光学设计资料

光学设计基础（一）光学人生，从这里开始！aperture stop（孔径阑）－限制进入光学系统之光束大小所使用的光阑。

astigmatism（像散）－一个离轴点光源所发出之光线过透镜系统后，子午焦点与弧矢焦点不在同一个位置上。

marginal ray（边缘光束）－由轴上物点发出且通过入射瞳孔边缘的光线。

chief ray（主光束）－由离轴物点斜向入射至系统且通过孔径阑中心的光线。

chromatic aberration（色像差）－不同波长的光在相同介质中有不的折射率，所以轴上焦点位置不同，因而造成色像差。

coma（慧差）－当一离轴光束斜向入射至透镜系统，经过孔径边缘所成之像高与经过孔径中心所成之像高不同而形成的像差。

distortion（畸变）－像在离轴及轴上的放大率不同而造成，分为筒状畸变及枕状畸变两种形式。

entrance pupil（入射瞳孔）－由轴上物点发出的光线。

经过孔径阑前的组件而形成的孔径阑之像，亦即由轴上物点的位置去看孔径阑所成的像。

exit pupil（出射瞳孔）－由轴上像点发出的光线，经过孔径阑后面的组件而形成的孔径阑之像，亦即由像平面轴上的位置看孔径阑所成的的像。

field curvature（场曲）－所有在物平面上的点经过光学系统后会在像空间形成像点，这些像点所形成的像面若为曲面，则此系统有场曲。

field of view（视场、视角）－物空间中，在某一距离光学系统所能接受的最大物体尺寸，此量值以角度为单位。

f-number（焦数）－有效焦距除以入射瞳孔直径的比值，其定义式如下：有时候f-number也称为透镜的速度，4 f 的速度是2 f 速度的两倍。

meridional plane（子午平面）－在一个轴对称系统中，包含主光线与光轴的平面。

numerical aperture（数值孔径）－折射率乘以孔径边缘至物面（像面）中心的半夹角之正弦值，其值为两倍的焦数之倒数。

数ˋ 值孔径有物面数值孔径与像面数值孔径两种。

[考试要求]要求考生了解光线的光路计算公式、影响成像质量的七大几何像差和波像差。

[考试内容]像差的定义、分类、概念，像差对系统像质所产生的影响及校正的方法，波像差的概念及其表示。

［作业］P128：3、4、7、8、9、10第六章 光线的光路计算及像差理论§6－1 概述一、 基本概念实际的光学系统都是以一定的宽度的光束对具有一定大小的物体进行成像，由于只有近轴区才具有理想光学系统性质，故不能成完善像，就存在一定的像差。

1、像差定义：实际像与理想像之间的差异。

2、 几何像差的分类:单色像差：光学系统对单色光成像时所产生的像差。

球差、彗差、像散、场曲、畸变 色差：不同波长成像的位置及大小都有所不同。

色差 位置色差：体现不同色光的成像位置的差异 倍率色差：体现不同色光的成像大小的差异。

3、 像差产生的原因在第一章我们曾讲过近轴光／实际光的光路计算公式。

⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=−+==−=)''1('''''u i r l i i u u in n i ur r l i sin 'sin 1(sin sin sin U I r L I I U U I n nI r hI ′+=′′−+=′′=′= 并且说明这二组公式最大的区别是对于近轴光：是用弧度值取代正弦值而得 到的。

