光学系统设计(一)答案

光学系统设计（一）参考答案及评分标准

20 分）

二、填空题（本大题14小题。每空1分，共20 分） 21.球心处、顶点处、齐明点处（r

n n L '+=）

22.%

100y y y q z ?'

'-'=

23.0 24.球差

25.冕牌、火石 26.?ννν?2

111-=

、?ννν

2--=

27.两面的公共球心处、两面的公共球心处 28.阿贝常数、C

F D D n n 1n --=ν

29.畸变 30.圆 31.0

32.二级光谱 33.f 00052.0L FCD '='?

34.EFFL

三、名词解释（本大题共5 小题。每小题2 分，共 10 分）

35．像差：实际光学系统所成的像和近轴区所成的像之间的差异称为像差。

评分标准：主要意思正确得2分。

36．子午场曲：某一视场的子午像点相对于高斯像面的距离称为子午像面弯曲，简称子午场曲。

评分标准：答对主要意思得2分。

37．二级光谱：如果光学系统已对两种色光校正了位置色差，这两种色光的公共像点相对于第三种色光的像点位置仍有差异，该差异称为二级光谱。评分标准：答对主要意思得2分。

38.色球差：F 光的球差和C 光的球差之差，称为色球差，该差值也等于边缘光和近轴光色差之差。

评分标准：答对得2分。

39．渐晕：轴外点成像光束的宽度较轴上点成像光束的宽度要小，造成像平面边缘部分照度要比像平面中心部分照度低的现象，称为渐晕。评分标准：答对主要意思得2分。

四、简答题（本大题共 6 小题。每小题 5 分，共30 分）

40．一物体的峰-谷比（peak to valley ）是λ23.0，问是否满足Rayleigh 条件？答：满足Rayleigh 条件，因为根据Rayleigh 判断，实际波面和参考波面之间的最大波像差(峰谷比)不超过0.25λ时，此波面可看作是无缺陷的成像质量较好。评分标准：答对主要意思得5分。 41．在七种几何像差中，仅与孔径有关的像差有哪些？仅与视场有关的像差有哪些？与视场和孔径都有关系的又有哪些？

答：仅与孔径有关的像差有：球差、位置色差；仅与视场有关的像差有：像散、场曲、畸变、倍率色差；与视场和孔径都有关系的有：彗差

评分标准：第一问中每个答案正确得1分，第二问中每个答案正确得0.5分，第三问中每个答案正确得1分。 42．一物体置于折射球面的球心处，其像在哪？放大倍率多少？若物在球面顶点，其像又在何位置？放大倍率多少？

答：像分别在球心处和顶点处，放大倍率分别为

1和1。

评分标准：两位置答对各得1分，第一个放大倍率答对得2分，第二个得1分。 43. 什么是焦深，若像面向前或向后离焦半倍焦深，引起的波像差多大？答：（1）实际像点无论在高斯像点之前或之后'

?0l 范围内，波像差都不会超过1/4 波长，所以把'

02l 定义为焦深，即2

0u n l 2'

'λ

（2）引起的波像差为4/λ。

评分标准：第一问答对大意得3分，第二问答案正确得2分。 44. 近视眼应佩戴何种透镜加以矫正？为什么？

答：应佩戴凹透镜加以矫正，使光线经过水晶体后发散，重新汇聚到视网膜上。评分标准：答对大意得5分。

45. 在对称式光学系统中，当1-=β时，哪几种初级像差可以得到自动校正？其它初级像差有何特性？

答：垂轴像差：彗差、畸变、倍率色差均为0。

轴向像差：球差、像散、场曲、位置色差均为半部系统相应像差的两倍。评分标准：第一问每个答案正确得1分，共3分；第二问每个答案正确得0.5分，共2分。

五、计算题（每题10分，共20分）

46．设计一齐明透镜，第一面曲率半径95m m r 1-=，物点位于第一面曲率中心处，第二球面满足启明条件，若该透镜厚度5m m d =，折射率5.1n =，该透镜位于空气中，求

