光学设计第一牛人的光学设计讲义
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光学设计讲义
A -f
C
C Ab B
l
标尺像
十字丝
标尺
-l D
光学测距原理图
《光学设计-应用光学课程设计》
D l δ
由图中相似三角形关系，有：
于是：
所以有：
b -l- (-f ) -l- f - b -f f b -l - f f b
f 式中：k 称为乘常数，c = + f称为加常数。 为仪器转 b
d0 111.25 111.48 111.71 111.94
L=170 f2 -46.99 -57.57 -71.11 -89.20
f3 12.88 11.80 10.90 10.12
lF(l2) 58.75 58.56 58.28 58.06
l2 26.11 29.02 32.03 35.17
112.17 112.40
d0 117.80 118.04 118.26 118.52 118.76 119.01
-114.47 -152.36 L=180 f2
-49.75 -60.94 -75.31 -94.46 -121.24 -161.26
9.44 8.85
在满足基本设计要求的前提下，尽量做到结构简单、紧凑， 具有良好的工艺性，成本低。
《光学设计-应用光学课程设计》
§2-1 内调焦望远系统参数的确定
一、望远镜的缩短系数Q
内调焦望远系统显著的优点是能缩短筒长，即物镜的筒长比 其组合焦距要短。 为满足体积小、重量轻, 便于携带的要求, 应使望远镜的筒长 尽可能短，但筒长并不是越短越好。 为便于研究筒长与焦距的关系，定义缩短系数Q：
由于d = L-l2, 即：l2=L-d, 又：l2= l1-d, 代入调焦镜物像公式：
高明老师-光 学 设 计1、2
二、光学设计的设计步骤 1、 选择系统的类型； 2、 分配元件的光焦度和间隔； 3、 校正初级像差； 4、 减小残余像差(高级像差)。
§1 .3 现代光学仪器对光学系统性能与 质量的要求 一、光学系统的基本特性 二、系统的外形尺寸 三、成像质量 四、仪器的使用条件与环境 此外，在进行光学系统设计时，还要考 虑它应具有良好的工艺性和经济性。
h f sin U
对于近轴物点，用宽光束成像时也不能成 完善像，故只能要求其成像光束结构与轴 上点成像的光束结构一致，也就是说，轴 上点和近轴点有相同的成像缺陷。欲满足 上述要求，光学系统必须满足如下条件：
n sin U L 1 n sin U L l z
这个条件称为等晕条件 。 它是当光学系统轴上点成像有剩余球差时， 近轴点或垂轴小面积成同质像的充要条件。
系统的球差可以表示成系统每个面对球 差的贡献之和，即所谓的球差分布式。 当对实际物体成像时，对于由k个面组成 的光学系统，球差的分布式为：
1 L uk sin U k 2nk
S
1
k
初级球差可以表示为：
k 1 L 2 SⅠ 2 nk u k 1 S lunii ii u Ⅰ
对单个折射球面而言，由每个面的球差分 布式可知，当物点处于三个位置时，其SⅠ ＝０，可以不产生球差。这三个位置是： ① sin I sin I 0 ，即 I I 。表示物 点和像点均位于球面的曲率中心，或者 n 说， L L r ，垂轴放大率 。 n ② L 0 ，此时 L 0 , 1 ，即物点和像 点均位于球面顶点时，不产生球差。
根据简单关系：
lu l u h
光学设计ZEMAX_实验讲义
（5）Paraxial Working F/#（近轴工作F数）
定义式为：
（1.5）
式中 为系统像方折射率，θ为高斯边缘像方光线孔径角。在计算θ过程中，认为系统无像差，按照理想系统的边缘光线追迹方法。在Aper Value中输入F数，注意前面的Image Space F/#区别。
（6）Object Cone Angle（物方锥角）
ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。
相对孔径的定义在Aperture中设置。最常用的选项解释如下：
A.Aperture
Aperture Type用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。定义的种类有：
（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）
当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的Aper Value中输入具体的入瞳直径数值，选择Lens Units为Millimeter（毫米）。
表1.1例题的初始结构参数
1.4.3
1．General输入相对孔径
General功能可以由“System”→“General…”选择，还可以通过桌面上“Gen”快捷键来打开，General对话框如图1.2所示。
图1.2 General对话框
由图1.2可以看出，General对话框中具有Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，Glass Catalogs，Ray Aiming等项。
定义式为：
（1.5）
式中 为系统像方折射率，θ为高斯边缘像方光线孔径角。在计算θ过程中，认为系统无像差，按照理想系统的边缘光线追迹方法。在Aper Value中输入F数，注意前面的Image Space F/#区别。
（6）Object Cone Angle（物方锥角）