即I I ≈sin但实际上这一取代并不是完全精确的，它存在着一定的误差量值，因为它们仅仅是近似相等，从而导致实际与理想之间存在差异。

这就是像差产生的原因。

二、像差谱线的选择――主要取决于接收器的光谱特性进行像差校正时，只能校正某一波长的单色像差，对于不同的接收器件像差谱线的选择有很大的区别。

1、目视光学系统：一般选择D 光或光校正单色像差，对光校正色差。

e C F ,2、普通照相系统：一般对光校正单色像差，对校正色差。

F ',G D 3、近红外和近紫外光学系统：一般对C 光校正单色像差，对'校正色差。

1.理想光学系统：一个理想光学系统应能使一个点物发出的球面波通过光学系统后仍然是一个球面波，从而理想的交与一点。

一个理想光学系统应能使一个点物发出的所有光线通过光学系统之后仍然能够交于一点，理想观雪系统同时满足直线成像直线，平面呈像平面。

P12.像差：所谓像差就是光学系统所成的实际像与理想像之间的差异。

P13.视场：光学系统中描述成像范围大小的参量称为视场，系统对近距离物体成像时，视场的大小一般用物体的高度y表示，对远距离物体成像时，视场大小用视场角表示。

P4视场光阑：光学系统中用于限制成像范围大小的光阑称为视场光阑。

入窗：视场光阑经前面的光组在物空间所成的像称为入射窗；出窗：视场光阑经后面的光组在像空间所成的像称为出射窗；入射窗与物面重合，出射窗与像面重合。

出射窗是入射窗经整个系统所成的像。

4.孔径：描述成像光束大小的参量称为孔径。

系统对近距离物体成像时，其孔径大小用孔径角U表示，对无限远物体成像时，孔径大小用孔径高度h表示。

孔径光阑：光学系统中用于限制轴上点成像光束大小的光阑称为孔径光阑，孔径光阑的大小决定成像面上的照度。

入瞳：孔径光阑通过其前面光学系统所成的像称为入瞳，它决定进入系统光束的大小，入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口；出瞳：孔径光阑通过它后面光学系统所成的像称为出瞳，决定从系统出射光束的大小，出瞳是物面上各点发出光束经整个光学系统以后从最后一个光孔出射的共同出口。

注意：入瞳、孔径光阑、出瞳三者相互共轭。

5.渐晕：实际光学系统视场边缘的像面照度一般允许比轴上点适当降低，也就是轴外子午光束的宽度比轴上点光束的宽度小，这种现象叫做“渐晕”。

P56.位置色差：描述两种色光对轴上物点成像位置差异的色差称为位置色差或轴向色差；倍率色差：因不同色光成像倍率的不同而造成物体的像大小差异的色差称为倍率色差或垂轴色差。

（光学系统对不同色光的放大率的差异称为倍率色差。

）色球差：高级位置色差实际上就是球差的色变化，这就是色球差的概念。

一、关于光线：光源发出之光，通过均匀的介质时，恒依直线进行，叫做光的直进。

此依直线前进之光，代表其前进方向的直线，称之为“光线”。

光线在几何光学作图中起着重要作用。

在光的直线传播，反射与折射以及研究透镜成像中，都是必不可少且要反复用到的基本手段。

应注意的是，光线不是实际存在的实物，而是在研究光的行进过程中细窄光束的抽象。

正像我们在研究物体运动时，用质点作为物体的抽像类似。

二、光的反射光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。

反射定律：1.入射光线、反射光线与法线（即通过入射点且垂直于入射面的线）同在一平面内，且入射光线和反射光线在法线的两侧；2.反射角等于入射角（其中反射角是法线与反射线的夹角。

入射角是入射线与法线的夹角）。

在同一条件下，如果光沿原来的反射线的逆方向射到界面上，这时的反射线一定沿原来的入射线的反方向射出。

这一点谓之为“光的可逆性”。

三、光的折射光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折。

折射定律1、折射光线和入射光线分居法线两侧（法线居中，与界面垂直）2、折射光线、入射光线、法线在同一平面内。

（三线两点一面）3、当光线从空气斜射入其它介质时，角的性质：折射角(密度大的一方)小于入射角（密度小的一方）；（在真空中的角总是大的，其次是空气）4、当光线从其他介质射入空气时，折射角大于入射角。

