光学设计资料
光学设计课件
｛
横向及纵向尺寸
各组光瞳之间的衔接
三 成象质量
光学系统的外形尺寸计算
由物镜和目镜组成的望远系统
结构和光束限制
望远镜光路图：
反射棱镜成像特性:在光路中相当于平行平板 轴向位移 △L’= d ( 1 - 1/n)
｛
棱镜
简单棱镜 复合棱镜
屋脊棱镜
棱镜展开：沿反射面的次序依次展开
等效空气层的厚度
4D / n
h1 = ?棱镜 厚4h,半口 径8.5，假 设高8.5， 厚度d= 8.5х4=34 等效空气 平板厚d = d/n
系统等效光路图
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
系统结构图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
有两个渐晕
｛
棱镜最后一面:挡上边25% 光束
目镜 ：挡下边25%的光束
望远物镜选型：P410课本
物镜D/f1’=1/4， D=30 , f1’=120
双胶合物镜
双分离物镜
三片型物镜
摄远物镜
｛
物镜可选双胶合 f’ = 120
D/f’ = 1/4 目镜型式 г = -tgω’ / tgω= -f1 ’ /f2 ’ 2ω’ Lz’ f2 ’
冉斯登目镜 2ω：30˚-40 ˚相对镜目距 Lz’ =1/4 凯涅尔目镜 2ω：40˚-50 ˚相对镜目距 Lz’
象差的现象、产生原因、如何消除各种象差
1. 明确象差概念
2. 掌握初级象差理论
象差分类
球差δL’ 彗差KT，KS 象散x’ts 场曲x’t x’s 畸变δyz’ 位置色差△lFC’ 倍率色差δyFC’
典型光学系统 1 显微镜，望远镜， 照相机，投影仪 成像原理 2 外形尺寸计算：轴向尺寸、垂轴 尺寸、通光口径、物高象高、光阑
光学设计基本理论
几何光学基本定理
光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次 折射或反射，其光程为极值。 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终 保持着与播面的正交性，且入射波面与出射波 面对应点之间均为定值。 折、反射定律、费马原理和马吕斯定律，三者 中任意一个可视为几何光学三个基本定律之一， 而另两个则为其推论。
球差（Spherical aberration） 彗差（Coma） 像散（Astigmatism） 场曲（Field Curvature） 畸变（Distortion） 色差（Chromatic aberration） ◦ 轴向色差（Axial） ◦ 垂轴色差（Lateral）
像差多项式
用波像差的幂级数展开式表示的像差：
初级（赛德尔）像差
球差
球差的校正
•
球差是轴上像差 • 一般情况与孔径成立放关 系（例如：一个特定的透 镜其像斑大小为0.01英寸， 如果口径缩小到1/2，像 斑大小为0.00123英寸。 通过改变透镜的弯曲度校正
•
•
通过增加透镜或正佳光角度 得到矫正
球差形成的像差曲线
F/2透镜的球差 F/2透镜的球差
推荐参考图书：
1.
M. Laikin, Lens Design, 2006, CRC Press, Fourth Edition
光学设计步骤
基点基面
基点基面
近轴光线追迹
近轴光线追迹
基本公式
基本公式
基本公式
拉氏不变量
拉氏不变量
拉氏不变量的应用
拉氏不变量的应用
从费马原理得出拉氏不变量
从费马原理得出拉氏不变量
正弦条件和赫歇尔条件
正弦条件和赫歇尔条件
正弦条件和赫歇尔条件
光学设计第14章光学制图
也可参考表14-20给出的偏心差c允许值，然后根据上述c和χ
关系式来确定χ的允许值。
第14章 光学制图
表14-20 偏心差允许值
第14章 光学制图
7.
