透镜测量与光学系统设计

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。

应用光学实验报告

成绩信息与通信工程学院实验报告（操作性实验）课程名称：应用光学实验题目：薄透镜焦距测量和光学系统基点测量指导教师：班级：学号：学生姓名：一、实验目的1.学会调节光学系统共轴。

2.掌握薄透镜焦距的常用测定方法。

3.研究透镜成像的规律。

4.学习测定光具组基点和焦距的方法二、仪器用具1、光源（包括LED，毛玻璃等）2、干板架3、目标板4、待测透镜（Φ50.0，f75.0mm）5、反射镜6、二维调节透镜/反射镜支架7、白屏8、节点器（含两Φ40透镜，f 200和f 350）三、基本原理1.自准直法测焦距如下图所示，若物体AB 正好处在透镜L 的前焦面处，那么物体上各点发出的光经过透镜后，变成不同方向的平行光，经透镜后方的反射镜M 把平行光反射回来，反射光经过透镜后，成一倒立的与原物大小相同的实象B A ''，像B A ''位于原物平面处。

即成像于该透镜的前焦面上。

此时物与透镜之间的距离就是透镜的焦距f ，它的大小可用刻度尺直接测量出来。

图1.2 自准直法测会聚透镜焦距原理图2. 二次成像法测焦距由透镜两次成像求焦距方法如下：图1.3 透镜两次成像原理图当物体与白屏的距离f l 4>时，保持其相对位置不变，则会聚透镜置于物体与白屏之间，可以找到两个位置，在白屏上都能看到清晰的像．如上图所示，透镜两位置之间的距离的绝对值为d ，运用物像的共扼对称性质，容易证明：ld l f 422-='上式表明：只要测出d 和l ，就可以算出f '．由于是通过透镜两次成像而求得的f '，这种方法称为二次成像法或贝塞尔法．这种方法中不须考虑透镜本身的厚度，因此用这种方法测出的焦距一般较为准确．3.主面和主点若将物体垂直于系统的光轴，放置在第一主点H 处，则必成一个与物体同样LM大小的正立的像于第二主点H ＇处，即主点是横向放大率β＝＋１的一对共轭点。

