前沿光学综合(前言)

前沿光学综合,绪论,近代光学的发展,光学真正广泛服务于人类是从20世纪60年代激光问世开始的。激光一经问世就对光学及其他科学技术和社会生活产生革命性的影响。,激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷达以至计算机等。,60年前，光学、电子学独立学科，由于激光的出现，现代光学：光源激光化，手段电子化，用现代电子学模式处理光学问题（如傅立叶光学）。现代电子学：处理方法光学化（如计算机并行处理）。,光子作为信息载体,光子处于电磁波谱的高频段，所以可以得到更短的脉冲（实验证明，超短光脉冲已经达到阿秒(1018秒)量级）。光子作为信息的载体突破了电子学发展的瓶颈限制，使响应时间从10-9秒提高到10-15秒，工作频率从1011赫提高到1014赫，从而使高速、大容量的信息系统得以实现。,生物技术,激光能量技术把光子作为能量载体具有极为广泛的应用。,激光医疗,科学研究,激光手术刀,工业制造,国防军事,光子作为能量载体,光子器件与电子器件性能比较,光子器件与电子器件性能比较,光子学在创造科学技术的顶峰,光子学在创造科学技术的顶峰,光子学在创造科学技术的顶峰,2015国际光年,2015年距离阿拉伯学者伊本海赛姆海的五卷本光学著作诞生恰好一千年。一千年来，光的技术带给人类文明巨大的进步。1815年菲涅尔提出的光波概念、1865年麦克斯韦提出的光电磁传播理论、,1905年爱因斯坦的光电效应理论和1915年通过广义相对论将光列为宇宙学的内在要素，以及1965年彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景，同年高锟提出光在纤维中的传输，以用于光学通信。2015年是光学界许多里程碑式发现发明的周年纪念。,联合国大会已经宣布2015年为国际光年，希望以此纪念千年来人类在光领域的重大发现，强调推动可持续发展、解决能源、信息、教育、农业和卫生等世界性问题的光技术的重要性2015年国际光年已获得联合国全体成员的支持，将由国际上包括IEEE，CIE，SPIE等50个国际学术科研团体联合举办。中国光学学会也把纪念国际光年的活动列为2015年的重要议事日程。,尺度：几何光学物理光学纳米近场光学（远场）（近场）矩阵光学微型光学集成光学纳米光子学线性光学非线性光学维数：体材料波导材料（导波光学，纤维光学）（高维）（低维）(表面等离子体光学)(无序)(有序)(光子晶体)经典光学量子光学（电磁场用光子态波函数表示）纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。-钱学森院士,表面等离子体(SPs)亚波长光学,1998年，T.W.Ebbesen首次在Nature上报道了微孔阵列金属膜结构中的远场透过增强现象(Ebbesen效应)2003年，Barnes和Ebbesen在Nature上发表了题为Surfaceplasmonsubwavelengthoptics的文章，标志着表面等离子体亚波长光学的形成。,Barnesetal，Nature424:824-830(2003),表面等离子体(SurfacePlasmons,SPs)是沿着导体(金属)表面传播的波，电磁场在垂直于金属表面方向指数衰减，局域在金属表面。表面等离子体激元(SurfacePlasmonPolaritons,(SPPs)是光波与可迁移的表面电荷（例如金属中自由电子）之间相互作用，产生的电磁模。通过构造金属表面结构，可改变其性质、色散关系，激发模式，耦合效应，实现对光子行为的调控。,SPs的基本性质,表面空间局域特性沿金属表面传播，电场强度沿垂直金属表面方向指数衰减。近场能量增强特性60nm厚银膜红光照射下增强可达2个量级。色散关系SPs波矢光子波矢,SPs的激发方式,波矢补偿方式:利用全反射棱镜的介电常数补偿：Kretschmann结构(a)(b)，Otto结构(c)SNOM探针激发(d)光栅衍射(e)表面缺陷衍射(f),SPs的四个特征长度参数,SPs波长sp，可以由色散关系得到：SPs传播距离Lsp，由SPs波矢的虚部决定,电介质中的穿透深度d，决定了周围介质折射率对SPs敏感层的厚度范围金属中的穿透深度m，决定了SPs隧传金属膜的厚度,SPs在纳米尺度光传输的优势：突破衍射极限空间维度3维2维近场能量增强特性可有效补偿结构中的光场能量,是SPPs的电磁场穿透进金属中深度，m30纳米（可见光、银膜）是SPPs的电磁场穿透进与金属紧贴的介电材料中深度，可见光波段：d0。