（1）该透镜第二面的曲率半径；（2）该启明透镜的垂轴放大率。解：

（1）根据题意得，物点发出光线经第一面后按直线传播，相对于第二面，其物距100m m 595l 2-=--=，根据齐明条件100mm

r n n n l 22

22-='+=

，可得

60m m r 2-=

（2）150mm

)60(1

5.2r n n n l 22

22-=-?=

''+=

'由垂轴放大率公式l

n l n ''=

β，得

1.5

11=

β，25

.2100

-l 5.1l n l n 22

2222='=

''=

β，则该透镜的垂轴放大率5.121==βββ

评分标准：每问5分，其中第一问中列对2l 方程得3分，结果正确得2分；第二问中，列对2l '、2β方程各得2分，结果正确得1分。

47．一个光学系统，已知其只包含初级和二级球差,更高级的球差可忽略不计。

已知该系统的边光球差为0='m L δ，0.707带光球差为015.00707-='L δ，求：

1)分别求出0.5和0.85带光线的球差；

2)写出边缘光的初级和高级球差。解：1) 4

(

)(

h h A h h A L +='δ，根据公式将0='m L δ及015.00707-='L δ代入，得

到06.01-=A ，06.02=A 由此可求得：01125.05.0

-='L δ及01203.085.0-='L δ 2）边缘光的初级球差为-0.06，边缘光的高级球差为0.06。

评分标准：第一问6分，第二问4分，共10分，其中列L 'δ方程得2分，两结果正确分别得2分；第二问中答对每问分别得2分。

光谱分析仪光学系统的优化设计方法

第３１卷第６期光电工程V ol.31,No.6 ２００４年６月 Opto-Electronic Engineering June,2004文章编号：1003-501X（2004）06-0041-03 光谱分析仪光学系统的优化设计方法李晓彤，岑兆丰 ( 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江　杭州 310027 ) 摘要：提出一种光谱分析仪光学系统的优化设计方法。该方法以光线光学为依据，在光源和光瞳上以高密度取样，将追迹实际取样光线得到的点列图作为评价依据, 根据光谱分析系统的评价指标，将整个系统以单色器入口为分界点分为两个子系统，分别对其进行优化设计，研制了对结果的后处理模块，并将其集成到光学设计软件中去。给出了一个原子吸收分光光度计光学系统实例，使用波段为190~860nm。设计结果和样品实验表明，该系统达到0.3nm的光谱分辨力要求。关键词：优化设计；光谱分析仪；光学系统；光线追迹；光谱分辨力　中图分类号：TH744 文献标识码：Ａ An optimized design method for optical system of a spectroanalyzer LI Xiao-tong, CEN Zhao-feng (State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: An optimized design method for optical system of a spectroanalyzer is proposed. On the basis of ray optics and spot diagrams obtained through high-density sampling for light source and pupil plane as evaluation factors, the whole system is divided into two subsystems from the entrance of monochromator based on evaluation specifications for spectral analyzing system. A post-processing module is developed through optimizing the first sub-system and monochromator, respectively, and the module is integrated into optical design software. A practical example for optical system of atomic absorption spectrophotometer is given and its operating band is from 190 nanometer to 860nanometer. The design results and sample experiments show that the system has attained the demand of 0.3nanometer spectral resolution. Key words: Optimization design；Spectrometers；Optical system；Ray tracing；Spectral resolution 引　言　光谱分析仪器通过检测样品的吸收或发射光谱，达到分析样品组分，监测样品质量的目的，在生化，医学，药物临床，化学化工，仪器卫生，环境监测等方面具有广泛用途，是分析复杂混合物不可缺少的手段。凭物质的红外光谱图可以推断出分子中存在的基团或键，确定分子化学结构，而紫外光谱可作为定量分析最有用的工具之一，在测量微量，超微量组分中具有很高的灵敏度[1]。光谱分析仪器中，光学系统具有重要的作用。要求光源发出的具有一定光谱范围的光经过光学系统后，能够被分离出样品的吸收或发射光谱。这种以分光为目的的光学系统与常规成像光学系统相比，在评价指标与设计方法上有很大的不同[2]。本文提出了基于实际光线光路计算的光谱分析仪器光学系统的优化设计方法，依照光谱分析仪器质量评价指标，给出了相应的算法，研制了对光路计算结果的后处理模块，给出了计算实例。

