工程光学—光学系统设计
工程光学理想光学系统
1.1 无限远轴上物点发出的光线
如图2-4所示，是有限远轴上物点发出的一条入射光线的投射
高度，由三角关系近似有tgU =
式中，
U是物方孔径角；L是物方截距。
当L→∞，物点A即趋近无限远处，
此时U→0，即无限远轴上物点发
出的光线与光轴平行。
图2-4 有限远轴上物点发出光线
1.2 像方焦点、焦平面；像方主点、主平面；像方焦距 如图2-5所示，AB是一条平行于光轴的入射光线，它通过理想光学
图2-9 理想光学系统
第三节 理想光学系统的物像关系
本节讨论的内容就是已知物体位置、大小、方向，求其 像的位置及分析像的大小、正倒、虚实等成像性质，有图解 法求像和解析法求像两种方法。
1．图解法求像
已知一个理想光学系统的主点（主面）和焦点的位置，利用光线通过 它们后的性质，对物空间给定的点、线和面，通过追踪典型光线求出像的 方法称为图解法求像。可供利用的典型光线及性质主要有：
（5）一个共轴理想光学系统，如果已知两对共轭面的位置和放大率， 可求出其它一切物点的像点；
（6）一个共轴理想光学系统，如果已知一对共轭面的位置和放大率 以及轴上的两对共轭点的位置，则其它一切物点的像点也可以由已知的 共轭面和共轭点求出；
第二节 理想光学系统的基点和基面
1．无限远的轴上物点和它对应的像点
1.1 轴外点的图解法求像 如图2-10所示，有一垂轴物体AB被光学系统成像。可选取由轴外点
B发出的两条典型光线，一条是B由发出通过像方焦点 ，它经系统后的 共轭光线平行于光轴；另一条是由点B发出平行于光轴的光线，它经系 统后共轭光线过像方焦点 。在像空间这两条光线的交点 即是B的像 点。由共轴理想光学系统的性质，有过 点作光轴的垂线 即为物AB 的像。
工程光学课程设计zemax
工程光学课程设计 zemax一、教学目标本课程的目标是让学生掌握工程光学的基本原理和应用技能，能够使用Zemax等光学设计软件进行简单的光学系统设计和分析。
知识目标包括了解光的传播、反射、折射等基本特性，掌握透镜、镜片等光学元件的设计和计算方法；技能目标包括能够运用Zemax进行光学系统的设计和仿真，分析光学系统的性能和优化方法；情感态度价值观目标包括培养学生的创新意识、团队合作能力和解决问题的能力。
二、教学内容教学内容主要包括光的传播、反射、折射等基本特性，透镜、镜片等光学元件的设计和计算方法，以及Zemax等光学设计软件的使用技巧。
具体的教学大纲如下：1.光的传播和反射：介绍光的基本特性，包括光的传播速度、传播方向等，以及光的反射定律和反射镜的设计方法。
2.光的折射和透镜：介绍光的折射定律和透镜的分类，包括凸透镜、凹透镜等，以及透镜的设计和计算方法。
3.光学系统设计：介绍光学系统的基本构成和设计方法，包括透镜组的设计、光学系统的性能分析等。
4.Zemax使用技巧：介绍Zemax的基本操作和功能，包括光学系统的建立、参数设置、仿真分析和优化方法。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
包括：1.讲授法：通过讲解光的传播、反射、折射等基本原理和透镜、镜片等光学元件的设计方法，使学生掌握基本概念和理论知识。
2.案例分析法：通过分析实际的光学系统设计案例，使学生能够将理论知识应用到实际问题中，培养学生的实际操作能力。
3.实验法：通过实验室的实践操作，使学生能够亲手搭建光学系统，观察光学现象，加深对光学原理的理解和掌握。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，将选择和准备以下教学资源：1.教材：《工程光学》教材，用于学生学习和复习基本理论知识。
2.参考书：《光学设计手册》等参考书籍，供学生深入学习和参考。
3.多媒体资料：制作相关的教学PPT和视频资料，用于课堂讲解和复习。
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。
第6章光学系统设计.
