向与弧矢方向不一致，子午像点与弧矢像点不重合，即一个物点的成像将被聚焦为子午和弧矢两个焦线，是光学系统在两个方向聚焦能力不同而形成的。子午细光束像点和弧矢细光束像点的轴向距离为像散 像散的校正：调节视场光阑的位置；使用对称结构系统；利用非球面透镜校正 场曲：平面物体通过透镜系统后，所有平面物点聚焦后的像面不与理想像面重合，而是呈现为一个弯曲的像面。每个物点通过系统自身能成一个清晰的像点，但所有像点的集合却是一个曲面 场曲随视场变化，不能用单一视场或某一物点成像光斑来描述，此时光斑图、光扇图等都失去作用 场曲校正：优化光阑位置；对称式光学系统 畸变：实际系统，视场较大时，一对共轭物像平面上的放大率不为常数，将使像相对于物失去相似性，使像变形的缺陷称畸变 畸变是视场的函数，畸变的大小随视场的三次方成正比，视场小的光学系统畸变不显著。正畸变:枕形畸变,垂轴放大率随视场角的增大而增大 负畸变:桶形畸变,垂轴放大率随视场角的增加而减少 畸变的度量：绝对畸变：线畸变 相对畸变：相对于理想像高的绝对畸变，通常用百分率表示 不能用几何光线、也不能通过光斑图或波前图来预测畸变量，只能对所有物点进行光线追迹得到像面高度，作为最终评价畸变量的大小 畸变的校正：全对称系统（结构对称，物像对称）不产生畸变 单色像差：球差：轴上点像差，与孔径有关。彗差：轴外点、宽光束，失对称，光线对与主光线不能会聚。场曲（像面弯曲）：无法在平直像平面上获得中心与四周都清晰的像。像散：轴外点、细光束，光线对称，光线对与主光线能够会聚，但子午与弧矢光束会聚点位置不同。畸变：轴外，像、物不相似，但不影响像的清晰度 多种像差共存：物点在主轴上时，其它像差都不出现，只有球差单独出现。光束愈宽，球差愈显著；物点与主轴间距离不大时，除球差仍将出现外，彗差将显著，光束即使不太宽，彗差还可能比球差显著；物点与主轴间距离较大而光束很细窄时，像散将最为显著，因为对于狭窄的光束，球差和彗差都不显著；像面弯曲和畸变，仅在物面特别大时才比较显著，如果光束是细窄的，那么此时像面弯曲和畸变相对说来都将不再重要 色差：对白光成像的光学系统，由于材料对不同色光的折射率不同，使各色光线具有不同的成像位置和倍率。 位置色差（轴向色差）：波长不同，折射率不同，焦距不同。像面上呈现彩色弥散斑。 像差曲线：①各单色光的球差随孔径的变化②位置色差随孔径的变化③球差随色光的变化（色球差）④二级光谱 倍率色差（垂轴色差）：λ变——n 变——β变——y'变 度量：F 光、C 光主光线在D 光的理想像面上的交点高度之差 缺陷：物体的像有彩色的边缘，破坏了轴外点的清晰度，造成像的模糊，在大视场下尤为严重 色差校正：单透镜本身不能消色差，校正色差必须采用正负透镜组合 色光焦点漂移曲线：双胶合透镜在两波长处焦点位置重合，色差得到校正 波象差：根据光的波动性来描述实际波面和理想波面的偏差 瑞利判据：实际波面与理想波面之间的最大波像差不超过λ/4时， 此实际波面可看作是无缺陷的 缺点：只考虑波像差的最大允许公差，没有考虑缺陷部分在整个波面面积中所占比重（局部气泡、划痕等） 中心点亮度（斯特列尔比）：无像差系统：高斯像面上像点中心有最大光强度 存在像差：像点光强度分布发生变化，中心光强降低，光能量向周围扩散 中心点亮度:系统存在像差时成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比，记作斯特列尔比(>=0.8，成像完善) 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。能反映物体不同空间频率成分的传递能力。一般来说，高频部分是反映物体的细节传递情况，中频部分是反映物体的层次传递情况，而低频部分则是反映物体的轮廓传递情况。MTF 曲线所围面积越大，表明光学系统所传递的信息量越多，成像质量越好，图像越清晰。 系统制造完成后实测像质：星点检验：类似点列图考察一个点光源（星点）经系统所成的像及像面前、后不同截面衍射图形的光强变化及分布，定性地评价光学系统的成像质量。一般使用带有微孔的星点板 波面测量：波像差。各种干涉系统结构+图像传感技术+计算机技术 光学传递函数测量：光栅法；针孔法 分辨率测量：分辨率：光学系统能够分辨物体细节的能力。如果一个点光源的爱里斑中心刚好和邻近的另一个点光源的爱里斑边缘相重合，则这两个点光源被认为是刚刚可以被分辨——瑞利判据 分辨本领：望远镜： 显微镜： 照相机物镜： ??? ??+='sin 'sin 1'U I r L ''I I U U -+=φh nu u n =-''i i i i d u h h '1-=+11'+=i u h EFL 11'++=i i u h BFL 2121φφφφφd -+=l l '=β()()211C C n --=φ2βα=γ1=J y u n nuy =='''D λ?22.1=θλsin 61.0?=?n y ()D f y /22.1''λ=?