光学系统设计

光学系统设计(五) 一、单项选择题（本大题共 20小题。每小题 1 分，共 20 分）在每小题列出的四个备选项中只有一个是正确的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1．对于密接双薄透镜系统，要消除二级光谱，两透镜介质应满足 ( )。 A.相对色散相同，阿贝常数相差较小 B.相对色散相同，阿贝常数相差较大 C.相对色散相差较大，阿贝常数相同 D.相对色散相差较小，阿贝常数相同 2．对于球面反射镜，其初级球差表达公式为 ( )。 A.?δ2h 81L =' B. ?δ2h 81L -=' C. ?δ2h 41 L =' D. ?δ2 h 41 L -=' 3．下列光学系统中属于大视场大孔径的光学系统是 ( )。 A.显微物镜 B.望远物镜 C.目镜 D. 照相物镜 4．场曲之差称为 ( )。 A.球差 B. 彗差 C. 像散 D. 色差 5．初级球差与视场无关，与孔径的平方成 ( )。 A.正比关系 B.反比关系 C.倒数关系 D.相反数关系 6．下面各像差中能在像面上产生彩色弥散斑的像差有( )。 A.球差 B.场曲 C.畸变 D.倍率色差 7．不会影响成像清晰度的像差是 ( )。 A.二级光谱 B.彗差 C.畸变 D.像散 8．下列光学系统中属于大视场小孔径的光学系统是 ( )。 A.显微物镜 B.望远物镜 C.目镜 D. 照相物镜 9．正弦差属于小视场的 ( )。 A.球差 B. 彗差 C. 畸变 D. 色差 10．初级子午彗差和初级弧矢彗差之间的比值为 ( )。：1 ：1 C.5：1 ：1 11．光阑与相接触的薄透镜重合时，能够自动校正 ( )。 A.畸变 B.场曲 C.球差 D.二级光谱 12．在子午像差特性曲线中，坐标中心为z B '，如0B '位于该点左侧，则畸变值为 ( )。 A.正值 B.负值 C.零 D.无法判断 13．厚透镜之所以在校正场曲方面有着较为重要的应用，是因为 ( )。 A.通过改变厚度保持场曲为零 B.通过两面曲率调节保持光焦度不变 C.通过改变厚度保持光焦度不变 D.通过两面曲率调节保持场曲为0 14．正畸变又称 ( )。 A.桶形畸变 B.锥形畸变 C.枕形畸变 D.梯形畸变 15．按照瑞利判断，显微镜的分辨率公式为 ( )。 A.NA 5.0λσ= B. NA 61 .0λ σ= C.D 014' '=? D. D 012' '=? 16．与弧矢平面相互垂直的平面叫作 ( )。 A.子午平面 B.高斯像面 C.离焦平面 D.主平面 17．下列软件中，如今较为常用的光学设计软件是 ( )。软件软件软件软件 18．光学传递函数的横坐标是 ( )。 A.波长数 B.线对数/毫米 C.传递函数值 D.长度单位 19．星点法检验光学系统成像质量的缺陷是 ( )。

(完整版)光学系统设计(一)答案

光学系统设计（一）参考答案及评分标准 20 分）二、填空题（本大题14小题。每空1分，共20 分） 21.球心处、顶点处、齐明点处（r n n n L '+=） 22.%100y y y q z ?''-'=' 23.0 24.球差 25.冕牌、火石 26.?ννν?2111-=、?ννν?2 122--= 27.两面的公共球心处、两面的公共球心处 28.阿贝常数、C F D D n n 1n --= ν 29.畸变 30.圆 31.0 32.二级光谱 33.f 00052.0L FCD '='? 34.EFFL 三、名词解释（本大题共5 小题。每小题2 分，共 10 分） 35．像差：实际光学系统所成的像和近轴区所成的像之间的差异称为像差。评分标准：主要意思正确得2分。 36．子午场曲：某一视场的子午像点相对于高斯像面的距离称为子午像面弯曲，简称子午场曲。评分标准：答对主要意思得2分。 37．二级光谱：如果光学系统已对两种色光校正了位置色差，这两种色光的公共像点相对于第三种色光的像点位置仍有差异，该差异称为二级光谱。评分标准：答对主要意思得2分。 38.色球差：F 光的球差和C 光的球差之差，称为色球差，该差值也等于边缘光和近轴光色差之差。评分标准：答对得2分。 39．渐晕：轴外点成像光束的宽度较轴上点成像光束的宽度要小，造成像平面边缘部分照度要比像平面中心部分照度低的现象，称为渐晕。评分标准：答对主要意思得2分。

