光学设计第一牛人的光学设计讲义概要
光学设计课程设计
光学设计课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解光学设计的基本概念、原理和方法，掌握光学系统的组成和设计流程，培养学生的创新意识和实践能力。
具体目标如下：1.知识目标：•掌握光学基本概念、原理和定律。
•了解光学系统的组成和分类。
•学习光学设计的方法和步骤。
2.技能目标：•能够运用光学原理分析光学系统。
•掌握光学设计软件的基本操作。
•具备光学系统设计和优化能力。
3.情感态度价值观目标：•培养学生对光学科技的兴趣和热情。
•增强学生的创新意识和团队合作精神。
•培养学生关注社会发展和实际问题的意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.光学基本概念、原理和定律：光的传播、反射、折射、衍射等。
2.光学系统组成：透镜、镜片、光源、探测器等。
3.光学设计方法：几何光学、波动光学、数值光学等。
4.光学系统设计流程：需求分析、光学设计、光学仿真、优化等。
5.光学设计软件操作：Zemax、TracePro、LightTools等。
三、教学方法为实现课程目标，本课程将采用多种教学方法，如：1.讲授法：讲解光学基本概念、原理和定律，以及光学系统设计方法。
2.案例分析法：分析实际光学系统设计案例，让学生了解光学设计的过程和技巧。
3.实验法：让学生动手进行光学实验，培养实际操作能力和实验素养。
4.讨论法：分组讨论光学问题，培养学生的团队协作和沟通能力。
四、教学资源为实现课程目标，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的光学设计教材，如《光学设计》、《光学原理》等。
2.参考书：提供相关领域的参考书籍，如《光学手册》、《光学工程》等。
3.多媒体资料：制作课件、教学视频等，辅助学生理解和掌握光学知识。
4.实验设备：配置光学实验器材，如透镜、光源、探测器等，供学生进行实验。
5.光学设计软件：提供正版光学设计软件，如Zemax、TracePro、LightTools等，供学生学习和使用。
五、教学评估为全面、客观地评估学生的学习成果，本课程将采用以下评估方式：1.平时表现：评估学生在课堂上的参与程度、提问回答等情况，以了解学生的学习态度和实际水平。
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ppt课件
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。
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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。
光学设计知识点总结
光学设计知识点总结光学设计是一门研究和应用光学知识的学科，主要涉及光学设备的设计、优化和评估。
在光学设计过程中，我们需要掌握一些基本的知识点，以便能够准确地进行设计和分析。
本文将对几个重要的光学设计知识点进行总结，并进行适当的拓展。
一、光学成像理论在光学设计中，了解光学成像理论是非常重要的。
光学成像理论主要研究光线在透镜、反射镜等光学元件上的传播、折射和反射规律，以及成像的原理和条件。
其中，光的折射定律和瑞利准则是常用的理论基础。
此外，了解成像的质量评价指标，如分辨率、畸变和像差等也是必不可少的。
二、透镜设计透镜是光学系统中常用的一种光学元件，它能够将光线聚焦或发散。
在透镜设计过程中，需要了解透镜的基本参数，如焦距、孔径和曲率等，并掌握透镜成像的基本规律。
此外，透镜设计还需要考虑透射损耗、散射和吸收等因素，并进行适当的优化以达到设计要求。
三、光学系统设计光学系统是由多个光学元件组成，能够完成特定的光学功能。
在光学系统设计中，需要考虑光学元件的数量、排列和参数，以及它们之间的光学联系。
此外，还需要考虑系统的光学性能，如分辨率、聚焦误差和系统灵敏度等。
光学系统设计还可包括光源的选择和波前调控等方面。
四、光学材料选择在光学设计中，光学材料的选择对于系统的性能和成本起着至关重要的作用。
不同的光学材料有不同的折射率、色散性质和光学损耗等特点。
因此，了解各种光学材料的特性，并能够根据设计要求选择适合的材料是非常重要的。
此外，还需考虑光学材料的加工性能和稳定性等因素。
五、光学模拟与优化光学模拟和优化是光学设计过程中不可或缺的步骤。
通过光学模拟软件，可以对光学系统的性能进行预测和分析。
常用的光学模拟软件有Zemax、Code V等。
在模拟过程中，需要设置光学元件的参数、材料和光源等，并进行光学性能的评估。
根据模拟结果，可以进行后续的优化设计，以满足特定的需求。
光学设计是一门重要而复杂的学科，涉及的知识点广泛而深入。
【免费下载】傅里叶光学讲义
傅里叶光学实验傅里叶光学原理的发明最早可以追溯到1893年阿贝（Abbe ）为了提高显微镜的分辨本领所做的努力。
他提出一种新的相干成象的原理，以波动光学衍射和干涉的原理来解释显微镜的成像的过程，解决了提高成像质量的理论问题。
1906年波特（Porter ）用实验验证了阿贝的理论。
1948年全息术提出，1955年光学传递函数作为像质评价兴起，1960年由于激光器的出现使相干光学的实验得到重新装备，因此从上世纪四十年代起古老的光学进入了“现代光学”的阶段，而现代光学的蓬勃发展阶段是从上世纪六十年代起开始。
由于阿贝理论的启发，人们开始考虑到光学成像系统与电子通讯系统都是用来收集、传递或者处理信息的，因此上世纪三十年代后期起电子信息论的结果被大量应用于光学系统分析中。
两者一个为时间信号，一个是空间信号，但都具有线性性和不变性，所以数学上都可以用傅立叶变换的方法。
将光学衍射现象和傅立叶变换频谱分析对应起来，进而应用于光学成像系统的分析中，不仅是以新的概念来理解熟知的物理光学现象，而且使近代光学技术得到了许多重大的发展，例如泽尼克相衬显微镜，光学匹配滤波器等等，因此形成了现代光学中一门技术性很强的分支学科—傅里叶光学。