ZEMAX中有6种不同的编辑器（Editors）：即镜头数据编辑器（Lens Data Editor），评价函数编辑器（Merit Function Editor）、多重组态编辑器（Multi-configuration Editor）、公差数据编辑器（Tolerance Data Editor）、用于补充光学面的附加数据编辑器（Extra Data Editor）、以及非序列元件编辑器（Non-sequential Components Editor）。
相对孔径的定义在Aperture中设置。最常用的选项解释如下：
A.Aperture
Aperture Type用于定义相对孔径，即轴上物点的光束大小。定义的种类有：
（1）Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）
当物体位于无限远时，可以用它来定义相对孔径，此时的Aper Value中输入具体的入瞳直径数值，选择Lens Units为Millimeter（毫米）。
表1.1例题的初始结构参数
1.4.3
1．General输入相对孔径
General功能可以由“System”→“General…”选择，还可以通过桌面上“Gen”快捷键来打开，General对话框如图1.2所示。
图1.2 General对话框
由图1.2可以看出，General对话框中具有Environment，Polarization，Misc.，Non-Sequential，Aperture，Title/Notes，Glass Catalogs，Ray Aiming等项。
光学设计ppt课件
4
光学设计方法
光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子计算机之前的方法统称 为“手工”设汁法。那时主要通过追迹光线，计算像差和逐次修改结构参数使之 接近使用要求的方法来做设计。 电子计算机的使用，使得对光学系统(特别是复杂 系统)的分析计 算更加完善了，进而使光学自动设计逐步发展起来。
任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想。所以，设计时我们应 该根据像差理论对系统提出尽量合理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动 设计，这一点也是很重要的。 用优化技术来自动平衡光学系统的像差时，如果要 求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同时提出正弦条件和赫谢耳条件)，就可能 产生“病态”方程，使自动平衡不能顺利进行。
3
参考书目
R.Kinslake, Lens design Fundamental, 1978. R.Kinslake, optical system design,1983, Academic Press.
这位百岁老人去年刚去世，他是A.E.Conrady的学生，从上世纪三十年代 被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。 iKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非常实用的各种光学系统 设计，有新版。 R.E. Fischer, Optical system design, 2000,McGraw Hill. 此人从上世纪八十年代一直到现在，都在SPIE Photonics West 之类的会 上讲Short Courses——”光学设计”，本书属于这种教材。 斯留萨列夫， 谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。 本书可启发人们去认真思考问题。 张以谟，应用光学，机械工业出版社，中国高校教科书 王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。本教材的公式取自此 书。
光学设计方法
光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子计算机之前的方法统称 为“手工”设汁法。那时主要通过追迹光线，计算像差和逐次修改结构参数使之 接近使用要求的方法来做设计。 电子计算机的使用，使得对光学系统(特别是复杂 系统)的分析计 算更加完善了，进而使光学自动设计逐步发展起来。
任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想。所以，设计时我们应 该根据像差理论对系统提出尽量合理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动 设计，这一点也是很重要的。 用优化技术来自动平衡光学系统的像差时，如果要 求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同时提出正弦条件和赫谢耳条件)，就可能 产生“病态”方程，使自动平衡不能顺利进行。
3
参考书目
R.Kinslake, Lens design Fundamental, 1978. R.Kinslake, optical system design,1983, Academic Press.
这位百岁老人去年刚去世，他是A.E.Conrady的学生，从上世纪三十年代 被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。 iKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非常实用的各种光学系统 设计，有新版。 R.E. Fischer, Optical system design, 2000,McGraw Hill. 此人从上世纪八十年代一直到现在，都在SPIE Photonics West 之类的会 上讲Short Courses——”光学设计”，本书属于这种教材。 斯留萨列夫， 谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。 本书可启发人们去认真思考问题。 张以谟，应用光学，机械工业出版社，中国高校教科书 王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。本教材的公式取自此 书。