四、简答题（本大题共 6 小题。每小题 5 分，共30 分） 40．一物体的峰-谷比（peak to valley ）是λ23.0，问是否满足Rayleigh 条件？答：满足Rayleigh 条件，因为根据Rayleigh 判断，实际波面和参考波面之间的最大波像差(峰谷比)不超过0.25λ时，此波面可看作是无缺陷的成像质量较好。评分标准：答对主要意思得5分。 41．在七种几何像差中，仅与孔径有关的像差有哪些？仅与视场有关的像差有哪些？与视场和孔径都有关系的又有哪些？答：仅与孔径有关的像差有：球差、位置色差；仅与视场有关的像差有：像散、场曲、畸变、倍率色差；与视场和孔径都有关系的有：彗差评分标准：第一问中每个答案正确得1分，第二问中每个答案正确得0.5分，第三问中每个答案正确得1分。 42．一物体置于折射球面的球心处，其像在哪？放大倍率多少？若物在球面顶点，其像又在何位置？放大倍率多少？答：像分别在球心处和顶点处，放大倍率分别为n 1和1。评分标准：两位置答对各得1分，第一个放大倍率答对得2分，第二个得1分。 43. 什么是焦深，若像面向前或向后离焦半倍焦深，引起的波像差多大？答：（1）实际像点无论在高斯像点之前或之后'?0l 范围内，波像差都不会超过1/4 波长，所以把'02l 定义为焦深，即20u n l 2''='λ （2）引起的波像差为4/λ。评分标准：第一问答对大意得3分，第二问答案正确得2分。 44. 近视眼应佩戴何种透镜加以矫正？为什么？答：应佩戴凹透镜加以矫正，使光线经过水晶体后发散，重新汇聚到视网膜上。评分标准：答对大意得5分。 45. 在对称式光学系统中，当1-=β时，哪几种初级像差可以得到自动校正？其它初级像差有何特性？答：垂轴像差：彗差、畸变、倍率色差均为0。轴向像差：球差、像散、场曲、位置色差均为半部系统相应像差的两倍。评分标准：第一问每个答案正确得1分，共3分；第二问每个答案正确得0.5分，共2分。五、计算题（每题10分，共20分） 46．设计一齐明透镜，第一面曲率半径95m m r 1-=，物点位于第一面曲率中心处，第二球面满足启明条件，若该透镜厚度5mm d =，折射率5.1n =，该透镜位于空气中，求（1）该透镜第二面的曲率半径；（2）该启明透镜的垂轴放大率。解：（1）根据题意得，物点发出光线经第一面后按直线传播，相对于第二面，其物距100m m 595l 2-=--=，根据齐明条件100mm r n n n l 22 222-='+=，可得

第三版工程光学答案

第一章 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小得像,若将屏拉远50mm,则像得大小变为70mm,求屏到针孔得初始距离。解:在同种均匀介质空间中光线直线传播,如果选定经过节点得光线则方向不变,令屏到针孔得初始距离为x,则可以根据三角形相似得出: 所以x=300mm 即屏到针孔得初始距离为300mm。 4、一厚度为200mm得平行平板玻璃(设n=1、5),下面放一直径为1mm得金属片。若在玻璃板上盖一圆形得纸片,要求在玻璃板上方任何方向上都瞧不到该金属片,问纸片得最小直径应为多少？解:位于光纤入射端面,满足由空气入射到光纤芯中,应用折射定律则有: n0sinI1=n2sinI2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层得时候满足全反射,使得光束可以在光纤内传播,则有: (2) 由(1)式与(2)式联立得到n0、

16、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1、5得玻璃球上,求其会聚点得位置。如果在凸面镀反射膜,其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜,则反射光束在玻璃中得会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后,会聚点又在何处？说明各会聚点得虚实。解:该题可以应用单个折射面得高斯公式来解决, 设凸面为第一面,凹面为第二面。 (1)首先考虑光束射入玻璃球第一面时得状态,使用高斯公式: 会聚点位于第二面后15mm处。 (2) 将第一面镀膜,就相当于凸面镜像位于第一面得右侧,只就是延长线得交点,因此就是虚像。还可以用β正负判断: (3)光线经过第一面折射:, 虚像第二面镀膜,则:

得到: (4) 在经过第一面折射物像相反为虚像。 18、一直径为400mm,折射率为1、5得玻璃球中有两个小气泡,一个位于球心,另一个位于1 ／2半径处。沿两气泡连线方向在球两边观察,问瞧到得气泡在何处？如果在水中观察,瞧到得气泡又在何处？解: 设一个气泡在中心处,另一个在第二面与中心之间。 (1)从第一面向第二面瞧 (2)从第二面向第一面瞧 (3)在水中