是SPPs的传播长度，要使其增长，则要求金属的介电常数具有一个大的负实部和小的虚部，即低损耗的金属材料。是SPPs波长，小于激发光波长,SPPs的特征尺度:,SPs光子学器件,基于SPs的纳米光子学器件，在近场能量传输与控制、光通讯与光计算、生物分子探测、纳米光刻、微孔激光器、LED发光增强等许多方面都有重要的应用前景。,SPs纳米波导生物分子探测纳米光刻微孔激光器,2013.11Chen,战略研讨会,25,等离激元是光子和电子的协同桥梁,不同器件技术的工作速度与其关键尺寸的关系图图中虚线表示不同技术的物理限度。半导体电子器件由于互连时延问题速度被限制约10GHz。电介质光子器件的尺度受衍射基本定律约束于波长（m）量级。表面等离激元可以作为光子同等速度和电子同等尺度之间的桥梁。,10G,SPs研究的发展方向,深入研究亚波长金属结构中SPs作用的物理机理。设计光频段的亚波长尺度低损耗的纳米光子学波导和光连接器芯片，以及能和传统单模光纤相互耦合的二维表面等离子体光子学器件。设计制作可调谐高效的有机或无机LED，发展亚波长尺度的新型光源。实现对表面等离子体的动态电光、全光调制及增益放大，设计高速高灵敏度的表面等离子体光开关。深入发展大面积的亚波长表面等离子体纳米光刻技术，如“超级透镜”的高分辨率近场成像技术。实现电子学和光子学元件在纳米尺度下集成于同一芯片上。它将为新一代的光电技术开创新纪元。,摘自文献（Science311:189-193,2006),光子晶体指的是一种由介电质周期性分布所形成的微结构系统，它通常具有很高的折射率对比，其周期大小一般为光波长量级。,光子晶体概念的核心：周期,光子晶体:随空间周期性变化的新型光学材料，变化周期一般为波长量级，可有效控制光子在其内部的运动,特点：周期分布结构（光波长量级）有光子带隙，可使特定波长的光通过,1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纤通信等光学研究领域中，PCF引起了全世界的普遍兴趣。光子晶体光纤是一种基于光子晶体的新型光学光纤.能将光束缚在空芯或者说具备普通的光纤不具备的光束缚性,此名词是由PhillipRussell于1995-1997提出地,还有一些其他的叫法比如微结构光纤,光子带隙光纤,多孔光纤(holeyfiber).,光子晶体光纤,宽频带的单模性质对于标准阶梯型光纤，允许的导模数量取决于归一化频率参量V,当V0的入射角度为正）。在入射界面上分别发生了正折射和负折射，与色散曲线分析结果吻合。,ChinesePhysicsLetters,25,2104(2008),远场超分辨探测技术,远场超分辨透镜(hyperlens)X.Zhang,Science,(2007),曲面金属-电介质复合结构的结构参数对于光束传播和成像的影响,传统光学,Rayleigh衍射极限：,如何提高分辨率？,采用更短的波长,增大数值孔径,突破衍射极限！？,近场光学Near-fieldsuperhighdensityopticalstorage,近场探针与近场超分辨结构NFprobeandSuper-RENS,近场超分辨结构Superresolutionnear-fieldstructure,SUPER-RENS实际样品,wavelength=635nm；Marksize=100nmSNR40dB,柱面矢量光场(非均匀偏振光)慢光超光速光学天线光声效应,新兴光子技术与产业,1.光通信产业,这是光子技术的核心产业。是宽带光网络发展的原动力，具有最大的潜在市场。待全面光纤到户和“三网合一”实现之后，它将成为产值和规模最大的产业，对国民经济的影响最大。光纤通信产业有：,各种规格的光纤与光缆:包括各种掺杂光纤，特殊结构光纤（保偏光纤、色散渐变光纤、色散补偿光、大孔径光纤等等），光子晶体光纤和塑料光纤。