仪器光学系统设计及成像系统
试论红外偏振成像系统光学设计
试论红外偏振成像系统光学设计1. 引言1.1 研究背景红外偏振成像技术是一种重要的光学成像技术，通过探测目标物体在红外波段的偏振特性来实现高分辨率成像。
红外偏振成像技术在军事、安防、医疗、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
目前，随着红外探测器和光学元件制造技术的不断发展和进步，红外偏振成像系统的光学设计越来越受到人们的关注。
在现实世界中，许多目标物体的特征信息都可以通过其在红外波段的偏振特性来进行表征和识别。
不仅可以在日常生活中用于安全检测和犯罪侦查，还可以在医疗领域用于疾病诊断和药物研发。
红外偏振成像技术的发展受到光学设计的限制。
对红外偏振成像系统光学设计进行深入研究和优化具有重要的意义。
通过对红外偏振成像技术的研究和实践，可以更好地理解光学设计原理和流程，进一步提高成像系统的性能和分辨率。
研究红外偏振成像系统的光学设计也可以为相关行业提供更多的创新思路和解决方案，推动该技术在各个领域的广泛应用和发展。
1.2 研究意义红外偏振成像技术在军事、安防、医学和工业领域具有重要的应用价值，可以实现对物体表面的高分辨率成像和材料特性的识别。
红外偏振成像系统的光学设计是整个成像系统中至关重要的一环，直接影响到成像效果和系统性能。
深入研究红外偏振成像系统的光学设计原理和方法具有重要意义。
光学设计是红外偏振成像系统中的关键技术之一，对于提升系统的成像质量和分辨率具有至关重要的作用。
通过合理设计光学系统的光路结构和光学元件的参数，可以有效地优化成像系统的性能，提高成像的清晰度和准确度。
光学设计在红外偏振成像技术的应用中具有广泛的实用性和推广价值。
通过对光学设计原理和流程的深入研究和探讨，可以为工程师和研究人员提供指导和借鉴，帮助他们更好地设计和优化红外偏振成像系统，推动该技术在各个领域的应用和发展。
研究红外偏振成像系统的光学设计具有重要的意义和实用价值。
1.3 研究目的研究目的是为了深入探讨红外偏振成像系统光学设计的原理和方法，以提高系统的成像效果和性能。
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。
什么是光的光学仪器和光学设计
光学仪器是用于检测、测量和操作光的设备和工具，它们基于光的传播、反射、折射、干涉和衍射等现象来实现特定的功能。
光学设计则是通过优化光学系统的构成和参数，以实现特定的光学性能和功能。
本文将详细介绍光学仪器和光学设计的原理、方法和应用。
一、光学仪器的原理和分类：光学仪器是利用光的传播和相互作用来检测、测量和操作光的设备和工具。
它们基于光的特性和光学元件，如透镜、反射镜、光栅等，实现特定的功能。
常见的光学仪器包括以下几种：1. 显微镜：利用透镜和光学系统来放大和观察微小物体的设备。
它可以通过调整放大倍数和对焦距离来获得高分辨率的图像。
2. 望远镜：利用反射镜或透镜等光学元件来放大远处物体的设备。
它可以通过调整焦距和放大倍数来观察远处天体或景物。
3. 光谱仪：用于测量和分析光的波长和强度分布的设备。
它可以通过光栅、棱镜或干涉仪等光学元件对光进行分散、分光和检测。
4. 干涉仪：利用光的干涉原理来测量物体的形状、厚度或折射率等参数的设备。
常见的干涉仪包括白光干涉仪、迈克尔逊干涉仪和弗罗格干涉仪等。
5. 激光器：产生激光光束的设备。
它利用光的受激辐射和放大过程来产生一束高强度、单色和相干性很好的光。
二、光学设计的原理和方法：光学设计是通过优化光学系统的构成和参数，以实现特定的光学性能和功能。
它基于光的传播和相互作用，利用光学元件和光学系统的特性和参数，以满足特定的设计要求。
常见的光学设计方法包括以下几种：1. 几何光学设计：基于几何光学原理，通过光的传播和物体的几何形状来设计光学系统。
例如，通过选择适当的光学元件和调整其参数，以实现特定的光学成像、放大或聚焦等功能。
2. 光线追迹法：通过追踪光线的传播路径和相互作用，以预测和优化光学系统的性能。
它可以用于设计光学系统的光路、像差校正和光源布局等。
3. 波前传播法：通过模拟光的波前传播和相位变化，以预测和优化光学系统的成像质量和像差。
它可以用于设计光学系统的透镜曲率、光阑尺寸和光学元件的位置等。
光学显微镜成像系统设计参数计算
光学显微镜成像系统设计参数计算光学显微镜是一种广泛应用于生物学、物理学和材料科学等领域的重要工具。
在设计光学显微镜成像系统时，需考虑多个参数来确保所获得的成像质量和解析度满足应用的要求。
本文将介绍光学显微镜成像系统设计所需考虑的参数，并结合具体计算方法进行展示。
首先，一个重要的参数是放大倍率。
放大倍率指的是显微镜物镜焦距与目镜焦距之间的比值。
放大倍率的选择取决于需要观察的样品和所需的细节分辨能力。
常见的放大倍率范围从40倍到1000倍不等。
对于生物组织的观察，通常使用低放大倍率以获得大范围的视野；而对于观察细胞和微生物等微观结构时，需要较高的放大倍率。
对于成像系统的分辨率要求，另一个重要的参数是数值孔径。
数值孔径是一个与物镜的设计相关的参数，用于衡量物镜的光学性能。
