第八章-光学系统的设计
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。
光学系统设计原理
光学系统设计原理光学系统指的是由光学元件组成的系统，用于控制光的传输和成像。
在光学系统的设计中，需要考虑光学元件的选择、排列和调节等多个方面。
本文将围绕“光学系统设计原理”展开阐述，分步骤介绍光学系统设计的重要原理。
一、光路选择原理光路选择原理指的是在光学系统设计中应该考虑光路的选择。
首先需要确定光路的类型，例如是像差补偿型光路还是透镜型光路。
其次需要考虑光路的长度，长度越长，成像越清晰，但相应的成本也会越高。
最后需要考虑光路的结构，即光学元件的排列顺序和位置。
这里需要注意，光学系统的结构应该是连续的，即光线应该能够直接经过所有光学元件，避免出现光路中断或重合的情况。
二、光学元件选择原理光学系统中常用的光学元件包括透镜、棱镜、衍射光栅和反射镜等。
在选择光学元件时，需要考虑其折射率、直径和质量等因素。
透镜的折射率越高，成像越清晰，但同时也会导致反射镜的重量和体积增加。
棱镜的质量和直径也会影响成像效果，因此需要根据实际需求进行选择。
三、光学元件排列原理光学元件的排列顺序和位置对光学系统的成像效果也有很大的影响。
在排列光学元件时，需要注意以下原则：1. 透镜应该尽量靠近成像面，反射镜应该放在系统的尽头。
2. 光路应该尽可能直线，避免出现弯曲和交叉的情况。
3. 光学元件之间的距离应该尽可能远，避免出现干涉和散射等问题。
四、调节原理在光学系统设计中，需要对光学元件进行调节，以达到最佳成像效果。
调节光学元件时，需要注意以下原则：1. 光学元件需要垂直于光路，避免出现倾斜或旋转的情况。
2. 光学元件之间要保持一定的距离，避免出现干涉和折射等问题。
3. 调节光学元件时应该先调整较大的元件，然后再对小元件进行微调。
总之，在光学系统设计中，需要综合考虑光路选择、光学元件选择、光学元件排列和调节等多个因素，以获得最佳的成像效果。
同时还需要注意光学系统的制造和检测，保证系统的质量和可靠性。
光学系统设计实验报告
光学系统设计实验报告光学系统设计实验报告摘要：本实验旨在通过设计和搭建一个光学系统，探究光的传播规律和光学元件的特性。
通过实验，我们成功设计了一个光学系统，并对其进行了测试和分析。
实验结果表明，光学系统的设计和调整对于光的传播和成像具有重要影响。
引言：光学系统是由光源、光学元件和光学器件组成的系统，用于控制光的传播和成像。
光学系统设计是光学学科的重要分支，广泛应用于光学仪器、通信技术、光学显微镜等领域。
本实验旨在通过设计和搭建一个光学系统，探究光的传播规律和光学元件的特性。
实验方法：1. 准备实验所需材料和仪器，包括光源、透镜、反射镜、光屏等。
2. 搭建光学系统，根据实验要求确定光源和光学元件的位置和方向。
3. 调整光学系统，使光线聚焦在光屏上，并记录调整过程中的观察结果。
4. 测量光学系统的参数，如焦距、放大倍数等，并进行数据分析。
实验结果：通过实验，我们成功设计了一个光学系统，并对其进行了测试和分析。
实验结果表明，光学系统的设计和调整对于光的传播和成像具有重要影响。
首先，我们调整了光源的位置和方向，使光线能够尽可能均匀地照射到光学元件上。
然后，我们调整了透镜的位置和方向，使光线能够聚焦在光屏上。
在调整的过程中，我们发现透镜的位置和方向对于光的聚焦效果有着显著影响。
当透镜与光源的距离增加时，光线的聚焦效果会变差；而当透镜与光源的距离减小时，光线的聚焦效果会变好。
其次，我们测量了光学系统的参数，如焦距和放大倍数。
通过测量，我们发现透镜的焦距与其形状和材料有关。
不同形状和材料的透镜具有不同的焦距，从而影响光的聚焦效果。
此外，我们还测量了光学系统的放大倍数，发现放大倍数与透镜的焦距和物距有关。
当透镜的焦距增大或物距减小时，放大倍数会增大。
讨论：通过本实验，我们深入了解了光学系统的设计和调整原理，以及光的传播规律和光学元件的特性。
光学系统的设计和调整对于光的传播和成像具有重要影响，合理的设计和调整可以提高光学系统的性能和效果。
光学系统设计及其应用研究
光学系统设计及其应用研究光学系统是一种如今广泛应用于各种领域的技术，它可以将光学信息传输、转换和处理，将光的能量转化为电能、热能或机械能等不同类型的能量。
而光学系统设计则是针对不同的应用需求而设计出的光学系统，它可以通过优化光学系统的结构、元件的选择和组装方式等来提高光学系统的性能和效率，满足应用需求。
一、光学系统设计的原理和方法光学系统设计的原理是基于光学折射、反射、衍射等基础理论和光学元件的特性。
设计的方法主要可以分为两类：一种是理论模拟，通过光学软件（如Zemax、Code V等）来进行光学系统的设计、优化和评估。
另一种是实验验证法，在光学实验室中进行光学系统的组装和调试，通过实验数据来验证光学系统的性能。
在理论模拟中，设计者需要首先确定需求，比如光学系统的成像要求、波长范围、物距、焦距等参数，然后再根据需求选择合适的光学元件（如透镜、棱镜、反射镜、光栅等），确定它们的材料、形状、大小和放置位置。