,光子产业的内容和分类,光通信产业,有源光器件和无源光器件:有源光器件：激光器、发光管、探测器、放大器、发射模块、吸收模块等；无源光器件:耦合器、滤波器、衰减器、隔离器、环行器、连接器、光开关、光互联（OXC）、光分插复用（OADM）、波分复用（WDM）以及包含这些功能的各种集成光子器件等等。,在国内最早研究掺铒光纤放大器,增益达49.6分贝，中央电视台新闻联播报道。,波长范围：C+L波段增益：13-23dB,光通信中的关键器件（主干网）放大均衡,1、光通讯专题主要议题方向：,高速光通信核心芯片高速光通信器件技术高速光通信基础软件高速光通信系统高速光通信系统发展及对器件的需求新型光无源与有源器件技术和产业发展Si微纳集成光子芯片的Foundry实践色散补偿光纤及模块的技术与市场稀土掺杂光纤技术与市场光子晶体光纤技术发展集成光通信器件MEMS/MOEMS器件塑料光纤与FTTH,2.光传感及光电前沿技术与应用专题：,光传感技术专题特殊光纤与器件光纤光栅技术制备光纤传感器的技术利用光纤拉曼效应制备光纤传感器的研究FP腔体光纤传感技术的优点光传感网络技术光纤光栅传感器网络化技术光传感应用专题光纤传感在物联网的应用及产业化问题光纤传感在市政工程的应用光纤传感在食品研究中的应用光纤传感在药品/医学研究中的应用光纤传感在航空，行天领域的应用光纤传感在石化，采矿等易燃易爆领域中的应用光纤传感的多点测试系统工程机构健康检测技术,在生命科学和反恐领域具有重大需求,在疾病预防、诊断、治疗等人类健康的保障和反恐、生化防护、公共安全等方面需要提供更多的新材料、新结构、新原理和新的快速、高效、高分辨、实时的表面等离子体（SPs）探测方法和技术,金属微纳结构的物理、制备与传感器件研究,金属微纳传感结构芯片及高灵敏度传感技术研究,利用银纳米立方体与银膜耦合体系的场增强效应，增强吸附于银纳米立方体表面各种分子的拉曼散射信号，可检测的最低拉曼分子（Rh6G）浓度为10-11M。,研制了双金属芯片，对牛奶中抗生素及血液中雌性激素的进行了检测；双金属芯片的最低检测浓度为1.8ng/ml低于传统金芯片（3.2ng/ml）,国家自然科学基金重点项目（金属微纳结构物理、制备与传感器件研究）顺利通过结题验收，并被评为优秀。,光传感与光测量齿科材料光谱色度测试仪,光纤传感斐索自聚焦光纤透镜干涉仪,ReporttoBillGatesLaserDopplerTrackingProject,电网光纤智能测温度系统,本产品主要应用于高压电中心变电站测温系统，可实现对变电站主变、开关小车、分段刀闸、电容器等环节的温度在线实时监测，,前端展示系统,报表,采用自行研制的高功率可调谐掺铒光纤激光器，相比传统的基于宽带光源的传感技术，扫面精度高，解调信噪比高，后端抗损耗能力强，系统扩容性好；拥有高性能及特种光纤光栅刻写系统，设计与优化独特的光纤光栅，提高了温度传感能力；开发了阵列式解调装置，成本低廉，具有很强的传感网络扩容能力；开发了智能分析软件，可提供即时监控显示，和历史报表绘制功能，可远程查看及操控。,3.激光技术与应用专题,先进激光技术专题PhotonicsCrystalFiberHighpowerdoublecladdingfiberandfiberlaserDiodePumpedSolid-StateLasersintheNearInfraredandVisibleSpectralRegion深紫外光源和光刻系统飞秒激光微加工/超快激光技术超快光纤激光放大器技术高重复频率脉冲激光技术激光应用专题激光在先进制造业领域的应用激光微细加工技术及在工业领域的应用激光在太阳能电池生产中的应用高脉冲能量准分子激光在纳米技术的应用光纤激光技术的最新发展及应用二极管激光器用于金属加工的最新进展激光打标的发展趋势激光焊接的新应用和趋势医疗激光的发展动态,OpticsLetters,Vol.37,Issue4,pp.464-466(2012),基于少模光纤光栅的低阈值单波长全光纤轴对称偏振光激光器,方波激光器,方波宽度1ns-100ns连续可调，上升沿时间100ps.