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 theoryof 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目录中文摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第一章绪论 (1)1.1光学仿真的研究现状 (1)1.2光学仿真的研究意义 (2)1.3本论文主要研究内容 (2)第二章光学仿真实验 (3)2.1 球面绘制 (3)2.2 光路计算与光线追迹 (3)2.2.1 近轴光线追迹 (6)2.3 图形用户界面GUI的设计 (6)2.4 光学像差(球差)仿真 (6)2.5 uitable函数 (7)总结 (9)致谢 (10)参考文献 (10)附录 (11)第一章绪论1.1 光学仿真的研究现状在计算机科学飞速发展的今天，光学仿真受到越来越多科研工作者和教育工作者的关注。
其应用方向主要有两个：首先是在科学计算方面，利用计算机仿真软件模拟实际的实验过程，减少或避免贵重仪器的损伤，实验结果也更精确；第二是在光学教育方面，将抽象难懂的概念及规律以一种更加直观地形式进行表述，让学生可以寓学于乐。
在教育方面，国外专门介绍光学仿真的教材有很多，内容也相对完善。
其中不仅详细介绍了几何光学、物理光学、光学成像技术以及图像处理技术，而且利用现阶段常用的仿真软件MATLAB对它们进行了系统的仿真。
目前，我国在运用计算机仿真方面还相对落后，相关教材还十分匮乏。
随着近年来，国家光学产业的不断发展，光学实验仿真必将得到更多的关注以及飞速的发展。
1.2 光学仿真的研究意义21世纪是信息时代，信息学科和信息产业的迅猛发展促使传统的光学仪器科学向光电信息学科扩展。
现代光电信息学科及其产业的发展要求新一代的科学研究人员与工程技术人员除了具有扎实的理论基础，还应具有应用所学理论建模并仿真求解光电信息学科及现代光学中各种问题的能力，成为知识结构新和创新能力强的高层次人才。
光波导和激光是现代光电信息科学中两个举足轻重研究方向。
以这两个方向的光学内容为基础，从基本的物理概念出发，建立相应的理论模型，并将这些光学问题归纳为特征方程求根、积分求解、常微分方程求解等几类数值求解问题，在对相应的数值分析方法进行简要介绍的基础上结合MATLAB 强大的数值计算和图形显示功能，完成光学问题的仿真计算并给出图形化的显示结果。
也就是通过光学仿真计算，利用MATLAB 编程来完成现代光学典型问题的模型求解，通过数据和图形来展示现代光学问题的本质，力求形成理工结合、经典理论与现代数值方法紧密结合的新体系。
长期以来，由于光学课程中的概念繁多、物理规律较为抽象，理论教学对实验的依赖性较强，特别是其中的一些光学现象和规律缺乏细致的数学推导，再加上授课教师一直沿袭传统的口授笔演的教学方式，这些都给学生学习该门课程带来了诸多困难。
1.3本论文主要研究内容本论文的主要研究方向是基于MATLAB所进行的光学仿真实验，目的是掌握MATLAB的使用环境以及用程序语言实现结果的可视化，并通过实验对现有的光学理论进行深层次的理解。
具体的研究内容如下：首先，第一章绪论中包括三部分内容，MATLAB的简介、光学仿真的研究方向以及光学仿真的研究意义，从宏观上对光学实验仿真有一个清醒的认识。
第二章，主要讨论了近轴光线和实际光线的光路计算以及光线追迹；借助理想焦点附近的星点图，理解球差的存在；设计一个可以改变光路参数的GUI界面，观察在不同参数条件下的光线追迹图；最后，利用uitable函数给出参数和结果说明。
最后，总结课程设计当中所遇到的一些困难和所用到的思想方法。
第二章 光学仿真实验2.1 球面绘制-101234图12.2 光路计算与光线追迹实际光线的光路计算：计算光线经过单个折射球面的光路，就是已知球面曲率半径r 、介质折射率n 和'n 及光线物方坐标L 和U ，求像方光线坐标''U L 和。
如图2.1所示，在AEC ∆中，应用正弦定律，有 rU r L I )sin(sin -=+- 于是r Ur L I sin )(sin -= (2-1)在E 点应用折射定律，有I n n I sin sin ''= (2-2) 由图2.1可知，''I U I U +=+=ϕ,由此得像方孔径角'U 为''I I U U -+= (2-3)在 EC A '∆中应用正弦定律r U r L I '''sin sin =-于是，得像方截距)sin sin 1('''U I r L += (2-4)特别指明：式2-1到式2-4为实际光线的光路计算公式，可用于实际的光路计算。
图2近轴光线的光路计算：当孔径角U 很小时，''U I I 和、都很小。
这时，光线在光轴附近很小的区域内，这个区域称为近轴区，近轴区内的光线称为近轴光线。
由于近轴光线的有关角度量都很小，在式（2-1）-- 式（2-4）中，将角度的正弦值用其相应的弧度值来代替，并用相应小写字母表示，则有：r u r l i/)(-= （2-5）''/n ni i = （2-6） ''i i u u -+= （2-7）r u r i l +=)/(''' （2-8） )/,0(1111'r h i u l ==∞=时，当上述公式即为近轴光线的光路计算公式，适用于近轴光路计算。
对于一个由k 个面组成的光学系统，在进行光路计算时，还需要解决由前一个面到下一个面的过渡问题，这时就要用到一组过渡公式：1'1---=i i i d l l （2-9）'1-=i i u u （2-10）'1-=i i n n （2-11）光线追迹：在实际处理光学系统成像问题（光学设计）时，最直接的方法是把折射定律准确地应用于每一个折射面，追迹具有代表性的光线通过光学系统的准确路径。
其方法一般有两种：一种是光学图解法；一种是计算法。
后者由于计算机的发展、普及已普遍应用，有专门的应用程序并配以立体显示，可以说完全替代了前者，已成为当今光学设计的主要工具和方法。
2.2.1 近轴光线追迹0123456-2-1.5-1-0.50.511.52图32.3 图形用户界面GUI 的设计图形用户界面（Graphical User Interface,简称GUI,又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。
与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。
GUI 的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使用。
人们从此不再需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进行操作。
运用MATLAB 设计图形用户界面GUI ，目前已被广泛运用到实验教学当中。
MATLAB 为广大用户提供了一个方便、高效的集成开发环境GUIDE （Graphical User Interface Development Environment ）并将所有的GUI 控件都集成在这个环境中而且提供了相应的设置方法。