现代光学设计现代光学设计北京理工大学信息科学技术学院北京理工大学信息科学技术学院光电工程系光电工程系李林李林 Tel: 68912567,82952860,13641082083Tel: 68912567,82952860,13641082083E-mail: LI_LINE-mail: LI_LIN硕士生现代光学设计课程内容硕士生现代光学设计课程内容 1 1、常用像质评价指标、常用像质评价指标2 2、光学自动设计原理和程序、光学自动设计原理和程序3. 3. 公差分析与计算公差分析与计算4. 4. 变焦距光学系统变焦距光学系统5. 5. 目视光学系统设计目视光学系统设计6. 6. 照相物镜设计照相物镜设计硕士生现代光学设计课程要求硕士生现代光学设计课程要求 1 1、掌掌握握采采用用常常用用评评价价指指标标评评价价光光学学系系统统成成像像质质量量的的方方法法，对对几几何何像像差差、垂垂轴轴像像差差、波波像像差和光学传递函数差和光学传递函数进行分类和总结进行分类和总结2 2、学学习习光光学学自自动动设设计计和和两两种种常常用用自自动动设设计计程程序序的的原原理理，掌掌握握SOD88SOD88软软件件包包中中的的适适应应法法和和阻阻尼尼最最小小二二乘乘法法自自动动设设计计程程序序的的使使用用方方法法，或或掌掌握握ZEMAXZEMAX软软件件中中的的自自动动设设计计程程序序使使用用方方法。
法3 3、熟熟练练掌掌握握ZEMAXZEMAX软软件件或或SOD88SOD88软软件件包包的的像像差差计计算算、自自动动设设计计、传传函函计计算算等等程程序序的的使使用用方法4 4、利利用用ZEMAXZEMAX软软件件或或SOD88SOD88软软件件设设计计如如下下光光学学系统：系统：望远镜物镜设计望远镜物镜设计要要求求：焦焦距距为为200200，半半视视场场角角为为4 4，相相对对孔孔径为径为1 1：5 5目镜设计目镜设计与与中中的的望望远远镜镜物物镜镜进进行行配配合合，要要求求：视视放放大大率率为为6 6倍，目镜出瞳距离为倍，目镜出瞳距离为2020照相物镜设计照相物镜设计要要求求：焦焦距距为为5050，半半视视场场角角为为2525，相相对对孔孔径径为为1 1：3 3(4)(4)利利用用ZemaxZemax软软件件中中的的多多重重结结构构构构造造一一个个理理想想的的变变焦距系统，焦距从焦距系统，焦距从3030300300，给出变焦数据，给出变焦数据将以上各点写成报告上交将以上各点写成报告上交要求独立完成，禁止互相抄袭要求独立完成，禁止互相抄袭 第一章 光学系统像质评价什么是像差？如何评价系统的成像质量？什么是像差？如何评价系统的成像质量？几何像差的定义几何像差的定义理想光学系统的分辨率理想光学系统的分辨率其他像质评价指标其他像质评价指标1. 1. 概述概述光学系统像质评价光学系统作用光学系统作用 把把目目标标发发出出的的光光按按仪仪器器工工作作原原理理的的要要求求改改变变它它们们的的传传播播方方向向和和位位置置，送送入入仪仪器器的的接接收收器器，从从而而获获得得目目标标的的各各种种信信息息，包括目标的几何形状、能量强弱等。
包括目标的几何形状、能量强弱等 对光学系统的要求对光学系统的要求 光光学学特特性性，包包括括焦焦距距、物物距距、像像距距、放大率、入瞳位置、入瞳距离等放大率、入瞳位置、入瞳距离等 - -应用光学应用光学 成成像像质质量量，成成像像清清晰晰，物物像像相相似似，变形要小变形要小 - -光学设计光学设计 成像质量评价的方法成像质量评价的方法（1 1）、光学系统实际制造完成后对其进行实际测）、光学系统实际制造完成后对其进行实际测量量分辨率检验：分辨率检验：分辨率：光学系统成像时所能分辨的最小间隔分辨率：光学系统成像时所能分辨的最小间隔 空间频率：空间频率：的倒数的倒数 ，单位：，单位：lplp/mm/mm星点检验星点检验 一个物点通过光学系统成像后，根据弥散斑的一个物点通过光学系统成像后，根据弥散斑的大小和能量分布的情况，可以评判系统的成像质量大小和能量分布的情况，可以评判系统的成像质量分辨率检验时所采用的图案：分辨率检验时所采用的图案：分辨率检验时所采用的图案：分辨率检验时所采用的图案：星点检验星点检验衍射受限系统的夫朗和斐衍射图衍射受限系统的夫朗和斐衍射图 