光学系统设计作业

显微物镜光学参数要求为：β=2?，NA =0.1，共轭距离为195mm 。 1）根据几何光学计算相应参数； 2）运用初级像差理论进行光学系统初始结构计算； 3）使用光学设计软件对初始结构进行优化，要求视场角o 5±； 4）根据系统的特点列出优化后结构的主要像差分析； 5）计算优化后结构的二级光谱色差。一、显微物镜的基本参数计算为有效控制显微镜的共轭距离，显微镜设计时，一般总是逆光路设计，即按1/β进行设计。该显微物镜视场小，孔径不大，只需要校正球差、正弦差和位置色差。因此，采用双胶合物镜。 '''' 1 2 195111l l l l l l f β==- -=-= 解，得 ''6513043.33l l f ==-= 正向光路根据 '' ' J nuy n u y == sin NA n u = 在近轴情况下 NA nu = ' 2y y β== 由此可求解 ''' 0.05NA n u == 由此可知逆向光路的数值孔径综上，该显微物镜的基本参数为 NA 'f 'l l 0.05 43.33 65 130- 二、求解初始基本结构

1）确定基本像差参量根据校正要求，令'0L δ=、'0SC =、' 0FC L ?=，即 0C S S S I ∏ I ===∑∑∑，即 43332220 00 z C S h P S h h P Jh W S h C φφφφI I ∏ I ===+===∑∑∑ 解，得 0P W C I === 将其规化到无穷远 11sin 0.1NA n u ==，11n = 则 11sin 0.1/2u U β=?=-，11 6.5h l u mm =?= 规化孔径角为 110.1 20.3333071 6.543.33 u u h φ-== =-? 由公式 () ()() 21141522P P W u W W u μμ∞∞ =++++=++可求得规化后的基本像差参量代入可得 0.36560.8832 P W ∞∞ ==- 2）选择玻璃组合取冕牌玻璃在前得 ( ) 2 00.850.1 0.155792P P W ∞ ∞ =-+=- 根据0P 和C I ，查表选取相近的玻璃组合为BaK7-ZF3，其参数为 Bak7:56,5688.111==v n ZF3:5.29,7172.122==v n 0010.11520, 4.295252, 2.113207P Q ?=-=-= 2.397505A =， 1.698752K = 3）求形状系数Q

(完整版)工程光学第三版课后答案1

第一章 2、已知真空中的光速c ＝3*108m/s ，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。解：则当光在水中，n=1.333 时，v=2.25*108m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51 时，v=1.99*108m/s, 当光在火石玻璃中，n ＝1.65 时，v=1.82*108m/s ，当光在加拿大树胶中，n=1.526 时，v=1.97*108m/s ，当光在金刚石中，n=2.417 时，v=1.24*108m/s 。 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出：所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 4、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm ，所以纸片最小直径为358.77mm 。 8、.光纤芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，光纤所在介质的折射率为0n ，求光纤的数值孔径（即10sin I n ，其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n 0sinI 1=n 2sinI 2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：

(整理)各种光学设计软件介绍-学习光学必备-peter.

光学设计软件介绍 ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，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，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential），是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。ZEMAX的主要特色：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，也可存成文字文件*.txt；优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，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设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。 CODE V是Optical Research Associates推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格相当昂贵CODE V提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，近三十多年来，Code V进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环境热量分析；MTF和RMS波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直；非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。 CODE V是美国著名的Optical Research Associates（ORA?）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。自1963年起，该公司属下数十名工程技术人员已在CODE V程序的研制中投入了40余年的心血，使其成为世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用1994年，ORA公司聘请北京理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODE V的优越性突出地表现在以下几个方面： 1．CODE V可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可以方便地

光学设计实验指导书2012

实验一光学设计软件ZEMAX的安装和基本操作一．实验目的学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。二．实验要求 a)掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。 b)掌握ZEMAX软件的用户界面。 c)掌握ZEMAX软件的基本使用方法。 d)学会使用ZEMAX的帮助系统。 e)学会使用ZEMAX初步仿真光路图。三．实验内容（一）界面及基本操作 1．通过桌面快捷图标或“开始—程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用户界面，如下图所示：图1.1ZEMAX用户界面 2．浏览各个菜单项的内容，熟悉各常用功能、操作所在菜单，了解各常用菜单的作用。 3. 熟悉使用各个常用的快捷按钮。

