光学设计成像优化理论..57页PPT
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光学成像技术1PPT课件
播方向），其值为
p
h
h
cc
式中c为真空中的光速，1983年第十七届国际计量大会
通过其值为
c = 299 792 458 m/s
❖ 至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光 学现象证实了光的波动性；另一 方面通过黑体辐射、 光电效应和康普顿效应 等又证实了光的量子性—— 粒子性。
❖ 光的本性——物质（实物和场）的本性—波粒二象 性
n c v
所有介质的折射率都大于1
x 射射 线线
紫红 外外 光光
微
无
波
线
电
波
可见光(400~750nm)
1. 电磁波谱
各种波长的电磁波中，能为人眼所感受的是 400 — 760 nm 的窄小范围。对应的频率范围是 ：
= （7.6 4.0）1014 HZ
这波段内电磁波叫可见光。在可见光范围内，不同 频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。
2.粒子说（十七世纪末)
17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光 的研究引向进一步发展的道路。牛顿根据光 的直线传播性质，提出了光是微粒流的理论。 惠更斯反对光的微粒说，从声和光的某些现 象的相似性出发，认为光是在 波。这一时期 中，在以牛顿为代表的微粒说 占统治地位的 同时，以惠更斯为代表的波动 说也初步提出 来了。
3. 光的折射反射定律：
(1) 光的反射定律：反射线位于入射面内，反射线和 入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即
i1 i1
小孔成像
箱 子
小孔
折射定律
N A
折射光线跟入射光线和法线在 同一平面内，折射光线和入射光
θ1 O
θ2
线位于法线的两侧，但是，入射 空气 角和折射角之间究竟有什么定量 玻璃 关系呢？1621年，荷兰数学家斯
(完美版)几何光学基本定律与成像概念演示文稿.PPT文档
在几何光学中，发光体与发光点概念与物理学中完全不同。
无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称 为发光体。在讨论光的传播时，常用发光体上某些特定的 几何点来代表这个发光体。在几何光学中认为这些特定点 为发光点，或称为点光源。
3、光线
当光能从一两孔间通过，如果孔径与孔距相比可 以忽略则称穿过孔间的光管的正透镜见图（a）所示；发散透镜或负 透镜，特点是心薄边厚，如图（b）所示。
正透镜的成 像：如图所 示
物点和像点：
像散光束：
二、完善成像的概念
发光物体可以被分解为无穷多个发光物点，每个物点发 出一个球面波，与之对应的是以物点为中心的同心光束。经 过光学系统之后，该球面仍然是一球面波，对应的光束仍是 同心光束，那么，该同心光束的中心就是物点经过光学系统 后所成的完善像点。
1.光的直线传播定律
在各向同性的均匀介质中，光线按直线 传播。例子：影子的形成、日食、月蚀等。
2.光线的独立传播定律 不同的光线以不同的方向通过某点时，
彼此互不影响，在空间的这点上，其效果 是通过这点的几条光线的作用的叠加。
利用这一规律，使得对光线传播情况 的研究大为简化。
3.光的折射定律和反射定律
几何光学基本定律与成像概念演示文稿
第一章：几何光学基本定律与 成像概念
第一节 几何光学的基本定律和原理 一、光波与光线
1、光的本质
光和人类的生产、生活密不可分； 人类对光的研究分为两个方面：光的本性，以此来研究各种光学现象， 称为物理光学；光的传播规律和传播现象称为几何光学。 1666年牛顿提出的“微粒说” 1678年惠更斯的“波动说” 1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光的电磁波 1905年爱因斯坦提出了“光子”说 现代物理学认为光具有波、粒二象性：既有波动性，又有粒子性。
无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称 为发光体。在讨论光的传播时，常用发光体上某些特定的 几何点来代表这个发光体。在几何光学中认为这些特定点 为发光点，或称为点光源。
3、光线
当光能从一两孔间通过，如果孔径与孔距相比可 以忽略则称穿过孔间的光管的正透镜见图（a）所示；发散透镜或负 透镜，特点是心薄边厚，如图（b）所示。
正透镜的成 像：如图所 示
物点和像点：
像散光束：
二、完善成像的概念
发光物体可以被分解为无穷多个发光物点，每个物点发 出一个球面波，与之对应的是以物点为中心的同心光束。经 过光学系统之后，该球面仍然是一球面波，对应的光束仍是 同心光束，那么，该同心光束的中心就是物点经过光学系统 后所成的完善像点。
1.光的直线传播定律
在各向同性的均匀介质中，光线按直线 传播。例子：影子的形成、日食、月蚀等。
2.光线的独立传播定律 不同的光线以不同的方向通过某点时，
彼此互不影响，在空间的这点上，其效果 是通过这点的几条光线的作用的叠加。
利用这一规律，使得对光线传播情况 的研究大为简化。
3.光的折射定律和反射定律
几何光学基本定律与成像概念演示文稿
第一章：几何光学基本定律与 成像概念
第一节 几何光学的基本定律和原理 一、光波与光线
1、光的本质
光和人类的生产、生活密不可分； 人类对光的研究分为两个方面：光的本性，以此来研究各种光学现象， 称为物理光学；光的传播规律和传播现象称为几何光学。 1666年牛顿提出的“微粒说” 1678年惠更斯的“波动说” 1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光的电磁波 1905年爱因斯坦提出了“光子”说 现代物理学认为光具有波、粒二象性：既有波动性，又有粒子性。