第4章光学
肆Fra bibliotek光学发展史
五
牛顿对光学的贡献
目 录
Contents
六
光的波动说的复兴
七
量子光学时期
第五节 牛顿对光学的贡献
牛顿不仅在力学上有伟大的成就，在光学方面也有 卓越的贡献。他在光学领域的工作多是奠基性的，其中 尤以色散的研究最为突出，他在光学方面的主要成果大 多记载在1704年出版的《光学》一书中。 牛顿的光学研究在当时是一流的。还在读书期间， 他就在光学研究上表现出强烈的爱好，尤其是他在 1665～1667年进行的日光色散实验，在前人的基础上， 将实验研究推上了一个新的高度。由于他具有较高的光 学研究水平，他在三一学院讲课也主要是讲授光学和数 学，并开展了广泛的光学研究。1673年，牛顿向皇家学 会报告了“光学和颜色的新理论”，1675年又报告了关 于“牛顿环”的著名实验。此外，他的研究还涉及反射、 折射、透镜成像、眼睛的作用、多种颜色光的组合、颜 色理论、虹霓的解释、反射望远镜的发明等。《光学》 一书对他的实验研究进行了细致的描述。
1801年，托马斯·杨发展了惠更斯的波动理论，成功地解释了干涉现象(干涉 这一物理名词是托马斯·杨首先提出的)，是他在论文中用于说明干涉现象的插图。 他是这样阐述他的干涉原理的：“当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者 非常接近地沿同一方向进人人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将 最强，而在于涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的。” 托马斯·杨明确指出，要使两部分光的作用叠加，必须是发自同一光源。这是他用 实验成功地演示干涉现象的关键。 1801年，他做了一个很有名的双圆孔实验，证明光具有波的性质。 1802年·托马斯·杨在英国皇家学会上演讲时讲述了自己所做的双圆孔实验， 并且强调说：“为使这两部分光在屏幕上引起的效果叠加起来，需要使来自同一光 源、经过不同路径的光到达同一区域，而不使其相离散，如有离散，也能根据发射 或折射把光从一方或两方重合起来，将它们的效果叠加。”接着他又描述了双缝干 涉实验：“将平行光通过两个相距很近的针孔，针孔作为新光源，从那里发出了球 面光波，照射到屏幕上，光的暗影对称地向两侧散开……这两部分光叠加后，屏幕 上正对两小孔连线的中心处最明亮，两侧部分，光从两个小孔到达各点有一定的路 程差，若路程差是光波波长的1倍、2倍、3倍……则屏幕上的这些地方为亮区，并且 相邻的亮区间距离相等。”托马斯·杨根据屏幕上出现的亮区间距和两针孔之间的 距离，运用波的理论，计算出了各种颜色光波的波长。
五
牛顿对光学的贡献
目 录
Contents
六
光的波动说的复兴
七
量子光学时期
第五节 牛顿对光学的贡献
牛顿不仅在力学上有伟大的成就，在光学方面也有 卓越的贡献。他在光学领域的工作多是奠基性的，其中 尤以色散的研究最为突出，他在光学方面的主要成果大 多记载在1704年出版的《光学》一书中。 牛顿的光学研究在当时是一流的。还在读书期间， 他就在光学研究上表现出强烈的爱好，尤其是他在 1665～1667年进行的日光色散实验，在前人的基础上， 将实验研究推上了一个新的高度。由于他具有较高的光 学研究水平，他在三一学院讲课也主要是讲授光学和数 学，并开展了广泛的光学研究。1673年，牛顿向皇家学 会报告了“光学和颜色的新理论”，1675年又报告了关 于“牛顿环”的著名实验。此外，他的研究还涉及反射、 折射、透镜成像、眼睛的作用、多种颜色光的组合、颜 色理论、虹霓的解释、反射望远镜的发明等。《光学》 一书对他的实验研究进行了细致的描述。
1801年，托马斯·杨发展了惠更斯的波动理论，成功地解释了干涉现象(干涉 这一物理名词是托马斯·杨首先提出的)，是他在论文中用于说明干涉现象的插图。 他是这样阐述他的干涉原理的：“当同一束光的两部分从不同的路径，精确地或者 非常接近地沿同一方向进人人眼，则在光线的路程差是某一长度的整数倍处，光将 最强，而在于涉区之间的中间带则最弱，这一长度对于不同颜色的光是不同的。” 托马斯·杨明确指出，要使两部分光的作用叠加，必须是发自同一光源。这是他用 实验成功地演示干涉现象的关键。 1801年，他做了一个很有名的双圆孔实验，证明光具有波的性质。 1802年·托马斯·杨在英国皇家学会上演讲时讲述了自己所做的双圆孔实验， 并且强调说：“为使这两部分光在屏幕上引起的效果叠加起来，需要使来自同一光 源、经过不同路径的光到达同一区域，而不使其相离散，如有离散，也能根据发射 或折射把光从一方或两方重合起来，将它们的效果叠加。”接着他又描述了双缝干 涉实验：“将平行光通过两个相距很近的针孔，针孔作为新光源，从那里发出了球 面光波，照射到屏幕上，光的暗影对称地向两侧散开……这两部分光叠加后，屏幕 上正对两小孔连线的中心处最明亮，两侧部分，光从两个小孔到达各点有一定的路 程差，若路程差是光波波长的1倍、2倍、3倍……则屏幕上的这些地方为亮区，并且 相邻的亮区间距离相等。”托马斯·杨根据屏幕上出现的亮区间距和两针孔之间的 距离，运用波的理论，计算出了各种颜色光波的波长。
姚启钧光学课件第一章
光程差:
n1r1 n2 r2
若在观察时间内 ( 02 01 ) 保持不变，则两个振源 是相干的。特别地，若 ( 02 01 ) 0 ，则位相差取 决于光程差。有
( n1r1 n2 r2 ) 2π λ
23
2
光学
1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样
光学
1.1 波动的独立性、叠加性和相干性
4．不相干叠加
若在观察时间内，振动时断时续，以致它们的初相位各 自独立地做不规则的改变，在0～2π之间取一切值且概率 均等，则有
平均强度为
1
0
cos( 2 1 )dt 0
2 I A 2 A12 A2
合振动的平均强度等于分振动强度之和 。 结果：在观察时间内强度没有空间强弱分布，此即非相干叠加 。 5．多个振动的不相干叠加 设有n个振动振幅都等于A1，则合成的平均强度
2 I nA 1
光学
1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样
实验结果：等间距的明暗交替的条纹。
托马斯· 杨
光学
1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样
一、波的方程与光程
1．波的方程
r S P
t 0 ) 波源S：E0 A0 cos(
E P AP cos[( t r
波源S的振动传播到P点，P点也引起振动，振动方程为：
I A2
(τ是观察时间)
1
1
0
A2 dt
2 [ A12 A2 2 A1 A2 cos( 2 1 )]dt 2 2
0
A A 2 A1 A2
几何光学与光学设计讲义
F’→A：像方无穷远垂轴平面的共轭平面为物方过 F 的垂轴平面（前焦平面，物方焦面）
注意
这里F与F’不为共轭点，A与A’也不为共轭点
10
三、主点H，H’ T
E1 Q’ Q Sk
R
和主平面
A
h
-u
S1 H’ H Ek
u’
F
-f
O1
Ok
F’
f’ H，H’亦为一对共轭点
H，H’——物（像）方主点，前（后）主点 QH，Q’H’——物（像）方主面，前（后）主面
使光轴转折任意角 度的一次反射棱镜
达夫棱镜 即光轴与斜面平行的等腰直角棱镜
棱镜转90度，像转180度
24
周视瞄准镜
以等腰直角棱镜转实 现周视。 达夫棱镜以等腰直角 棱镜旋转角速度的一 半转。
25
二次反射棱镜——相当于夹角为αr 双平面镜系统，成一致像
光轴转90度
入射光线和出射光线夹角为2α 光轴转180度
8
一、原始概念
§1-3 理想光学系统基本概念
理想光学系统——这种光学系统所成的像与物是完全相似的
物空间 像空间 点——>共轭点
直线——>共轭直线
R M
S
直线上的点——>共轭直线上的共轭点
同心光束——>共轭同心光束
平面——>共轭平面
光
学
系
统
R’
M’
S’
理想光学系统理论——高斯光学
9
二、焦点F，F’ 与焦平面
近轴光线所在的区域叫近轴区
阿贝不变量
n(1 − 1) = n'(1 − 1) = Q
rl
r l'
n' − n = n'−n l' l r
注意
这里F与F’不为共轭点，A与A’也不为共轭点
10
三、主点H，H’ T
E1 Q’ Q Sk
R
和主平面
A
h
-u
S1 H’ H Ek
u’
F
-f
O1
Ok
F’
f’ H，H’亦为一对共轭点
H，H’——物（像）方主点，前（后）主点 QH，Q’H’——物（像）方主面，前（后）主面
使光轴转折任意角 度的一次反射棱镜
达夫棱镜 即光轴与斜面平行的等腰直角棱镜
棱镜转90度，像转180度
24
周视瞄准镜
以等腰直角棱镜转实 现周视。 达夫棱镜以等腰直角 棱镜旋转角速度的一 半转。
25
二次反射棱镜——相当于夹角为αr 双平面镜系统，成一致像
光轴转90度
入射光线和出射光线夹角为2α 光轴转180度
8
一、原始概念
§1-3 理想光学系统基本概念
理想光学系统——这种光学系统所成的像与物是完全相似的
物空间 像空间 点——>共轭点
直线——>共轭直线
R M
S
直线上的点——>共轭直线上的共轭点
同心光束——>共轭同心光束
平面——>共轭平面
光
学
系
统
R’
M’
S’
理想光学系统理论——高斯光学
9
二、焦点F，F’ 与焦平面
近轴光线所在的区域叫近轴区
阿贝不变量
n(1 − 1) = n'(1 − 1) = Q
rl
r l'
n' − n = n'−n l' l r
大学光学经典课件L2惠更斯原理
惠更斯在数学、光学和天文学等领域做出了卓越的贡献，被誉为现代科学 之父之一。
惠更斯原理的提出背景
惠更斯原理是在17世纪末提出 的，当时光学理论正处于快速发
展的阶段。
光的本质和传播方式一直是科学 家们研究的重点，而惠更斯原理 的提出为光的波动理论奠定了基
础。
惠更斯原理的提出是基于对光的 干涉和衍射现象的观察和实验研
详细描述
在水槽中设置两个相干的水波源 ，观察水波干涉形成的明暗相间 的条纹，通过测量条纹间距与理 论值对比，验证惠更斯原理。
光波干涉与衍射实验
总结词
通过光
详细描述
利用分束器将单色光分成两束相干光波，观察光波干涉形成 的明暗干涉条纹；同时进行单缝和双缝衍射实验，观察衍射 条纹的分布，并与理论值进行比较。
不适用于非线性光学
惠更斯原理主要适用于线性光学领域，对于非线性光学领域的应用则较 为有限。
03
对光束质量要求高
惠更斯原理要求光束质量高，光束参数偏差小，否则会影响干涉效果。
惠更斯原理的未来发展方向
探索更广泛的应用
领域
随着光学技术和应用的发展，惠 更斯原理有望在更多领域得到应 用，如生物医学、传感检测、通 信等领域。
指导光学系统设计
惠更斯原理在光学仪器和光学系统设计中有重要应用，如透镜、反 射镜等光学元件的设计，以及干涉仪、光谱仪等光学仪器的设计。
促进物理学发展