过主点垂直于光轴的平面，分别称为第一和第二主面，如图1中的MH 和M ＇H ＇。

复眼透镜光学设计

复眼透镜光学设计1. 引言复眼透镜光学设计是一项涉及设计复眼透镜的技术和方法的任务。

复眼是昆虫和某些甲壳动物的一种特殊的视觉器官，由许多个眼睛单元组成。

复眼透镜光学设计旨在模拟复眼的结构和功能，将其应用于人造视觉系统或显微镜等设备中。

2. 复眼透镜的结构和功能2.1 复眼的结构复眼由多个眼睛单元组成，每个眼睛单元都包含了一个光导管和一个感光元件，如视网膜或光敏细胞。

这些眼睛单元排列在眼睛表面形成一个规则的阵列。

2.2 复眼的功能复眼具有广泛的视野和快速的动态捕捉能力。

每个眼睛单元对应感知一个局部区域，通过所有眼睛单元的集合，复眼可以获取到整个视野的信息，提供更广阔的视野范围。

3. 复眼透镜的设计原则3.1 视野增强复眼透镜的首要目标是增强视野。

通过在透镜设计中考虑复眼结构的特征，可以使人造视觉系统拥有更大的视野范围。

3.2 光学畸变矫正由于复眼的结构和透镜在设计中的限制，可能会引入一些光学畸变。

这些畸变需要在设计中得到矫正，以确保人造视觉系统的成像质量。

3.3 透镜间的协调复眼透镜通常由多个小透镜组成，这些小透镜之间需要进行协调，以获得均匀的成像质量和光线传输。

4. 复眼透镜光学设计的方法与技术4.1 定义设计需求在进行复眼透镜的光学设计之前，首先需要明确设计的需求，包括期望的视野范围、成像质量和畸变要求等。

4.2 模拟复眼结构为了模拟复眼的结构，设计师可以使用计算机辅助设计工具，建立合适的模型来描述复眼透镜的结构和光学特性。

4.3 优化透镜参数通过改变透镜的形状、曲率和材料等参数，设计师可以使用光学设计软件来优化透镜的性能，并满足设计需求。

4.4 验证和优化设计结果设计完成后，需要对设计结果进行验证和优化。

通过实验或模拟，评估复眼透镜的性能和成像质量，并进行必要的调整和改进。

5. 复眼透镜的应用复眼透镜的设计可以应用于各种领域，包括人工视觉系统、显微镜、摄像机等。

在这些应用中，复眼透镜可以提供更广阔的视野和更快速的动态检测能力，增强系统的功能和性能。

台湾陈志隆教授光学系统设计实作篇(含程序实例)Chap5_透镜

y y'
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z' TLA
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y''' TLC
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TLB z'
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圖 5-4 尤拉角 (Euler angles)轉動角度之正負號使用慣例（圖中之轉動方向皆為正
5-3
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一個光學曲面定義作 z’=fபைடு நூலகம்x’,y’)。如圖 5-3 所示，就局部座標系統而言近原點的凹陷（ sag of the surface）約為（ x’2+y’2） /2R。曲率半徑 R 的正負號與曲面的凹陷（ sag of the surface）相同。換言之，曲率半徑與局部座標系統近中心的曲面凹陷同正負。這個規則不論是否歪斜均適用。
光學系統設計實作篇第五章透鏡
(2001 年第一版 ;僅供教學與研究參考，請勿作商業用途。 )
編者:許阿娟、何承舫、張國輝、陳志隆
第五章透鏡
在這一章裡我們介紹透鏡數據的格式及如何輸入，這是光學系統設計的第一步。透鏡數據界定清楚，軟體才能進行分析。輸入方式各家軟體大同小異。這裡有一些正負號的定義是使用者必須小心。換成不同公司出版的軟體，這些定義要先界定清楚。 5-1 透鏡數據用語（ lens data conventions） 5-1-1 面數定法（ Surface numbering）

光学课程设计望远镜系统结构设计

光学课程设计——望远镜系统结构设计姓名：学号：班级：指导老师：一、设计题目：光学课程设计二、设计目的：运用应用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。

了解光学设计中的PW法基本原理。

三、设计原理：光学望远镜是最常用的助视光学仪器，常被组合在其它光学仪器中。

为了观察远处的物体,所用的光学仪器就是望远镜,望远镜的光学系统简称望远系统. 望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。

所以，望远镜是天文和地面观测中不可缺少的工具。

它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统.其系统由物镜和目镜组成,当观察远处物体时,物镜的像方焦距和目镜的物方焦距重合,光学间距为零.在观察有限远的物体时,其光学间距是一个不为零的小数量,一般情况下,可以认为望远镜是由光学间距为零的物镜和目镜组成的无焦系统.常见望远镜按结构可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜，和牛顿式望远镜。

常见的望远镜大多是开普勒结构，既目镜和物镜都是凸透镜（组），这种望远镜结构导致成像是倒立的，所以在中间还有正像系统。

物镜组（入瞳）目镜组视场光阑出瞳1'1ω2'2'ω3 'f物—f目'l z'3上图为开普勒式望远镜，折射式望远镜的一种。

物镜组也为凸透镜形式，但目镜组是凸透镜形式。

为了成正立的像，采用这种设计的某些折射式望远镜，特别是多数双筒望远镜在光路中增加了转像稜镜系统。

此外，几乎所有的折射式天文望远镜的光学系统为开普勒式。

伽利略望远镜是以会聚透镜作为物镜、发散透镜作为目镜的望远镜（会聚透镜的焦距要大于发散透镜的焦距），当远处的物体通远物镜(u>2f ）在物镜后面成一个倒立缩小的实像，而这个象一个要让它成现在发散透镜（目镜）的后面即靠近眼睛这一边，当光线通过发散透镜时，人就能看到一个正立缩小的虚象。

