光学系统设计
光学系统设计七个例子
光学系统设计（Zemax初学手册）蔡长青ISUAL 计画团队国立成功大学物理系（第一版，1999年7月29日）前言整个中华卫星二号“红色精灵”科学酬载计画，其量测仪器基本上是个光学仪器。
所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。
这份初学手册提供初学者使用软体作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软体。
它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在Zemax E. E. 7.0上测试过。
由于蔡长青同学不在参与“红色精灵”计画，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，整个内容已在Zemax E. E. 8.0版上测试过。
我们希望藉此初学手册（共有七个习作）与后续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。
（陈志隆注）(回内容纲目)习作一：单镜片(Singlet)你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data，产生ray fan，OPD，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行简单光学设计最佳化。
设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。
首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。
然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。
现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line 光谱。
在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486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。
机械设计中的光学与光学系统设计
机械设计中的光学与光学系统设计光学在机械设计中扮演着至关重要的角色。
无论是在摄像机、显微镜、望远镜、激光器还是其他各种光学设备中，光学原理都被广泛地应用着。
光学系统设计是机械设计中需要特别关注和重视的一个方面，本文将对机械设计中的光学与光学系统设计进行探讨。
一、光学在机械设计中的应用光学在机械设计中有着广泛的应用，可以用于检测、传感、成像等多个方面。
例如，在相机中，光学系统负责将光线聚焦到图像传感器上，通过透镜对光线进行调节，以获得清晰的图像。
在显微镜中，光学系统能够将细微的物体放大，使其能够被肉眼观察到。
因此，光学系统的设计在机械设备的性能和功能方面起着至关重要的作用。
二、光学系统设计的要点在光学系统设计中，需考虑以下几个关键要点：1. 光路设计：光路设计是指确定光线从光源射到接收器的路径。
在确定光路时，需要考虑光线的入射、反射、折射等的过程，以及光线在传输过程中的损耗等因素。
根据具体的机械设计需求，选择合适的光路设计方法，能够确保光学系统能够正常工作。
2. 光学元件的选型与布局：在光学系统设计中，合理选择和布局光学元件是十分重要的。
光学元件包括透镜、棱镜、反射镜等，其种类和配置直接影响到光学系统的成像或传感效果。
因此，需要根据光学系统的具体要求，选择适合的光学元件，并合理安排其位置和数量。
3. 材料与涂层的选择：在光学元件的设计与制造中，要考虑材料的选择和涂层的覆盖。
透镜材料对于光学系统的透射、反射和散射等性能有着重要影响，因此，在选择材料时需要考虑光学透明度、折射率等因素。
此外，涂层的选择也是影响光学系统性能的重要因素，通过合适的涂层能够提高透光率和防反射效果。
4. 光学系统的校准与调试：在光学系统设计结束后，需要进行校准与调试。
校准与调试包括调整光路、调整光学元件的位置等过程，以确保光学系统能够达到设计要求。