在此基础上，设计者可以通过光学软件来进行光学系统的模拟和优化，比如光路分析、成像分析、光损耗计算等等，通过反复模拟和优化，最终得出一个理想的光学系统设计方案。
在实验验证法中，设计者需要先进行必要的实验前准备，比如选择合适的光学元件、光学仪器、光源等。
接着，通过合理的组装和调试，实验者可以直接观察到光学系统的表现，比如成像质量、衍射图形、光斑大小等等，并通过数据分析和比对来判断光学系统的性能是否符合要求。
如果需要进行优化，则需要通过调整光学元件的位置、大小、形状等参数来实现。
总之，无论是理论模拟还是实验验证，光学系统的设计都需要充分理解光学基础理论和光学元件的特性，合理选取光学元件，并进行合理的组装和调试，从而得出一个满足需求的光学系统设计方案。
二、光学系统设计的应用领域光学系统设计的应用领域非常广泛，以下介绍几个常见的领域：1. 光学成像系统光学成像系统是我们常见的相机、望远镜、显微镜等光学设备的基础，它可以将光学图像转化为电信号，再通过电子技术处理和显示出来。
工程光学—光学系统设计
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。
光学设计论文
第一章前言随着光学设计的发展，光学仪器已经普遍应用在社会的各个领域。
光学仪器的核心部分是光学系统。
光学系统成像质量的好坏决定着光学仪器整体质量的好坏。
然而，一个高质量的成像光学系统要靠良好的光学设计去完成。
光学设计的理论和方法也在发生着日新月异的变化。
光学是研究光的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。
光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。
光的本性也是光学研究的重要课题。
微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。
我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
所谓光学系统设计即设计出系统的性能参数、外形尺寸、和各光组的结构等，大体上分为两个阶段，第一阶段为“初步设计”或者“外形尺寸设计”，即根据仪器总体的设计要求，从仪器总体出发，拟定出光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性。
第二阶段称为“像差设计”，一般称为“光学设计”，即根据初步设计的结果，确定每个透镜的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成型质量成像质量的要求。
一个光学仪器工作性能的优劣，初步设计是关键，当然在初步设计合理的条件下，如果像差设计不当，同样也可能造成不良后果。
一个好的设计应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。
光学设计是20世纪发展起来的一门学科，至今已经经历了一个漫长的过程。
光学系统设计的具体过程：制定合理的技术参数，光学系统总体设计和布局，光组的设计（包括选型，初始结构的计算，像差校正、平衡与像质评价），长光路的拼接与统算，绘制光学系统图、部件图和零件图，编写设计说明书，进行技术答辩。
光学设计的设计步骤为选择系统的类型，分配元件的光焦度，校正初始像差，减小残余像差（高级像差）。
重复以上步骤，最终会找到一个满意结果。
本次设计主要采用ZEMAX光学设计软件已经专门的绘图软件、撰写公式的软件。
第8章 理想光学系统
4)对称轴共轭。即物空间和像空间存在一对唯 一的共轭对称轴。当物点A绕物空间的对称轴 旋转一个任意角α时，它的共轭像点A’也绕像 空间的对称轴旋转角度α，这样的一对共轭轴 称为光轴。 推论：物空间的任一同心光束必对应像空间的 一个同心光束；若物空间中的两点与像空间中 的两点共轭，则物空间两点的连线与像空间两 点的连线也一定共轭；若物空间任意一点位于 一直线上，则该点在像空间的共轭点必位于该 直线的共轭线上。 理想光学系统成像可作为衡量实际光学系统成 像质量的标准，还可成为实际光学系统设计的 初始计算。
f1 f1' xF
(8-23)
由于
' ' lF xF f 2'
lF xF f1
将(8-22)和(8-23)代入可得由主点H2’和H1确定的合 成光组的焦点位置：
f2 l f 1 ' f1 lF f1 1
f x' ' x f
x x1 xF x1 f1 f1' / ，与(8-26)式一起 图8-10可见，
代入垂轴放大率公式得：
f1 f 2 / f1 f 2 f ' x x1 f1 f1 / f1 f1' x1
(8-35)
如果光学系统处于同一介质中，垂轴放大率为：
f x' f ' x' l ' ' x f x f l
(8-12)
6.轴向放大率 理想光学系统的轴向放大率定义为：
dx ' dl ' dx dl
dx
(8-13)
第八章光学系统的像质评价和像差公差