什么是光的光学仪器和光学设计

光学仪器是用于检测、测量和操作光的设备和工具，它们基于光的传播、反射、折射、干涉和衍射等现象来实现特定的功能。

光学设计则是通过优化光学系统的构成和参数，以实现特定的光学性能和功能。

本文将详细介绍光学仪器和光学设计的原理、方法和应用。

一、光学仪器的原理和分类：光学仪器是利用光的传播和相互作用来检测、测量和操作光的设备和工具。

它们基于光的特性和光学元件，如透镜、反射镜、光栅等，实现特定的功能。

常见的光学仪器包括以下几种：1. 显微镜：利用透镜和光学系统来放大和观察微小物体的设备。

它可以通过调整放大倍数和对焦距离来获得高分辨率的图像。

2. 望远镜：利用反射镜或透镜等光学元件来放大远处物体的设备。

它可以通过调整焦距和放大倍数来观察远处天体或景物。

3. 光谱仪：用于测量和分析光的波长和强度分布的设备。

它可以通过光栅、棱镜或干涉仪等光学元件对光进行分散、分光和检测。

4. 干涉仪：利用光的干涉原理来测量物体的形状、厚度或折射率等参数的设备。

常见的干涉仪包括白光干涉仪、迈克尔逊干涉仪和弗罗格干涉仪等。

5. 激光器：产生激光光束的设备。

它利用光的受激辐射和放大过程来产生一束高强度、单色和相干性很好的光。

二、光学设计的原理和方法：光学设计是通过优化光学系统的构成和参数，以实现特定的光学性能和功能。

它基于光的传播和相互作用，利用光学元件和光学系统的特性和参数，以满足特定的设计要求。

常见的光学设计方法包括以下几种：1. 几何光学设计：基于几何光学原理，通过光的传播和物体的几何形状来设计光学系统。

例如，通过选择适当的光学元件和调整其参数，以实现特定的光学成像、放大或聚焦等功能。

2. 光线追迹法：通过追踪光线的传播路径和相互作用，以预测和优化光学系统的性能。

它可以用于设计光学系统的光路、像差校正和光源布局等。

3. 波前传播法：通过模拟光的波前传播和相位变化，以预测和优化光学系统的成像质量和像差。

它可以用于设计光学系统的透镜曲率、光阑尺寸和光学元件的位置等。

光学设计第14章光学系统初始结构设计方法概要

第三篇光学系统设计光学仪器的基本功能是借助于光学原理，通过光学系统来实现的。

光学系统的优劣直接影响仪器的性能和质量，因此，光学系统设计是光学仪器设计和制造过程中的重要一环。

本部分的目的是使读者获得光学设计所需要的基本理论和知识，并通过必要的设计实践以掌握光学设计的初步能力。

光学设计工作大体上可分四个阶段：一、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高斯光学参数；二、选择各组成部分的结构型式，并查取或计算其初始结构参数；三、逐次修改结构参数，使像差得到最佳的校正和平衡；四、对设计结果进行评价。

上述各个阶段性工作之间有着密切的联系，前期工作的合理与否会影响到后期工作能否顺利进行，甚至会决定设计工作能否成功。

光学系统的整体方案可以有很大的灵活性和多样性，应该力求在满足仪器的性能要求的前提下，寻求一个简单易行、便于装调和经济合理的最佳方案。

相应地，系统各组成部分的光学性能参数也应根据整体要求定得恰如其分。

选择结构型式是光学设计中的重要一步，可能导致设计的成败。

现在，各种用途的光学镜头已积累起种类甚多的结构型式，它们有各自的像差特征和在保证像质时可能达到的相对孔径和视场，有些型式还能在工作距离或镜筒长度等参数方面达到其特殊要求。

因此，基于对已有结构型式基本特征的全面了解，有可能挑选到符合要求的型式。

但应注意到，随着对镜头要求的不断提高，设计者还应不断探求和研究新的更佳结构。

镜头初始参数的获得一般采用二种方法，一是根据初级像差理论求解满足初级像差要求的解，另一种方法是在已有的设计成果中选取性能参数相当的结果作为初始参数。

像差的平衡是一项通过反复修改结构参数以逐步逼近最佳结果的工作，这在过去以人工计算光路时，工作量是很大的。

计算机应用于光学设计后，先是取代了繁重的光路计算，随后又用于像差自动平衡，才根本上改变了光学设计的面貌。

应用像差自动平衡方法，能充分挖掘出系统各个结构参数对像差校正的潜力，不仅极大地加快了设计进程，而且显著提高了设计质量。

望远镜系统课设

1.引言1.1 设计背景现代科学技术中，以典型精密透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部件的大口径光电系统的应用越来越广泛。

光学系统设计就是了解光学现象产生的条件，观察实验现象，将理论知识形象化、具体化，启迪思维，激发创造的过程。

在不考虑衍射效应的情况下，通过测量光学参数，掌握基本光学实验技术和技巧，根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构参数等。