人眼的结构
巩膜
脉络膜 网膜
角膜
虹彩 前室
视轴
水晶体 后室
黄斑 盲点
简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼
折射面的曲率半径 像方介质的折射率 网膜的曲率半径 物方焦距 像方焦距 光焦度
5.56mm 1.333 9.7 mm -16.70mm 22.26 mm 59.88D
屈光度D=1/f， f表示焦距。一般以焦距1米的透镜屈光度为1 D(即❖正常人眼完全放松时，眼睛的远点在无限 远，则称其为正常眼，反之，称为非正常 眼。非正常眼主要有以下三种类型： ❖ 近视眼：远点距为负值，有限远 ❖ 远视眼：远点距为正值，有限远 ❖ 散光眼： 两个垂直子午面的远点距不同
近视眼
-r
远视眼：
r
真空光电器件
光电探测器
固体光电器件
c v
由 vc2vvv ，上式可写为：
v
（6－14） （6－15）
因此，稳波长实质就是稳光频，即要采用稳频技术。另，稳频对稳功 率也有作用。
（4）激光束的漂移。 虽然He-Ne激光具有很好的方向性和单色性，但它也是有漂移的，当
作用精密尺寸测量和准直测量时尤应注意。
半导体激光器： 简称LD，它是用半导体材料制成的面结型的二极管。 原理图如图6-11、6-12所示
3．空间光强分布特征
由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同 的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线， 就得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线，如图6-7所示 为HG500型发光二极管的配光曲线。
为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为 了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦点应位于光源 的发光中心。
工程光学学中的光学系统设计和分析
工程光学学中的光学系统设计和分析随着科技的快速发展和现代社会的不断进步，工程光学学作为一个新兴学科逐渐引起了人们的关注。
光学系统设计和分析是工程光学学的主要研究方向之一，本文就从这个角度来进行深入探讨。
一、光学系统设计的基本原理1. 光路分析光路分析是光学系统设计的基本原理之一。
光路分析是通过对光线传播的规律进行研究，从而找到一种最优的光路，使物体的标尺像能够清晰地出现在视网膜上。
光路分析涉及到光线的传输、反射、折射等方面的知识。
2. 系统分析系统分析是光学系统设计的另一个基本原理。
系统分析是指对整个光学系统中的各个组成部分进行综合分析，了解每个部分所起的作用，找到不足之处进行优化。
系统分析可以让整个光学系统具有完善的功能，提高光学系统的性能。
二、光学系统设计的主要步骤1. 确定设计需求在进行光学系统设计之前，需要先确定设计需求。
设计需求包括设计的用途、设计的精度要求、工作环境等等。
只有在确定了设计需求之后，光学系统的设计才能更具针对性。
2. 系统分析与优化定好了设计需求之后，需要进行系统分析与优化。
系统分析是寻找整个光学系统中存在的不足，并加以改善。
优化则是针对不足进行改进。
系统分析与优化是光学系统设计的重要步骤，它可以提高整个系统的性能。
3. 光路设计与布局光路设计是确定光路路径，从而实现物体标尺在视网膜上的清晰显示。
布局是指将各个光学元件按照一定的顺序排列，形成一个合理的光学系统。
光路设计与布局的好坏将直接决定光学系统的性能。
4. 材料选择不同材料有着不同的光学性能，选择合适的材料可以提高整个光学系统的性能。
在进行材料选择之前，需要先了解不同材料的光学特性，并根据设计需求进行选择。
5. 制造与组装制造与组装是光学系统设计的最后一步，它决定着整个光学系统的质量。
制造与组装的要求非常高，需要保证光学元件的精度和质量，避免光学系统出现问题。
三、光学系统分析的方法1. 入射角的法线分析法入射角的法线分析法是通过对光线入射点处的法线和光路的交点进行分析，来计算出光路方程的方法。
工程光学复试知识点总结