4．学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常见编辑窗口（镜头数据编辑、优化函数、多重数据结构）。 5．调用ZEMAX 自带的例子（例如根目录下samples\tutorial\tutorial zoom2.zmx 文件），学会打开常用的分析功能项：草图（2D 草图、3D 草图、渲染模型等）、特性曲线（像差曲线、光程差曲线）、点列图、调制传递函数等，学会由这些图进行简单的成像质量分析。 6．从主菜单中调用优化工具，简单掌握优化工具界面中的参量。 7．掌握镜头数据编辑（LDE ）窗口的作用以及窗口中各个行列代表的意思。 8．从主菜单-报告下形成各种形式的报告。 9．通过主菜单-帮助下的操作手册调用帮助文件，学会查找相关帮助信息。（二）仿真光路图根据已拟好的设计草图，在ZEMAX 中实现光路仿真，包括光路系统整体设置、创建光学元件、透镜（组），元件间大致间距等。 1.光路系统的整体设置，包括此光学系统所适用的波长、入瞳直径、视场等，在主菜单-系统里有相应的各个设置。 2.创建光学元件、透镜（组），就是将设计草图中的各种光学元件用ZEMAX 的方式去仿真实现。ZEMAX 仿真的基本元素是面和面间距，仿真创建各种元件基本都以具体设置每个面和面间距的参数来实现。（1）面：面的基本参数包括面型（Surf:type ）、曲率半径(Radius)、厚度(Thickness)、材料（玻璃）(Glass)，半口径(Semi-Diameter)等，每一个面对应于LDE 窗口里的一个行，每一个参数对应LDE 窗口里的一列，如下图： ZEMAX 的默认面型是透明标准（Standard ）球面，曲率半径和半口径为无穷（Infinity ）。面的厚度和材料的定义都是以指定面起向后算到下一个面之间的这一段的厚度和材料。（2）面间距：指的是该面在光轴上的交点到下一个面在光轴上的交点之间的距离，向右为正，向左为负。常用于标识透镜厚度、元件与元件的间距等。例如：一个透镜的厚度，可以用透镜的前表面的面厚度值Thickness 来完成仿真；前一个元件与后一个元件的间距，可以用前一个元件的后表面到后一个元件的前表面之间的面间距来完成仿真。 3.根据设计要求和设计草图，估算各个元件之间的大致间距，通过面间距的设置，实现整个光学系统的初步仿真。 4.仿真一个轴上点光源（m μλ587.0=）在物距为u=30mm 时，由焦距为20mm ，材料为BK7，口径为10mm 的单正透镜成像的光路。四．报告要求： 1. 打开安装目录下的samples\tutorial\tutorial zoom 2.zmx 文件，生成其2D 图、渲染（转角）、像差特征曲线、OPD 曲线、曲面数据报告（第7面）和图解报告4。截屏后打印出来。 2. 试在打印出来的2D 图上标出各个面的位置以及相应面厚度值的具体指向（方向、

光学系统设计七个例子

光学系统设计（Zemax初学手册）蔡长青 ISUAL 计画团队国立成功大学物理系（第一版，1999年7月29日）前言整个中华卫星二号“红色精灵”科学酬载计画，其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。这份初学手册提供初学者使用软体作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软体。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在Zemax E. E. 7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参与“红色精灵”计画，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，整个内容已在Zemax E. E. 8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册（共有七个习作）与后续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。（陈志隆注） (回内容纲目) 习作一：单镜片(Singlet) 你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data，产生ray fan，OPD，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行简单光学设计最佳化。设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line 光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。也就是说，entrance pupil的大小就是aperture的大小。回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按滑鼠，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面 (surface)，于是在STO栏上，选取insert cifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ 为0，STO为1，而IMA为3。再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。又

