光学系统设计(四)
光学设计方案
光学设计方案1. 方法流程1.1 整体设计思路这个光学设计方案主要是为了满足特定的光学功能需求，比如成像、聚焦或者光的传输等。
我会根据光学的基本原理，像光线的折射、反射定律等，来设计光学系统的结构。
这样安排是因为光学系统必须遵循这些基本原理才能正常工作，就像盖房子要遵循力学原理一样。
1.2 背景故事其实是有这么个情况，我们有个项目需要对一个光学设备进行优化或者新设计一个光学设备来解决一些实际问题，比如说提高成像的清晰度或者扩大视野范围。
所以就有了这个光学设计方案。
1.3 计划框架这个方案的核心逻辑就像做一道菜。
首先得确定主要食材（光学元件），然后确定烹饪方法（光学元件的组合和布置方式），最后进行调味（调整光学参数），这样才能做出一道美味的菜肴（满足要求的光学系统）。
2. 实施步骤2.1 启动阶段2.1.1 确定设计目标首先我们要明确这个光学设计是为了实现什么功能，是为了望远、显微还是其他的。
这一步由光学工程师负责，他需要有扎实的光学知识，能够根据实际需求准确地定义设计目标。
这一阶段大概需要1 - 2天。
2.1.2 收集相关资料要收集和研究现有的类似光学系统的资料，看看别人是怎么做的。
这个任务可以安排给一个助理工程师或者实习生来做，他需要有一定的资料收集和整理能力。
大概花费1周的时间。
2.2 规划阶段2.2.1 选择光学元件根据设计目标来选择合适的光学元件，比如透镜、反射镜等。
这需要光学工程师来主导，他要考虑元件的光学特性、成本等因素。
大概需要2 - 3天。
2.2.2 初步布局设计确定光学元件的初步布局，就像规划房子里各个房间的位置一样。
还是由光学工程师负责，他要依据光学原理进行布局，这一步大概需要3 - 5天。
2.3 优化阶段2.3.1 光学模拟利用光学模拟软件对初步设计进行模拟，看看光线传播是否符合预期。
这需要有熟练操作光学模拟软件的工程师来做，大概花费1 - 2周的时间。
2.3.2 根据模拟结果调整如果模拟结果不理想，就根据结果调整光学元件的参数或者布局。
光学设计指引贴4(对成像镜头设计质量的评估)
例如：最小象元直径＝0.008mm， F#＝1.8，轴向色差<0.008*2*1.8 ＝0.03mm。
五 工艺性要求
1 外形尺寸要求
(1)压边量要求
(2)中心厚与边厚要求
2 同心性要求
手机投影镜头的对正精度（焦 深要求）将更难保证，这成为手机 投影镜头批量生产的难点之一，为 了使手机焦深要求不致过严，F#>2； 但这会制约手机亮度，因此手机设 计的另一难点，是需对各虑色镜进 行频谱透过率的定量分析，给出合
理的频谱透过率，角度ห้องสมุดไป่ตู้过率的综 合技术指标要求。
（4）全视场传函一致性要求
（6）色光传函要求
在常用工作条件下，主波长传函 MTF>0.45、其它传函MTF>0.35。
2 弥散要求
MTF只是象质要求之一，对于 MTF合乎要求的系统，象质只能说较 好，还不能说很好。这是因为在能 分辨的鉴别率图案周围，有可能产 生拉出的弱光带，影响对比度。客 户对此还是比较挑剔的。这个问题 主要是由弥散斑的RMS（弥散散布半 径的方均根植）、GEO（弥散散布半 径的最大值）共同决定的。 好的镜头要求RMS<最小象元直径、 GEO<3*RMS。
• 由透镜对正要求确定的焦深
焦深由光轴对成像面的垂值偏差所 决定，允许±10’。在焦深范围内 MTF>20%.