数值孔径的值越大，分辨能力越好。
根据Abbe公式，数值孔径与最小可分辨距离之间存在线性关系。
需要注意的是，数值孔径值越大，所需的光照条件和样品制备要求也越高。
除了放大倍率和数值孔径之外，还有其他一些关键参数需要考虑。
光源的亮度和稳定性对于成像系统的性能影响很大。
亮度越高、稳定性越好的光源可以提供更好的光照条件，从而获得更清晰的图像。
此外，光源的颜色温度也要匹配样品的属性，以确保所获得的图像色彩准确。
另一个重要参数是检测器的灵敏度和噪声水平。
高灵敏度的检测器可以捕捉到更弱的信号，而低噪声水平可以提高图像质量。
在计算参数时，我们可以从物镜和目镜的参数开始。
物镜的焦距、数值孔径和视场直径是固定的参数，我们可以根据这些数值来选择最合适的物镜。
目镜的焦距和视场直径也是需要考虑的参数。
我们可以根据所需的放大倍率和视野大小来选择最适合的目镜。
对于需要测量样品的大小，我们可以利用物镜和目镜的焦距以及放大倍率来估算图像的实际大小。
光源的亮度可以通过测量光源的流明输出来计算。
流明是一种衡量光源总辐射功率的单位。
我们还可以计算所需要的平均光强度，通过除以样品的视场面积来得到。
工程光学复试知识点总结
工程光学复试知识点总结第一部分：基本概念1.1 光学基础知识光的概念、光的传播、光的反射和折射、光的波动性和粒子性等1.2 光的几何光学光的几何光学基本假设、光的几何光学基本定律、光的几何光学的典型应用1.3 光的物理光学光的物理光学基本原理、光的衍射和干涉、光的偏振等第二部分：光学系统设计2.1 光学成像系统设计成像系统设计的基本原理、成像系统设计的基本方法、成像系统设计的常见问题及解决方法2.2 光学仪器设计光学仪器设计的基本原理、光学仪器设计的基本方法、光学仪器设计的实际应用2.3 光学系统优化光学系统的成像质量评估、光学系统的成像质量优化、光学系统的成像质量控制第三部分：光学材料与元器件3.1 光学材料光学材料的基本特性、光学材料的分类与应用、光学材料的制备和加工技术3.2 光学元器件光学透镜、光学棱镜、光学偏振器件、光学滤波器件等光学元器件的基本原理、性能特点和制备工艺3.3 光学薄膜光学薄膜的基本原理、光学薄膜的设计和制备、光学薄膜的应用和发展趋势第四部分：光学测量与检测技术4.1 光学测量基础光学测量的基本原理、光学测量的基本方法、光学测量的常见问题及解决方法4.2 光学检测技术光学检测技术的基本原理、光学检测技术的基本方法、光学检测技术的实际应用4.3 光学测量仪器光学显微镜、光学干涉仪、光学光谱仪等光学测量仪器的基本原理、性能特点和使用方法第五部分：光学影像处理与分析5.1 光学影像处理基础光学影像处理的基本原理、光学影像处理的基本方法、光学影像处理的常见问题及解决方法5.2 光学影像分析技术光学影像分析技术的基本原理、光学影像分析技术的基本方法、光学影像分析技术的实际应用5.3 光学影像处理与分析软件常用的光学影像处理与分析软件的特点、功能和使用方法第六部分：光学工程应用6.1 光学传感技术光学传感技术的基本原理、光学传感技术的常见应用、光学传感技术的发展趋势6.2 光学通信技术光学通信技术的基本原理、光学通信技术的常见应用、光学通信技术的发展趋势6.3 光学图像识别技术光学图像识别技术的基本原理、光学图像识别技术的常见应用、光学图像识别技术的发展趋势综上所述，工程光学是应用光学理论和技术解决实际工程问题的一门重要学科，它涵盖了从基本光学理论到光学系统设计、材料与元器件、测量与检测技术、影像处理与分析、工程应用等多个方面的知识，具有广泛的应用领域和深远的研究价值。
光学工程中的光学成像系统设计
光学工程中的光学成像系统设计在光学工程领域中，光学成像系统的设计起着至关重要的作用。
光学成像系统是指利用光学原理将被观察物体的信息转换成可观测图像的装置。
它广泛应用于摄影、无人机航拍、医学成像等领域。
光学成像系统的设计涉及到光学元件的选择、系统布局和图像质量优化等多个方面。
在本文中，我们将介绍光学成像系统设计的一般步骤和关键要素。
首先，光学成像系统设计的第一步是明确成像需求和系统约束。
在进行光学成像系统的设计之前，我们需要明确需要成像的物体特性、成像距离、图像清晰度要求等参数。
同时，还需要考虑到系统限制，比如可用的光学元件、成本预算和系统尺寸等因素。
明确这些需求和约束可以为后续的设计提供指导和约束。
其次，光学成像系统设计的关键环节之一是光学元件的选择。
光学元件是构成光学成像系统的重要组成部分，其选择将影响系统的成像质量和性能。
常用的光学元件包括透镜、反射镜、光栅等。
根据成像需求，我们需要选择适当的光学元件，并进行性能评估。
比如，透镜的选择应考虑到焦距、孔径大小和色差等因素，而反射镜的选择则需要考虑到反射率和光学形状等。
在光学元件的选择之后，第三步是光学系统的布局设计。
布局设计是指确定各个光学元件的位置和相对关系。
布局设计的目标是使得光线能够传输在系统中并聚焦于成像平面上，同时尽量减小系统的光学畸变和像散。
光学系统的布局设计需要考虑到物体和成像平面之间的距离、光学元件之间的距离和相对角度等。
一般地，光学元件之间的距离越大，系统的畸变和像散越小。