MATLAB应用下的光学设计

课程设计说明书题目：MATLAB应用下的光学设计所属课程：应用光学姓名：学号：班级：指导教师：

中文摘要：本论文是在现有光学理论分析的基础上，利用MATLAB编程语言进行常见的光学仿真实验，旨在以一种更加直观的形式对现有理论和现象进行对比分析与研究。具体内容如下：（1）利用MATLAB绘制一个球面；（2）根据应用光学近轴光路计算公式，编写一个从轴上点光源发出的11条特征光线(u=±1.0, ±0.85, ±0.707, ±0.5, ±0.3,0)的近轴成像光线追迹；（3）利用过渡公式，设计一个透镜（由两个单球面组成），并画出其光线追迹图；（4）在2-3的基础上，编写实际光线的追迹，分析轴上物点的球差；（5）利用MATLAB的GUI(图形用户界面），设计一个可实时改变光路参数的GUI界面；（6）画出理想焦点附近的星点图，理解球差的存在；（7）用uitable函数以列表的形式给出参数和结果说明。关键词：MATLAB；光线追迹；球差；GUI界面；unitable函数 Abstract：This thesis is based on the analysis of the existing theory of optical, using MATLAB programming language to simulate several kinds of familiar optical experiments. The purpose of it is to make comparative study and analysis of existing theory and phenomenon by a more intuitive form. Specific content as follows: (1) Using MATLAB to draw a spherical surface; (2) According to paraxial optical path calculation formula, write a program to draw 11 special paraxial light ray tracing from epaxial point light(u=±1.0, ±0.85, ±0.707, ±0.5, ±0.3,0 ). (3) Depend on transition formula, design a optical lens(include two single spherical surface) and drawing light ray tracing; (4) Based on 2 and 3, write a program about actual light ray tracing, and analyzing epaxial point’s spherical aberration; (5) According to MATLAB, design a GUI (Graphical User Interface) can change the parameters of optical path; (6) Understand the exist of spherical aberration by drawing comet around ideal focus; (7) Give the results and parameters in a list by uitable function. Key words：MATLAB; light ray tracing;spherical aberration; GUI; unitable function

光学系统设计讲义

实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization）实验仪器：微机、zemax光学设计软件实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光，用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它是你要的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入 0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的 effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue 上键入25，然后点击ok。 5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO 即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO行中的glass栏上，直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO行中的thickness栏上直接键入4。Zemax 的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负值。再令第2面镜的thickness为100。 9、现在数据已大致输入完毕。如何检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，然后选择其中的 Ray Aberration，将会出现如图1-1所示的TRANSVERSE RAY FAN PLOT。

光学设计作业答案Word版

现代光学设计作业学号：2220110114 姓名：田训卿

一、光学系统像质评价方法 (2) 1.1 几何像差 (2) 1.1.1 光学系统的色差 (3) 1.1.2 轴上像点的单色像差─球差 (4) 1.1.3 轴外像点的单色像差 (5) 1.1.4 正弦差、像散、畸变 (7) 1.2 垂直像差 (7) 二、光学自动设计原理9 2.1 阻尼最小二乘法光学自动设计程序 (9) 2.2 适应法光学自动设计程序 (11) 三、ZEMAX光学设计.13 3.1 望远镜物镜设计 (13) 3.2 目镜设计 (17) 四、照相物镜设计 (22) 五、变焦系统设计 (26)

一、光学系统像质评价方法所谓像差就是光学系统所成的实际像和理想像之间的差异。由于一个光学系统不可能理想成像，因此就存在光学系统成像质量优劣的问题，从不同的角度出发会得出不同的像质评价指标。（1）光学系统实际制造完成后对其进行实际测量 ?星点检验 ?分辨率检验（2）设计阶段的评价方法 ?几何光学方法：几何像差、波像差、点列图、几何光学传递函数 ?物理光学方法：点扩散函数、相对中心光强、物理光学传递函数下面就几种典型的评价方法进行说明。 1.1 几何像差几何像差的分类如图1-1所示。图1-1 几何像差的分类

1.1.1 光学系统的色差光波实际上是波长为400~760nm 的电磁波。光学系统中的介质对不同波长光的折射率不同的。如图1-2，薄透镜的焦距公式为 ()'121111n f r r ??=-- ??? (1-1) 因为折射率n 随波长的不同而改变，因此焦距也要随着波长的不同而改变，这样，当对无限远的轴上物体成像时，不同颜色光线所成像的位置也就不同。我们把不同颜色光线理想像点位置之差称为近轴位置色差，通常用C 和F 两种波长光线的理想像平面间的距离来表示近轴位置色差，也成为近轴轴向色差。若l ′F 和l ′c 分别表示F 与C 两种波长光线的近轴像距，则近轴轴向色差为 '''FC F C l l l ?=- (1-2) 图1-2 单透镜对无限远轴上物点白光成像当焦距'f 随波长改变时，像高'y 也随之改变，不同颜色光线所成的像高也不一样。这种像的大小的差异称为垂轴色差，它代表不同颜色光线的主光线和同一基准像面交点高度（即实际像高）之差。通常这个基准像面选定为中心波长的理想像平面。若'ZF y 和'ZC y 分别表示F 和C 两种波长光线的主光线在D 光理想像平面上的交点高度，则垂轴色差为 '''FC ZF ZC y y y ?=- (1-3)

第三版工程光学答案[1]