该方波光源在我国的高功率激光器前端系统中可以解决单频调制方案中的脉冲顶部调制等工程问题，促进我国在高功率激光器和激光约束核聚变领域的研究进展；稳定的方波脉冲激光光源，在传感、通信和精密机械激光加工方面也同样具有重要应用价值；,*纳米位移飞牛力测量/纳米光镊系统,三光镊基本光路高精度操控系统高精度观测系统图象数据采集系统,4.固态照明专题,固态照明技术专题硅衬底氮化镓蓝光LED及其产业化研究宽禁带半导体材料及微结构的制备优化及光电特性GaN基LED的新型衬底大功率白光LED外延片技术的最新进展大功率白光LED封装技术的最新进展照明用大功率LED荧光粉的最新进展固态照明器件的光学设计大功率白光电源及控制电路技术的最新进展我国LED用有机金属源、衬底材料的最新进展大功率LED灯具系统热量管理的最新进展固态照明应用专题太阳能与固态照明SolarHighBrightLEDCombinationLEDCommunication中国半导体照明国家标准的制订情况LED路灯照明市场分析与展望LED汽车照明市场分析与展望LED室内照明与装饰市场分析与展望LED照明智能化控制技术的研究进展,太空看到的地球,2010年，我国发电量可望达到2.7万亿度，2020年为3.5万亿度。照明用电量约3000亿度（2010年）和5250亿度（2020）。如果50%采用半导体照明，将达到照明节电40，即年节电2100亿千瓦时的目的，其效果相当再建2.5座“三峡电力工程（总投资2000亿元人民币）”。实现这个目标可节省1.05亿吨原煤，减少1400万吨废气及尘渣排放量，对我国国民经济的可持续发展将产生重要的影响！,从环保看半导体照明节能！,需要研究和解决的问题,提高半导体芯片的发光效率提高单管的最大可发光通量延长使用寿命降低成本，以降低价格目前还不适于替代民用照明，主要应用是交通、汽车和城市景观照明,我实验室在LED的研究方面进行了LED出光效率、色度学、二次光学设计、电源特性等方面的研究，参加乐伯利特科技有限责任公司承担的“每瓦100流明功率型白光LED制造与生产技术”（863项目重点课题，2007-2009），以下是我实验室利用积分球、光谱仪等仪器设备测量的高功率白光LED。,白光LED光谱,美国海洋光学USB4000-UV-VIS微型光纤光谱仪,500mm积分球,照度计,样品1-5为乐伯利特公司生产的高功率白光LED，若用脉冲电源驱动测量，光效可达100lm/W以上。,每瓦100流明功率型白光LED制造与生产技术,每瓦100流明功率型白光LED制造与生产技术(863重点项目,参加),与乐百利特科技有限责任公司联合研发的KL4LM（A）型LED矿灯，尤受注目。该矿灯采用大功率LED冷光源，保证了灯头在工作环境中最高温度只有60度（原老矿灯灯丝温度在2000-2500度），冷光源灯头即使在井下被击碎也绝对不会引起爆炸事故的发生，大大提高了安全性。而且该矿灯在同等条件下，发光效率超过同行其它产品30以上，放电时间超过17小时，是国内质量最好、性价比最高的矿灯产品。,5.光显示,光信息产业,光显示器:包括薄膜晶体管-液晶显示器（TFT-LCD）、发光二极管（LED）显示器、等离子体平板显示器（PDP）、场致发射显示器（FED、数字微透镜或光纤阵列显示器、各种投影设备等。,液晶:一种规则性排列的有机化合物，液晶显示器件:具有无辐射、低压驱动、微功耗、纤薄轻巧、使用寿命长等优点，而且不会出现几何失真和色彩失真TFT-LCD仍是未来平板显示的主流技术,集成电路、液晶显示与软件正是电子信息产业的三大基础，液晶屏一直列为国家“十一五”十二五”重点规划项目.,全球主要显示产业态势图,预计5年左右三基色LD技术可能获得突破10年左右激光显示器将从试验样机走向规模产品,CRT显像管LCD液晶OLED有机发光LDT激光,（1）2013年以前为统计数据，20132016年为预测数据，来源于DisplaySearch（CRT、LCD、OLED）和LaserFoucsWorld(LDT)；（2）20162025年数据为我们的预测。,激光显示市场,激光显示一条走向显示高端目标之路,Work-4:单投影三维显示,偏振双投影,快门式投影机,缺点：对于前者，成本高、包括电路信号同步、光路重叠等系统调整繁琐液晶开关眼镜成本高，闪光影响了显示效果。