第四步是通过系统优化来改善图像质量。
在光学成像系统设计过程中，常常需要进行图像质量评估和系统优化。
图像质量评估可以通过模拟仿真和实验测量等方式进行。
根据评估结果，我们可以对系统参数进行调整，如透镜孔径、焦距、位置等，以达到优化图像质量的目的。
在优化过程中，需要注意光学元件的色散补偿和像差校正，以提升图像的清晰度和准确性。
最后一步是进行光学成像系统的组装和测试。
高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计
航天返回与遥感第42卷第1期92SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING2021年2月高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计王保华李可唐绍凡张秀茜王媛媛（北京空间机电研究所，北京 100094）摘要针对高空间分辨率、高光谱分辨率和大幅宽成像的遥感应用需求，提出了高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪技术方案，分析确定了成像光谱仪光学系统指标，设计了空间成像光学系统和光谱成像光学系统。
空间成像光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案，实现了大视场、大相对孔径像方远心设计，系统相对畸变小于0.02%；光谱成像光学系统的狭缝长度超过90mm，采用新型离轴透镜补偿型Offner设计方案，实现了长狭缝高保真光谱成像设计，谱线弯曲和色畸变均小于1/10像元尺寸。
设计结果表明，高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统简单紧凑，成像品质接近系统衍射极限，满足星载高光谱对地成像的数据应用要求。
关键词成像光谱仪光学系统设计自由曲面凸面光栅航天遥感中图分类号: O439文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2021)01-0092-08DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.011Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer withHigh Resolution and Super SwatchWANG Baohua LI Ke TANG Shaofan ZHANG Xiuqian WANG Yuanyuan（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）Abstract In order to meet the requirements of remote sensing applications with high spatial resolution, hyperspectral resolution and super swatch, a new scheme of the space imaging spectrometer with high resolution and super swatch is put forward. The spatial resolution and swatch are 50m and 150km respectively, and the hyperspectral resolution can be better than 5nm between 0.4μm and 1.0μm. The comprehensive performance has reached the international advanced level. The index parameters are optimized based on SNR and the modulation transfer function. Then the space imaging optical system and the spectrum imaging optical system are designed according to the optical desigh parameters. The free-form surface is adopted for the off-axis mirror to realize telecentric design of wide field of view and large relative aperture. The relative distortion is lower than 0.02%. The slit length is over 90mm in the spectrum imaging optical system. And the new oftener configuration with off-axis correction