惠更斯原理是物理学的重要基石之一，它的发展和应用对于推动物理 学和相关学科的发展具有重要意义。
惠更斯原理的局限性
01 02
理想化模型
惠更斯原理是一个理想化的模型，它假设波阵面是无限薄的，这在实际 情况中是不成立的。因此，在某些情况下，惠更斯原理的应用会受到限 制。
惠更斯原理的提出背景
惠更斯原理是在17世纪末提出 的，当时光学理论正处于快速发
展的阶段。
光的本质和传播方式一直是科学 家们研究的重点，而惠更斯原理 的提出为光的波动理论奠定了基
础。
惠更斯原理的提出是基于对光的 干涉和衍射现象的观察和实验研
详细描述
在水槽中设置两个相干的水波源 ，观察水波干涉形成的明暗相间 的条纹，通过测量条纹间距与理 论值对比，验证惠更斯原理。
光波干涉与衍射实验
总结词
通过光
详细描述
利用分束器将单色光分成两束相干光波，观察光波干涉形成 的明暗干涉条纹；同时进行单缝和双缝衍射实验，观察衍射 条纹的分布，并与理论值进行比较。
不适用于非线性光学
惠更斯原理主要适用于线性光学领域，对于非线性光学领域的应用则较 为有限。
03
对光束质量要求高
惠更斯原理要求光束质量高，光束参数偏差小，否则会影响干涉效果。
惠更斯原理的未来发展方向
探索更广泛的应用
领域
随着光学技术和应用的发展，惠 更斯原理有望在更多领域得到应 用，如生物医学、传感检测、通 信等领域。
指导光学系统设计
惠更斯原理在光学仪器和光学系统设计中有重要应用，如透镜、反 射镜等光学元件的设计，以及干涉仪、光谱仪等光学仪器的设计。
促进物理学发展
惠更斯原理是物理学的重要基石之一，它的发展和应用对于推动物理 学和相关学科的发展具有重要意义。
惠更斯原理的局限性
01 02
理想化模型
惠更斯原理是一个理想化的模型，它假设波阵面是无限薄的，这在实际 情况中是不成立的。因此，在某些情况下，惠更斯原理的应用会受到限 制。
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正值上海光机所建所四十周年之际，回顾历史，展望未来，思绪万千，能聆听大师的报告，实 为有幸，受益终身。 朱熹曾言：问渠哪得清如许，为有源头活水来。做人、做学问当是如此！
2004年4月27日
1
内容纲要
1. 光学设计和光学仪器的发展史 2. 对光学系统的基本要求、指标 3. 高斯光学 光学表面对光线偏折，光路计算，近轴光线，像差，物像关系，薄透镜，拉氏不 变量，光管，传输耦合的基本条件，近轴光路计算，ABCD矩阵，光焦度和主平 面。
当今光学技术已经渗透到越来越多的领域，各类新型的光学系统大量涌现，每年国际上都会产 生数以万计的光学设计专利。随着光学设计软件的日臻完善，一般的系统通过简单的变异、移植就 可以完成。但是对于一个优秀的光学工程师，应该说没有像差理论做基础是没有生命力的，没有像 差理论的指导，在设计过程中的参数选取和调整也是盲目的。本讲义的编写宗旨贯穿了从理论到实 践的主线，讲义内容涵盖了光学设计的理论以及利用软件开展具体光学系统设计的实例。相信通过 王先生的讲解，能极大增进新时期光学工程师的设计水准。
8
要考虑的主题
光学系统的要求和技术规格 成像基础 •理想成像与像差使像质变坏 基本系统分析 一些有用的基本公式 光学系统中的像差和最小化的方法 •球差、彗差、像散、场曲，离焦、和色差 光学系统的配置——透镜和反射镜组 玻璃材料选择 光学设计过程 性能计算 高斯光束成像 •用于激光系统 用于红外波段的光学系统和材料 环境因素考虑 公差和其它可制造性问题 杂散辐射考虑 光学设计过程中应用大规模优化程序的说明 9
IR系统的要求
Narcissus ______ Scan noise（扫描噪音）______ NET ______ Cold stop efficiency ______ 如果扫描： Magnification（放大） ______ Scanner geometry（扫描几何图）______ Other（其它） ______
d)
6
光学设计的基本观点指南
提供给光学系统设计者广泛而有益的入门指南：
概念，顺着这些概念合理过渡到被开发真实系统的设计 一些术语或常用的“行话”要慎用 不要专注于数学公式及其详细的推导。相反，需重视对设计和工程过 程的理解
光学设计不仅要考虑基本的概念设计和理论，而且要预计可制造能力 与可测试能力。
Detector type（探测器类型） Central or major wavelength （主波长） Spectral range（光谱范围） Spectral weights光谱权重(@3或5λ) ____________ λ＝__________ 从λ＝__________到λ＝___________ λ1/W1____λ2/W2____λ3/W3____ λ4/W4λ____5/W5____ MTF ___________ RMS wavefront degradation（RMS波前衰减） ____________ Encircled energy（能量中心度） __________% 能量在_____________直径 Distortion（畸变） ____________
7
光学设计和光学仪器的历史
十六、十七世纪 ：伽利略、牛顿、惠更斯时代 已经有望远镜、显微镜、目镜等雏形，经验为主。 十九世纪：像差理论、设计方法，衍射成像理论趋于成熟。 Seidel, Abbe, Zeiss 工厂，Schott 工厂 由光学设计而制造光学仪器，德国领先世界近百年。 二十世纪：四十年代开始用机械计算机。1946年 发明电子计算机Eniac， 五十年代用于光路计算、分析， 六十年代“自动平衡”（优化）程序， 八十年代普遍使用优化程序，美国商业程序 光学设计理论的作用 挑选合理的初始结构，设计指标， 尽量少用光线就能对现状作出判断 包括初始要求是否合理，可能不可能达到要求。 判断修改的方向 德、美、英、日、俄概况 detector、波段、激光使应用领域扩展。 中国光学仪器历史
