工程光学设计大作业
工程光学课程设计
工程光学课程设计设计名称：工程光学课程设计院系名称：专业班级：学生姓名：学号：指导教师：XXX教务处制20 13 年12 月工程光学课程设计评分表最后成绩的以优（90~100）、良（80~89）、中（70~79）、及格（60~69）和不及格（少于60分）五级给出。
第1章引言1.1 简单介绍对于实际的光学系统来说，它的成像往往是非完善成像，对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣，是光学设计中遇到的一个重要问题.在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中，计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的一种重要手段.其中，由美国焦点软件公司所发展出的光学设计ZEMAX，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是可以运算Sequential及Non-Sequential的软件.其主要特色有分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG等，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。
但是，这里必须强调一点的是，ZEMAX软件只是一个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进行光学设计，而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量所以，在应用本教程进行光学辅助设计之前，您最好先学习一下光学设计的有关知识：首先是几何光学基础，几何光学是光学设计的基础，要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺寸计算方法，了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程.实际光学系统大多由球面和平面构成。
记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式，了解公式中各参数的几何意义是必要的，具体公式可参考有关光学书籍，在此就不一一介绍了。
对于平面零件有平面反射镜和棱镜，它们的主要作用多为改变光路方向，使倒像成为正像，或把白光分解为各种波长的单色光.在光学系统中造成光能损失的原因有三点：透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失。
基于ZEMAX的工程光学课程设计
以下为本次课程设计作业报告的格式和范例，要求同学们结合自己所做工作进行改动，不得摘抄范例！在相机镜头作业完成后附录上入门教学中所有例子的report graphic 6 (见zemax>reports menu)，在完成以上作业情况下，感兴趣的同学可做《光设ZEMAX_实验讲义》中的范例和本次课程设计中相机镜头的公差分析，可进一步实质性的学习光学设计，学习结果也可附录在报告后面。
《Zemax软件设计教程_1》和《光学设计实例-黄惠杰》，是上光和长光的培训课件，同学们可做进一步了解光学设计的理论知识和设计思路。
有什么问题，欢迎同学们提问！工程光学课程设计名称：工程光学课程设计院系：电子科学与应用物理学院班级：应用物理10- 学号：学生姓名：指导教师：2013 年 07 月日设计过程2.1初始结构的选择照相物镜属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂, 所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定, 而是根据要求从手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。
在选择初始结构时, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一般在相对孔径和视场角达到要求时, 我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值。
原设计要求：1、焦距：f’=12mm；2、相对孔径D/f’不小于1/2.8；3、图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm；4、后工作距>6mm5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；6、成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm。
7、最大畸变<1%照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围, 镜头所成的半像高y 可用公式y = -f tanw计算, 其中f 为有效焦距, 2w 为视场角。
工程光学课程设计zemax
工程光学课程设计 zemax一、教学目标本课程的目标是让学生掌握工程光学的基本原理和应用技能，能够使用Zemax等光学设计软件进行简单的光学系统设计和分析。