lens is put forward to realize high fidelity design. The keystone and smile can be both controlled within 1/10 pixel. The optical system of the space imaging spectrometer with high resolution and super-swatch has so favorable imaging quality and compact volume,收稿日期：2020-03-02基金项目：科技部国家重点研发计划项目（2016YFB0500501）引用格式：王保华, 李可, 唐绍凡, 等. 高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(1): 92-99.WANG Baohua, LI Ke, TANG Shaofan, et al. Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer withHigh Resolution and Super Swatch[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 92-99. (in Chinese)第1期王保华等: 高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计 93which can satisfy the demand of remote sensing application.Keywords imaging spectrometer; optical system design; free-form surface; convex grating; space remote sensing0 引言成像光谱仪是一种将成像技术与光谱技术相结合的新型光学遥感仪器，可以同时采集目标的空间信息、辐射信息和光谱信息，形成谱像合一的数据立方体，在大气、陆地、海洋、农林、应急减灾、水土和矿产资源调查等领域具有重要应用价值[1-3]。
航空航天器的光学成像系统设计与性能评估
航空航天器的光学成像系统设计与性能评估光学成像系统是航空航天器中关键的设计和评估要素之一。
它在航天器的任务中起着至关重要的作用，如观测地球表面、天文观测、空间碎片监视等。
本文将围绕航空航天器的光学成像系统设计和性能评估展开讨论。
一、航空航天器光学成像系统的设计航空航天器的光学成像系统设计需要考虑许多因素，包括光学仪器的布局、光学元件的选择、成像质量要求等。
1. 光学仪器的布局光学仪器的布局取决于航空航天器的类型和任务。
一般来说，光学成像系统需要具备高分辨率、大视场和高灵敏度等特点。
因此，仪器的布局必须优化，以确保仪器能够满足任务需求。
2. 光学元件的选择在光学系统中，光学元件的选择对成像效果至关重要。
例如，透镜的折射率、反射镜的反射率等都会直接影响成像质量。
因此，必须根据任务需求选择适当的光学元件。
3. 成像质量要求成像质量是评估光学成像系统性能的重要指标之一。
它可以通过分辨率、畸变、像差等方面来衡量。
在设计过程中，必须根据任务需求确定成像质量要求，并通过优化光学系统的设计来实现。
二、航空航天器光学成像系统的性能评估航空航天器光学成像系统的性能评估是确保光学成像系统工作正常的关键环节。
它可以通过模拟、实验和理论分析等方法来进行。
1. 模拟方法模拟方法是一种常用的光学成像系统性能评估方法。
通过建立光学成像系统的数学模型，可以模拟光学成像系统的工作原理和性能指标。
通过改变模型中的参数，可以评估不同条件下系统的性能。
2. 实验方法实验方法是在实际光学成像系统上进行性能评估的方法。
通过实际测量和测试，可以获得光学成像系统的性能指标，如分辨率、畸变、像差等。
同时，实验方法还可以验证理论模型的正确性。
3. 理论分析方法理论分析方法是通过理论推导和计算来评估光学成像系统的性能。
通过建立光学成像系统的数学模型和方程，可以分析系统的性能指标，并得到系统的性能分析结果。
三、航空航天器光学成像系统的应用和前景航空航天器的光学成像系统在地球观测、天文观测和空间碎片监视等方面具有广泛的应用和前景。
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广义多元微分为零 将四条基本定律进行统一概括 光程：几何路径与折射率的乘积 理解：揭示的是光传播的稳定性，即光程具有极 值，光程是极大、极小还是其他定值可以通过变 微分公式算出
少介质，走过什么样的路径，其光程是稳定的。（具有 稳定值或极值）
23
6、马吕斯定律
马吕斯定律： 光线束在各向同性均匀介质中传 播时，始终保持与波面的正交性，并且入射波 面与出射波面各对应点之间的光程为定值
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
光线是光学系统简化设计的重要前提，是成像光学系统设计 的理论基础
12
第二节