,基于液晶偏振旋转的单投影方案,特点：(1)系统成本低：液晶偏振旋转片价格30元左右。(2)偏振眼镜观察，显示效果好。,发明专利申请号:20110457587.5,搭建了激光作为光源的单投影偏振背投3D显示系统，测试了一种背投消散斑、保偏振背投屏。,实验结构示意图,实验光路,三维场景的深度信息提取及重建,发展了图像重建及相关算法，成功将透镜阵列技术用于三维场景的深度信息提取和背景消除。,深度信息提取,不同深度二维场景重建演示,光存储,较早的近场探针存储方法因易损伤和读写速度太慢，后来发展了固体浸没透镜（SIL）存储方法。SIL方案采用半球或超半球作前端会聚物镜，增大n以提高分辨率。,在SIL近场光存储的实验中选择具有足够大的数值孔径和工作距离的透镜及控制SIL与记录介质之间的距离到100nm左右是获得良好记录效果的关键。,固体浸没透镜（SIL）近场存储,6.太阳能技术与应用专题,绿色奥运理念给我国带来的新机遇和挑战太阳能光伏产业的发展状况世界纳米太阳能电源研制技术新动向太阳能电池发展现状及趋势如何建立我国正确的光伏领域的行规及其大面积薄膜电池的标准化光伏发电产业链的能效比分析太阳能光伏市场、材料、技术及人才继晶体硅及薄膜太阳能电池之后，下一代太阳能光伏技术多晶硅太阳能电池产业化及其国际市场展望太阳能汽轮机,化石能源要枯竭,中国与世界一次能源的探明剩余储量比较,太阳能有多大潜力？,太阳光到达地球表面的功率密度为1000w/m2，总功率比目前全世界能源消耗大一万倍。假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.61012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。40分钟照射地球辐射的能量全球一年的能量需求,太阳能电池的研制与开发,当前应用的光伏能量转换器件主要是硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅），目前商用太阳能电池的光电转换效率为16%，实验室最高达24%虽然光电转化效率较高，但成本高，制备工艺复杂！,前沿光学综合,光的传播,干涉和衍射的电磁理论(参考书：光学原理),光学原理(光学领域的奠基性教科书),作者:M.玻恩,20世纪最杰出和最有影响的物理学家之一,诺贝尔奖得主.E.沃耳夫,美国罗切斯特大学教授,前美国光学学会主席,光学进展的主编。评价:新版光学原理为有志于攀登光学高峰的年轻人提供了一架云梯,如果不是圣经的话,新版光学原理昭示人们,掌握基础型理论才是发展和创新的根本,根深叶茂,本固枝荣。-母国光下载:,目录,绪论分层媒质中的电磁波及转移矩阵理论(第1章第6节）(马中团)初等色散理论（第2章第3节）(曹勇)象差的几何理论(第5章)(桂华侨)多光束干涉（第7章第6节）(顾春)部分相干光理论（第10章）(黄文财.纪帆)标量衍射理论（第8章）(孙晓红.郑志强,黄伟)严格的衍射理论(第11章)(鲁拥华)光在金属结构中的传播和金属膜理论（第14章第1、2、4节）(闵长俊)米氏理论（第14章第5节）(邓燕)晶体光学(第15章)(陈曦耀,焦小瑾),课程论文,光镊系统中的球差光学原理理想成像表面等离子体的电磁求解金属的波动方程和色散关系计算机层析成像技术的原理,多纵模激光光场相干性分析部分相干光束的干涉散斑统计光学和部分应用啁啾脉冲光学参量放大（OPCPA）啁啾脉冲堆积整形技术中堆积脉冲的时间起伏特性应用F-P干涉仪比较波长,衍射理论与光束整形光学衍射现象及其在剪切相位衬度成像中的应用声光作用MDM多层结构超分辨成像非线性光学显微镜的超分辨研究负折射率材料的研究进展-林剑春SC08009062时域有限差分法Finite-differencetime-domain(FDTD)显微数字全息术,轴对称矢量光束轴向偏振光的研究光子晶体与光子晶体光纤表面等离子体共振传感器温度特性金属纳米颗粒的光学性质及应用散射与谐振,象差的几何理论,(第5章),1.工作面积大，系统厚度小，如350mm*180mm*10mm；2.能够实现手指、橡皮、键盘按键等物体的多点位置实时跟踪；3.