知识目标包括了解光的传播、反射、折射等基本特性，掌握透镜、镜片等光学元件的设计和计算方法；技能目标包括能够运用Zemax进行光学系统的设计和仿真，分析光学系统的性能和优化方法；情感态度价值观目标包括培养学生的创新意识、团队合作能力和解决问题的能力。
二、教学内容教学内容主要包括光的传播、反射、折射等基本特性，透镜、镜片等光学元件的设计和计算方法，以及Zemax等光学设计软件的使用技巧。
具体的教学大纲如下：1.光的传播和反射：介绍光的基本特性，包括光的传播速度、传播方向等，以及光的反射定律和反射镜的设计方法。
2.光的折射和透镜：介绍光的折射定律和透镜的分类，包括凸透镜、凹透镜等，以及透镜的设计和计算方法。
3.光学系统设计：介绍光学系统的基本构成和设计方法，包括透镜组的设计、光学系统的性能分析等。
4.Zemax使用技巧：介绍Zemax的基本操作和功能，包括光学系统的建立、参数设置、仿真分析和优化方法。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
包括：1.讲授法：通过讲解光的传播、反射、折射等基本原理和透镜、镜片等光学元件的设计方法，使学生掌握基本概念和理论知识。
2.案例分析法：通过分析实际的光学系统设计案例，使学生能够将理论知识应用到实际问题中，培养学生的实际操作能力。
3.实验法：通过实验室的实践操作，使学生能够亲手搭建光学系统，观察光学现象，加深对光学原理的理解和掌握。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，将选择和准备以下教学资源：1.教材：《工程光学》教材，用于学生学习和复习基本理论知识。
2.参考书：《光学设计手册》等参考书籍，供学生深入学习和参考。
3.多媒体资料：制作相关的教学PPT和视频资料，用于课堂讲解和复习。
基于matlab的衍射系统仿真 -
成绩：《工程光学》综合性练习二题目：基于matlab的衍射系统仿真学院精密仪器与光电子工程学院专业测控技术与仪器年级20**级班级**班姓名20**年**月综合练习大作业二一、要求3-4人组成小组，对下面给出的各题目利用Matlab等工具进行仿真。
练习结束时每组提交一份报告及仿真程序。
在报告中应注明各仿真结果所对应的参数，如屏与衍射屏间距、孔径形状尺寸等。
二、仿真题目1.改变观察屏与衍射屏间距，观察观察屏上发生的衍射逐渐由菲涅耳衍射转为夫琅和费衍射1)原理图：S点光源发出的波长lam=500纳米S点发出光线经过单缝，缝宽a；单缝到衍射屏的距离L'2)Matlab代码clear;clcl=10;%l=input('单缝到衍射屏的距离L=');a=0.2;%a=input('单缝的宽度(mm)a=');lam=500e-6;%lam=input('波长(nm)');x=-1:0.001:1;%接收屏边界y=x./sqrt(x.^2+l^2);z=a.*y/lam;I=1000*(sinc(z)).^2;%计算接受屏某点光强subplot(2,1,1)%绘制仿真图样及强度曲线image(2,x,I)colormap(gray(3))title('单缝衍射条纹')subplot(2,1,2)plot(x,I)title(光强分布)3)初始仿真图样（d=10）4)改变d之后的图样(d=1000)5)变化规律根据衍射屏以及接受屏的相对位置不同，由此产生菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射的区别，根据我们模拟的情况得到菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射的明显不同是夫琅禾费衍射条件下：中央有一条特别明亮的亮条纹，其宽度是其他亮条纹的两倍；其他亮条纹的宽度相等，亮度逐渐下降。
2.改变孔径形状、尺寸，观察图样变化1）原理图矩孔衍射：透镜焦距：1000mm;照射光波长：500nm;孔高：a（mm）；孔宽：b（mm）；圆孔衍射：圆孔直径：r（mm）；照射光波长：500nm;照射光波长：500nm;2）matlab代码矩孔衍射：focallength=1000;lambda=500;a=2.0;b=2.0;resolution=64;center=(resolution)/2;A=zeros(resolution,resolution);for i=1:1:resolutionfor j=1:1:resolutionif abs(i-center)<a*10/2&abs(j-center)<b*10/2 A(j,i)=255;endendendE=ones(resolution,resolution);k=2*pi*10000/focallength/lambda;imag=sqrt(-1);for m=1:1:resolutionx=m-center;for n=1:1:resolutiony=n-center;C=ones(resolution,resolution);for i=1:1:resolutionp=i-center;for j=1:1:resolutionq=j-center;C(j,i)=A(j,i)*exp(-imag*k*(x*p+y*q)); endendE(n,m)=sum(C(:));endendE=abs(E);I=E.