下载文档原格式
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⎡⎤=-⎣⎦
子午场曲：子午光束的交点与高斯像面在沿着光轴方向上的距离。
弧矢场曲：弧矢光束的交点与高斯像面在沿着光轴方向上的距离。
12.像差容限
13.论述像质评价的几种方法
评价像质的方法主要有瑞利(Reyleigh)判断法、中心点亮度法、分辨率法、点列图法和光学传递函数(OTF)法5种。
瑞利判断便于实际应用，但它有不够严密之处，只适用于小像差光学系统；
中心点亮度法概念明确，但计算复杂，它也只适用于小像差光学系统；
分辨率法十分便于使用，但由于受到照明条件、观察者等各种因素的影响，结果不够客观，而且它只适用于大像差系统；
点列图法需要进行大量的光线光路计算；光学传递函数法是最客观、最全面的像质评价方法，既反映了衍射对系统的影响也反映了像差对系统的影响，既适用于大像差光学系统的评价也适用于小像差光学系统的评价。
14.简述光学系统设计的基本过程
（1）建立光学系统模型：
系统特性参输入：孔径、视场的设定、波长的设定。
初始结构输入：表面数量及序号、面行、表面结构参数输入。
（2）像质评价
（3）优化：设置评价函数和优化操作数、设置优化变量、进行优化。
（4）公差分析：公差数据设置、执行公差分析。
15.论述利用PW法求解双胶合薄透镜初始结构的基本过程
16.论述相对孔径、入瞳直径与焦距三者之间的关系
相对孔径=D
f
17.一双胶合薄透镜组，若CⅠ=0，则CⅡ=？
C
=0
Ⅱ
18.ZEMAX操作数EFFL代表什么？
EFFL: 透镜单元的有效焦距
19.若光阑与相接薄透镜系统重合时，可消除的单色像差为？
畸变
20.出瞳距概念
自光学系统最后一面顶点到出瞳平面与光轴交点的距离。
21.比较冕牌玻璃与火石玻璃的阿贝数大小
冕牌玻璃折射率通常小于1.6，色散系数（也称阿贝数，数值越大，色散越小）大于50，火石玻璃则相反。
（冕牌玻璃阿贝数大于火石玻璃）
22.像差概念
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。
23.光焦度的概念
光焦度等于像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。
24.主光线概念
轴外某视场点发出的通过入瞳中心的实际光线称为该视场点发出的主光线。
25.阿贝数与色散的关系
阿贝数数值越大，色散越小。
26.单色像差中哪一种是主光线像差？
畸变
27.球差的校正若只考虑初级球差与二级球差，对边光校
球差，则最大球差出现在哪一孔径带？
28.已知一焦距为1000mm ，求其光焦度
11000
29.七种几何像差中，轴上产生圆形弥散斑的像差为？
位置色差、球差
30.七种几何像差中，产生彩色弥散斑像差有？
位置色差、倍率色差
31.不会影响清晰度的像差是？
畸变
32.不产生色差的元件
球面反射镜
33.一双分离薄透镜系统，其主光线与高斯面交点高度为20mm ，相对畸变为5%，求理想像高。
解： 已知： 34.一双胶合物镜，焦距为300mm ，第一块玻璃为K8玻璃（n d =1.516，v d =56.76），第二块玻璃为F2（n d =1.6129,v d =36.98），求两块透镜的光焦度。
解：由： 35.一光学系统，包含初级与二级球差，已知边光球差δL m =0，0.707带光球差为δL 0.707=-0.01，求：
①．球差表达式；
000
100%y y y y y δδ'''-=⨯''0
20,5%y y mm y δ''=='0
19.05y mm '⇒=12、ϕϕ1212121+=0，+=f
ϕϕϕϕνν11121==0.00957-f
νϕνν⇒⋅22121=-=-0.00623-f
νϕνν⋅
②．求δL 0.5′、δL 0.85′；
解：
，
③．边光的初级球差？边光的高级球差？
解：
④.校正后最大球差出现在哪一光带？最大球差是多少？ 答:=0.707时，具有最大剩余球差，即最大剩余球差在0.707带，数值为 24
1112h h L m m A A h h δ⎛⎫⎛⎫'=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
120A A +=24120.7070.7070.01A A ⨯+⨯=-10.04A ⇒=-20.04A =0.5
1-0.0075L A δ'∴==0.85
2-0.00802L A δ'==0高120.04,0.04m m L A L A δδ''==-==1h m h 0.707=-0.01L δ'。