4. 像差理论
球面的球差，球差零点，球差与折射率，初级球差，正弦条件，彗差，透镜弯曲， 主光线，主光线光路像差，畸变，像散，像面弯曲，初级像差理论，像差与光阑 移动，像差与物面移动，色差，光学玻璃和晶体，二级光谱，薄透镜组，非球面， 校正像面弯曲的措施，可能校正的像差与不可能校正的像差，轴对称与非轴对称。 5. 为何有多种不同结构的光学系统：望远镜、显微镜、照相物镜、目镜、光刻物镜。 6. 成像质量 衍射，点扩散函数和像差，能量集中度，分辨能力，伪分辨，光学传递函数，星 点检验，杂光，降低杂光的措施，鬼像。
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7. 光学设计软件的基本功能 * 成像质量的计算和分析：光学系统结构数据输入，孔径，视场，波长，表面 模型，玻璃表，玻璃模型，光阑，望远镜系统，Analysis包含的项目计算，像 差量级不同时要用不同方法分析。 * 结构优化（Optimization）：变量选择，优化目标函数选择，内定目标函数 调出，限制边界条件，Tools和Solves的作用，如何改变优化过程。Global Optimization 。 *公差计算，内定的公差初值，初值修改，公差计算，根据各变量的灵敏度修 改公差，放宽公差的可能性，公差和成本，机械固定和装校的原则，美国标准， ISO 8. 设计的例子 单透镜：焦距控制，视场选择，目标选择。 消色差透镜组：色差和玻璃、校正像差的可能性。 非球面单透镜：优化步骤的影响。 LensView对光学系统的分类，浏览。 高倍显微物镜：从专利出发，修改内容目标函数，边界条件。 双高斯物镜：从专利出发，变量的变动，玻璃作为变量。 3
参考书目
R.Kinslake, Lens design Fundamental, 1978. R.Kinslake, optical system design,1983, Academic Press. 这位百岁老人去年刚去世，他是A.E.Conrady的学生，从上世纪三十年代 被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。
iKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非常实用的各种光学系统 设计，有新版。 R.E. Fischer, Optical system design, 2000,McGraw Hill. 此人从上世纪八十年代一直到现在，都在SPIE Photonics West 之类的会 上讲Short Courses——”光学设计”，本书属于这种教材。
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光学系统技术要求
基本要求 Object distance （物距） ———— Image formats（成像形式 ） Image distance（像距） ———— Configuration（结构） f/number or NA（F数或数值孔径） ———— Magnification（放大率） Full field of view （全视场） ———— Transmittance（透过率） Focal length（焦距） ———— Vignetting（ 渐晕） 成像质量要求
———— ———— ———— ———— ————
机械和包装要求
Length（长度） ____________ Back focus dist（后焦距） ____________ Object to image（物像间距离）____________ Diameter（直径） Weight of optics(光学载重) Other(其它) __________ ___________ ___________
其它系统要求
_________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________
斯留萨列夫， 谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。 本书可启发人们去认真思考问题。 张以谟，应用光学，机械工业出版社，中国高校教科书 王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。本教材的公式取自此 书。
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光学设计方法
光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子计算机之前的方法统称 为“手工”设汁法。那时主要通过追迹光线，计算像差和逐次修改结构参数使之 接近使用要求的方法来做设计。 电子计算机的使用，使得对光学系统(特别是复杂 系统)的分析计 算更加完善了，进而使光学自动设计逐步发展起来。 任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想。所以，设计时我们应 该根据像差理论对系统提出尽量合理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动 设计，这一点也是很重要的。 用优化技术来自动平衡光学系统的像差时，如果要 求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同时提出正弦条件和赫谢耳条件)，就可能 产生“病态”方程，使自动平衡不能顺利进行。 用于光学系统自动设计的电子计算机，70年代趋向于使用大型机，80年代则 有趋向于改用微机的势头。这一方面当然是为了节省设计费用，另一方面也说明 设计过程需要进行多次人工“干预”，这种“干预”过程无疑是设计者运用像差 理论和设计经验的过程。 这可能就是光学设计者更喜欢用微机的理由，同时也是 未有真正成功的光学CAD软件问世的证据。