第八章光学系统的像质评价和像差公差光学系统的像质评价和像差公差是光学设计中非常重要的内容，对于确保光学系统的成像效果和减小像差具有重要意义。
本文将从像质评价和像差公差两个方面进行详细介绍。
第一部分：像质评价在光学系统设计中，像质评价是衡量系统成像效果好坏的一项重要指标。
像质评价可以通过不同的参数来进行，如分辨率、畸变、像场曲率等。
1.分辨率：分辨率是指系统能够分辨出最小细节的能力。
在光学系统中，分辨率受到折射率、孔径、波长等因素的影响。
分辨率的提高可以通过增加系统的孔径、减小像散等方法来实现。
2.畸变：畸变是指光学系统成像时图像相对于参考图像的形变情况。
主要分为径向畸变和切向畸变两种。
径向畸变是指图像中心与边缘的变形情况，切向畸变是指图像的扭曲情况。
畸变的产生主要是由于光学元件的形状和定位误差导致的，可以通过优化元件设计和加强装配精度来减小畸变。
3.像场曲率：像场曲率是指光学系统各个像点的焦距随着物距的变化情况。
如果像场曲率过大，会导致成像不清晰，失去焦点。
可以通过调整透镜曲率半径、引入焦点平面等方法来改善像场曲率。
第二部分：像差公差像差是指光学系统成像时图像与理想像之间的差异，它是光学系统中不可避免的问题。
为了减小像差，需要对光学系统进行像差公差的设计和控制。
1.球面像差：球面像差是由于透镜表面的曲率或者抛物率与光线的入射角度不匹配导致的成像失真。
可以通过优化透镜表面形状和选择合适的材料来减小球面像差。
2.形状像差：形状像差是光学元件的形状不规则或者安装位置偏差导致的成像失真。
可以通过优化元件设计和加强装配精度来减小形状像差。
3.色差：色差是指透镜对不同波长的光具有不同的折射率，从而导致颜色偏差。
色差主要分为色散和像散两种。
色散是指透镜对不同波长的光具有不同的聚焦效果，像散是指不同波长的光成像位置不一致。
可以通过使用多片透镜组合、引入补偿透镜等方法来减小色差。
在光学系统设计中，像质评价和像差公差是重要的内容，对于确保系统的成像效果和减小像差具有重要意义。
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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
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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。
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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
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初步分析
自动优化
Solves Merit function Optimization
评价与分析
Ray fans Spot diagram OPD fans Aberrations
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7
其他光学分析软件
ASAP
由美国Breault Research Organization Inc(BRO)公司开发。 强大的光线追迹和计算功能，用于杂光分析和 照明系统设计。
TracePro
与OSLO同公司出品。 容易入门，分析功能强大。
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Lens Data Editors
Merit Function Editors
Surface type Radius Glass Thickness Semi-diameter Conic Parameters
Operand Type Target Weight Value Contribute
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12
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13
面形偏差
被检光学表面相对于参考光学表面（工作样板） 的偏差。
半径偏差：对于参考光学表面曲率半径的偏 差；用光圈数N表示，N的数值表示最大半径 偏差的数值。
像散偏差：两个相互垂直方向上产生的光圈数
15
光学零件的外径和最小厚度
外径余量
光学零件除满足通光口径要求，还要为安装、 支撑和固定提供一定的外沿宽度，即为外径余 量。 根据不同的固定方式采用不同的外径余量。 需要在像差校正阶段给予一定的考虑，否则会 产生边缘厚度过小等问题。
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§ 8－4 ZEMAX光学设计软件
南开大学现代光学研究所
界面介绍
菜单和主要功能
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光学零件材料的要求