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。
仪器光学系统设计及成像系统 ppt课件
11
可见光：400-760nm 单色光：同一种波长
复色光：由不同波长的光波混合而成
频率和光速，波长的关系
c
在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变
12
几何光学的研究对象和光线概念
几何光学研究对象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象
特点 不考虑光的本性，把光认为是光线
13
光线是能够传输能量的几何线，具有方向 光波的传播问题就变成了几何的问题所以称之为几 何光学 当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、衍 射时，再采用物理光学的原理
50
2.6、光学系统设计评价
点列图 弥散斑对应于成像点或光线，集中30%以上的点或光线的圆形
区域为实际有效的弥散斑。适合光学认为光学系统是线性不变系统，传递频率不变。
但受限光学仪器，并非所有的频谱都能传递。用光学传递函数表
示光学系统在成像中的传递能力。与像差和衍射效果有关。
注意：
虚物的产生
虚像的检测
35
第四节 理想像和理想光学系统
为什么要定义理想像
通俗理解：如果要成像清晰，必须一个物点成像为一个像 点 波前理解：入射面为球面波，出射面也为球面波 光束形态理解：入射光为同心光束，出射光也为同心光束 光程理解：同系统任意两条光线走过的光程相等
36
如果一个物点对应唯一的像点
8
第一节 光波与光线
一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待， 光波波长
λ
9
光的本质是电磁波 光的传播实际上是波动的传播
物理光学： 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象
几何光学： 研究光宏观的传播规律和传播现象
10
可见光：波长在400-760nm范围 红外波段：波长比可见光长 紫外波段：波长比可见光短
可见光：400-760nm 单色光：同一种波长
复色光：由不同波长的光波混合而成
频率和光速，波长的关系
c
在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变
12
几何光学的研究对象和光线概念
几何光学研究对象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象
特点 不考虑光的本性，把光认为是光线
13
光线是能够传输能量的几何线，具有方向 光波的传播问题就变成了几何的问题所以称之为几 何光学 当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、衍 射时，再采用物理光学的原理
50
2.6、光学系统设计评价
点列图 弥散斑对应于成像点或光线，集中30%以上的点或光线的圆形
区域为实际有效的弥散斑。适合光学认为光学系统是线性不变系统，传递频率不变。
但受限光学仪器，并非所有的频谱都能传递。用光学传递函数表
示光学系统在成像中的传递能力。与像差和衍射效果有关。
注意：
虚物的产生
虚像的检测
35
第四节 理想像和理想光学系统
为什么要定义理想像
通俗理解：如果要成像清晰，必须一个物点成像为一个像 点 波前理解：入射面为球面波，出射面也为球面波 光束形态理解：入射光为同心光束，出射光也为同心光束 光程理解：同系统任意两条光线走过的光程相等
36
如果一个物点对应唯一的像点
8
第一节 光波与光线
一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待， 光波波长
λ
9
光的本质是电磁波 光的传播实际上是波动的传播
物理光学： 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象
几何光学： 研究光宏观的传播规律和传播现象
10
可见光：波长在400-760nm范围 红外波段：波长比可见光长 紫外波段：波长比可见光短
光学成像系统的优化与设计研究
光学成像系统的优化与设计研究一、背景介绍随着现代科技的快速发展和不断创新，光学成像系统的应用范围也日益扩大。
从肉眼观察、工业制造到医疗诊断、军事侦查等领域都需要光学成像系统的支持。
光学成像系统是通过光学元件对光信号进行处理，最终成像的设备。
光学成像系统的优化和设计对成像效果有很大的影响，因此对其进行研究具有很高的理论价值和实践价值。
本文将对光学成像系统的优化和设计进行深入探讨，并提出一些常用的优化方法和设计策略。
二、光学成像系统的优化方法1.成像质量的判据成像质量是衡量光学成像系统性能的重要指标，可以通过模拟和实验来评估。
光学成像系统的成像质量主要包括以下指标：（1）分辨率：衡量成像系统在检测两个物体间距离时的能力。
分辨率的大小取决于光学成像系统的参数和设计，通常情况下分辨率与波长成反比。
（2）锐度：所得成像的图形显得清晰明了或模糊不清。
影响锐度的因素包括光学系统的像差、物距、焦距和光孔大小等。
（3）畸变：由于光学系统的非理想性质，成像时对被观察物体的形态可能会发生扭曲。
畸变分为径向畸变和切向畸变，径向畸变呈放射状变形，切向畸变则呈像素形变。
（4）色差：由于光的折射率与波长有关，所以不同波长的光经过光学系统后会在焦平面上成像不同位置，导致图像出现色差。
2.光学系统的优化方法（1）选取合适的光学元件光学成像系统中的光学元件包括透镜、棱镜、棱柱、反射镜、光栅、滤波器等。
不同的光学元件有着不同的属性，使用合适的光学元件可以有效地提高成像质量。
例如，使用具有高分辨率的目镜可以提高分辨率。
（2）光学系统的布局设计光学系统的布局设计是影响成像质量的重要因素。