实习报告 实习名称：工程光学课程设计院系名称：电气与信息工程专业班级：测控12-1 学生姓名：张佳文 学号：20120461 指导教师：李静
黑龙江工程学院教务处制2014 年 2 月
工程光学课程设计任务书
目录 1摘要 ...................................................................... 错误！未定义书签。2物镜设计方案 . (1) 3物镜设计与相关参数 (2) 3.1物镜的数值孔径 (2) 3.2物镜的分辨率 (3) 3.3物镜的放大倍数 (4) 3.4物镜的鉴别能力 (4) 3.5设计要求参数确定 (4) 4 显微镜物镜光学系统仿真过程 (5) 4.1选择初始结构并设置参数 (5) 4.2自动优化 (5) 4.3物镜的光线像差(R AY A BERRATION)分析 (6) 4.4物镜的波像均方差(OPD)分析 (7) 4.5物镜的光学传递函数(MTF)分析 (8) 4.6物镜的几何点列图(Stop Diagrams)分析 (10) 4.7仿真参数分析 (11) 5心得体会 (11) 6参考文献 (12)
1摘要 ZEMAX是Focus Software 公司推出的一个综合性光学设计软件。这一软件集成了包括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析等诸多功能，并通过直观的用户界面，为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具。十几年来，研发人员对软件不断开发和完善，每年都对软件进行更新，赋予ZEMAX更为强大的功能，因而被广泛用在透镜设计、照明、激光束传播、光纤和其他光学技术领域中。 ZEMAX采用序列和非序列两种模式模拟折射、反射、衍射的光线追迹。序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。这一模式下，ZEMAX 以面作为对象来构建一个光学系统模型，每一表面的位置由它相对于前一表面的坐标来确定。光线从物平面开始，按照表面的先后顺序进行追迹，追迹速度很快。许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导光管、非成像系统或复杂形状的物体则需采用非序列模式来进行系统建模。这种模式下，ZEMAX以物体作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹，可按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到被物体拦截。与序列模式相比，非序列光线追迹能够对光线传播进行更为细节的分析。但此模式下，由于分析的光线多，计算速度较慢。 ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是ZEMAX 的CAD 转文件程序都是双向的，如IGES 、STEP 、SAT 等格式都可转入及转出。而且ZEMAX可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。 ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，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。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户光学设计程界面中。而且工作界面简单，快捷，很方便的就能找到我们想哟实现的功能，ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。 