星点检验星点检验衍射受限系统的艾里斑的三维光强分布衍射受限系统的艾里斑的三维光强分布 星点检验星点检验衍射受限系统：子午面内的等强度线衍射受限系统：子午面内的等强度线 设计阶段的评价方法设计阶段的评价方法几何光学方法：几何像差，波像差，点几何光学方法：几何像差，波像差，点列图，几何光学传递函数列图，几何光学传递函数物理光学方法：点扩散函数，相对中心物理光学方法：点扩散函数，相对中心光强，物理光学传递函数光强，物理光学传递函数2.2.光学系统的坐标系统、结构参数和特性参光学系统的坐标系统、结构参数和特性参数数 坐标系统及常用量的符号及符号规则坐标系统及常用量的符号及符号规则 坐标系与应用光学中所采用的坐标系一样坐标系与应用光学中所采用的坐标系一样线线段段从从左左向向右右为为正正，由由下下向向上上为为正正，反反之之为为负负，角角度度一一律律以以锐锐角角度度量量，顺顺时时针针为为正正，逆逆时针为负。
时针为负 对对于于角角度度和和物物、像像距距，用用大大写写字字母母代代表实际量，用小写字母代表近轴量表实际量，用小写字母代表近轴量名称名称符号符号符号规则符号规则物距物距L L由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点像距像距LL由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点曲率半径曲率半径r r由球面顶点算起到球心由球面顶点算起到球心间隔或厚度间隔或厚度d d由前一面顶点算起到下一面顶点由前一面顶点算起到下一面顶点入射角入射角I I由光线起转到法线由光线起转到法线出射角出射角II由光线起转到法线由光线起转到法线物方孔径角物方孔径角U U由光轴起转到光线由光轴起转到光线像方孔径角像方孔径角UU由光轴起转到光线由光轴起转到光线物高物高y y由光轴起到轴外物点由光轴起到轴外物点像高像高yy由光轴起到轴外像点由光轴起到轴外像点光线投射高光线投射高h h由光轴起到光线在球面的投射点由光轴起到光线在球面的投射点像方焦距像方焦距ff由像方主点到像方焦点由像方主点到像方焦点物方焦距物方焦距f f由物方主点到物方焦点由物方主点到物方焦点像方焦截距像方焦截距由系统最后一面顶点到像方焦点由系统最后一面顶点到像方焦点物方焦截距物方焦截距由系统第一面顶点到物方焦点由系统第一面顶点到物方焦点名称名称符号符号符号规则符号规则物距物距L L由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点像距像距LL由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点曲率半径曲率半径r r由球面顶点算起到球心由球面顶点算起到球心间隔或厚度间隔或厚度d d由前一面顶点算起到下一面顶点由前一面顶点算起到下一面顶点入射角入射角I I由光线起转到法线由光线起转到法线出射角出射角II由光线起转到法线由光线起转到法线物方孔径角物方孔径角U U由光轴起转到光线由光轴起转到光线像方孔径角像方孔径角UU由光轴起转到光线由光轴起转到光线物高物高y y由光轴起到轴外物点由光轴起到轴外物点像高像高yy由光轴起到轴外像点由光轴起到轴外像点光线投射高光线投射高h h由光轴起到光线在球面的投射点由光轴起到光线在球面的投射点像方焦距像方焦距ff由像方主点到像方焦点由像方主点到像方焦点物方焦距物方焦距f f由物方主点到物方焦点由物方主点到物方焦点像方焦截距像方焦截距由系统最后一面顶点到像方焦点由系统最后一面顶点到像方焦点物方焦截距物方焦截距由系统第一面顶点到物方焦点由系统第一面顶点到物方焦点名称名称符号符号符号规则符号规则物距物距L L由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点像距像距LL由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点曲率半径曲率半径r