5、在相同的条件下，折射角随入射角的增大（减小）而增大（减小）。

6、折射光线与法线的夹角，叫折射角。

7、光从空气斜射入水中或其他介质时，折射光线向法线方向偏折，折射角小于入射角。

8、光从空气垂直射入水中或其他介质时，传播方向不变。

四、光的双折射当光射入各向异性晶体(如方解石晶体)后，可以观察到有两束折射光，这种现象称为光的双折射现象。

两束折射线中的一束始终遵守折射定律这一束折射光称为寻常光，通常用o表示，简称o光；另一束折射光不遵守普通的折射定律这束光通常称为非常光，用e表示，简称e光。

光学设计教学内容光学设计是一门研究光学系统建模、分析与优化的学科。

它涉及到光学元件、光学系统、光学材料以及光学检测等方面的知识。

光学设计教学内容主要包括以下几个方面：1. 光学基础知识：光的特性、光束的传播和传输、光的相互作用等基础知识是学习光学设计的基础。

学生需要了解光的波粒二象性、光的干涉、衍射、偏振、散射等基本概念和理论，并掌握相关的数学、物理知识。

2. 光学元件设计：光学元件是光学系统的基本组成部分，学生需要学习光学元件的设计原理、性能参数以及常见的设计方法。

具体包括透镜、棱镜、光纤、滤波器、波片等。

学生需要理解这些光学元件的工作原理和参数对系统性能的影响，并掌握如何进行光学元件的选型和设计。

3. 光学系统设计：光学系统是由多个光学元件组成的，它们协同工作来实现特定的功能。

学生需要学习光学系统的建模和分析方法，掌握光学系统的设计原则和优化方法。

学生需要掌握光学系统参数的计算方法，如焦距、光斑大小、像差等，并能够应用适当的软件来模拟和优化光学系统的性能。

4. 光学材料与光学工艺：光学设计离不开合适的光学材料和光学工艺。

学生需要了解不同光学材料的特性，如折射率、透过率、色散等，并掌握光学材料的选用原则。

此外，还需要学习光学工艺的基本知识，如光学表面处理、光学镀膜、光学组装等。

5. 光学检测与测量：光学设计的最终目的是实现光学系统的性能检测和测量。

学生需要学习光学检测的原理和方法，包括光谱分析、干涉检测、相位测量等。

学生还需要了解常见的光学检测设备，如光谱仪、干涉仪等，并能够进行简单的光学检测实验。

光学设计教学的主要目标是培养学生的光学系统设计和分析能力，使其能够独立地进行光学系统的设计、优化和测试。

为此，教学内容需要注重理论和实践相结合，培养学生的实际操作能力和问题解决能力。

在光学设计教学中，可以采用理论教学、实验教学和项目实践相结合的方式。

理论教学主要是讲授光学基础知识和光学设计原理，通过课堂讲解、案例分析等方式向学生传授相关知识。

光学设计知识点概括大全光学设计是应用光学原理和技术进行光学系统设计的过程。

它涉及到光学元件的选择、布局和参数优化等方面的内容，旨在实现光学系统的目标性能。

本文将概括介绍光学设计的一些知识点，包括光学成像、光学系统设计方法和一些常见的光学设计软件等。

一、光学成像1. 光学成像原理：介绍光线传播、折射和反射等光学基本概念，阐述成像的本质和条件。

2. 成像表达方式：介绍光学成像的表达方式，如物方和像方的光线追迹法，相差法和矩阵法等。

3. 成像质量评价：介绍光学成像的质量评价方法，如像差理论、MTF（Modulation Transfer Function）等。

二、光学系统设计方法1. 光学系统设计流程：介绍光学系统设计的一般流程和步骤，包括需求分析、光学元件选择和系统优化等。

2. 光学系统的设计参数：介绍光学系统设计中的一些重要参数，如焦距、孔径、视场角、像面尺寸等。

3. 光学设计软件：介绍一些常见的光学设计软件，如Zemax、Code V和LightTools等，以及它们的基本使用方法和特点。

三、光学元件设计1. 透镜设计：介绍透镜设计的基本原理和常见的透镜类型，如球差、彗差和像散等。

2. 反射镜设计：介绍反射镜设计中的一些重要问题，如曲面型状、反射镜面材料选择和镀膜等。

3. 光学薄膜设计：介绍光学薄膜设计的一般步骤和方法，以及如何优化薄膜的性能指标。

四、光学系统的优化1. 成本效益优化：介绍如何在光学系统设计中平衡成本和性能，考虑制造和装配的限制。

2. 杂散光和干扰优化：介绍如何减少光学系统中的杂散光和干扰，提高系统的信噪比和图像质量。

3. 系统性能评估：介绍光学系统性能评估的方法和指标，如光束质量、轴向色差和场曲率等。

总结：光学设计是一门综合性的学科，涉及到光学理论、光学元件以及系统工程等多个领域。

本文对光学设计的一些知识点进行了概括，包括光学成像、光学系统设计方法和常见的光学设计软件等，旨在提供基本的理论和方法，帮助读者了解光学设计的基础知识。

一、光学系统设计的具体过程：二、像差1.在级数展开过程中，所忽略的高次项即表征了光学系统的实际像与理想像之间的差异，这种差异即为像差。

2..3 .1)对光能接收器的最灵敏的谱线校正单色像差;2)对接收器所能接收的波段范围两边缘附近的谱线校正色差;一）球差（孔径的函数）（球差是轴上点成像存在的唯一的一种单色像差）1.轴上一点发出的不同孔径和入射高度的光在通过光学系统后有不同的像距，就是球差δL'=L'-l'危害：球差带来的危害是一个圆形弥散斑，影响像的清晰度校正：1）单个正透镜产生负球差，单个负透镜产生正球差。

因此用正负透镜组合校正球差。

2）非球面校正球差；在zemax中，点击分析-杂项、轴向像差查看2.单个折射球面的无球差点：1）当L=0时，L'=0，即物点与球面顶点重合时不产生球差；2）当sinI - sinI' = 0，即I =I' = 0时，这时L = L' = r，即物点位于球面球心时，不产生球差。

3.）n nL rn'+=，n nL rn'+'='，22nL nn L nβ'=''＝，这一对共轭点称为不晕点，或齐明点4.球差的级数展开式：初级球差与孔径的平方成正比，二级球差与孔径的四次方成正比。

当孔径较小时，主要存在初级球差；孔径较大时，高级球差增大，即：241121 L A h A h δ'=+当光学系统物空间没有球差时，1''211'2kk k k L Sn u δ=-∑5.初级球差是孔径(h/h m )2的函数2412=m m h h δL A A h h ⎛⎫⎛⎫'+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，若对边光校正球差，0.707带光有最大剩余球差，其值等于边光高级球差的1/4，且反号，即070724.δL -A /'=。