1)
任何一块玻璃平板(如分划板、滤光镜、保护玻璃等)的
两个表面不会绝对平行，不同用途的玻璃平板不平行度允差
数值见表14-21。
第14章 光学制图
的要求来确定。但不同用途的光学零件对光学玻璃材料的要
求，可参考表14-6给出的经验数据。
第14章 光学制图
表 14-6 对光学玻璃要求的经验数据
第14章 光学制图
14.4.2 对光学零件的加工要求
1. 光学零件的表面误差
1) 光学样板(执行国标GB1240-76) (1) 光学样板—— 工作样板——
(2) 标准样板的精度(即“零件的要求”中的ΔR)分为A、
B两级，其允差应符合表14-7 及表14-8的规定。
第14章 光学制图
表14-7 标准样板半径允差
第14章 光学制图
表14-8 标准样板光圈
第14章 光学制图
(3) 球面工作样板的光圈可根据被检光学零件的要求按
表14-9 表 14-9 球面工作样板光圈
D2 N ΔC 4
第14章 光学制图
2. 光学零件外径及配合公差的给定
1) 光学零件与镜框固定，在不同固定方式下，光学零件外
径所需的余量见表14-12。
表14-12 光学零件外径余
第14章 光学制图
2)
圆形光学零件与镜框的配合公差见表14-13。 表14-13 圆形光学零件与镜框的配合公差
第14章 光学制图
浪线。
第14章 光学制图
(3) 在光学图样上，零件的有效孔径应在所列表格的
光学设计基础（一）
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。
光学设计 ppt课件
在英语中，透镜、透镜组、镜头等用同一个词（Lens）表示，它可以指单
个镜片，也可以指相装在照相机中那样的整个物镜，有时还泛指包括折射、
反射和折反射系统在p内pt课的件各种光学构件。
8
1.1 名词与概念
光学系统：光学系统经常用来表示由镜 头、反射镜、棱镜、起偏器和检偏器等 诸如此类的元件构成的组合体。单个镜 头也可以看成一个光学系统。
第一章 预备知识
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1
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2
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
注意的是在改动这些参数时，镜 头焦距要保持一个恒定值，否则相对 孔径和像高会改变，以至于设计师最 后得到的镜头虽然像质良好，但却已 经不是原设计要求的了。
求取镜头参数的严密数学解非常复杂，几乎不可能完成。设计师所能采
取的最好办法，是利用已有的光学知识，先设定一个初始近似方案，评价其
性能，然后做适当的修ppt课改件，再评价性能。
共轴光学系统：如果系统中各元件表面 （通常为球面或平面）曲率中心都在同 一直线上，则称该光学系统为共轴光学 系统，将曲率中心所在的直线称为光轴。 大部分光学系统都是共轴光学系统，非 共轴系统较少使用。
光线追迹：又称光线的光路计算，就是在已知系统参数和入射光线坐标的 前提下，逐面计算出射光线坐标。光学追迹的目的是为了计算光学系统的 像差值，它是逐面按计算公式精确计算的，这样求得的像差值成为实际像 差值（或像差的精确值）。
(完整版)光学设计zemax
2014.9
光学系统设计
➢再点Opt，优化结果如下
2014.9
光学系统设计
样板比对
➢为了降低加工成本，需与镜片加工厂家的 样板进行比对
➢样板比对：将设计中各面的曲率半径与厂 家的样板库进行比对，尽量选择样板库中 已有的尺寸
2014.9
光学系统设计
2014.9
光学系统设计
➢以applied样板库为例，比对样板后获得如下 结果
2014.9
光学系统设计
➢压圈法
球面或曲面
2014.9
光学系统设计
➢补充：压圈与径向的几种接触方式 相切法：
2014.9
光学系统设计
相切法：
2014.9
光学系统设计
球面包络法：
2014.9
光学系统设计
➢弹性元件法：弹性元件固定法是利用琴钢 丝制成的弹性卡圈将透镜或其他光学元件 固定在镜框内的一种方法。一般只用于同 轴度及牢固性要求低的透镜。通常用来固 定保护玻璃、滤光镜等不重要的光学零件。
2014.9
光学系统设计
➢Merit项：
2014.9
前12 项为具体的像质评 质函数,包括点大小、 Merit Function 值、几何 MTF、Diffraction MTF值。 其中对于没有趋近衍射极 限的系统应首选前三项， 即RMS Spot Size。而对 于趋近于衍射极限的系统 则最好选择MTF。
2014.9
光学系统设计
➢Default merit function作如下修改 ➢添加EFFL操作数，target 21.46，weight 1
Why?
2014.9
光学系统设计
Why 尺寸考虑
2014.9
光学设计资料（ＰＤＦ）
[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。
光学设计考试提纲部分内容
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。
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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'。