2物镜设计方案 消色差物镜(Achromatic)是较常见的一种物镜，由若干组曲面半径不同的一正一负胶合透镜组成，只能矫正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。同时校正了轴上点球差和近轴点慧差，这种物镜不能消除二级光谱，只校正黄、绿波区的球差、色差，未消除剩余色差和其他波区的球差、色差，并且像场弯曲仍很大，也就是说，只能得到视场中间范围清晰的像。使用时宜以黄绿光作照明光源，或在光程中插入黄绿色滤光片。此类物镜结构简单，经济实用，常和福根目镜、校正目镜配合使用，被广泛地应用在中、低倍显微镜上。在黑白照相时，可采用绿色滤色片减少残余的轴向色差，获得对比度好的相片。消色差通常由两个分离的双胶组合透镜组成，这类物镜也称为里斯特物镜，它的倍率一般在6×至30×
简答题、填空题： 1、光线的含义是什么？波面的含义是什么？二者的关系是什么？ 光线：发光点发出光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线。 波面：发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻起振动位相相同的点所构成的等相位面。 二者关系：波面法线即为光线。 2、什么是实像？什么是虚像？如何获得虚像？ 实像：实际光线相交所会聚成的点的所组成的像。 虚像：光线的延长线相交所形成的点所组成的像。 如何获得虚像：光线延长线所形成的同心光束。 3、理想光学系统几对基点？分别是什么？ 2对。像方焦点（F’），像方主点（H’），物方焦点（F），物方主点（H）。 4、什么是孔径光阑？什么是入瞳？什么是出瞳？孔径光阑与入瞳、出瞳之间有什么系？ 孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径的光阑称为孔径光阑。 入瞳：孔径光阑在透镜后，经前面光学系统所成的像，称为入瞳。 出瞳：孔径光阑在透镜前，经后面光学系统所成的像，称为出瞳。 关系：入瞳、出瞳和孔径光阑对整个系统是共轭的，经过入瞳的光线必经过孔径光阑、也经过出瞳。 5、光学系统的景深是什么含义？ 能够在像面上获得清晰像的物空间深度，就是系统的景深。 6、发生干涉的条件是什么？发生干涉的最佳光源是什么类型的光源？ 两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源。 7、近场衍射和远场衍射的区别是什么？ 近场衍射：光源和衍射场或二者之一到衍射屏的距离比较小时的衍射。 远场衍射：光源和衍射场都在衍射屏无限远处的衍射。 8、什么是光学系统的分辨率？人眼的极限分辨率是多少？ 极限分辨角为60``(=1`) 9、完善像和理想光学系统的含义分别是什么？ 完善像：每一个物点对应唯一的一个像点。或者，物点发出的同心光束经过光学系统后仍为同心光束。或者，入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。 理想光学系统：任何一个物点发出的光线在系统的作用下所有的出射光线仍然相交于一点的系统。 10、近轴光线的条件是什么？近轴光线所成像是什么像？ 条件：当孔径角U很小时，I、I’和U’很小。 成像：高斯像。 11、光学系统中主点有什么特点？节点有什么特点？ 12、一束光入射到平面镜上，有反射光从平面镜射出，当平面镜旋转了5°，试问反射光旋转过多少度？ 13、视场光阑的作用是什么？入窗、出窗和视场光阑的关系是什么？ 作用：限制物平面上或物空间中成像范围。 关系：入窗、出窗和视场光阑三者互为共轭。
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