校准与调试是一个耗时耗力的过程，需要有专业的技术人员进行操作。
三、光学与机械设计的结合光学与机械设计的结合是现代科学技术发展的必然趋势。
光学系统设计
光学系统设计光学系统设计是一项复杂而重要的任务，它涉及到光学元件的选择、布局和优化，以及系统参数的确定和调整。
在光学系统设计中，考虑到的因素有很多，包括光源的特性、光学元件的性能、系统的限制等等。
本文将探讨光学系统设计中的一些关键问题，并介绍一些常见的方法和技巧。
首先，光学系统设计的第一步是电磁波的传播。
光学系统中的光源发出一束光线，光线在经过各种光学元件（如透镜、棱镜、反射镜等）后，最终到达像平面上。
而光线的传播遵循光的物理定律，如折射、反射、散射等。
因此，在光学系统设计中，需要对光线的传播进行准确的建模和计算。
在光学系统设计中，光学元件的选择和布局是非常重要的。
不同的光学元件有不同的功能和特性，如透镜用于聚焦、反射镜用于反射等。
根据系统的需求，需要选择合适的光学元件，并合理地布局它们，以实现系统的设计目标。
例如，如果要实现高分辨率的成像，可以选择高质量的透镜，并将其放置在适当的位置。
除了光学元件的选择和布局，光学系统设计还需要考虑系统的性能和限制。
例如，光学系统的分辨率、灵敏度、动态范围等参数对系统的性能有很大的影响。
因此，在光学系统设计中，需要进行系统参数的确定和调整，以实现设计要求。
这可以通过优化方法，如遗传算法、粒子群算法等来实现。
在光学系统设计中，光源的选择也是非常重要的。
光源的特性直接影响了光线的传播和成像质量。
根据不同的应用需求，可以选择不同类型的光源，如激光器、LED等。
同时，还需要根据系统的设计要求，合理选择光源的参数，如波长、功率等。
最后，在光学系统设计中，需考虑到光学系统的误差和校准。
在实际应用中，光学系统存在一些误差，如光学元件的偏差、噪声、散射等。
这些误差会导致成像质量下降，因此，需要对光学系统进行校准。
校准可以通过相机标定、反射板法等方法来实现，以提高系统的精度和稳定性。
综上所述，光学系统设计是一项复杂而重要的任务。
在设计过程中，需要考虑到光线的传播、光学元件的选择和布局、系统的参数和限制、光源的选择、系统误差和校准等。
光学系统设计实验报告
光学系统设计实验报告光学系统设计实验报告摘要：本实验旨在通过设计和搭建一个光学系统，探究光的传播规律和光学元件的特性。
通过实验，我们成功设计了一个光学系统，并对其进行了测试和分析。
实验结果表明，光学系统的设计和调整对于光的传播和成像具有重要影响。
引言：光学系统是由光源、光学元件和光学器件组成的系统，用于控制光的传播和成像。
光学系统设计是光学学科的重要分支，广泛应用于光学仪器、通信技术、光学显微镜等领域。
本实验旨在通过设计和搭建一个光学系统，探究光的传播规律和光学元件的特性。
实验方法：1. 准备实验所需材料和仪器，包括光源、透镜、反射镜、光屏等。
2. 搭建光学系统，根据实验要求确定光源和光学元件的位置和方向。
3. 调整光学系统，使光线聚焦在光屏上，并记录调整过程中的观察结果。
4. 测量光学系统的参数，如焦距、放大倍数等，并进行数据分析。
实验结果：通过实验，我们成功设计了一个光学系统，并对其进行了测试和分析。
实验结果表明，光学系统的设计和调整对于光的传播和成像具有重要影响。
首先，我们调整了光源的位置和方向，使光线能够尽可能均匀地照射到光学元件上。
然后，我们调整了透镜的位置和方向，使光线能够聚焦在光屏上。
在调整的过程中，我们发现透镜的位置和方向对于光的聚焦效果有着显著影响。
当透镜与光源的距离增加时，光线的聚焦效果会变差；而当透镜与光源的距离减小时，光线的聚焦效果会变好。
其次，我们测量了光学系统的参数，如焦距和放大倍数。
通过测量，我们发现透镜的焦距与其形状和材料有关。
不同形状和材料的透镜具有不同的焦距，从而影响光的聚焦效果。
此外，我们还测量了光学系统的放大倍数，发现放大倍数与透镜的焦距和物距有关。
当透镜的焦距增大或物距减小时，放大倍数会增大。
讨论：通过本实验，我们深入了解了光学系统的设计和调整原理，以及光的传播规律和光学元件的特性。
光学系统的设计和调整对于光的传播和成像具有重要影响，合理的设计和调整可以提高光学系统的性能和效果。