例如0.46英寸的DMD，如果最大 视场角＝±25°，那么F’＝ (0.46*25.4/2) /Tan25°＝12.53，因此光轴对成像 面的垂值偏差＝±10’时，引起DMD 角顶对中心点沿轴向移位＝ ±12.53*(10*0.00029)＝0.036mm， 即焦深＝±0.035mm，在焦深范围内， 中心与角顶成像将同时清楚。
光学设计实验四卡塞格林系统设计
实验四:卡塞格林系统一．实验目的熟悉卡塞格林系统设计的原理过程，学习如何使用多项式的非球面，掌握设计系统的的方法及过程。
二.系统结构性能要求1）孔径值10英寸；2）视场角为0︒；3）相对波长为可见光；4）玻璃材料BK7 、MIRROR ；三．实验步骤1.系统参数的设置：孔径值10英寸；（单位是英寸）视场角为0︒；工作波长为可见光；2.结构参数的设置:平面镜的厚度为1英寸，玻璃材料BK7；反射镜的焦距为60英寸，厚度为30英寸，玻璃材料为MIRROR；如下图所示：3.加辅助镜面，并安放像平面。
让ZEMAX为辅助面计算恰当的曲率。
玻璃材料为mirror。
（注意：已将主反射面的距离减小到-18，这将使辅助镜面的尺寸减小。
像平面的距离现在是28，实际上，是在主反射面后10英寸）如下图所示：四．光学望远系统优化过程1.将三环六臂改为五环六臂（菜单栏Editors一Merit Function一Tools一Default Merit Function一Reset一Rings）如下图所示：2.设置变量，将曲率半径设为优化变量，权重设为1。
将新面（即第3面）的厚度从0改为20。
往上移一行，将第2面的厚度由60改为40。
对于主反射面来说，校正器与它的距离就是60；3,。
将光阑面（STO）的表面类型换为“EVEN ASPHERE”。
这种面型允许为非球面校正器指定多项式非球面系数。
并将第一面的“4th Order Term” 6th Order Term”和“8th Order Term”列设为变量，当前为0，如下图所示：4.打开视场角，调整设计。
从主菜单，选System，Fields，并将视场角的个数设置为3，输入y角0.0，0.35和0.7。
如下图所示：优化即可得到MTF，如下图所示：5双击第三面的第一列，从孔径类型列中选圆形“Circular Aperture”，到Min Radius中输入1.7。
这表示所有的光线穿过表面时离轴距离必须要大于1.7英寸，这就是主反射面的缺口“Hole”。
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)
41
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。
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。
光学设计实验报告收获(3篇)
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。
数学光学系统教案设计模板
一、课题：数学光学系统二、课型：新授课三、课时：2课时四、教学目标：知识与技能：1. 了解光学系统的基本组成和原理。
2. 掌握光学系统的基本公式和计算方法。
3. 能够运用光学知识解决实际问题。
过程与方法：1. 通过实验观察，培养学生观察、分析、归纳的能力。
2. 通过小组合作，培养学生的团队协作能力和交流表达能力。
3. 通过问题解决，培养学生的创新思维和解决问题的能力。
情感、态度、价值观：1. 激发学生对光学学习的兴趣，培养严谨的科学态度。
2. 培养学生团结互助、乐于探究的精神。
3. 增强学生的科学素养，树立正确的价值观。
五、教学重点和难点：教学重点：1. 光学系统的基本组成和原理。
2. 光学系统基本公式的应用。
教学难点：1. 光学系统公式的推导过程。
2. 复杂光学系统问题的解决方法。
六、教学方法：讲授法、实验法、讨论法、案例分析法。
七、教具准备：多媒体课件、光学实验器材、教科书。
八、教学过程：第一课时（一）创设情境，导入新课1. 展示光学系统在实际生活中的应用案例，如相机、望远镜等。
2. 提问：这些光学设备是如何工作的？引出课题：数学光学系统。
（二）讲授新知1. 讲解光学系统的基本组成和原理，如透镜、反射镜等。
2. 介绍光学系统基本公式，如透镜成像公式、反射镜成像公式等。
3. 通过实例分析，让学生了解光学系统的应用。
（三）课堂练习1. 布置与光学系统相关的练习题，巩固所学知识。
2. 学生独立完成练习，教师巡视指导。
第二课时（一）复习导入1. 回顾上一节课所学内容，提问学生光学系统的基本组成和原理。
2. 引导学生思考光学系统在实际生活中的应用。
（二）讲解难点1. 详细讲解光学系统公式的推导过程，帮助学生理解公式的来源。
2. 通过实例分析，让学生掌握复杂光学系统问题的解决方法。
（三）实验演示1. 演示光学实验，让学生观察实验现象，加深对光学系统原理的理解。
2. 学生分组进行实验操作，教师巡视指导。
（四）课堂练习1. 布置与光学系统相关的练习题，巩固所学知识。
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光学系统设计(四)
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．假定物体AB 在有限距离处，且AB=-y ，当孔径光阑在单个薄正透镜的右侧时，产生倍率色差的符号为 ( )。
