光学设计基本理论

光学经典理论激光光学的几个重要原理激光是光学研究十分重要的一个方向，今天为大家整理了一些关于激光光学的几个重要原理，相信很多的朋友们应该会喜欢，可以收藏一下。

激光的产生说到激光的产生就要先从原子结构说起。

卢瑟福通过α粒子散射实验得出了原子的行星模型，依照公认的电动力学法则，绕核运动的电子将连续发光，并因能量损耗终将崩溃落人核内，这与观察到的分立光谱线并不一致。

女人上了年纪，改如何保养？广告为了解决这一矛盾，1913年，玻尔提出了两点假没：第一点假设认为，电子只能在某些确定的轨道上运动，这就是所谓的“定态”，电子只要停留在这些态中的任何一个，它就不会发光；第二点假设认为只有当电子从一个较高能量的定态跃迁到一较低能量的定态时，辐射才从原子中放出，放出的辐射能量等于两定态能量的差值，通过一个类似的逆过程，原子能够吸收一个辐射量子，使得一个电子跃迁到较高能量的定态。

玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题，以及光谱规律与原子结构的本质联系问题展开剩余97%原子发光的机理原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级，称之为原子跃迁。

爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。

自发辐射与受激辐射当外来光子的频率满足hv=E2-E1时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。

受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（或光波模式），具有相同的频率、相位、波矢、偏振。

——自发辐射系数——受激辐射系数受激吸收——受激吸收系数受激辐射与受激吸收的矛盾受激辐射使光子数增多，受激吸收使光子数减少。

受激辐射与自发辐射的矛盾要克服上述矛盾就需要粒子数反转。

受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。

激光的产生条件：1、增益介质：激光的产生必须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体。

在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。

几何光学像差光学设计第三版课程设计一、前言几何光学像差光学设计是光学工程领域的一门重要课程，它是研究如何通过设计光学元件来达到良好的成像效果的学科。

本次课程设计主要探究几何光学像差理论的应用，以及如何进行基于几何光学像差理论的光学设计。

二、课程设计目标本次课程设计的主要目标是学生能够掌握几何光学像差理论的关键概念和计算方法，能够使用光学设计软件进行基于几何光学像差理论的光学元件设计，并且能够进行仿真分析和实验验证。

三、课程设计内容1. 几何光学像差理论本部分主要介绍几何光学像差理论的基本概念和计算方法，包括球差、色差、畸变以及场曲等内容。

2. 光学设计软件的使用本部分主要介绍Zemax、Code V等光学设计软件的基本使用方法，包括建模、优化和分析等方面的知识。

3. 光学元件的仿真分析本部分主要介绍如何使用光学仿真软件进行光学元件的模拟分析，包括成像质量、波前畸变等指标的计算及其评价。

4. 实验验证本部分主要介绍如何使用实验验证手段进行光学元件设计方案的验证，包括实验室操作技巧和实验数据分析等方面的内容。

四、课程设计流程课程设计流程如下所示：1.学习几何光学像差理论及其计算方法；2.使用光学设计软件进行基于几何光学像差理论的光学元件设计；3.对光学元件进行仿真分析，并进行成像质量和波前畸变等方面的评价；4.制作实验样机，并进行实验验证；5.对实验结果进行数据分析和讨论，并完善光学元件设计方案。

五、评分方式本次课程设计评分方式如下所示：1.光学元件设计的创新性及实用性（30%）；2.光学元件仿真模拟分析结果（30%）；3.实验验证结果及数据分析（30%）；4.实验报告撰写质量（10%）。

六、参考书目•刘瑜，金志海，邢安义. 光学设计基础[M]. 北京：电子工业出版社，2015.•黄维. 光学设计与计算[M]. 北京：科学出版社，2018.•刘耿辉. 光学设计基础及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2019.结语通过本次课程设计，相信学生能够对几何光学像差理论及其应用有更深刻的理解和掌握，为今后的光学工程研究和实践打下坚实的基础。