r由球面顶点算起到球心由球面顶点算起到球心间隔或厚度间隔或厚度d d由前一面顶点算起到下一面顶点由前一面顶点算起到下一面顶点入射角入射角I I由光线起转到法线由光线起转到法线出射角出射角II由光线起转到法线由光线起转到法线物方孔径角物方孔径角U U由光轴起转到光线由光轴起转到光线像方孔径角像方孔径角UU由光轴起转到光线由光轴起转到光线物高物高y y由光轴起到轴外物点由光轴起到轴外物点像高像高yy由光轴起到轴外像点由光轴起到轴外像点光线投射高光线投射高h h由光轴起到光线在球面的投射点由光轴起到光线在球面的投射点像方焦距像方焦距ff由像方主点到像方焦点由像方主点到像方焦点物方焦距物方焦距f f由物方主点到物方焦点由物方主点到物方焦点像方焦截距像方焦截距由系统最后一面顶点到像方焦点由系统最后一面顶点到像方焦点物方焦截距物方焦截距由系统第一面顶点到物方焦点由系统第一面顶点到物方焦点名称名称符号符号符号规则符号规则物距物距L L由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点像距像距LL由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点曲率半径曲率半径r r由球面顶点算起到球心由球面顶点算起到球心间隔或厚度间隔或厚度d d由前一面顶点算起到下一面顶点由前一面顶点算起到下一面顶点入射角入射角I I由光线起转到法线由光线起转到法线出射角出射角II由光线起转到法线由光线起转到法线物方孔径角物方孔径角U U由光轴起转到光线由光轴起转到光线像方孔径角像方孔径角UU由光轴起转到光线由光轴起转到光线名称名称符号符号符号规则符号规则物距物距L L由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点像距像距LL由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点曲率半径曲率半径r r由球面顶点算起到球心由球面顶点算起到球心间隔或厚度间隔或厚度d d由前一面顶点算起到下一面顶点由前一面顶点算起到下一面顶点入射角入射角I I由光线起转到法线由光线起转到法线出射角出射角II由光线起转到法线由光线起转到法线物方孔径角物方孔径角U U由光轴起转到光线由光轴起转到光线像方孔径角像方孔径角UU由光轴起转到光线由光轴起转到光线物高物高y y由光轴起到轴外物点由光轴起到轴外物点像高像高yy由光轴起到轴外像点由光轴起到轴外像点光线投射高光线投射高h h由光轴起到光线在球面的投射点由光轴起到光线在球面的投射点像方焦距像方焦距ff由像方主点到像方焦点由像方主点到像方焦点物方焦距物方焦距f f由物方主点到物方焦点由物方主点到物方焦点像方焦截距像方焦截距由系统最后一面顶点到像方焦点由系统最后一面顶点到像方焦点物方焦截距物方焦截距由系统第一面顶点到物方焦点由系统第一面顶点到物方焦点名称名称符号符号符号规则符号规则物距物距L L由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点像距像距LL由球面顶点算起到光线与光轴的交点由球面顶点算起到光线与光轴的交点曲率半径曲率半径r r由球面顶点算起到球心由球面顶点算起到球心间隔或厚度间隔或厚度d d由前一面顶点算起到下一面顶点由前一面顶点算起到下一面顶点入射角入射角I I由光线起转到法线由光线起转到法线出射角出射角II由光线起转到法线由光线起转到法线物方孔径角物方孔径角U U由光轴起转到光线由光轴起转到光线像方孔径角像方孔径角UU由光轴起转到光线由光轴起转到光线物高物高y y由光轴起到轴外物点由光轴起到轴外物点像高像高yy由光轴起到轴外像点由光轴起到轴外像点光线投射高光线投射高h h由光轴起到光线在球面的投射点由光轴起到光线在球面的投射点像方焦距像方焦距ff由像方主点到像方焦点由像方主点到像方焦点物方焦距物方焦距f f由物方主点到物方焦点由物方主点到物方焦点像方焦截距像方焦截距由系统最后一面顶点到像方焦点由系统最后一面顶点。