最大剩余球差：带球差(特指0.707带孔径的球差)像差校正的实质：用初级像差与高级像差相互抵消（或平衡）的结果。

第四章 光学材料光学材料包含光学玻璃、工程塑料、天然晶体、人工晶体，以及若干种金属，如锆、银、金、镍、锗、铍及其若干金属和非金属氧化物。

作为光学材料，必须满足一些基本要求，如要具有良好的机械性能和化学稳定性，可加工性，具有均匀的折射率分布等。

用作镜头的光学材料，最重要的性能是折射率和透过率，这两个物理量都随波长变化，是波长的函数。

折射率随波长的变化称为色散。

影响光学材料透过率的主要因素有界面的反射损失和材料的吸收损失。

对反射用的光学材料而言，反射率是最重要的指标。

光学镀膜是在光学元件（透镜、棱镜、反射镜等）表面镀上单层或多层金属或非金属薄膜以改善光学性能，例如：增透膜，反射膜，半反半透膜，以及其它特殊用途的膜层。

§1.透射光学材料的特性一．光能的反射和吸收损失根据菲涅尔公式，光由普通介质材料表面反射的系数为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-++-=)(tan )(tan )(sin )(sin 21/2/2/2/2I I I I I I I I R 式中I 和/I 是入射角和折射角。

当光垂直入射时：2/2/)()(n n n n R +-=式中：n 和/n 透镜表面前后介质的折射率。

对于透镜来说，表面的反射是一种光能损失。

对于由k 个表面组成的光学系统，不计材料的吸收损失时，其透过率为：kkt R T 11)1(=-=在光学系统中，胶合面两边介质的折射率差通常小于0.3，因此，反射损失通常小于%5.0，可以忽略不计。

光经过光学材料时，光能量难免不被吸收，光经过厚度为x mm 的光学材料，如果只计吸收，其透过率为axxet K -==2式中：a 为材料的吸收系数如果把光学材料表面的反射损失和材料内部的吸收损失均考虑在内，则光学系统的透过率是其表面透过率和材料内部透过率的乘积：axk xket t t K T T -⋅=⋅==1211上面只是适用于各反射面的反射率相同的情况。

对于空气中的单透镜来说，两个反射面（折射面）的反射率以及透过率不同，则透过率为212211R R K K T T T -=如果忽略材料的内部吸收（1=K ），则单透镜： 21211R R T T T -=二． 折射率光学材料的折射率是光学材料的另一个重要的指标参数，它是波长的函数，如图4－1所示。

球差：轴上点发出的同心光束经光学系统各个球面折射以后，不再是同心光束，其中与光轴成不同角度（或离光轴不同高度）的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点有不同的偏离，这种偏离称之为球差。

彗差：由于不对称性像差的存在，使得进轴点的成像光束与高斯面相截而成一彗星状的弥散斑（对称于子午平面）。

因此称这种不对称性像差为彗差。

象散：由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束的会聚点与弧矢细光束的会聚点各处于不同的位置，与这种现象相应的像差，称为象散。

位置色差：描述轴上点用两种色光成像时成像位置差异的色差成为位置色差，也成为轴向色差。

波像差：实际波面和理想波面之间的光程差。

近视眼：眼睛在不调节时，平行光线通过屈光系统屈折后，焦点落在视网膜之前的一种屈光状态。

远视眼：处在休息状态的眼使平行光的视网膜的后面形成焦点，称为远视眼。

光学筒长：物镜和目镜的焦点间隔，在显微镜中称它为光学筒长。

物方远心光路：孔径光阑位于物镜像方焦面，入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行于光轴，这样的光路被称作物方远心光路。

光程差：定义为两束光到达某点的光程之差值。

表明干涉条纹性质的量。

指由不同点发出的相干光在到达叠合点(承光板)时,两光线行程距离的差数(同一种介质中，对不同的介质还要考虑折射率的影响）。

渐晕：由轴外发出的充满入瞳的光被部分遮拦的现象叫渐晕。

孔径光阑：诸挡光孔中,最有效的控制成像光束光能量者,称为孔径光阑。

视场光阑：所谓视场就是能成像的物面范围，对光具组成像的视场限制最多的光阑称为视场光阑。

牛顿、高斯公式：由公式导出的垂直放大率：光学设计的具体过程：1.选择系统的类型；2. 分配元件的光焦度和间隔；3.矫正初级像差；4.减小残余像差（高级像差）。

望远镜的一般特性：望远系统一般是由物镜和目镜组成的，有时为了获得正像，需要在物镜和目镜之间加一棱镜式或透镜式转像系统。

其特点是物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隔=0，因此平行光入射望远镜系统后，仍以平行光出射。