工程光学复试知识点总结第一部分：基本概念1.1 光学基础知识光的概念、光的传播、光的反射和折射、光的波动性和粒子性等1.2 光的几何光学光的几何光学基本假设、光的几何光学基本定律、光的几何光学的典型应用1.3 光的物理光学光的物理光学基本原理、光的衍射和干涉、光的偏振等第二部分：光学系统设计2.1 光学成像系统设计成像系统设计的基本原理、成像系统设计的基本方法、成像系统设计的常见问题及解决方法2.2 光学仪器设计光学仪器设计的基本原理、光学仪器设计的基本方法、光学仪器设计的实际应用2.3 光学系统优化光学系统的成像质量评估、光学系统的成像质量优化、光学系统的成像质量控制第三部分：光学材料与元器件3.1 光学材料光学材料的基本特性、光学材料的分类与应用、光学材料的制备和加工技术3.2 光学元器件光学透镜、光学棱镜、光学偏振器件、光学滤波器件等光学元器件的基本原理、性能特点和制备工艺3.3 光学薄膜光学薄膜的基本原理、光学薄膜的设计和制备、光学薄膜的应用和发展趋势第四部分：光学测量与检测技术4.1 光学测量基础光学测量的基本原理、光学测量的基本方法、光学测量的常见问题及解决方法4.2 光学检测技术光学检测技术的基本原理、光学检测技术的基本方法、光学检测技术的实际应用4.3 光学测量仪器光学显微镜、光学干涉仪、光学光谱仪等光学测量仪器的基本原理、性能特点和使用方法第五部分：光学影像处理与分析5.1 光学影像处理基础光学影像处理的基本原理、光学影像处理的基本方法、光学影像处理的常见问题及解决方法5.2 光学影像分析技术光学影像分析技术的基本原理、光学影像分析技术的基本方法、光学影像分析技术的实际应用5.3 光学影像处理与分析软件常用的光学影像处理与分析软件的特点、功能和使用方法第六部分：光学工程应用6.1 光学传感技术光学传感技术的基本原理、光学传感技术的常见应用、光学传感技术的发展趋势6.2 光学通信技术光学通信技术的基本原理、光学通信技术的常见应用、光学通信技术的发展趋势6.3 光学图像识别技术光学图像识别技术的基本原理、光学图像识别技术的常见应用、光学图像识别技术的发展趋势综上所述，工程光学是应用光学理论和技术解决实际工程问题的一门重要学科，它涵盖了从基本光学理论到光学系统设计、材料与元器件、测量与检测技术、影像处理与分析、工程应用等多个方面的知识，具有广泛的应用领域和深远的研究价值。
光学系统课程设计
光学系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光学系统基本概念，掌握光学元件的作用和原理；2. 学会使用透镜公式和光路图分析光学系统；3. 了解光学成像的规律，掌握不同类型光学成像的特点；4. 掌握光学系统设计的基本方法和步骤。
技能目标：1. 能够正确使用光学仪器，进行光学实验操作；2. 能够运用透镜公式解决实际问题，分析光学系统性能；3. 能够根据给定的需求，设计简单的光学系统；4. 能够通过团队合作，完成光学系统设计项目。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光学现象的好奇心和探索精神，激发学习兴趣；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据和事实；3. 培养学生团队协作意识，提高沟通与交流能力；4. 培养学生环保意识，关注光学技术在环保领域的应用。
课程性质：本课程为物理学科选修课程，旨在帮助学生掌握光学基础知识，提高解决实际问题的能力。
学生特点：学生处于高中阶段，具备一定的物理基础和实验操作能力，对光学现象感兴趣，但需进一步培养探究精神和实践能力。
教学要求：注重理论联系实际，以实验为基础，引导学生通过观察、思考、实践，掌握光学系统设计的方法和技巧。
教学过程中，注重启发式教学，鼓励学生提问和讨论，提高学生的主动学习能力。
通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的学习和研究打下基础。
二、教学内容1. 光学基本概念：光的基本性质、光学元件（透镜、面镜）、光学成像分类；2. 透镜公式与光路图：透镜公式推导、光路图绘制、光学系统分析；3. 光学成像规律：实像与虚像、放大与缩小、成像位置与物距关系；4. 光学系统设计：光学系统设计方法、步骤、实例分析；5. 光学实验操作：光学仪器使用、实验操作技巧、实验数据处理；6. 光学技术应用：光学在日常生活、科技、环保等领域的应用案例。