《光学软件课程设计》教学大纲 适用专业：光电、通信工程、电子信息工程专业 （学分：1学分，学时：20学时） 一、课程的性质和任务 光学软件课程设计是在学习工程光学，光学等基础课程的基础上，基于光学软件进行光学系统的设计，让学生了解光学设计中的主要环节，掌握光学系统的设计、开发的基本方法，以便今后从事光学仪器的设计、研发工作。 通过光学软件课程设计,以求达到如下目的： 1）要求综合运用工程光学课程中所学到的理论知识，独立完成一个设计课题。 2）通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。 3）培养学生严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。 二、课程的教学内容 题目1：双高斯物镜的优化设计 设计一组双高斯物镜镜头，镜头的技术指标要求如下： 1、焦距：f’=40mm； 2、相对孔径D/f’不小于1/2 ； 3、视场 5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)； 6、成像质量，MTF 轴上>35% @100 lp/mm，轴外0.707 >25%@100 lp/mm。 7、校正球差、色差、场曲、像散。 在满足前面要求的前提下，尽可能减少镜头的片数，在相同的结构情况下，MTF值越高越好。 题目2：摄影物镜的优化设计 镜头的技术指标要求如下 1、焦距：f’=12mm； 2、相对孔径D/f’不小于1/2.8； 3、图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm； 4、后工作距>6mm
5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)； 6、成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm。 7、最大畸变<1% 在满足前面要求的前提下，尽可能减少镜头的片数，在相同的结构情况下，MTF值越高越好。 三、课程的教学基本要求 1)要独立完成设计任务，通过课程设计，锻炼自己综合运用所学知识的能力，并 初步掌握镜头优化设计的方法和步骤。 2)学会查阅资料和手册,根据我们的设计目标，选择合适的初始结构。 3)ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、 分析、公差以及报表集中在一起，学生可以运用是ZEMAX进行镜头的优化设计，并对设计的镜头系统进行像质评价。 4)学会进行镜头优化设计及像差分析，并得出像质评价报告。 5)能够写出完整的课程设计总结报告。 四、课程的学时分配 教学内容进度 布置任务，仿真软件介绍第一周 学习ZEMAX像差控制和优化方法第一周 查询资料，确定初始结构，并进行优化设计第二周 验收设计结果第三周 验收课程设计报告第四周 五、实践性教学环节（含实验、设计、实习等）的内容安排及要求 （1）设计报告需包含：设计要求、初始结构选择与分析、像差校正、评价函数的设置、优化方法的选择、像差结果分析与评价报告、总结与体会、参考文献和辅助软件。 ①说明设计题目及要求。 ②对题目进行剖析并选择合适的初始结构。 ③对初始结构的像差结果进行分析，与我们设计目标进行比较。 ④根据选择的初始结构，进行像差控制和优化设计 ⑤对设计优化结果给出像质评价报告并与我们的设计目标进行比较。 ⑥写出自己在仿真的过程中遇到的问题、如何排除故障以及仿真结果。
第十一章 光的干涉 1． 双缝间距为1mm,离观察屏1m,用钠光灯做光源，它发出两种波长的单色光 nm 0.5891=λ和nm 6.5892=λ，问两种单色光的第十级亮条纹之间的间距是多 少？ 解：由题知两种波长光的条纹间距分别为 9 6113 1589105891010D e m d λ---??===? 96 223 1589.610589.61010 D e m d λ---??===? ∴第十级亮纹间距()()6 5 211010589.6589100.610e e m -?=-=?-?=? 2． 在杨氏实验中，两小孔距离为1mm,观察屏离小孔的距离为50cm,当用一片折射率为1.58的透明薄片贴住其中一个小孔时（见图11-17），发现屏上的条纹系统移动了0.5场面，试决定试件厚度。 解：设厚度为h ，则前后光程差为()1n h ?=- ()1x d n h D ??∴-= 23 0.510100.580.5 h --??= 2 1.7210h mm -=? 3． 一个长30mm 的充以空气的气室置于杨氏装置中的一个小孔前，在观察屏上观察到稳 定的干涉条纹系。继后抽去气室中的空气，注入某种气体，发现条纹系移动了25 个条纹，已知照明光波波长nm 28.656=λ，空气折射率000276.10=n 。试求注入气室内气体的折射率。 解：设气体折射率为n ，则光程差改变()0n n h ?=- 图11-47 习题2 图
