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1、课程代号D44现代光学设计进 修 考 核 大 纲李林 编兵器工程师进修大学2010年8月现代光学设计进修考核大纲一、课程的性质与基本要求本课程是从事光电技术与仪器、光学系统设计、光学检测等相关学科的专业学生和技术人员快速全面了解典型光学系统设计的专业课程。该课程可以培养学生在认识和理解各种光学系统工作原理的基础上，建立对系统像差及光学系统设计的认识，了解现代光学设计在相关领域中的发展趋势。本课程首先介绍光学设计的基础知识和像差理论，然后以国外先进的光学设计软件ZEMAX作为基础，详细介绍采用ZEMAX设计新型光学系统的方法。本课程的特点是紧密结合当前各应用领域的最新的一些光学系统，内容基本上可
2、以分为7个部分。第1部分是光学系统的像质评价，这是设计一个光学系统所必备的基础知识。在这部分里，首先详细地介绍了最常用的几何像差及相应的计算程序；然后，介绍了另一个重要的像质评价指标光学传递函数，讨论了两种光学传递函数程序的特点与使用方法。第2部分是光学自动设计的原理与程序，介绍了适应法和阻尼最小二乘法这两种常用的光学自动设计程序的特点和使用方法。第3部分是变焦距光学系统的原理与程序，讨论了变焦距光学系统的像差计算与自动设计问题。第4部分是光学系统的公差分析与计算，介绍了公差分析计算软件的原理与编程特点。第5部分是光学系统的环境温度分析与无热设计，讨论了环境温度对光学系统的影响及利用衍射光学元
3、件进行无热设计的原理与方法。第6部分是典型光学系统设计，应用所介绍的光学设计程序对望远系统、显微镜物镜和照相物镜等进行了实际设计，并对所设计的例子进行了像质评价。第7部分是对偏振像差、非球面应用、计算机辅助光学装调、衍射光学元件、非成像光学系统、空间光学系统、红外光学系统以及其它一些光电系统进行了介绍。本课程主要是要让学生学会掌握光电仪器设计的理论和实际知识，学习光学设计的像差理论和像差校正方法，掌握国际上流行的光学设计软件的基本使用方法。二、课程的特点与自学方法由于本课程属于继续工程教育教学环节中的自学函授课程，建议学生在各章思考题的引导下，结合课本学习相关知识。由于本课程涉及到的专业基础面
4、很宽，技术领域跨度大，学习中应提纲携领，抓住重点。由于本书所涉及到光学系统的设计，因此首先必须讨论光学系统像质评价的方法。在第1章中，先介绍了一个光学系统表示方法，给出了光学系统的坐标系统、结构参数和特性参数。然后给出了在检测阶段的像质评价指标：星点检验和分辨率测量，接着重点介绍了几何像差的定义及其计算、垂轴像差的概念及其计算，同时利用程序介绍了几何像差计算程序ABR的输入数据与输出结果，以及几何像差及垂轴像差的图形输出。同时，还介绍了其他的像质评价指标：波像差、光学传递函数、点列图和包围圆能量。第2章介绍了光学自动设计的原理和方法，首先介绍了阻尼最小二乘法光学自动设计的原理、程序以及光学自动
5、设计的全局优化问题，然后介绍了适应法光学自动设计原理和程序，最后对国内外的典型光学设计软件进行了介绍。第3章主要介绍了公差分析原理与计算方法，给出了公差设计中的常用的评价函数，介绍了光学公差的概率关系和公差设计中的随机模拟检验方法，最后给出了公差设计中的偏心光路追迹公式。第4章讨论了目视光学系统的设计，首先介绍了薄透镜系统的初级像差理论，然后介绍了望远物镜设计、显微镜物镜设计和目镜设计。这些内容都是目前国内光电仪器设计中应用很广泛的知识。第5章主要介绍了照相物镜及成像光学系统的设计问题。对照相物镜的光学特性、照相物镜的基本类型、基本类型照相物镜的演变型式进行了详细的分析。然后介绍了照相物镜设计