教材章节关联：1. 与教材第二章“光的传播”相关，深化对光直线传播、反射、折射等概念的理解；2. 与教材第三章“光学成像”相关，学习透镜成像、面镜成像等知识点；3. 与教材第四章“光学仪器”相关，了解光学仪器的基本构造和原理。
光学工程师光学系统设计与调试
光学工程师光学系统设计与调试内容总结简要作为一名光学工程师，我的工作涵盖了光学系统的设计与调试，旨在提升产品性能和用户体验。
工作环境位于研发部门，我与团队成员紧密协作，不断创新，追求卓越。
主要工作内容包括：一是光学系统设计，根据产品需求，运用光学原理和仿真技术，设计出符合性能指标的光学系统；二是光学调试，通过调整光学元件的位置和参数，使光学系统达到最佳工作状态；三是解决光学问题，针对产品中出现的光学问题，进行分析和解决，确保产品质量和稳定性。
在案例研究方面，参与了一个光学成像系统的研发项目。
该项目要求高分辨率和高对比度，经过多次仿真和实验，我成功设计出了一套满足需求的光学系统。
在调试过程中，我运用专业知识和技巧，使光学系统达到了预期性能。
该项目最终成功应用于产品中，受到了客户好评。
数据分析方面，我对光学系统的性能进行了全面评估。
通过收集和分析实验数据，我对光学系统的成像质量、分辨率、对比度等指标有了深入的了解。
这为我后续的工作了有力支持。
实施策略方面，我提出了针对光学系统优化和升级的方案。
在光学设计阶段，我运用先进的设计理念和仿真技术，提高了光学系统的性能。
在光学调试阶段，我采用精细的调整方法，确保了光学系统的稳定性和可靠性。
作为一名光学工程师，深知责任重大，使命光荣。
在未来的工作中，继续努力，发挥专业优势，为我国光学事业的发展贡献自己的力量。
以下是本次总结的详细内容一、工作基本情况在光学工程师的岗位上，我承担了光学系统的设计与调试工作，这一岗位在研发部门中起到了关键性的作用。
我的日常工作涉及多个环节，从最初的光学系统设计，到后续的光学调试，再到解决实际工作中遇到的光学问题，每一个环节都要求我运用专业知识和实践技能，确保产品质量和性能。
光学系统设计是一个复杂而精细的过程，需要我根据产品需求，运用光学原理和仿真技术，设计出符合性能指标的光学系统。
在这一过程中，不仅需要理论知识的支撑，还需要不断实践，通过多次仿真和实验，才能最终确定光学系统的设计方案。
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o 光学设计的发展经历了人工设计和自动化设计 两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改 结构参数进行光学设计，到使用计算机和光学 自动优化设计程序进行设计的巨大飞跃。
二、光学设计基础
• 光学设计的发展概述 • 光学设计的过程与步骤 • 仪器对光学设计的要求 • 光学系统的像差概述
光学设计的发展概况
• 光学设计的概念
o 传统光学仪器日趋成为光学、机械、电子和计算机 一体化的现代智能化仪器，如数码相机、投影仪等。
o 对于一个光学系统而言，无论是成像系统还是照明 系统，光学设计是实现各种光学系统的重要基础。
常见的光学系统的基本特性参数有很多，如相对 孔径、数值孔径、F数、线视场、角视场、工作波段、 放大率、焦距、出瞳位置、入瞳直径、光阑位置、后 工作距离、共轭距、折射率、色散系数、透镜厚度、 透镜间距、透镜面型等。
对光学系统外形尺寸的要求
光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组 成、各组元的焦距、各组元的相对位置和横向尺寸。
一、光学系统简介
对光学系统的要求 成像质量，成像清晰； 物像相似，变形要小。
一、光学系统简介
• 绝大多数的透镜系统都有一条对称轴线，这样的 轴线称为“光轴”。无对称轴的光学系统称为 “非共轴系统”。
• 球面系统： 在各种不同形式的曲面中，球面和平面生 产较易，所以大多数光学系统中的光学零件 均由球面构成，这种光学系统称为球面系统。
为了简化各种类型光组的外形尺寸计算，可以把光学系统 看成是由一系列薄透镜组成的光学系统，经过简化后的光 学系统可以用理想光学系统的理论和公式进行计算。
但是，不是所有的光学系统或光组都可以看成是薄透镜光 组，如广角物镜、大数值孔径的高倍率显微物镜等。