()02525x d d n n h e D D λ??∴-= =?= 9 025656.2810 1.000276 1.0008230.03 m n n h λ-??=+=+= 4． ** 垂直入射的平面波通过折射率为n 的玻璃板，投射光经投射会聚到焦点上。玻 璃板的厚度沿着C 点且垂直于图面（见图11-18）的直线发生光波波长量级的突变d ，问d 为多少时，焦点光强是玻璃板无突变时光强的一半。 解：无突变时焦点光强为04I ，有突变时为02I ，设',.d D 2 00' 4cos 2xd I I I D πλ== ()'104xd m m D λ?? ∴?= =+≥ ??? 又 ()1n d ?=- 114d m n λ? ? ∴= + ?-?? 5． 若光波的波长为λ，波长宽度为λ?，相应的频率和频率宽度记为ν和ν?，证明 λ λ ν ν ?= ?，对于nm 8.632=λ的氦氖激光，波长宽度nm 8 102-?=?λ，求频 率宽度和相干长度。 解： c λν= λ ν λ ν ??∴ = 对于632.8c nm λνλ =?= 898 41821010310 1.49810632.8632.810 c Hz λ λννλλλ---??????∴?=?=?==??? C 图11-18
作业1（时间9月24日—10月26日）每个人独立完成 1. 证明单色平面波的波函数)cos(t kz A E ω-= 是波动微分方程0v 12 2222=??-??t E z E 的解。 2. 一个平面电磁波可以表示为0=x E ,]2)(102cos[214ππ+ -?=t c z E y ，0=z E ，求： (1) 该电磁波的频率、波长、振幅和原点的初位相？ (2) 波的传播和电矢量的振动取那个方向？ (3) 与电场相联系的磁场B 的表达式。 3. 一平面波的复振幅表达式为[])432(exp ),,(z y x i A z y x u +-=，试求其波长，沿x 、y 、z 方向的空间频率。 4. 试分析离轴球面波的傍轴条件和远场条件（如图2） 5. 空气中有一薄膜(n =1.46)，两表面严格平行。今有一平面偏振光波以30°入射，其振动面与入射面夹角为45°， 如图1所示。问由表面反射的光和经内部反射后的反射光的光强各为多少？它们在空间的取向如何？它们之间的相位差是多少？ 图1 6. 一束右旋圆偏振光（迎着光的传播方向看）从玻璃表面垂直反射出来，若迎着反射光的方向观察，是什么光？为什么？ 7. 画出反射光和折射光的偏振态。（i 为入射角，0i 为布儒斯特角）
8. 在真空中沿z方向传播的两个振动方向相同的单色光波可以表示为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - =t z a Eν λ π2 cos 1 ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - ? + =t z a E) - ( 2 cos 2 ν ν λ λ π 若100 = a V/m，14 10 6? = νHz，8 10 = ?νHz，试求：(1)两波叠加后合成波在z=0，z=1m 和z=1.5m各处的强度随时间的变化关系；(2)合成波振幅周期变化和强度周期变化的空间周期。 9. 试确定其正交分量由下两式表示的光波的偏振态 ) ( cos ), ( t c z A x t z E x - =ω，? ? ? ?? ? + - = 4 5 ) ( cos ), ( π ωt c z A y t z E y 10. 什么叫色散？什么叫正常色散？试分析在正常色散和反常色散区，群速度与相速度的关系。 11. 图3所示的菲涅耳棱体的折射率为1.5，入射线偏振光电矢量与图面成45°，问：(1)要使从棱体出射圆偏振光，棱体的顶角?应为多大? (2) 若棱体折射率为1.49，能否产生圆偏振光？ 12. 图4中的M1、M2是两块平行放置的玻璃片(n=1.5)，背面涂黑。一束自然光以 B θ角入射到M1上的A点，反射至M2上的B点，再出射。试确定M2以AB为轴旋转一周时，出射光强的变化规律。 图3