一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记

宿命958 · 发表于 2023-2-27 17:12:03

0 前言

科研真是苦，学了东家学西家，一直在无穷无尽的学习中。回头看了一眼之前发的文章，力学/软件啥的都是半拉子产品，亟待完善，可是新知识又不断堆进来，快疯了。
这次需要在一周内入门光学知识并掌握光学设计软件Zemax，但愿我可以如期完成学习任务。
学习之前，在各大贴吧网站上看了很多光学入门的内容，如果要学好还真不容易。记录一下我的学习历程和重要的内容，方便之后回顾。
备注：如果想系统学习光学设计，请不要继续往下看，否则有入坑翻车危险；如果是快速学习，且只是为了某个项目使用，那么还有那么一点作用可以供你参考。
慌乱的一批，以时间为大标题吧，每日更新。
进入正文...
1 4月18日

一、框架

第一天，最重要的事情当然是理清学习思路，选择学习资料。我列了个提纲和学习规划导图，明天按照学习进展做更新吧。每天学习时间从晚上七点到九点（惊，每天两个小时真的能学完吗？细思极恐）

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-1.jpg

每个光路系统都是由若干个透镜组组成，为了设计出透镜组的具体结构参数，首先必须明确透镜组的两大内容：
（1）光学特性
包括该透镜组的焦距、物平面位置、光束孔径、成像范围（物高或像高），这些通过理想光学系统计算得出；
（2）成像质量
要求成像清晰、物象相似，从而确定透镜组的具体结构参数，包括透镜表面的曲率半径、厚度、各透镜之间的间隔和所用的玻璃材料等。
考虑以上两个方面，就可以用于加工光学元件，搭建光路设备等了。
二几何光学

（长图预警）
学习，切忌从目录看到末尾，毕竟没有那么长的时间。要挑重点去理解。
这部分内容我参考的是张以谟《应用光学》第三版
首先当然先看目录，看重点学习哪些内容。

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-2.jpg

大致扫了一遍全部内容，大致分为概念和计算两大类，概念是为后续计算做铺垫的，理解到能够学会计算即可。其中，已经熟悉的内容直接跳过。
1.基本定律

1.1 概念

（1）波面

平面波、球面波、任意曲面波。
粗俗的理解，比如我们的眼镜，镜面可以看作一个波面？暂且这么理解。

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-3.jpg

（2）像散光束

彼此不相平行又不交于一点的光线所成的光束。
粗俗的理解，就是理想的系统是交于一点，实际上它交不成一点，在两个位置可以形成互相垂直的交线。

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-4.jpg

（3）费马原理

&#34;光程&#34;是指光在介质中经过的几何路程l与该介质折射率n 的乘积，也等于光同一时间内在真空中所走过的路程。

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-5.jpg

光线由点A 传到点 ß ，经过任意多次折射或反射，其光程为极值
（4）马吕斯定律

垂直于波面的光线束(法线集合)经过任意多次反射和折射以后，无论折射面和反射面的形状如何，出射光束仍垂直于出射波面，保持光线柬仍为法线集合的性质:并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。

1.2 计算

（1）光的直线传播定律、光的独立传播定律、折射定律和反射定律、光路的可逆性已经学过了，不看了。

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-6.jpg

折射定律公式

（2）折射率，一定波长的单色光在真空中的传播速度 c 与官在给定介质中的传播速度v之比，n=c/v

（3）矢量形式的折射定律和反射定律

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-7.jpg

折射定律

其中，

令n&#39;=-n ，得I&#39;=-I，就是反射定律的矢量形式：

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-10.jpg

（4）全反射

入射光由光密介质进入光疏介质:入射角必须大于一定的角度，按折射定律，当折射角I&#39;= 90° ，有

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-11.jpg

全反射示意图

（5）反射光和折射光的能量分布通常采用反射率R 和透过率T 表示：

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-13.jpg

通常有 T=1-R

2 球面和共轴球面系统

2.1 单个折射球面的折射

记住一个图：

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-14.jpg

（1）正负号

沿轴线段：由顶点 O 到光线与光轴交点或球心的方向与光线传播方向相同，其值为正，反之为负。
垂轴线段：在光轴以上者为正，在光轴以下者为负。
光轴与光线的夹角 U和U&#39;：由光轴转向光线所成的角度。顺时针转成者为正，逆时针转成者为负。
光线与法线间的夹角：由光线以锐角方向转向法线，顺时针转成者为正，逆时针转成者为负。
折射面之间的间隔以字母 d ：由前一个折射面顶点到后一个折射面顶点的方向与光线传播方向相同者为正，反之为负
（2）光路计算

一周掌握光学设计 | 学习历程+笔记-15.jpg