^2;I=I.^(1/3);I=I.*255/max(max(I));L=I;I=I+256;CM=[pink(255).^(2/3);gray(255)];Colormap(CM);edge=(resolution-1)/20;[X,Y]=meshgrid([-edge:0.1:edge]);x=linspace(-edge,edge,resolution);y=linspace(-edge,edge,resolution);subplot(1,2,1);surf(x,y,L);axis([-edge,edge,-edge,edge,0,255]);caxis([0,511]);subplot(1,2,2);image(x,y,I);axis([-edge,edge,-edge,edge,0,511]);view(2);axis square;圆孔衍射：clearlmda=500e-9;%波长r=1.2e-3;%f=1;%焦距N=19;K=linspace(-0.1,0.1,N);lmda1=lmda*(1+K);xm=2000*lmda*f;xs=linspace(-xm,xm,2000);ys=xs;z0=zeros(2000);[x,y]=meshgrid(xs);for i=1:19s=2*pi*r*sqrt(x.^2+y.^2)./(lmda1(i));z=4*(besselj(1,s)./(s+eps)).^2;%光强公式z0=z0+z;endz1=z0/19;subplot(1,2,1)imshow(z1*255);%平面图xlabel('x')ylabel('y')subplot(1,2,2)mesh(x,y,z1)%三维图colormap(gray)xlabel('x')ylabel('y')zlabel('光强')3）仿真图样：矩孔衍射：a=1，b=2a=2，b=2可知：矩孔在一个维度上展宽一定倍数将导致衍射图样在相同维度上缩短相同倍数，同时能量会更向中心亮斑集中。
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。
工程光学课程设计
工程光学课程设计
工程光学课程设计旨在为学生提供工程光学学科的基本理论和
实践知识，培养学生的实际能力和解决问题的能力。
第一部分：基础知识
1. 光学基础
介绍光的物理和几何性质，光的干涉、衍射和偏振等基本现象和理论。
2. 光学元件
介绍各种光学元件的原理、特点和使用方法，包括透镜、棱镜、反射镜等。
3. 光学系统
介绍光学系统的设计和分析方法，包括凸透镜成像、反射成像、Abbe成像理论等。
第二部分：应用技术
1. 光学测量技术
介绍使用光学技术进行测量的原理和方法，包括激光测距、干涉测量等。
2. 光学成像技术
介绍使用光学成像技术进行成像的原理和方法，包括数字图像处理、光学显微镜等。
3. 光学通信技术
介绍光学通信的基本原理和技术，包括光纤通信、激光通信等。
第三部分：实验设计
1. 光学元件制作
设计制作凸透镜、反射镜等光学元件，并对其进行测试和分析。
2. 光学成像实验
设计实现光学成像实验，包括使用光学显微镜观察样品、使用数字图像处理技术进行图像分析等。
3. 光学通信实验
设计实现光学通信实验，包括激光通信实验、光纤通信实验等。
通过以上课程设计，学生将掌握工程光学学科的基本理论和实践知识，具备解决实际问题和进行科学研究的能力。
工程光学实验报告
工程光学实验报告工程光学实验报告引言光学作为一门重要的工程学科，对于现代科技的发展起到了至关重要的作用。
工程光学实验是光学学习过程中不可或缺的一部分，通过实验我们可以更加深入地了解光学原理及其应用。
本文将以工程光学实验为主题，结合实验过程和结果，探讨光学原理的应用及其在工程领域中的重要性。
实验一：光的折射与反射在实验一中，我们通过使用光的折射与反射现象来研究光的传播规律。
首先，我们使用一束激光照射到一个玻璃板上，观察光线在玻璃板上的折射现象。
通过改变入射角度和玻璃板的折射率，我们可以得到不同的折射角度，并进一步分析光的折射定律。
接下来，我们将光线照射到一个平面镜上，观察光线的反射现象。
通过改变入射角度和镜面的倾斜角度，我们可以得到不同的反射角度，并进一步分析光的反射定律。
实验二：光的干涉与衍射在实验二中，我们研究了光的干涉与衍射现象。
首先，我们使用一束激光照射到一块干涉滤光片上，观察到干涉条纹的形成。
通过改变光源的波长和干涉滤光片的厚度，我们可以得到不同的干涉条纹，进一步分析光的干涉定律。
接下来，我们将光线通过一个狭缝，观察到光的衍射现象。
通过改变狭缝的宽度和光源的波长，我们可以得到不同的衍射图样，并进一步分析光的衍射定律。
实验三：光的偏振与吸收在实验三中，我们研究了光的偏振与吸收现象。
首先，我们使用一束偏振光照射到一块偏振片上，观察到光线的偏振现象。
通过旋转偏振片的方向和改变光源的偏振状态，我们可以得到不同的偏振效果，并进一步分析光的偏振定律。
接下来，我们将光线照射到一个吸光物质上，观察到光的吸收现象。
通过改变吸光物质的浓度和光源的强度，我们可以得到不同的吸光效果，并进一步分析光的吸收定律。
实验四：光的散射与散焦在实验四中，我们研究了光的散射与散焦现象。
首先，我们使用一束激光照射到一个散射介质中，观察到光线的散射现象。
通过改变散射介质的浓度和光源的强度，我们可以得到不同的散射效果，并进一步分析光的散射定律。