A.大于零 B .小于零 C.等于零 D.无法判断
2．ZEMAX 软件的传递函数曲线中，不同颜色的曲线表示不同的 ( )。
A.波长 B .视场 C.孔径 D.像面位置
3．一个仅有像散的光学系统，小“⊕”形图案置于光轴上，则在该物的子午像面，外圆轮廓成像 ( )。
A.模糊
B. 与十字叉线成像情况一样
C. 清晰
D.无法判断
4．轴外物点通过有像散的光学系统成像时，在该像点的子午像面，形成的焦线 ( ) 。
A.在子午面内
B.在弧矢面内
C.以锐角倾斜于子午面
D. 无法判断
5．人眼的视网膜呈现一定程度的弯曲，可以补偿一定的 ( )。
A.球差
B.子午彗差
C.场曲
D.畸变
6．一普通正透镜，对边缘光校正了球差，为使波像差最小化，应离焦的方向是 ( )。
A.沿轴向左
B. 沿轴向右
C. 垂轴向上
D. 垂轴向下
7．介质材料ZF2的阿贝常数为32.17，6727.1n =，则=-C F n n ( )。
A. 0.902
B. 0.0902
C. 0.0209
D. 0.209
8．在球差曲线图中，如果F 光、C 光、D 光曲线相交于0.707带，说明该物镜 ( )。
A.为无球差物镜
B.为消色差物镜
C.为复消色物镜
D.为无场曲物镜
9．在ZEMAX 软件中进行望远物镜镜设计，输入孔径数据时，应选择 ( )。
A. Object Space NA
B. Entrance Pupil Diameter
C. Object Cone Angle
D. Angle （Deg ）
10．在ZEMAX 软件中表示自动优化的是下列的哪个缩写图标 ( )。
A.Fie
B.Opt
C.Spt
D.Mtf
11．对于小像差光学系统，正弦差允限为 ( )。
A. 25.0C S ±≤'
B. 00025.0C S ±≤'
C. 025.0C S ±≤'
D.0025.0C S ±≤'
12．球差曲线与坐标轴所围面积（考虑正负）越小，则 ( )。
A.波像差越大
B.波像差越小
C.与波像差大小无关
D.无法判断
13．在显微镜的应用中，盖波片产生的像差，下列选项论述正确的是 ( )。
A. 不产生任何像差
B. 仅产生球差和彗差
C. 除场曲外其它像差均存在
D. 仅产生场曲，无其它像差
14．鱼眼透镜一般视场角都比较大，但所成的像存在严重的 ( )。
A.场曲
B.畸变
C.球差
D. 色差
15．双高斯物镜是一种对称式物镜结构形式，其光阑前透镜形式为 ( )。
A.两片单透镜
B.两片双胶合
C.一片单透镜+一个双胶合
D.一个双胶合+一个单透镜
16．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
17．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
18．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
19．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
20．按照瑞利判断，显微镜的分辨率公式为 ( )。
A.NA 5.0λσ= B. NA 61.0λσ= C.D 014'
'=ϕ D. D 012'
'=ϕ
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.当孔径光阑设置在球面反射镜的球心时，七种几何像差中可以自动消除的是 、 和 。
22. 仅具有初级球差的光束结构是 形的，仅具有初级彗差时的光束结构是 状的。
23.球差用赛得和数表达的形式是 。
24.细光束的子午场曲与细光束弧矢场曲的差称为 。
25.初级色差分为 和 两种。
26.若某像差与光阑的位置有关，则表明该像差与 有关，若某像差与光阑的大小有关则表明该像差与 有关。
27.已知物距20m m L -=，正透镜厚度5163.1n ,2mm d ==，设物体位于第一面球心，则齐明透镜的两个半径分别为=1r ，=2r ，像距='L 。
28.厚透镜的光焦度公式为 。
29.不晕透镜又称 ，是利用透镜的无 点制成的。
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.对于小视场大孔径光学系统，应主要考虑球差、正弦差和 。
三、名词解释（本大题共5 小题。
每小题2 分，共 10 分）
32．调制传递函数：
33．赛得和数：
34．出瞳距：
35. 像差容限：
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．球面反射镜的焦距与半径有何关系？平行光入射时的球差值是多少？
40. ZEMAX 优化函数中操作数EFFL 代表什么意义？它是什么的缩写？
41. 单个折射球面的无球差（不晕）点有哪些？其位置如何？
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）
43.一双胶合望远物镜，其正负透镜采用的玻璃分别为K9（=d n 1.5163，64.1）和ZF2（=d n 1.6727，32.25）。
通过对各色光的光线追迹，得到有关数据如下表所示：试根据以下表格，求解：
1）色球差'FC L δ=？
2）二级光谱'FC D L ∆=？
44. 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。