即根据高斯公式、牛顿公式等对望远镜的外形尺寸等参数的基本计算、像差的设计以及转像系统的设计。

设计符合课程要求的开普勒式望远镜。

光学课程设计过程分为四个阶段：外形尺寸的计算、初始结构计算、像差的校正和平衡以及成像质量评价。

了解光学系统的光学特性、光学系统的设计过程。

初级像差理论与像差的校正和平衡方法，像质评价与像差公差，光学系统结构参数的求解方法。

望远镜物镜的设计特点、常常用目镜的形式和相差分析。

望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学器件，能把远处的物体很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变得清晰可辨。

所以，望远镜是天文和地面观测不可或缺的工具。

它是一种通过物镜和目镜使入射的平行光束仍保持平行出射的光学系统。

1.2 设计目的设计目的及意义：运用应用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转向系统的简易或设计原理。

了解光学设计中的PW法基本原理2.望远镜介绍2.1 望远镜种类广义上的望远镜不仅仅包括工作在可见光波段的光学望远镜，还包括射电，红外，紫外，X射线，甚至γ射线望远镜。

我们探讨的只限于光学望远镜。

根据物镜的种类可以分为三种：①折射望远镜折射望远镜的物镜由透镜或透镜组组成。

早期物镜为单片结构，色差和球差严重，使得观看到的天体带有彩色的光斑。

为了减少色差，人们拼命增大物镜的焦距。

直到19世纪末，人们发明了由两块折射率不同的玻璃分别制成凸透镜和凹透镜，再组合起来的复合消色差物镜，才使得这场长度竞赛得到终止。

透镜焦距测量与光学设计报告

《薄透镜焦距的测定》实验报告【实验目的】1、观察薄凸透镜、凹透镜的成像规律；2、学习光路的等高共轴和消视差等分析调节技术；3、学习几种测量焦距的方法：如成像法、自准法、共轭法测凸透镜焦距；成像法、自准法测凹透镜焦距。

4、观察透镜的像差。

【实验仪器】光具座，凸透镜，凹透镜，光源，物屏，平面反射镜，水平尺和滤光片等。

【实验原理】一、凸透镜焦距的测量1.自准法：2.成像法：在近轴光线的条件下，薄透镜成像的高斯公式为1 s′−1=1f′当将薄透镜置于空气中时，则焦距为：3.共轭法二、凹透镜焦距的测定【实验步骤】【实验数据】一、凸透镜焦距的测定1.自准法：1、厚凸透镜：根据公式f =s ,所以焦距即为物屏到透镜之间的距离。

所以焦距平均值为f =5.70+6.00+5.503=5.73cm 。

任意一次测量的标准差为 σ=f −f2312=0.00246，仪器的误差为0.01，所以焦距不确定度为A 类：∆A =σA =0.00246cm ,B 类：∆B =σB =0.01cm 于是焦距的合成不确定度为μf = ∆A 2+∆B 2 =0.0103cm 相对不确定度为μrf =μff ×100%=0.18%测量结果表达式为： f = 5.73±0.0103 cm μrf =0.18%2、薄凸透镜：根据公式f =s ,所以焦距即为物屏到透镜之间的距离。