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20
光学零件的其他工艺要求和公差
光学零件表面疵病
指表面的麻点、擦痕、开口气泡、破边及破点。 符号B
中心误差
光学表面定心顶点处法线与基准轴（通常光轴） 的偏离量，符号χ（单位分） 用偏心差c表示（焦点像跳动圆半径，单位mm）
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§ 8－5 ZEMAX光学设计基础
南开大学现代光学研究所
单透镜设计
指标要求
F/#=4； 焦距f’=100mm；（可知口径25mm） 平行光入射； 可见光波段；
输入参数
口径；波长；视场； 初始面形参数：R=100mm；BK7；d=4mm； d2=100mm；
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配合公差
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17
中心和边缘最小厚度
加工和安装过程中的强度和刚性保证，对正透 镜的边缘厚度和负透镜的中心厚度有要求。
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不等对应的偏差；用光圈数Δ1N表示。
局部偏差：在任一方向上产生的干涉条纹局部
不规则程度；用光圈数Δ2N表示。
如标注ΔN的数值则表示最大像散光圈和局部
光圈数值相等。
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22
中心厚度公差
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光学零件的倒角
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10
§ 8－2 光学设计中涉及的光学零件加
工和装配工艺要求
南开大学现代光学研究所
光学零件的表面误差
光学样板
光学车间球面透镜生产对加工质量的检验 通常每个曲率半径对应一个样板。 测量基准；精度要求远高于一般球面。 精度要求用ΔR表示，分为A、B两级。 设计中应尽量采用样板库中的曲率半径数值， 即靠样板。 先多后少；先精后粗；先疏后密；先大后小。
表格和图形窗口；输入修改方便。
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4
光学设计软件能做什么？
输入输出给定的系统结构参数，画出光学系统 的二维或三维图； 计算各种光线的光路和光程，给出各种像质评 价指标； 供用户设定评价函数进行优化设计； 提供一定的二次开发环境。
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窗体 菜单 快捷按钮 编辑窗体
File Editors System Analysis Tools Reports Macros Extensions Windows
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第八章
光学系统的设计
南开大学现代光学研究所
目录
8-1 常用光学设计软件 8-2 光学设计中涉及的光学零件加工和装
配工艺要求 8-3 光学零件制图 8-4 ZEMAX光学设计软件 8-5 ZEMAX光学设计基础 8-6 光学系统设计实例
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自动优化
设定评价函数 增加变量
工程化
靠样板 调整工艺参数 公差分析 工程制图
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常用光学设计软件
CODE V
美国Optical Research Associates（ORA）公司 出品。 先进的全局优化算法，优化计算速度快。 程序接口方便，易于和ORA公司其他软件共享 数据。 宏语言功能强大，易于编写。
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常规光学系统设计基本流程
确定指标（波长、焦距、视场、相对口径、分辨率、 口径、基本光学外形尺寸、像差要求等）
选择初始结构
在软件中输入基本参数
根据要求优化设计
靠样板；确定零件外径和最小厚度；公差分析
否 达到像质和工艺要求？
是
光学零件制图
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6
OSLO
源自美国罗切斯特大学光学研究所，目前由美 国Lambda Research Corporation公司出品。 交互性好 程序接口方便，可与公司其他软件共享数据。
ZEMAX
美国ZEMAX Development Corporation公司出品。 容易入门，可操作性强。
24
§ 8－3 光学零件制图