6、的特点，同时还对数码相机的设计特点进行了讨论，最后给出了照相物镜像差的公差。这一章的内容对于军用光学系统、空间光学系统具有重要的意义。第6章介绍了变焦距光学系统的原理和设计方法。首先介绍了变焦距系统分类与特点和变焦距物镜的高斯光学，然后给出了变焦距物镜高斯光学的设计实例，同时还对体视变倍显微镜的特点和设计进行了讨论。第7、8章介绍了液晶投影仪、背投电视镜头、和其他一些光学系统的设计。分析了投影显示类型和液晶投影仪的工作原理，介绍了液晶投影仪照明系统的设计和液晶投影仪投影物镜的设计，并简要分析了背投电视镜头设计特点。对于其他光学系统设计，分别介绍了激光扫描系统和f镜头、光学信息处理系统和傅里叶变
7、换镜头、红外光学系统、空间光学系统、共形光学、计算机直接制版镜头和投影仪扩展广角镜头的设计问题。学生可以根据情况进行选择性的学习。第9章介绍了非球面的设计方法。分析了非球面的表示方法和非球面的特性，重点介绍了反射式二次非球面的设计和应用，并给出了相应的非球面设计实例。随着非球面的广泛应用，这一章对于现代的光学系统设计是非常重要的第10、11、12、13、14章讨论了现代光学设计中的一些新问题和新方法，主要讨论了环境温度分析、偏振像差的理论、计算机辅助光学装调、非成像光学等内容。学生可以根据自己的专业特长，有选择性的学习这些内容。第15章介绍了在国际上最为流行的光学设计软件Zemax软件的功能与
8、计算。介绍了Zemax的用户界面、Zemax的基本操作和应用实例。这一章需要学生很好地掌握。本书几乎所有的设计实例都需要利用Zemax软件来进行设计，因此，学生必须自学并掌握Zemax软件的使用方法。第1、2、4、5、6、15章是本课程的重要章节。抓住重点内容（基本概念、基本原理与方法、基本装置）并深入理解、以大纲中的学习要求与思考题作为自学依据、注重并及时进行学习总结是学习本课程应遵循的基本原则。三、课程的基本内容与具体要求下面给出各章的重点及学习要求，凡考核中要求重点掌握的内容均采用加粗宋体。第1章 光学系统像质评价方法u 本章重点及学习要求了解光学系统像质评价指标的定义。重点是几何像差和
9、垂轴像差的概念及其计算，同时熟悉波像差、光学传递函数、点列图和包围圆能量的定义。u 本章可依据如下思考题进行学习：1、光学系统的作用？如何评价光学系统的成像质量？2、光学系统的坐标系统、结构参数和特性参数是如何表示的？3、星点检验和分辨率测量有什么样的原理和特点？4、几何像差有什么特点？5、轴向色差、垂轴色差是如何定义的？有什么办法可以消除色差？6、轴上点球差、正弦差是如何定义的？7、轴外点宽光束子午和弧矢彗差、场曲、球差是如何定义的？8、轴外点细光束子午和弧矢场曲、细光束像散是如何定义的？9、畸变是如何定义的？10、垂轴像差和几何像差有什么区别和特点？11、各种几何像差有什么特点？12、像差
10、曲线有什么用处？如何根据像差曲线判断系统的成像质量？13、波像差有什么特点？14、为什么说光学传递函数是目前最好的像质评价指标？15、用MTF评价系统的成像质量有什么特点？16、点列图有什么特点？17、包围圆能量有什么特点？u 主要名词及术语解释孔径光阑：系统中限制成像光束的孔就叫孔径光阑。孔径光阑可以是一个实际的圆孔，也可以附着在某一个光学表面上。视场光阑:系统中限制成像范围的孔就叫视场光阑。视场光阑必须和系统中的实像面重合，例如开卜勒望远镜中的分划板就是视场光阑。渐晕：如果轴外子午光束的宽度比轴上点光束的宽度小，造成光学系统视场边缘的像面照度比轴上点低，这种现象叫做“渐晕”。星点检验：一个