设计时需考虑如何合理摆放各种光学元件和构成光路，尽量去除不必要的部件和光程，提高光学系统的工作效率和精度。
（3）成像系统的调焦方法调焦是提高成像质量的重要方法之一。
调焦过程中需要不断调节镜头与物体之间的距离，直到能够得到高质量的图像。
此外，还可以通过使用自动调焦的设备，使光学成像系统快速自动聚焦。
光学成像技术1 ppt课件
2020/12/2
10
2.粒子说（十七世纪末)
17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光 的研究引向进一步发展的道路。牛顿根据光 的直线传播性质，提出了光是微粒流的理论。 惠更斯反对光的微粒说，从声和光的某些现 象的相似性出发，认为光是在 波。这一时期 中，在以牛顿为代表的微粒说 占统治地位的 同时，以惠更斯为代表的波动 说也初步提出 来了。
光学成像技术
2020/12/2
1
研究范围
❖ 光学研究范围
什么是光 学？
❖ 光学—光现象的科学：光学是物理学的组
成部分。它研究的对象是光。研究的内容
包括光的本性，光的发射、传播、接收，
以及光和物质的相互作用等。
2020/12/2
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
❖ 3、1610年伽里略（1564-1642年）用自己制造的望远镜观 察星体，发现了绕木星运行的卫星，这给哥白尼关于 地球绕 日运转的日心说提供了强有力的证据。
❖ 4、开普勒（1571-1630年）汇集了前人的光学知识，他提 出了用点光源照明时，照度与受照面到光源距离 的平方成反 比的照度定律。他还设计了几种新型的望 远镜，特别是用两 块凸透镜构成的开普勒天文望远镜。
了反射定律（入射光线与反射光线在同一平面内, 球面镜、抛物面镜的性质、人眼结构）
沈括（公元1031－1095）：直线传播、球面镜成像
深入研究
2020/12/2
8
❖ 1、荷兰李普塞（H.Lippershey，1587-1619年）在1608年 发明了第一架望远镜。
❖ 2、十七世纪初延森（Z.Janssen，1588-1632）和冯特纳 （P.Fontana，1580-1656年）最早制作了复合显微镜。
光学设计成像优化理论..共57页文档
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
光学设计成像优化理论..
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
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景
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7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
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后
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若
浮
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9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
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南
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寄
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之
易
安
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谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
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140 D
(3-2)
第3章 光学系统的像质评价和像差容限
图3-9 ISO12233鉴别率板
第3章 光学系统的像质评价和像差容限
分辨率作为光学系统成像质量的评价方法并不是一种完 善的方法：
1.适用于大像差光学系统 2.与实际物体的亮度背景有着很大的差别
3.有时会出现“伪分辨现像”，即分辨率在鉴别率板的 某一组条纹时已不能分辨，但对更密一组的条纹反而可 以分辨
第3章 光学系统的像质评价和像差容限
第3章 光学系统的像质评价和像差容限
3.1 几何像差的曲线表示 3.2 瑞利(Reyleigh)判断和中心点亮度
3.3 分辨率
3.4 点列图 3.5 利用光学传递函数评价成像质量
3.6 其他像质评价方法
3.7 光学系统的像差公差
第3章 光学系统的像质评价和像差容限
XT
yb y a 2h
l l H
第3章 光学系统的像质评价和像差容限
图3-4 子午垂轴像差曲线
第3章 光学系统的像质评价和像差容限
讨论：
1. 宽光束子午场曲和子午垂轴像差曲线上对应的子午光线对
连线的斜率成正比。
2. 过坐标原 点（对应主光线）的切线的斜率和细光束子午场 曲相对应。
3. 子午光线对连线的斜率和切线的斜率之差则和子午球差成
比例，即连线和切线之间的夹角越大，子午球差越大。 4. 子午光线对的连线和纵坐标交点的高度就是子午彗差。
(y'a y'b ) / 2
第3章 光学系统的像质评价和像差容限
图3-5 弧矢垂轴像差曲线
第3章 光学系统的像质评价和像差容限
注意： • 望远镜物镜一般只需要作出球差和轴向 色差曲线以及正弦差曲线。 • 目镜只要作出细光束像散曲线、垂轴色 差曲线和子午彗差曲线.