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归结起来，光学设计方法就是：
a)
根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学中“不可能’’的 要求去掉(“手工”完成)； 用高斯光学理论，给出高斯结构(多数由“手工”设计)；
2004年4月27日
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内容纲要
1. 光学设计和光学仪器的发展史 2. 对光学系统的基本要求、指标 3. 高斯光学 光学表面对光线偏折，光路计算，近轴光线，像差，物像关系，薄透镜，拉氏不 变量，光管，传输耦合的基本条件，近轴光路计算，ABCD矩阵，光焦度和主平 面。
当今光学技术已经渗透到越来越多的领域，各类新型的光学系统大量涌现，每年国际上都会产 生数以万计的光学设计专利。随着光学设计软件的日臻完善，一般的系统通过简单的变异、移植就 可以完成。但是对于一个优秀的光学工程师，应该说没有像差理论做基础是没有生命力的，没有像 差理论的指导，在设计过程中的参数选取和调整也是盲目的。本讲义的编写宗旨贯穿了从理论到实 践的主线，讲义内容涵盖了光学设计的理论以及利用软件开展具体光学系统设计的实例。相信通过 王先生的讲解，能极大增进新时期光学工程师的设计水准。
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要考虑的主题
光学系统的要求和技术规格 成像基础 •理想成像与像差使像质变坏 基本系统分析 一些有用的基本公式 光学系统中的像差和最小化的方法 •球差、彗差、像散、场曲，离焦、和色差 光学系统的配置——透镜和反射镜组 玻璃材料选择 光学设计过程 性能计算 高斯光束成像 •用于激光系统 用于红外波段的光学系统和材料 环境因素考虑 公差和其它可制造性问题 杂散辐射考虑 光学设计过程中应用大规模优化程序的说明 9
IR系统的要求
Narcissus ______ Scan noise（扫描噪音）______ NET ______ Cold stop efficiency ______ 如果扫描： Magnification（放大） ______ Scanner geometry（扫描几何图）______ Other（其它） ______
d)
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光学设计的基本观点指南
提供给光学系统设计者广泛而有益的入门指南：
概念，顺着这些概念合理过渡到被开发真实系统的设计 一些术语或常用的“行话”要慎用 不要专注于数学公式及其详细的推导。相反，需重视对设计和工程过 程的理解
光学设计不仅要考虑基本的概念设计和理论，而且要预计可制造能力 与可测试能力。
Detector type（探测器类型） Central or major wavelength （主波长） Spectral range（光谱范围） Spectral weights光谱权重(@3或5λ) ____________ λ＝__________ 从λ＝__________到λ＝___________ λ1/W1____λ2/W2____λ3/W3____ λ4/W4λ____5/W5____ MTF ___________ RMS wavefront degradation（RMS波前衰减） ____________ Encircled energy（能量中心度） __________% 能量在_____________直径 Distortion（畸变） ____________
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光学设计和光学仪器的历史
十六、十七世纪 ：伽利略、牛顿、惠更斯时代 已经有望远镜、显微镜、目镜等雏形，经验为主。 十九世纪：像差理论、设计方法，衍射成像理论趋于成熟。 Seidel, Abbe, Zeiss 工厂，Schott 工厂 由光学设计而制造光学仪器，德国领先世界近百年。 二十世纪：四十年代开始用机械计算机。1946年 发明电子计算机Eniac， 五十年代用于光路计算、分析， 六十年代“自动平衡”（优化）程序， 八十年代普遍使用优化程序，美国商业程序 光学设计理论的作用 挑选合理的初始结构，设计指标， 尽量少用光线就能对现状作出判断 包括初始要求是否合理，可能不可能达到要求。 判断修改的方向 德、美、英、日、俄概况 detector、波段、激光使应用领域扩展。 中国光学仪器历史
4. 像差理论
球面的球差，球差零点，球差与折射率，初级球差，正弦条件，彗差，透镜弯曲， 主光线，主光线光路像差，畸变，像散，像面弯曲，初级像差理论，像差与光阑 移动，像差与物面移动，色差，光学玻璃和晶体，二级光谱，薄透镜组，非球面， 校正像面弯曲的措施，可能校正的像差与不可能校正的像差，轴对称与非轴对称。 5. 为何有多种不同结构的光学系统：望远镜、显微镜、照相物镜、目镜、光刻物镜。 6. 成像质量 衍射，点扩散函数和像差，能量集中度，分辨能力，伪分辨，光学传递函数，星 点检验，杂光，降低杂光的措施，鬼像。