几何光线基本定律
一、光的传播现象的分类
灯泡
空气
玻璃
13
光的传播可以分类为：
1、光在同一种介质中的传播； 2、光在两种介质分界面上的传播。
14
二、几何光学基本定律
1、光线在同一种均匀透明介质中时：
成分均匀
透光
直线传播定律·
2、光线在两种均匀介质分界面上传播时，
反射定律
3、 折射定律
15
AO: 入射光线 OB: 反射光线
A
N
B
OC: 折射光线
NN: 过投射点所做的分界面法线 I1: 入射光线和分界面法线的夹角 ，入射角 R1: 反射光线和分界面法线的夹 角， 反射角 I2: 折射光线和分界面法线的夹角 ，折射角
35
如果一个物点对应唯一的像点 则平面成像为平面
36
符合点对应点，直线对应直线，平面对应平面的像称为 理想像
能够成理想像的光学系统称为理想光学系统
37
共轴理想光学系统的成像性质
1.轴上点成像在轴上
B
A’
A
B’
2.过光轴的某一截面内的物点对应的像点位在同一平面内
3.过光轴任一截面内的成像性质是相同的 空间的问题简化为平面问题，系统可用过光轴的一个截面来 代表
A和A′称为共轭点。 A’与A互为物像关系，在几何光学 中称为“共轭”。
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透镜成像原理 正透镜：正透镜中心比边缘厚，光束中心部分走的慢，边 缘走的快。
P P’
A
Q
O
O’
A’
Q’
成实像
30
负透镜: 负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，光束 中心部分走得快，边缘走得慢。ALeabharlann A’成虚像31
名词概念
系统外形尺寸 系统的外形尺寸，即系统的轴向尺寸和径向尺寸。 成像质量要求 按其用途不同的光学系统具有不同的成像质量。望远系统和显微系统中心 视场成像质量要求较高，照相物镜要求整个视场都具有较好的成像质量。
仪器使用要求 根据仪器的使用条件，光学系统应具有一定的稳定性、抗振性、耐热性和 耐寒性，保证仪器在特定的环境下能正常工作。 光学系统的使用要求应考虑技术和物理上实现的可能性。例如：生物显微 镜500NA<Г<1000NA，望远镜0.2D≤Г≤0.75D。
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共轴理想光学系统的成像性质
4.当物平面垂直于光轴时，像平面也垂直于光轴
39
5. 当物平面垂直于光轴时，像与物完全相似
像和物的比值叫放大率
y' y
所谓相似，就是物平面上无论什么部位成像，都是按同一放大 率成像。即放大率是一个常数。
40
第二章 仪器光学设计基本理论
41
参考书籍
《光学仪器总体设计》-王家琪（航天相机方面 权威） 《光学系统设计》ikin（美）（光学 设计常用） 《光学设计》-刘钧，高明（内容详实全面） 《光机系统设计》-Paul R.Yoder（光机结构最 权威经典参考书） 《反射棱镜与平面镜系统》-连铜淑（装调与稳 像领域最权威详实的著作） 《实用光学技术手册》-机械工业出版社（精简 版光学手册，偶尔闲翻最佳书品）
按有无对称轴分： 共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统：没有对称轴线 按介质分界面形状分： 球面系统：系统中的光学零件均由球面构成
非球面系统：系统中包含有非球面
共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一条 对称轴线
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成像基本概念 透镜类型 正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜
会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转
负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜
发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转
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透镜作用－－－成像
A
A’
A’点称为物体A通过透镜所成的像点。而把A称为物点
A′为实际光线的相交点，如果在A′处放一屏幕，则可以
在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。
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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。适合大像差光学系统。
光学传递函数MTF 傅里叶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。
9