第二章微纳光电子理论基础参考：微光学与系统，杨国光编著，浙大出版社2.1 微纳结构光学理论概述理论涉及领域-微纳光学主要设计尺寸在微米或纳米量级的器件以及尺寸在亚微米量级或纳米量级的表面微纳结构。

-当器件或微结构的尺寸接近入射波长或小于入射波长时，光进入共振区（衍射区）。

常规光学的标量理论已无法设计这类微光学器件，必须采用光共振区的矢量理论进行设计。

-涉及三个理论领域：►标量理论领域——适用于设计结构周期尺寸d>=10λ的微光学器件；►矢量理论领域——适用于设计结构周期尺寸d～λ的微光学器件；►等效折射领域——适用于计算结构周期尺寸d<=λ/10的微光学器件；三个理论领域的光物性变化设计模型●标量模型：二维模型，是复振幅的强度模型。

当微结构尺寸d>>λ时有效，当d～λ时计算精度不够，且不能计算偏振状态。

●矢量模型：三维模型，是严格模型。

计算光栅微结构已较成熟，但计算任意曲面算法上还有困难。

●光线追踪模型：从光的偏折来描述微光学，且只做±1级计算，是实用模型。

●等效折射模型：适用于d<=λ/10，作微结构计算。

微光学分类●从原理上分： 衍射型和折射型●从功能上分：- 非成像微光学阵列——以聚能为主要目的，起提高光能利用率的作用。

- 成像微光学——以多重成像为目的，实现光学系统微型化。

- 光束变换器——利用衍射原理实现传统光学取法实现的功能如光束整形、光束变换、光互连等。

●从设计与加工原理上分：- 折射型微透镜： 可获得大的数值孔径和短焦距 - 二元型微透镜： 平面型- 混合型微透镜 ： 具有消色差高像质功能 2.2 标量衍射理论基础●标量衍射模型)()()(0P A P U P U i ∙=问题： 已知使用要求U0(P),如何确定微结构的P点的复振幅A(P)? 设微结构的轮廓高度为h(P), 基底S 的折射率为n(λ),则此微结构引入的光程差OPD 为：[])(1)()(P h n P OPD -=λλ故有： )(2)()(P O PD j P j e e P A λλπϕλ==光程差或相位分布一般可用多项式来拟合： ∑∑==-=n i ij jji j i n y x A y x 10,),(ϕ标量衍射系统空间模型●典型衍射系统：- I 为光波入射空间：平面或球面简谐波均匀波；- 衍射光学元件II 为光透射空间:入射光波振幅或相位受到微结构调制，波前改变；- III 为衍射空间： 透射光波传播形成光强起伏的衍射图样，非均匀波。

