光学设计基本理论

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1、光学设计基本理论内容纲要第一部分：成像的几何理论几何光学基本定理近轴光学孔径和光阑第二部分：像差的几何理论像差多项式单色像差色差非球面、光学材料第三部分：像质评价衍射成像理论光学传递函数几何像差光程差、波像差杂散光的影响第四部分：光学系统设计光学系统的基本要求典型光学系统光学设计步骤第一部分：成像的几何理论几何光学基本定理折反射定理费马原理马吕斯定律近轴光学近轴近似基点基面近轴光线追迹基本公式拉氏不变量孔径和光阑光阑和光瞳渐晕辐射度相关概念几何光学基本定理光的直线传播定律在各向同性的均匀介质中，光沿直线方向传播。光的独立传播定律不同光源发出的光在空间某点相遇

2、时，彼此互不影响，各光束独立传播（在考虑波动性时，均有局限性，如“衍射”和“干涉”）光的折射和反射定律几何光学基本定理几何光学基本定理费马原理（Fermat）（极值原理）光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次折射或反射，其光程为极值。马吕斯定律（Malus）（等光程定律）光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与播面的正交性，且入射波面与出射波面对应点之间均为定值。折、反射定律、费马原理和马吕斯定律，三者中任意一个可视为几何光学三个基本定律之一，而另两个则为其推论。近轴光学近轴近似基点基面近轴光线追迹基本公式近轴参数拉氏不变量近轴近似SnellLaw

3、：nsinI=n’sinI’近轴近似：nI=n’I’基点基面基点基面近轴光线追迹近轴光线追迹基本公式基本公式基本公式拉氏不变量拉氏不变量拉氏不变量的应用拉氏不变量的应用从费马原理得出拉氏不变量从费马原理得出拉氏不变量正弦条件和赫歇尔条件正弦条件和赫歇尔条件正弦条件和赫歇尔条件孔径和光阑渐晕辐射度相关概念第二部分：像差的几何理论球差（Sphericalaberration）彗差（Coma）像散（Astigmatism）场曲（FieldCurvature）畸变（Distortion）色差（Chromaticaberration）轴向色差（Axial）垂轴色差（L

4、ateral）像差多项式用波像差的幂级数展开式表示的像差：初级（赛德尔）像差ΣSI，ΣSII，ΣSIII，ΣSIV，ΣSV分别表示初级球差，初级彗差，初级像散，初级场曲和初级畸变为什么要这么写？一个共轴系统的每一种初级相差系数，是这个系统中各个面相应的像差系数值和初级（赛德尔）像差三级相差：与波像差的W4项相关联的光线像差是坐标的三次方项初级（赛德尔）像差球差球差的校正球差是轴上像差一般情况与孔径成立放关系（例如：一个特定的透镜其像斑大小为0.01英寸，如果口径缩小到1/2，像斑大小为0.00123英寸。通过改变透镜的弯曲度校正通过增加透镜或正佳光角度得到矫

5、正球差形成的像差曲线F/2透镜的球差彗差彗差弥散斑的形成彗差的校正主光线与焦面的焦点定义为像高彗差是由于通过透镜的轴外光线相对于主光线的轴向放大率不同而产生彗差能够通过移动光阑和有选择的增加透镜来消除成像中心高度由中心和主光线确定在透镜外围会出现彗差，产生比主光线更高或更低的放大率通过移动孔径光阑或选择增加透镜来控制彗差透镜曲率对球差和彗差的影响像散像散当yz面和xz面上的焦点位置不同时，产生像散像散基本上是相对于理想波前产生的一个柱状偏离像散可以通过选择透镜的位置和曲率来控制一种有效的像散校正方法场曲场曲的校正场镜的作用畸变轴上色差倍率色差（垂轴色差）光学

6、玻璃玻璃的选择二级光谱选择减小二级光谱的玻璃选择减小二级光谱的玻璃相对部分色散与阿贝数对应的关系消色差双胶合透镜参数分析：玻璃、F/#F/4球面双胶合透镜色球差分析非球面的使用非球面的使用非球面在反射系统中的应用第三部分：像质评价像质评价像质评价像质评价衍射成像理论衍射成像理论艾里斑有像差时的PSF瑞利判据焦深光学传递函数典型光学传递函数光学传递函数方孔时的MTF分辨率模拟图解做为中心遮拦函数的MTFMTF与波前RMS的关系各类波像差导致的MTF下降几何像差：点列图（SpotSize）像差曲线几何像差：像差曲线光程差和波像差光程差介绍光程差介绍光学系统中的杂

7、散光反射系统中的杂散光光学系统设计光学系统基本要求光学系统基本要求光学系统基本要求（续）典型光学系统成像光学系统照明光学系统激光光学系统推荐参考图书：M.Laikin,LensDesign,2006,CRCPress,FourthEdition光学设计步骤