结构紧凑、简单。,隐失场散射信息输入装置,关键技术及手指跟踪,实时探测弱背景高对比度光散射信号；系统分析并解决多重像问题；解决了水平和竖直两个方向上的大视差问题；解决了对大景深问题和像面不垂直于透镜光轴问题。,手指跟踪,光学三角定位跟踪,成像系统的高阶畸变片光照明及背景噪声抑制CMOS动态阈值控制系统设计及参数优化,工作范围：80mm100mm静态漂移：x方向小于0.08mmy方向小于0.05mm分辨率：Rx=0.080.16mmRy=0.050.1mm定位精度：x.y方向小于2mm,二维定位跟踪系统演示,系统指标及演示,象差的产生和分类,镜头孔径较大，成像不满足近轴条件成像光锥不共心波阵面偏离球面形状,单色像差(monochromaticaberration),色差(chromaticaberration),波象差,对于小像差光学系统，常常用波象差来评价其成像质量。波象差也称为光程差(OPD,Opticalpathdifference)。P1*是P0的高斯象，矢量称为光线的象差。,物平面、象平面和光瞳平面,象差基本表达式,波象差可用光程长度表示,其中和位于同一波阵面。,幂级数展开式,象差函数可表示为两个矢量和的三个标积的函数象差函数展开为相对于四个坐标的幂级数,，无零次方项。,项的存在表示参考球面的球心不是准确地位于高斯象平面上。,二次项不存在是因为：该项会引起线性依赖于坐标的光线象差，这与P1*是P0的理想高斯象相矛盾。,初级象差赛德耳象差,光线象差分量表达式：,1.球面象差Sphericalaberration,象差曲线是同心圆，其中心在高斯像点处，其半径随环带半径的三次方增大，但与物在视场中的位置无关。,不同大小球差的照片,球差的校正：,加光阑复合透镜，如正负透镜组合、球面曲率及折射率的配合等非球面透镜变折射率透镜,2.象散Astigmatism,轴外物点发出的同心光束，水平方向和竖直方向的光线的聚焦点在不同平面上.,如果光学镜头在加工和装调时没有偏心，又没有倾斜放置的平板玻璃或棱镜，那么轴上点成像是不会有像散的。因此说，像散是轴外点的像差。当物点离外光轴逐渐远时，那么像散也将逐惭增加。,像散的校正：,复杂复合透镜,加光阑,非球面透镜,3.场曲Fieldcurvature,象散和场曲都是由于物点离光轴较远、光束倾斜度较大引起的。,4.慧差Coma,靠近光轴的物点发出的大孔径光线不聚焦于一点.,不同大小慧差的照片,慧差的校正：,复合透镜,加光阑,非球面透镜,5.畸变Distortion,物平面枕形畸变桶形畸变,象的变化与和无关，但象离轴的距离不再与物离轴的距离成正比。,畸变不影响像的清晰度，而只是物-像变化不成比例。解决方法是减小光阑孔径！,象差比较和消除,五种赛德耳象差中，有三种（即球面象差、慧差和象散）是使成象不清晰，另外两种（场曲和畸变）是与象的位置和形状有关。慧差、象散、场曲和畸变均为轴外象差。采用光阑和复合透镜可以减小镜头象差。系统设计时必须对各种象差的大小作适当的折衷。比如望远镜系统主要是抑制慧差的存在，照相机主要在于消除场曲和畸变。,初级象差的相加定理,一个共轴系统的每一种初级象差系数，是这个系统中各个面相应的象差系数之和。,初级象差系数的计算,利用旋转折射面的角特征函数的展开式：,定义阿贝不变量KL,定义利用高斯近似可得到赛德耳象差的表达式，每项即对应不同的象差系数。,初级象差系数,高阶象差计算,理论计算更为繁杂，可结合实验测量结果分析。镜头的高阶畸变：,其中代表物体高度，为镜头半径，为主光线与镜头光轴的夹角。,像场的畸变,象的变化量与成正比,结合物像关系可得畸变存在时的物点位置,高阶畸变系数,理论高阶畸变曲线,Software,Zemax()CodeVbyOpticalResearchAssociates(,分层媒质中的电磁波及转移矩阵理论,对应光学原理第一章第六节,分层介质中的电磁波,波矢k沿平行于界面方向上的分量始终相同，称之为传播常数;波矢沿垂直于界面方向的分量ki由各物质的色散关系确定。任意层内电磁波是正向波和负向波两种成分的叠加，对TM偏振：,两平板界面处边界条件：动态矩阵,电场可以通过麦克斯韦方程计算：,电磁场的切向分量写成矩阵形式：,