光学工程师手把手教你入门：从理论到实践2023年，随着科技的不断发展，光学工程师成为了一个备受关注的职业，越来越多的人开始向着这个领域进发。

但是，要成为一名优秀的光学工程师，需要一定的理论基础和实践经验。

本文将带你走进光学工程师的世界，手把手地教你入门，从理论到实践，让你更好地了解这个领域。

一、光学基础知识在了解光学工程师的工作内容之前，我们需要先了解光学基础知识。

光学是关于光和它们在空间中的传播、相互作用和变换的学科，涵盖了光的产生、传播、检测和应用的所有领域。

光学是一门复杂而又有趣的学科，从物理学、化学、电学等领域吸取了很多知识，有机会自然科学的知识结构和方法论，是现代工程技术的基础。

光学基础知识中包括了光的基本性质、光线的传播和折射、反射、衍射和干涉等等，另外还包括了光源、光器件、光电子学、激光技术等等。

这些知识是光学工程师日常工作的基础，因此，对于入门者来说，需要深入学习和研究这些知识。

二、光学工程师的工作内容了解光学基础知识之后，我们来看看光学工程师的工作内容。

光学工程师是一名研发工程师，主要从事光学仪器的开发和研制，包括研发光学镜头、激光器、光电器件等。

其主要的工作内容包括：1. 光学元器件的设计和制造光学工程师需要进行光学元器件的设计和制造。

光学元器件是光学系统中的基础单位，包括透镜、棱镜、反射镜、滤波器等等，这些器件需要根据具体的需求进行设计和制造。

在这个过程中，需要对光学原理进行深入了解，对光学系统的组成进行分析和研究。

2. 光学系统的建模和分析光学工程师需要进行光学系统的建模和分析。

光学系统是由多个光学元器件组成的，需要进行系统建模，进行光路分析、波前传播分析、偏振分析等等。

这些分析可以帮助工程师确定系统的光学性能和参数，设计满足用户需求的光学系统。

3. 光学系统的调试和测试光学工程师需要进行光学系统的调试和测试。

调试是指对已经制造好的光学器件和光学系统进行进一步的调整和优化，以达到设计要求。

第1篇一、实验背景光学设计是光学工程领域中一个非常重要的分支，其目的是通过对光学元件和光学系统的设计，实现对光信息的有效控制和利用。

随着科技的发展，光学设计在各个领域都得到了广泛的应用，如航空航天、光学仪器、光纤通信等。

为了更好地掌握光学设计的基本原理和方法，我们进行了光学设计实验。

二、实验目的1. 理解光学设计的基本原理和方法；2. 掌握光学设计软件的使用；3. 提高实验操作能力和创新意识；4. 培养团队协作精神。

三、实验内容及方法1. 光学元件设计：通过实验，了解光学元件的基本参数，如焦距、折射率等，并运用光学设计软件进行光学元件的设计。

2. 光学系统设计：运用光学设计软件，根据实验要求设计光学系统，如透镜组、反射镜等，并优化系统性能。

3. 光学系统测试：对设计的光学系统进行测试，验证其性能是否符合预期。

4. 实验报告撰写：对实验过程、实验结果进行分析，总结实验收获。

四、实验收获1. 理论知识收获通过本次实验，我们对光学设计的基本原理有了更深入的了解。

我们学习了光学元件的参数计算、光学系统的设计方法以及光学系统的性能评价。

这些知识为我们今后从事光学设计工作奠定了坚实的基础。

2. 实践能力收获在实验过程中，我们学会了如何使用光学设计软件，如Zemax、TracePro等。

通过实际操作，我们掌握了光学设计的基本步骤，提高了自己的实践能力。

3. 团队协作收获本次实验分为小组合作进行，每个小组成员负责不同的实验环节。

在实验过程中，我们学会了如何与团队成员沟通、协作，共同完成实验任务。

这有助于提高我们的团队协作能力和沟通能力。

4. 创新意识收获在实验过程中，我们不断尝试不同的设计方法，寻求最优方案。

这使我们培养了创新意识，学会了在遇到问题时，从多角度思考，寻求解决方案。

5. 实验报告撰写收获在撰写实验报告的过程中，我们学会了如何整理实验数据、分析实验结果，并用文字表达自己的观点。

这有助于提高我们的写作能力和逻辑思维能力。

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。

光的费马原理-回复光的费马原理是描述光线传播的一种基本原理，其本质是一种极小时间取值原理。

它由法国科学家皮埃尔·达·费尔马于17世纪提出，并成为几何光学的重要定律之一。

费马原理被广泛运用于光学设计、光的路径计算和物体成像等领域。

本文将逐步回答关于光的费马原理的相关问题，让我们一起来深入了解它的原理和应用。

一、光的费马原理是什么？光的费马原理是指光在传播过程中，遵循的是光的传播路径使得传播时间达到极小值的原理。