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
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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
11
6
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
7
光的本质是电磁波 光的传播实际上是波动的传播
研究光的本性，并由此来研究各种光学现象
物理光学：
几何光学： 研究光宏观的传播规律和传播现象
8
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
理解：马吕斯定律定义了光线传播方向，同时从波前角度阐 释了光线传播过程中光程的特征
24
第三节
光学系统类别和成像的概念
各种各样的光学仪器 显微镜:观察细小的物体 望远镜:观察远距离的物体 各种光学零件——反射镜、透镜和棱镜
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光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求
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光学系统分类
第二阶段：根据初步设计结果，确定每个镜头的具体结构参数（半径 、厚度、间隔、玻璃材料），以保证满足系统光学特性和成像质量的 要求。这一阶段的设计称为“像差设计”，一般简称“光学设计”。
这两个阶段既有区别又有联系。在不同类型的仪器中所占的地位和 工作量不同。如大部分军用光学仪器中，初步设计比较繁重，而像差设 计相对比较容易；一般显微镜和照相机中，初步设计比较简单，而像差 设计比较复杂。
人眼光学系统 放大镜光学系统 成像光学系统设计 显微光学系统 望远光学系统 仪器光学设计 照相光学系统
照明光学系统（能量）
非成像光学系统设计
激光光学系统（测量）
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2.3、光学系统设计
设计仪器中的光学系统，大体上可分为两个阶段。
第一阶段：根据仪器总体技术要求（性能指标、外形体积、重量及相 关技术条件），从仪器总体（光学、机械、电路及计算技术）出发， 拟定光学系统原理图，并初步计算系统外形尺寸，以及系统中各部分 要求的光学特性等。一般称这一阶段的设计为“初步设计”或者“外 形尺寸计算”。
仪器光学系统设计
1
课程基本内容
第一章 几何光学基本 原理 第二章 仪器光学设计 基本理论 第三章 典型成像仪器光学系统设计 第四章 非成像仪器光学系统设计 第五章 仪器光学系统装调理论及方法
2
第一章
几何光学基本原理
3
应用光学讲稿
参考书籍
• • • • • 《工程光学》-郁道银、谈恒英（工科经典） 《应用光学与光学设计基础》-迟泽英（内容全面） 《几何光学》-张以谟（使用广泛） 《应用光学》-王文生（光学设计详细） 《光学原理》-马科斯.波恩（德）；埃米尔.沃尔夫 （美）（经典，全面详细）
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2.7、光学系统应用领域
摄像机、照相机（光学防抖） 光存储（如超大孔径读写物镜） 光通信（如梯度折射率光学材料，微透镜阵列） 光显示（大视场、大孔径物镜） 芯片技术（制造、检测） 医疗设备（治疗、诊断） 紫外、红外观测 军事国防应用 遥感、遥测、侦查
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2.6、光学系统设计评价
光学系统成像质量 点成像弥散斑尺寸，衍射效应或几何像差，弥散斑尺寸 及能量分布，图像对比度衰减，系统整体质量。
像质评价方法
a瑞利判断：实际波面与理想波面之间的最大波像差小于
1/4波长，此波面可看作是无缺陷的。
b分辨率：当一个点的衍射图中心与另一个点衍射图的第一 暗环重合时，恰好能分辨。衍射理论的最小分辨角 Δθ=1.22λ/D
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2.4、光学系统设计步骤
光学设计就是选择和安排光学系统中各光学零件的材料、曲率和间 隔，使得系统的成像符合应用要求。一般设计过程基本是减小像差到可以 忽略不计的程度。光学设计可以概括为以下几个步骤： （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）
像：出射光线的交点 实像点：出射光线的实际交点 虚像点：出射光线延长线的交点
• 物：入射光线的交点
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实物点：实际入射光线的交点
虚物点：入射光线延长线的交点
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像空间：像所在的空间