工程光学—光学系统设计2
偏离等晕条件的程度用正弦差SC‘表示：
n sinU
dL'
SC' = b × n'sinU ' - 1- L '- lz/
h
dL'
=
-1f 'sinU '
L '- lz/
lim SC' =
K 'S
y'®0 y '
光学系统的几何像差——正弦差与彗差
正弦差 正弦差与球差和光阑的位置有关：
光学系统的几何像差——正弦差与彗差
垂轴球差（弥散斑的直径）
光学系统的几何像差——球差
光学系统的几何像差——球差
球差曲线：
光学系统的几何像差——球差
球差的影响因素 由球差的定义可知，球差是孔径角u或孔径高度h的函数。考虑到：
球差关于光轴有对称性，球差的级数展开式中只能有偶次项；当 U=0或h=0时，球差为0所以球差的级数展开式中没有常数项；球差 是光轴上的物点对应的像差，且与视场无关，所以球差的级数展开 式为：
位置色差：
通过推导，可得光学系统初级位置色差的公式：
å d lF' C
=
-
1 n 'u '2
CI
CI
=
nlui(d n¢
n¢
-
dn)
n
其中，d n和 分d n别¢ 是像方和物方介质的色散，如对F光和C光计算
色差，有 d。n =和nF -为nCD光n 的折n射¢ 率。
光学系统的几何像差——位置色差和二级光谱
• 如果校正后的光学系统的 d L¢ < 0，称为球差校正不足或欠校正； • 如果校正后的光学系统的 d L¢ >，0 称为球差校正过头或过校正；
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未知驱动探索，专注成就专业
1
工程光学设计大作业
1. 引言
在工程光学领域，光学设计是一项重要的任务。这项任务
涉及到设计和优化光学系统，以满足特定的应用需求。工程光
学设计大作业是一个重要的学习项目，它通过实践锻炼学生的
光学设计技能。本文将介绍工程光学设计大作业的目标、方法
和结果，并对本次大作业进行评估。
2. 目标
工程光学设计大作业的目标是让学生应用所学的光学知识
和技巧，设计一个满足特定要求的光学系统。通过完成这个项
目，学生将了解和掌握光学设计的基本思想、常用工具和方法。
同时，也能够提高学生的问题解决能力和创新能力。
3. 方法
3.1 项目选择
在开始工程光学设计大作业之前，学生需要选择一个适合
的项目。项目的选择应考虑到学生的光学知识水平和兴趣，同
时也要考虑到项目的可行性和实用性。常见的项目包括透镜系
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统设计、光学仪器设计等。在选择项目时，学生应与指导教师
进行讨论，并确定项目的具体要求和目标。
3.2 设计流程
工程光学设计大作业的设计流程包括以下几个步骤：
3.2.1 需求分析
在开始设计之前，学生需要仔细分析项目的需求。这包括
确定项目的主要功能和性能要求，以及对光学系统的基本参数
进行定义。需求分析的结果将为后续的设计和优化提供基础。
3.2.2 光学系统设计
在需求分析的基础上，学生可以开始进行光学系统的初步
设计。这包括选择合适的光学元件、确定光学系统的布局和光
路，以及进行初步的光学计算和仿真。在设计过程中，学生应
综合考虑光学性能、成本、可制造性等因素。
3.2.3 优化设计
在完成初步设计之后，学生可以进行光学系统的优化。优
化的目标是通过调整光学元件的参数和布局，以达到最佳的光
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学性能。优化设计通常需要使用光学设计软件进行计算和仿真，
并根据结果进行调整和优化。
3.2.4 系统评估
在完成优化设计之后，学生需要对光学系统进行全面评估。
评估的内容包括光学性能、成本、可制造性、可靠性等方面。
评估的结果将为最终的设计和改进提供参考和依据。
3.3 结果展示
工程光学设计大作业的最终结果应以报告的形式展示。报
告应包括项目的背景和目标、设计的详细过程、优化结果和评
估结果等内容。报告应使用Markdown格式编写，并包含相
关的图表和计算结果。
4. 评估
工程光学设计大作业将根据以下几个方面进行评估：
4.1 设计的合理性
评估设计的合理性是判断工程光学设计大作业的关键指标
之一。合理性包括需求分析的准确性、设计的可行性和优化的
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有效性等方面。合理的设计应能够满足项目的要求，并能够优
化光学系统的性能。
4.2 创新性
工程光学设计大作业也会评估学生的创新能力。创新包括
独立思考、新颖的设计思路和方法等方面。具有创新性的设计
能够提供新的解决方案，并有一定的实用性和推广性。
4.3 结果的准确性
工程光学设计大作业的结果应具有准确性和可靠性。这包
括光学设计的计算结果的准确性、仿真结果的一致性等方面。
学生需要使用合适的工具和方法来验证和检验设计的结果。
5. 结论
通过工程光学设计大作业，学生能够锻炼和提升光学设计
的各方面能力。工程光学设计大作业不仅是一个重要的学习项
目，也是学生实践和应用光学知识的机会。通过完成工程光学
设计大作业，学生将为将来的光学设计工作打下基础，并为实
际应用做好充分的准备。
以上是对工程光学设计大作业的简要介绍和评估，希望能
对学生的学习和实践有所帮助。