也就是说，光线在传播过程中，会选择一条路径，使得从光源到达观察者的时间最短。

二、费马原理的基本假设是什么？费马原理的基本假设是光线传播的路径是在光速不变的介质中实现的。

这个假设是基于光的传播速度在同种材料中是恒定的，因此光线会选择一个路径，使得传播时间最短。

三、费马原理如何应用于光学设计？在光学设计中，费马原理被广泛应用于光线的路径计算和光学系统的优化。

通过费马原理，可以确定光线在光学系统中的传播路径，从而设计出满足特定要求的光学元件。

具体应用步骤如下：1. 确定系统中的光源和观察者的位置，以及光学系统中的各个光学元件的属性。

2. 将光源发出的光线从光源出发，根据光路的物理初始条件，计算出各个光线在各个光学元件上的传播路径。

3. 对每条光线，根据费马原理，在每个光学元件的表面上构造出传播时间最短的路径。

这个路径主要是通过计算光线传播的路径，使得传播时间达到极小值。

4. 在整个光学系统中，通过对所有光线进行路径计算，可以得到光线从光源到观察者的传播路径。

5. 根据光线的传播路径，可以进一步进行光学系统的优化设计，以满足特定的要求，如成像质量、光能损失等。

四、费马原理在物体成像中的应用费马原理在物体成像中的应用是其中的重要部分。

在成像中，人们常常希望光学系统能够将物体的信息准确地投射到成像平面上，从而形成清晰的图像。

费马原理在物体成像中的应用步骤如下：1. 确定物体和成像平面的位置，以及光学系统中的光学元件属性。

[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。

高斯对光学的贡献引言高斯（Carl Friedrich Gauss）是18世纪末和19世纪初最杰出的数学家之一，也是自然科学领域的伟大贡献者。

他在数学、物理学和天文学等领域取得了许多重要成就。

在光学方面，高斯的研究对于理解光的性质和光学仪器的设计有着深远的影响。

本文将全面详细地介绍高斯在光学领域的贡献。

光的传播和折射高斯对光的传播和折射现象进行了深入研究，并提出了一些重要的理论。

他首先建立了光的波动理论，并利用波动理论解释了光的传播。

他认为光是由许多波动的粒子构成的，这些波动的粒子沿着直线传播。

这个理论为后来的光学研究奠定了基础。

在研究光的折射时，高斯提出了著名的高斯折射定律。

他的定律描述了光线在两种介质之间传播时的折射现象。

根据高斯折射定律，光线在两种介质之间传播时，入射角和折射角之间的正弦比等于两种介质的折射率之比。

这个定律在光学仪器的设计和光学成像的研究中有着广泛的应用。

光学仪器的设计高斯对光学仪器的设计做出了重要贡献。

他提出了一个称为“高斯光学”的理论体系，用于描述光学仪器的成像原理和光线传播的规律。

高斯光学理论是现代光学设计的基石，被广泛应用于望远镜、显微镜、摄影镜头等光学仪器的设计中。

在高斯光学理论中，高斯引入了一个重要的概念，即高斯光束。

高斯光束是一种特殊的光束，其光强分布呈高斯分布。

高斯光束在光学仪器的焦距、光斑大小等方面有着重要的应用。

通过对高斯光束的研究，高斯提出了许多有关光学仪器设计的原则，例如最小二乘法、最小像散原理等，这些原则在光学仪器的设计中被广泛应用。

光学成像高斯对光学成像问题进行了深入研究，并提出了一些重要的理论和方法。

他研究了透镜成像的问题，并提出了著名的高斯成像公式。

根据高斯成像公式，物体在透镜前的位置、透镜的焦距和成像距离之间存在一定的关系。

这个公式在光学成像的分析和计算中有着重要的应用。

高斯还提出了一个重要的概念，即高斯像差。

高斯像差是指由于透镜的形状和光线的折射等原因引起的成像误差。

光学系统设计与工艺班级学号目录1、像质评价的基本方法 (02)1-1、基本像差 (02)1-2、zemax像差评估 (06)2、zemax的优化原理 (11)3、显微物镜的设计 (16)3-1、光学计算部分 (16)3-2、zemax优化方式 (17)4、望远物镜的设计 (23)4-1、光学计算部分 (23)4-2、zemax优化方式 (27)5、照相物镜的设计 (33)5-1、系统初始结构评价 (33)5-2、zemax优化方式 (35)6、双高斯目镜的设计 (42)6-1、光学计算部分和初始状态 (42)6-2、zemax优化方式 (43)7、望远镜组合设计 (44)7-1镜头组合后的整体系统要求 (44)7-2、系统的优化方式与优化的结果评估 (46)8、防电磁泄露的优化 (53)1、像质评价的基本方法1-1基本像差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。