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7. 光学设计软件的基本功能 * 成像质量的计算和分析：光学系统结构数据输入，孔径，视场，波长，表面 模型，玻璃表，玻璃模型，光阑，望远镜系统，Analysis包含的项目计算，像 差量级不同时要用不同方法分析。 * 结构优化（Optimization）：变量选择，优化目标函数选择，内定目标函数 调出，限制边界条件，Tools和Solves的作用，如何改变优化过程。Global Optimization 。 *公差计算，内定的公差初值，初值修改，公差计算，根据各变量的灵敏度修 改公差，放宽公差的可能性，公差和成本，机械固定和装校的原则，美国标准， ISO 8. 设计的例子 单透镜：焦距控制，视场选择，目标选择。 消色差透镜组：色差和玻璃、校正像差的可能性。 非球面单透镜：优化步骤的影响。 LensView对光学系统的分类，浏览。 高倍显微物镜：从专利出发，修改内容目标函数，边界条件。 双高斯物镜：从专利出发，变量的变动，玻璃作为变量。 3
参考书目
R.Kinslake, Lens design Fundamental, 1978. R.Kinslake, optical system design,1983, Academic Press. 这位百岁老人去年刚去世，他是A.E.Conrady的学生，从上世纪三十年代 被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。
iKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非常实用的各种光学系统 设计，有新版。 R.E. Fischer, Optical system design, 2000,McGraw Hill. 此人从上世纪八十年代一直到现在，都在SPIE Photonics West 之类的会 上讲Short Courses——”光学设计”，本书属于这种教材。
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光学系统技术要求
基本要求 Object distance （物距） ———— Image formats（成像形式 ） Image distance（像距） ———— Configuration（结构） f/number or NA（F数或数值孔径） ———— Magnification（放大率） Full field of view （全视场） ———— Transmittance（透过率） Focal length（焦距） ———— Vignetting（ 渐晕） 成像质量要求
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机械和包装要求
Length（长度） ____________ Back focus dist（后焦距） ____________ Object to image（物像间距离）____________ Diameter（直径） Weight of optics(光学载重) Other(其它) __________ ___________ ___________
其它系统要求
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斯留萨列夫， 谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。 本书可启发人们去认真思考问题。 张以谟，应用光学，机械工业出版社，中国高校教科书 王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。本教材的公式取自此 书。
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光学设计方法
光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子计算机之前的方法统称 为“手工”设汁法。那时主要通过追迹光线，计算像差和逐次修改结构参数使之 接近使用要求的方法来做设计。 电子计算机的使用，使得对光学系统(特别是复杂 系统)的分析计 算更加完善了，进而使光学自动设计逐步发展起来。 任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想。所以，设计时我们应 该根据像差理论对系统提出尽量合理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动 设计，这一点也是很重要的。 用优化技术来自动平衡光学系统的像差时，如果要 求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同时提出正弦条件和赫谢耳条件)，就可能 产生“病态”方程，使自动平衡不能顺利进行。 用于光学系统自动设计的电子计算机，70年代趋向于使用大型机，80年代则 有趋向于改用微机的势头。这一方面当然是为了节省设计费用，另一方面也说明 设计过程需要进行多次人工“干预”，这种“干预”过程无疑是设计者运用像差 理论和设计经验的过程。 这可能就是光学设计者更喜欢用微机的理由，同时也是 未有真正成功的光学CAD软件问世的证据。
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归结起来，光学设计方法就是：
a)
根据使用要求提出光学系统设计要求，把光学中“不可能’’的 要求去掉(“手工”完成)； 用高斯光学理论，给出高斯结构(多数由“手工”设计)；