对光学系统外形尺寸的要求
在进行光学系统的外形尺寸计算时，除了要保证使用条件 决定的基本光学特性外，还要考虑其在技术上和物理上可 否实现，并且要和机械结构、电气系统有很好的匹配，还 要具有良好的工艺性和经济性。
学习方法？
光学系统设计的学习方法？
逐渐精通
从事的项目
开始熟悉
积累经验
所花的时间
达到精通
一、光学系统简介
光学系统由一系列的折射面和反射面构成， 这些表面标发出的光按仪器工作原理的要求改 变它们的传播方向和位置，送入仪器的接收器， 从而获得目标的各种信息，包括目标的几何形 状、能量强弱等。
光学设计的过程与步骤—光学设计的一般过程
光学设计的过程与步骤—光学设计的具体步骤
以缩放法为例，阐述光学设计的具体步骤
光学设计的过程与步骤—光学设计的具体步骤
光学设计的过程与步骤—光学设计的具体步骤
仪器对光学设计的要求
任何一种光学仪器的使用条件和功能必然会对它的 光学系统提出一定的要求，如外形尺寸要求、成像质量 要求、机械性能、物理化学性能等 。
• 共轴球面系统： 我们主要研究的就是共轴球面系统和平面 镜、棱镜系统。
一、光学系统简介
物体是由无数个点构成的，每个点均可视 点光源。经光学系统成像后，与之对应的像若 仍为一个点，即由点光源发出的球面波在像空 间仍对应一个球面波，则称为完善成像。
因此，光学系统完善成像的条件是当入射 光为球面波时，出射仍为球面波。
考虑到光照的均匀性，孔径角和倍率稍大的照明系统需要 适当减小球差，对于光照均匀性要求较高的情况还需要考 虑减小彗差和色差。
对光学系统使用条件的要求
根据光学仪器的使用条件，一般要求光学系统具有一定的物 理稳定性、化学稳定性、力学性能和热学性能等要求，以保 证仪器在特定环境下能正常工作。如，太空卫星上的光学系 统，由于在太空中白天和晚上温度差异可达一百多度，因此 这类光学系统的设计要求使用的材料要有小的热膨胀系数， 其最外层的玻璃也要有较好的耐辐射性能等。再如，水下工 作的摄像镜头就要满足防水密封性，其最外层玻璃也应避免 使用水解反应严重的材料。
SAS 小孔光阑
z y
x 三层磁屏蔽筒
可调衰减片
偏振片 1
偏振片 2 偏振片 3
EO-AM l/2 波片
l/2 波片
检测 光
亥姆霍兹线圈
Cs 泡
加热室
l/4 波片 PBS D2
泵 浦光
偏振片 4 l/4 波片
D1
-
EO-AM 驱动
方波信号源
锁相放大器
示波器
红外低温冷舱系统
低温准直光学系统、光源
抛物槽式太阳能集热器
一般而言，光学系统的外形尺寸计算要满足三个方面要求：
1）系统的孔径、视场、分辨率、出瞳直径和位置； 2）几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸、整体结构布局； 3）成像质量、孔径和视场的权重等。
对光学系统成像质量的要求
对光学系统成像质量的要求和光学系统的用途及其类型有关， 不能一概而论。比如，对于望远系统和一般的显微镜系统， 一般只要求中心视场应该有较好的成像质量；又如，对于照 相物镜系统，则要求整个视场都要有较好的成像质量。
工程光学
——光学系统设计
卢春莲 luchunlian@
哈尔滨工程大学 理学院
光学设计在哪里？ 你眼中的光学设计？
EKV长1.4m，重54Kg，
导引头由红外焦平面阵列、 冷凝系统、望远镜头和其 他软件硬件组成
磁力仪
激光器(894.6nm)
SAS
分束片
激光器(852.3nm)
传统的成像光学系统由于有明确的物像共轭关系，因此设计 这一类型的光学系统旨在通过光学系统的作用，即利用反射 定律和折射定律改变光线的传播方向，从而获得高质量的像， 其设计着眼点在于信息传递的真实性（如有无畸变）和有效 性（如是否清晰）。
对光学系统成像质量的要求
对于非成像光学系统，如照明光学系统，其设计着眼点在 于光能量传输效率的最大化，以及被照面上的照度大小和 分布情况。这类系统孔径角和倍率较低，一般情况下对像 差要求不严格。
o 随着光学仪器的发展，光学设计的理论、优化算法、 仿真工具、性能评价方法日益完善。
光学设计的发展概况
• 光学设计的概念
o 何谓“光学设计”？ 一般认为，光学设计所要完成的工作应该包括光
学系统设计和光学系统结构设计。
投影物镜系统设计
Cassegrain式反射系统结构设计
光学设计的发展概况
• 光学设计的发展史