11、发光点物通过光学系统后，由于衍射和像差以及其它工艺疵病的影响，不再是一个理想的点像，通过考察光学系统对一个点物的成像质量就可以了解和评定光学系统对任意物分布的成像质量，这就是星点检验。分辨率：所谓分辨率就是光学系统成像时，所能分辨的最小间隔。子午面：主光线和光轴决定的平面。弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面。初级像差和高级像差：在像差理论研究中，把像差与视场和孔径的关系用幂级数形式表示，最低次幂对应的像差称为初级像差，而较高次幂对应的像差称为高级像差。垂轴像差：用不同孔径子午、弧矢光线在理想像平面上的交点和主光线在理想像平面上的交点之间的距离来表示，称为垂轴像差。波像差：实际波面和理想波面之间
12、的光程差作为衡量该像点质量的指标，称为波像差。光学传递函数：由空间不变线性系统的成像性质，可以用物、像平面上不同频率对应的余弦基元的振幅比和位相差来表示。前者称为振幅传递函数，用表示，后者称为位相传递函数，用表示。二者统称为光学传递函数，用表示。点列图：对于实际的光学系统，由于存在象差，一个物点发出的所有光线通过这个光学系统以后，其与象面交点不再是一个点，而是一弥散的散斑，称为点列图。包围圆能量：以像面上主光线或中心光线为中心，以离开此点的距离为半径作圆，以落入此圆的能量和总能量的比值来表示。第2章 光学自动设计方法u 本章重点及学习要求了解光学自动设计的数学原理与模型，学习阻尼最小二乘法原理
13、，学习阻尼最小二乘法光学自动设计原理，学习适应法光学自动设计原理，了解相应的程序特点，了解国内外典型光学设计软件。u 本章可依据如下思考题进行学习：1. 理解像差方程组的含义。2. 理解像差线性方程组的建立。3. 熟悉光学自动设计程序所采用的主要数学过程。4. 学习最小二乘法的数学原理。5. 理解阻尼最小二乘法的原理。6. 学习阻尼最小二乘法的特点。7. 理解光学自动设计的全局优化。8. 学习适应法光学自动设计程序。9. 熟悉典型光学设计软件。u 主要名词及术语解释（1）像差方程组：像差和结构参数之间的函数关系 （2）像差线性方程组：把像差函数表示成自变量的幂级数，只选取幂级数的一次项，用差商
14、（）来近似地代替偏导数，得到设： 这样像差线性方程组的矩阵形式为 （3）最小二乘解：像差数m大于自变量数n的时候，像差线性方程组是一个超定方程组，它不存在满足所有方程式的准确解，只能求它的近似解最小二乘解。解的公式为（4）阻尼最小二乘法：改为求下列函数的极小值解既要求评价函数下降，又希望解向量的模不要太大。经过这样改进的最小二乘法，称为阻尼最小二乘法，常数p称为阻尼因子。解的公式为（5）适应法光学自动设计：当像差线性方程组中，方程式的个数m小于自变量个数n时，方程组是一个不定方程组有无穷多组解。这就需要从众多可能的解中选择一组较好的解。我们选用解向量的模为最小的那组解：第3章 公差分析与计算u
15、 本章重点及学习要求理解光学系统的公差分析与计算的基本原理。熟悉常用的评价函数、评价函数的允差概念、公差的分配方法、随机模拟方法、检验等过程。掌握ZEMAX软件中公差的分析计算方法，熟悉操作过程，能够对常见的光学系统进行公差分析与计算，分配出合理的公差。u 本章可依据如下思考题进行学习：1. 试给出光学系统公差分析与计算的大致过程。2. 公差分析计算中主要有那些评价函数？3. 公差分析与计算中的各评价函数有什么特点？4. 波像差的均方根与垂轴像差的均方根成什么关系？为什么？5. 如何通过垂轴像差平方和利用解析的方法求出最佳像面的位置？6. 光学公差有什么样的概率关系？7. 公差设计中的随机模拟检验是如何实现的？第4章 目视光学系统u 本章重点及学习要求深入了解目视光学系统成像系统的基本工作原理、结构、工作方式、特性指标及典型应用。掌握典型目视光学系统的工作原理；重点掌握望远物镜、目镜、显微镜物镜、照相物镜等系统的工作原理与工作特点，以及设计方法。u 本章可依据如下思考题进行学习：1. 薄透镜初级像差方程组有什么用处？2. 什么是第一辅助光线？3. 什么是第二辅助光线？4.