第八章-光学系统的设计
2
§ 8－1常用光学设计软件
南开大学现代光学研究所
现代光学设计软件的特点
通用性强
共轴和非共轴系统；各类常规和复杂表面（球面、 平面、非球面、二元面等）；材料种类；孔径形 状等。
分析能力强
几何像差；波像差；点列图；传递函数；热分 析；公差分析等。
优化能力
像差自动平衡和优化；边界条件和评价函数灵活
图形界面
南开大学现代光学研究所研究生课程——光学仪器原理(X. Zhao)
8
LightTools
与CODE V同公司。 可操作性强，建模功能强大。具有优化功能。
两类软件的区别
前者针对成像系统和像差分析；后者针对非成 像系统和非序列光线追迹。 前者侧重优化；后者侧重仿真分析。
南开大学现代光学研究所研究生课程——光学仪器原理(X. Zhao)
42
§ 8－6 光学系统设计实例
南开大学现代光学研究所
投影物镜设计实例
指标要求
焦距 相对孔径
14 mm 1:2.4
视场角2ω 放大率
54度 27×
后工作距离
21 mm
畸变
<1%
MTF
> 60%@36 lp 照度均匀性
选择初始结构
>95%
双胶合前组＋双高斯后组
输入基本参数
系统参数；波长；视场；各面形参数
南开大学现代光学研究所研究生课程——光学仪器原理(X. Zhao)
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初步分析
自动优化
Solves Merit function Optimization
评价与分析
Ray fans Spot diagram OPD fans Aberrations
光学系统设计课程
光学系统设计课程
光学系统设计课程是对高等教育领域研究具有重要意义的一门课程。
它包括光
学原理与测量、光学声学、光学技术、光学材料和组件、光学设计、光学仿真、光电仪器、照明系统、军事光学等多个专业的相关技术，是一门非常重要的课程。
光学系统设计课程以理论和实践相结合的形式教授，课程介绍包括：基础光学
理论；光学测量的原理、方法、技术原理、设备和测量技术处理；光学成像、投射原理；光学材料性能和应用；光学元件制造方法和技术；光学光谱、声学和照明测量；微光学设计和仿真；光电测量和系统；光源设计；军事光学和夜视仪器；精密光学加工；以及一些先进的光学技术。
光学系统设计课程主要内容针对实际技术工作，以实际应用为基础，用仿真，
实验，实习的形式介绍各种技术，课后还有设计任务，能够提升学生的实践能力，为今后创新和技术开发提供基础。
而且，通过上述的学习，更能更好的了解这门学科，加深对光学世界的了解，对学生未来的发展更有裨益。
最后，光学系统设计是一个十分重要的学科，也是一门极具技术挑战性的学科，强大的实践能力，丰富的理论知识和应用技术能力，是掌握本学科的重心。
专业的课程设置可以帮助高校的学生更好的拥抱高科技的世界。
光学设计实验报告范文(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解光学系统设计的基本原理和方法。
2. 掌握光学设计软件的使用，如ZEMAX。
3. 学会光学系统参数的优化方法。
4. 通过实验，加深对光学系统设计理论和实践的理解。
二、实验器材1. ZEMAX软件2. 相关实验指导书3. 物镜镜头文件4. 目镜镜头文件5. 光学系统镜头文件三、实验原理光学系统设计是光学领域的一个重要分支，主要研究如何根据实际需求设计出满足特定要求的成像系统。
在实验中，我们将使用ZEMAX软件进行光学系统设计，包括物镜、目镜和光学系统的设计。
四、实验步骤1. 设计物镜（1）打开ZEMAX软件，创建一个新的光学设计项目。
（2）选择物镜类型，如球面镜、抛物面镜等。
（3）设置物镜的几何参数，如半径、厚度等。
（4）优化物镜参数，以满足成像要求。
2. 设计目镜（1）在ZEMAX软件中，创建一个新的光学设计项目。
（2）选择目镜类型，如球面镜、复合透镜等。
（3）设置目镜的几何参数，如半径、厚度等。
（4）优化目镜参数，以满足成像要求。
3. 设计光学系统（1）将物镜和目镜的镜头文件导入ZEMAX软件。
（2）设置光学系统的其他参数，如视场大小、放大率等。
