Index of refraction n=(velocity in vacuum) / (velocity in medium)
折射率定义 n (vacuum)=1, n(air)=1.0003
Light propagates along strait line—light beam.
一、光的直线传播定律 在各向同性的均匀透明介质中，光线按直线传播 例：小孔成像、月蚀、电影放映 特例：光的衍射 二、光的独立传播定律 不同的光线以不同的方向通过空间某一点时，彼此不发生影响，各光线 仍按原方向传播。 特例：相干光相遇，光的干涉
• 线视场（长度）或角视场（2ω） Field of view
2）其他参数 入瞳直径(D) 出瞳直径（D’） 工作距 共轭距等 （物距、像距）
entrance pupil exit pupil working distance Conjugate distance
2.系统的外形尺寸 Size 指系统的横向尺寸和纵向尺寸。最大直径、最大长度，整体设计必 须遵循。 3. 成像质量 Image quality 与光学系统的用途、要求有关。一般指清晰度、分辨率、不失真 4. 系统和仪器的使用条件和环境 注意化学稳定性、抗震性、耐热性、耐寒性、特定的工作环境
5 其他 • 变焦镜头Zoom的变倍比 • 像面尺寸及形状、像面或探测器类型 • 照明 • 可选材料 • 可加工性
6.光学系统设计的评价 Design evaluation ① 性能和成像质量; ② 系统的复杂程度，在满足用户要求的前提 下，尽量简单; ③ 经济性：提高质量降低成本。
§0-2 光学系统设计步骤
§0-4 光学系统零部件设计
常用光学零件 球面：物镜和目镜。 平面：棱镜、平行平板 分为三个阶段 ① 选型；② 确定初始结构参数；③ 像差校正
For example, if we are to design a telescope with a given magnification, the entrance pupil diameter should chosen such that the exit pupil size matches the eye pupil. A focal length of the objective and the eyepiece should be chosen such that the eyepiece can have a sufficiently large eye relief. Present-day computer hardware and software have significantly changed the process of lens design. Calculation, computation, also optimize the system to reduce the aberration. The challenge is to leave these local minima and reach the “global minimum”
系统的整体设计：光学系统总体布局
光学部件（光组、镜头、棱镜等）的设计。 方法：在光学基本定律的基础上，用功能极强的计算机辅助设计软 件和工具。 §0-3 光学系统总体设计 任务：确定光学原理方案，外形尺寸计算 总体设计时，会有机电部分，但是，光学部份和光学参数是关键。 ①设计光学系统的原理框图 ②确定基本光学特性：放大率、焦距、线视场（角视场）、数值孔 径（相对孔径）、共轭距、工作距、光阑位置和外形尺寸 一般按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。 计算时要结合机械结构和电气系统的要求统一安排，避免干涉和无 法实现。
第一章 几何光学的基本理论
§1-1 The electromagnetic Spectrum
Cosmic rays（宇宙射线）—Gamma rays—X-rays—Ultraviolet （紫外）—Visible（可见）—Infrared（红外）—Microwave （微波）—EHF—SHF—UHF—l optical part design CAD Manufacturing Tech Image quality evaluation
What we have learnt from Applied Optics ?
1.Image formation principle, elements, devices, systems 原理与光学元件、系统。成像是应用光学的基础。 2. Optical system geometrical design, system integration, but not lens design 3.Optical instrument, typical optical system 光学仪器（典型光学系统） Telescope：观察远处的物体，宏观 军事、大地测量、天文 Microscope：观察近处小物体，微观 生物、测量、隧道显微镜 Camera：瞬时现象的纪录：摄影、摄像、图像记忆 Projector：电影、报告厅投影仪、投影电视
B
nb sin i sin i na
C Vb C Va
Va Vb
n sin i n sin i
C: light velocity in vacuum 真空中的光速 Va: light velocity in media A 光在介质A 中的传播速度 Vb: light velocity in media B 光在介质B 中的传播速度 真空的绝对折射率为1。 空气中折射率：标准压力，20oC：1.00028
Optical System Design
光学设计(1)
Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学
School of Electric and Electronic Engineering 电气工程及自动化学院 2006/09/08
绪论 Introduction §0-1 光学系统的性能参数和质量要求
It should be emphasized that the incident ray, the normal, the reflected ray, and the refracted ray all lie in a common plane.
§1-2 Light beam propagation
a) Homocentric beam
同心光束
b) Parallel beam
平行光束
c) Astigmatism beam
像散光束
Light waves radiating from a point source. Each wave front is spherical in shape, with the curvature (reciprocal of the radius) decreasing as the wave front travel away from point source. 点源产生球面波 At a sufficient distance from the source, the radius of the wave front may be regarded as infinite. Such a wave front is called a plane wave. 平面波
A’ N I’ A plane wave front incident upon a plane surface separating two media with refraction index of na and nb respectively. （一）折射定律 1 折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和 入射光线分居法线两侧； 2 入射角与折射角的正弦之比与两角度大小无关，仅取决于两介 质的性质。该值为一恒量。
§0-5 光学设计需要的基础知识
几何光学的基本定律
理想光组理论
Laws of Geometrical Optics
Gauss Optics
像差
光束限制 ,光阑 典型零件的设计方法 计算机辅助设计 光学零件的制造工艺 光学系统的像质评价
Aberration
Beam restriction, Stop, Aperture
Visible portion: 0.4micro—0.76micro Violet red The ultraviolet region (紫外区）: from the lower end of the visible spectrum to a wavelength of about 0.01 micro at the beginning of the X-ray The velocity of light in vacuum : c=2.998X105km/sec
研究光路在光学介质中的走向是基础的基础。
基于光学的基本理论：
几何光学的思想，光线的近似方法, 光的直进（均匀介质中）原 理，点光源。 注意几何光学的应用条件：非干涉、非衍射 用几何的概念，光学基本原理，得到光线传播规律，推导出一 系列公式，作为光路计算的依据。
Chapter 1 General Principles
The distance between successive waves is the wavelength of the radiation. （波长定义） The velocity of propagation of light waves in media is less than in vacuum.
What we will study
Review Gauss Optics
Aberration
Basic optical devices and systems To use ZEMAX software. To practically design a doublet lens.