第一章 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出：所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 4、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n =），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃板上盖一圆形的纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片的最小直径应为多少 2211sin sin I n I n = 66666.01 sin 2 2== n I 745356.066666.01cos 22=-=I 88.178745356 .066666 .0* 200*2002===tgI x mm x L 77.35812=+= 1mm I 1=90? n 1 n 2 200mm L I 2 x

8、.光纤芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，光纤所在介质的折射率为0n ，求光纤的数值孔径（即10sin I n ，其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n 0sinI 1=n 2sinI 2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有： (2) 由（1）式和（2）式联立得到n 0 . 16、一束平行细光束入射到一半径r=30mm 、折射率n=的玻璃球上，求其会聚点的位置。如果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处说明各会聚点的虚实。解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决，设凸面为第一面，凹面为第二面。（1）首先考虑光束射入玻璃球第一面时的状态，使用高斯公式：

(整理)光学系统设计

用ZEMAX实现对光源的仿真要精确地模拟一个照明系统，实现对光源的精确模拟是关键。这里讨论三个问题：一、如果只知道有关的光源的简单数据，如何模拟？二、如果已知关于光源的详细数据，又如何模拟？三、如何模拟一个几何形状复杂的光源？下面从第一个问题开始讨论：若仅知道光源的简单数据，如何对光源进行仿真？打开ZEMAX，将其切换到非序列模式：接下来，完成单位的设置，执行system>general>units 有关光能及其计算的问题，要特别注意物理单位。本例中光照度单位采用勒克司。将缺省的非序列物的类型设为source_radial。在ZEMAX中，source_radial 代表一个矩形或椭圆形平面光源，它能向半球面空间内发射光线。在半球面内，

光线关于本地Z轴呈对称分布，并且光线的强度随角度的分布属立方样条拟合。将null object定义为source_radial是将光源数据输入到ZEMAX的最简单直接的方式。右键单击null object：如下图所示，是美国Lumileds(流明)公司的LED产品LXML-PWW1说明书中提供的发光强度分布曲线。它呈明显的余弦分布。根据上述曲线，我们可以构造这样出表2：表2 LXML-PWW1的空间强度分布度相对强度(任意单位) 0 100 5 99 10 98 15 96

20 94 25 90 30 86 35 82 40 74 45 68 50 63 55 53 45 60 65 38 70 28 75 23 16 80 85 10 90 5 说明书上还注明，LXML-PWW1的直径是6mm，典型输出功率是120 lumens。设layout rays数量为30，analysis rays 数量为10000000。将上述参数输入到ZEMAX中：我们得到光源的外形图和灰度度：

光学系统设计(四)答案

光学系统设计（四）参考答案及评分标准 20 分）二、填空题（本大题11小题。每空1分，共20 分） 21.彗差、像散、畸变 22.圆、彗星 23. ∑' '- ='I 2 S u n 21L δ 24.细光束像散 25.位置色差、倍率色差 26.视场、孔径 27.-20mm 、-13.26mm 或-13.257mm 、-33.36mm 或-33.3586mm 28.2 12 2 1 r r d n )1n ()r 1r 1)( 1n (-+ --=? 29.齐明透镜、球差 30.边缘、0.707 31.位置色差三、名词解释（本大题共5 小题。每小题2 分，共 10 分） 32．调制传递函数：由于光学系统像差及衍射等原因，会造成像的对比度低于物的对比度。将像的对比度与物的对比度的比值，称之为调制传递函数。评分标准：答对主要意思得2分。 33．赛得和数：赛得推导出仅有五种独立的初级像差，即以和数∑I S 、∑II S 、 ∑III S 、∑IV S 、∑V S 分别表示初级球差、初级彗差、初级像散、初级场曲、初级畸变，统称为赛得和数。评分标准：答对主要意思得2分。 34．出瞳距：光学系统最后一个面顶点到系统出瞳之间的距离，称为出瞳距。评分标准：主要意思正确得2分。 35．像差容限：根据瑞利判断，当系统的最大波像差小于λ41 时，认为系统像质是完善的，当系统满足这一要求时，各像差的最大允许值称为像差容限，又称像差允限。评分标准：主要意思正确得2分。 36．复消色物镜：校正了系统二级光谱的物镜，称为复消色物镜。评分标准：答对主要意思得2分。四、简答题（本大题共 6 小题。每小题 5 分，共30 分） 37．简述瑞利判断和斯托列尔准则，二者有什么关系？答：瑞利判断：实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过4/λ时，此波面