（3）优化光学系统参数，以满足成像要求。
五、实验结果与分析1. 物镜设计结果通过优化，物镜的焦距为100mm，半视场角为10°，成像质量达到衍射极限。
2. 目镜设计结果通过优化，目镜的焦距为50mm，半视场角为10°，成像质量达到衍射极限。
3. 光学系统设计结果通过优化，光学系统的焦距为150mm，半视场角为20°，成像质量达到衍射极限。
六、实验总结1. 通过本次实验，我们掌握了光学系统设计的基本原理和方法。
2. 学会了使用ZEMAX软件进行光学系统设计。
3. 加深了对光学系统设计理论和实践的理解。
4. 提高了我们的动手能力和团队协作能力。
5. 为今后从事光学系统设计工作打下了基础。
注：本实验报告仅为示例，具体实验内容和结果可能因实际情况而有所不同。
近代光学系统设计概论
近代光学系统设计概论光学系统设计是光学工程中的重要领域，涵盖了光学元件的选择、光学系统的布局和参数优化等方面。
近代光学系统设计概论介绍了光学系统设计的基本原理和方法，旨在帮助读者了解光学系统设计的基本概念和技术，为实际应用提供指导。
一、光学系统设计的基本原理光学系统设计是利用光学原理和光学元件来实现特定功能的系统。
光学系统的设计过程包括确定系统的需求和约束条件、选择合适的光学元件、确定光学元件的参数以及优化整个系统的性能等步骤。
在设计过程中，需要考虑光学元件的色散、畸变、吸收、散射等因素，以及系统的像差、分辨率、透过率、干涉等性能指标。
二、光学系统设计的方法1. 光学系统布局设计：根据系统需求和约束条件，确定光学元件的相对位置和光路。
光学系统的布局设计需要考虑光学元件的尺寸、形状、材料等因素，以及系统的紧凑性、稳定性和可调性等要求。
2. 光学元件选择：根据系统的功能需求和性能指标，选择合适的光学元件。
常见的光学元件包括透镜、棱镜、光栅、滤波器等。
选择光学元件时需要考虑其色散特性、透过率、反射率、损耗等因素，以及成本和制造难度等因素。
3. 光学元件参数确定：确定光学元件的尺寸、曲率、折射率等参数。
光学元件的参数对系统的性能有重要影响，需要通过计算和模拟来确定最佳参数。
常用的方法包括光学设计软件、光学模拟软件等。
4. 系统性能优化：通过调整光学元件的参数和布局来优化系统的性能。
系统性能的优化可以通过改善像差、提高分辨率、增加透过率等方式来实现。
优化过程中需要考虑多个指标之间的权衡和平衡。
三、光学系统设计的应用领域光学系统设计广泛应用于各个领域，包括光学仪器、光通信、光储存、光刻、光学测量等。
例如，在光学仪器中，光学系统的设计是实现高清晰度、大视场、低畸变等性能的关键；在光通信中，光学系统的设计是实现高速传输、低衰减等要求的关键；在光刻中，光学系统的设计是实现高分辨率、高精度的关键。
四、光学系统设计的挑战和发展趋势随着科技的不断进步，光学系统设计也面临着新的挑战和机遇。
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光学系统设计(五)
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．对于密接双薄透镜系统，要消除二级光谱，两透镜介质应满足 ( )。
A.相对色散相同，阿贝常数相差较小
B.相对色散相同，阿贝常数相差较大
C.相对色散相差较大，阿贝常数相同
D.相对色散相差较小，阿贝常数相同
2．对于球面反射镜，其初级球差表达公式为 ( )。
A.ϕδ2h 81L ='
B. ϕδ2h 81L -='
C. ϕδ2h 41
L =' D. ϕδ2
h 41
L -='
3．下列光学系统中属于大视场大孔径的光学系统是 ( )。
A.显微物镜
B.望远物镜
C.目镜
D. 照相物镜
4．场曲之差称为 ( )。
A.球差
B. 彗差
C. 像散
D. 色差
5．初级球差与视场无关，与孔径的平方成 ( )。
A.正比关系
B.反比关系
C.倒数关系
D.相反数关系
6．下面各像差中能在像面上产生彩色弥散斑的像差有( )。
A.球差
B.场曲
C.畸变
D.倍率色差
7．不会影响成像清晰度的像差是 ( )。
A.二级光谱
B.彗差
C.畸变
D.像散
8．下列光学系统中属于大视场小孔径的光学系统是 ( )。