实验原理：我们知道一个复变函数f(x,y)的傅立叶变换为：( 1 )⎰⎰+-=ℑ=dxdy vy ux 2i y x f y x f v u F )](exp[),()},({),(πF (u,v)叫作f(x,y)的傅立叶变换函数或频谱函数。
它一般也为复变函数，f(x,y)叫做原函数，也可以通过求 F(u,v)逆傅立叶变换得到原函数f(x,y)：（2）⎰⎰+=ℑ=-dudv vy ux 2i v u F v u F y x f 1)](exp[),()},({),(π在光学系统中处理的是平面图形，当光波照明图形时从图形反射或透射出来的光波可用空间两维复变函数（简称空间函数）来表示。
在这些情况下一般都可以进行傅里叶变换或广义的傅里叶变换。
第4章光学
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。
精品文档-光学设计(刘钧)-第1章
第1章 绪论
4. 以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的 拼接与统算。若结果不合理，则应反复试算并调整各光组的位
5. 绘制各类图纸，包括确定各光学零件之间的相对位置，光 学零件的实际大小和技术条件。这些图纸为光学零件加工、检 验，部件的胶合、装配、校正，乃至整机的装调、测试提供依
第1章 绪论
第1章 绪论
1.2 光学系统设计的具体过程和步骤
1.2.1 光学系统设计的具体过程 1. 从光学系统对使用要求满足程度出发，制定光学系统合理
2. 光学系统总体设计和布局
第1章 绪论
3. 一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段 1) 选型 2) (1) 解析法(代数法) (2) 缩放法 3) 像差校正、平衡与像质评价
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第1章 绪论
每一种知识都需要努力， 都需要付出，感谢支持！
第1章 绪论
知识就是力量，感谢支持！
第1章 绪论
一一一一谢谢大家！！
第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 光学设计的发展概况 1.2 光学系统设计的具体过程和步骤 1.3 仪器对光学系统性能与质量的要求
第1章 绪论
1.1 光学设计的发展概况
1.1.1 光学设计的概念 所谓光学系统设计，就是根据仪器所提出的使用要求，来
决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、 外形尺寸和各光组的结构等。 1.1.2 光学设计的发展概况
第1章 绪论
1.3.4 仪器的使用条件 望远镜的工作放大率应按下式选取: 0.2D≤Γ≤0.75D 有时对光学系统提出的要求是互相矛盾的。这时，应进行
深入分析，全面考虑，抓住主要矛盾，切忌提出不合理的要求。 例如在设计照相物镜时，为了使相对孔径、视场角和焦距三者 之间的选择更加合理，应该参照下列关系式来选择这三个参数:
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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。
光学设计
主讲人：王之江
上海光机所
序言
去年年底，我同王之江先生谈起想在国内举办一次光学设计的讲习班，时隔一天，王先生就认 真地答复愿意承担这一任务。其实，这种类型的讲习班在国际上已经非常普遍，往往伴随着大型学 术会议，会有各类相关专业性很强的速成讲习班。现代社会的发展要求技术专家终生学习！
王之江先生在光学设计方面的成就是有目共睹的。早在上世纪六十年代，就由科学出版社出版 了《光学设计理论基础》一书。该书全面总结发展了像差理论和像质评价理论，形成了全新、完整 的理论体系，奠定了中国特色的光学设计的基石。我国一大批从事光学设计的专家，都得益于王之 江先生及其早期长春光机所同事们卓有成效的科研工作。
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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 。
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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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。
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
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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。 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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
*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。
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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)；
b) 用高斯光学理论，给出高斯结构(多数由“手工”设计)； c) 平衡初级像差和实际像差，使系统残留像差达到公差允限(一般