所以焦距平均值为f =21.70+21.10+21.203=21.34cm 。

任意一次测量的标准差为 σ=f −f2312=0.00321cm ，仪器的误差为0.01，所以焦距不确定度为A 类：∆A =σA =0.00321cm ,B 类：∆B =σB =0.01cm于是焦距的合成不确定度为μf = ∆A 2+∆B 2 =0.0105cm相对不确定度为μrf =μff ×100%=0.049% 测量结果表达式为： f = 21.34±0.0105 cm μrf =0.049%2.成像法：计算过程： 1、厚凸透镜成像法公式为：f =−8.04−8.90−8.113=-8.35cm,f =ss ′s−s =-8.35cm 求偏导：ðlnf ðs=−s ′2s s−s=-0.2547.ðlnf ðs =−s 2s s−s =-0.00276S 的标准偏差为σ=f −f2312=0.0023不确定度u1= ∆A 2+∆B 2= 0.00232+ 0.01 2=0.0102S ’的标准偏差为σ=f −f2312=0.03不确定度u2= ∆A 2+∆B 2= 0.03 2+ 0.01 2=0.0316总不确定度u= u A 2+u B 2= 0.0102 2+ 0.0316 2=0.0332μrf =μff = −s ′2s s−s ∗u1 2+ −s 2s s−s ∗u2 2= −0.2547 2+ −0.00276 2=0.00258=0.258%所以焦距为 f = −8.35±0.0332 cm μrf =0.0258%2、薄凸透镜成像法公式为：f =−22.07−22.03−22.133=-22.07cm,f =ss ′s−s ′=-22.07cm求偏导：ðlnf ðs=−s ′2s s−s′ 2=-0.093.ðlnf ðs ′=−s 2s ′ s−s ′ 2=-0.0537S 的标准偏差为σ=f −f2312=0.0045不确定度u1= ∆A 2+∆B 2= 0.0045 2+ 0.01 2=0.0012S ’的标准偏差为σ=f −f2312=0.021不确定度u2= ∆A 2+∆B 2= 0.021 2+ 0.01 2=0.023总不确定度u= u A 2+u B 2= 0.0012 2+ 0.021 2=0.0542μrf =μff = −s ′2s s−s ′ 2∗u1 2+ −s2s ′ s−s ′ 2∗u2 2= −0.2547 2+ −0.00276 2=0.00113=0.113%所以焦距为 f = −22.07±0.0542 cm μrf =0.113%1、厚透镜因为根据公式f ′=D 2−d 24D=5.62cm求偏导：ðlnf ðD=（D 2−d 24D）*(1/4+d 24D2)=0.021,ðlnf ðd=（D 2−d 24D）*(8dDD 2−d 2 2)=0.065D 的标准偏差为σ=f −f2312=0.0039不确定度u1= ∆A 2+∆B 2= 0.0039 2+ 0.01 2=0.0107d 的标准偏差为σ=f −f2312=0.0403不确定度u2= ∆A 2+∆B 2= 0.04032+ 0.01 2=0.0172总不确定度u= u A 2B 2= 0.0107 2 2=0.0416μrf =μf f = （D 2−d 24D）∗(14+d 24D2)∗u1 2+ （D 2−d 24D）∗(8dDD 2−d2 2)∗u2 2=0.00224=0.224%所以焦距为 f = −5.62±0.0416 cm μrf =0.0224%2、薄透镜因为根据公式f ′=D 2−d 24D=21.22cm求偏导：ðlnfðD =（D 2−d 24D）*(1/4+d 24D 2)=0.036,ðlnf ðd=（D 2−d 24D）*(8dDD 2−d 2 2)=0.0621D 的标准偏差为σ=f −f2312=0.0011不确定度u1= ∆A 2+∆B 2= 0.0011 2+ 0.01 2=0.0101d 的标准偏差为σ=f −f2312=0.0794不确定度u2= ∆A 2B 2= 0.07942 2=0.0800总不确定度u= u A 2+u B 2= 0.0101 2+ 0.0800 2=0.0806μrf =μf f = （D 2−d 24D）∗(14+d 24D )∗u1 2+ （D 2−d 24D）∗(8dDD −d )∗u2 2=0.00224=0.224%所以焦距为 f = −21.22±0.0806 cm μrf =0.036%二、凹透镜焦距的测定 2.成像法：计算过程：凹透镜：成像法公式为：f =−15.68−14.80−14.583=-15.02cm,f =ss ′s−s ′=-15.02cm求偏导：ðlnf ðs=−s′2s s−s ′ 2=-0.775.ðlnfðs ′=−s 2s ′ s−s ′ 2=-0.0406S 的标准偏差为σ=f −f2312=0.0016不确定度u1= ∆A 2+∆B 2= 0.775 2+ 0.01 2=0.0776S ’的标准偏差为σ=f −f2312=0.016不确定度u2= ∆A 2B 2= 0.0162 2=0.0316总不确定度u= u A 2+u B 2= 0.0306 2+ 0.0776 2=0.0834μrf =μff = −s ′2s s−s ′ 2∗u1 2+ −s2s ′ s−s ′ 2∗u2 2=0.0128=1.28%所以焦距为 f = −8.35±0.0316 cm μrf =1.28%【注意事项】【思考题】1. 如会聚透镜的焦距大于光具座的长度，试设计一个实验，在光具座上能测定它的焦距。

光学课程设计望远镜系统结构设计.docx

光学课程设计望远镜系统结构设计姓名：学号：班级：指导老师:、设计题目：光学课程设计设计目的：运用应用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上, 完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。

了解光学设计中的PV法基本原理。

二、设计原理:光学望远镜是最常用的助视光学仪器，常被组合在其它光学仪器中。

为了观察远处的物体，所用的光学仪器就是望远镜,望远镜的光学系统简称望远系统•望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。