A.显微物镜
B.望远物镜
C.目镜
D. 照相物镜
9．正弦差属于小视场的 ( )。
A.球差
B. 彗差
C. 畸变
D. 色差
10．初级子午彗差和初级弧矢彗差之间的比值为 ( )。
：1 ：1 C.5：1 ：1
11．光阑与相接触的薄透镜重合时，能够自动校正 ( )。
A.畸变
B.场曲
C.球差
D.二级光谱
12．在子午像差特性曲线中，坐标中心为z B '，如0B '位于该点左侧，则畸变值为 (
)。
A.正值 B.负值 C.零 D.无法判断
13．厚透镜之所以在校正场曲方面有着较为重要的应用，是因为 ( )。
A.通过改变厚度保持场曲为零
B.通过两面曲率调节保持光焦度不变
C.通过改变厚度保持光焦度不变
D.通过两面曲率调节保持场曲为0
14．正畸变又称 ( )。
A.桶形畸变
B.锥形畸变
C.枕形畸变
D.梯形畸变
15．按照瑞利判断，显微镜的分辨率公式为 ( )。
A.NA 5.0λσ= B. NA 61
.0λ
σ= C.D 014'
'=ϕ D. D 012'
'=ϕ
16．与弧矢平面相互垂直的平面叫作 ( )。
A.子午平面
B.高斯像面
C.离焦平面
D.主平面
17．下列软件中，如今较为常用的光学设计软件是 ( )。
软件 软件 软件 软件
18．光学传递函数的横坐标是 ( )。
A.波长数
B.线对数/毫米
C.传递函数值
D.长度单位
19．星点法检验光学系统成像质量的缺陷是 ( )。
A.不方便进行，步骤复杂
B.属主观检验方法，不能量化
C.属客观检测方法，但精度低
D.计算复杂，应用不便
20．波像差就是实际波面与理想波面之间的 ( )。
A.光程差
B.几何像差
C.离焦量
D.距离差
二、填空题（本大题11小题。
每空1分，共20 分）
请在每小题的空格中填上正确答案。
错填、不填均无分。
21.物体位于无穷远，则对于同一光焦度薄透镜而言，阿贝常数值越大，色差越 。
22.对于激光光学系统，不需要校正的像差是 ；对于反射镜系统，不需要校正的像差是 ；对于平行平板，不需要校正的像差是 。
23.萤石在校正二级光谱方面有着非常重要的应用，其参数为43385.1n D =，00454.0n n C F =-，则其阿贝常数为 。
24.单个折射球面的三对无球差点位置是 、 、 。
25.在表示畸变时，通常采用相对畸变，其表达公式为 。
26.一双胶合薄透镜组，若0C I =，则=II C 。
27.在轴外像差U tg ''-∆y 特性曲线中，若一圆滑曲线关于'
y ∆轴完全对称，则系统的细光束子午场曲='t x 。
28.只含初级和二级球差的望远物镜，校正球差后，使边缘光球差0L m ='δ，其边缘带高级球差为0.5mm ，则='0.707L δ ，为使波像差最小，离焦后其最佳像面应位于理想像点 侧 毫米处。
29.反射棱镜处于会聚光路中，除 ，其它像差均存在。
30.通常情况下，应在光学系统的 带校正球差，在 带校正位置色差。
31.完全对称式光学系统，当1-=β时，可以消除的像差有 、 、 。
三、名词解释（本大题共5 小题。
每小题2 分，共 10 分）
32．像差：
33．二级光谱：
34．焦深：
35. 正弦差：
36．复消色物镜：
四、简答题（本大题共 6 小题。
每小题 5 分，共30 分）
37．简述瑞利判断和斯托列尔准则，二者有什么关系？
38．完全对称式系统，当⨯-=1β时，垂轴像差与沿轴像差有何特性？
39．消像差谱线的选择有何原则？
40. 一物体的峰-谷比（peak to valley ）是λ23.0，问是否满足Rayleigh 条件？
41. 近视眼应佩戴何种透镜加以矫正？为什么？
42. 密接双薄透镜系统，光焦度ϕ已知，若要消位置色差，试确定其光焦度分配？
五、综合应用题（本大题共 2 小题。
每小题10 分，共20分）
43. 一双分离薄透镜系统，其主光线与高斯像面交点的高度为9.82mm ，相对畸变值为3%，试求理想像高。
44. 设计一齐明透镜，第一面曲率半径95m m r 1-=，物点位于第一面曲率中心处，第二球面满足启明条件，若该透镜厚度5mm d =，折射率5.1n =，该透镜位于空气中，求
（1）该透镜第二面的曲率半径；
（2）该启明透镜的垂轴放大率。