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2021-12-10 10:51 |
现代光学设计(Modern Optical Design)
《现代光学设计》分2篇共30章,详细介绍了现代光学设计的方法和要点。本书上篇为光学设计基础,包括光学设计概述、Zemax软件概述、光路计算、光学材料、塞德像差理论、波像差理论、Buchdahl公式、像质评价、消色差、光学自动设计等内容;下篇为光学系统设计,引入了大量的设计实例,介绍了各类常见光学镜头及系统设计方法,包括望远物镜、显微物镜、目镜、照相物镜、投影和照明系统、变焦距系统、红外物镜、折反系统、激光光学系统、折衍混合光学系统等,后还介绍了光学制图等知识。 .!=2#< 本书将光学设计理论与光学软件Zemax设计实例结合,内容由浅入深,讲解清晰易懂,可供光学设计师、工程师参考与自学,也可供高校光电信息类师生使用。 W!+5}\? iv3NmkP1
[attachment=110014] $FCLo8/= 第1章什么是光学设计2 8+
Hho@= 1.1为什么需要光学设计2 +FyG{1?< 1.1.1光学仪器小史2 Fe`$mtPu . 1.1.2光学系统4 +=;F vb 1.1.3理想光学系统4 +dIg&}Tr 1.1.4理想成像的违背5 C\
9eR 1.1.5像质评价7 H?^Poe(=( 1.2光学设计的流程9 %0= |WnF- 1.2.1设计前阶段9 8CwgV 1.2.2设计阶段10 ]6FpUF#<D 1.2.3设计师需要参与的阶段13 # l}Y1^PDd APy&~` 第2章Zemax软件概述14 u9sffX5x[J 2.1光学设计软件14 /R@eOl}D 2.2在Zemax中输入数据16 E+F!u5u 2.2.1Zemax软件的交互界面16 /ey}#SHm, 2.2.2输入镜头数据18 JZ80 |-c 2.2.3设置孔径20 i>>_S&!9p 2.2.4设置视场22 aElEV
e3 2.2.5设置波长23 Tig`4d-% 2.2.6设置玻璃24 l.Qj?G 2.3查看输入结果26 -=2tKH`Q 2.3.1镜头结构参数26 O z]iHe 2.3.22D/3D视图26 EXoT$Wt{$ 2.3.3查看一阶特性27 2VtiL^;5 2.3.4分析输入结果27 s$| GVv1B AfFFu\ 第3章光路计算30 #!C/~"Y*`| 3.1符号规则30 sDw&U?gUv 3.1.1线量的符号规则30 CGny#Vh 3.1.2角量的符号规则31 O~l WFaW 3.1.3反射处理32 !&?(ty^F 3.2光路计算公式32 r1JKTuuo 3.2.1非近轴光路计算公式32 PzNk: O 3.2.2转面公式33 @6(4}&sEdm 3.3近轴光路计算公式33 .@.O*n#K 3.4计算实例34 m" .8- 3.5光路计算的向量公式36 b&s"x?
7 3.5.1球面光路计算的向量公式37 4*G#fW- 3.5.2二次曲面光路计算的向量公式39 rp+&ax}Wh 3.5.3光路计算的起始和终结公式41 iO>2#p8$NR L+(5`Y 第4章光学材料45 ~UEft 4.1无色光学玻璃45 LoqS45-) 4.1.1夫琅禾费波长45 #1&wfI$ 4.1.2无色光学玻璃的分类和牌号46 Mb"i}Yt{ 4.1.3玻璃折射率47 m fg{% .1 4.1.4色散48 7[.aAGTZ; 4.1.5无色光学玻璃的质量指标49 oj;Rh!O 4.1.6玻璃图51 _cQTQ 4.2光学塑料51 cxp>4[gH 4.2.1光学塑料简介51 6;"jq92in* 4.2.2常用的光学塑料52 x9p,j 4.2.3在Zemax中使用光学塑料53 `og 3P:y 4.3特殊光学玻璃54 oZQ%P 4.3.1有色光学玻璃54 AKzhal! 4.3.2低膨胀玻璃55 -1DQO|q# 4.3.3耐辐射玻璃55 z ~#
.Ey 4.3.4耐潮湿和耐腐蚀玻璃55 vB
hpD 4.4紫外光学玻璃56 PB(mUD2"r DwMq 第5章特殊光学面形58 JS1$l+1 5.1非球面58 a;r,*zZ=" 5.1.1形状因子58 +Vl\lL
- 5.1.2矢高59 wi|'pKG 5.1.3二次曲面59 [u`v'*0d 5.1.4在Zemax中使用非球面60 < HlS0J9 5.1.5在Zemax中使用反射面62 9nu!|reS 5.2梯度折射率面64 xKi:
2 5.2.1梯度折射率简介64 yM`J+tq 5.2.2梯度折射率分类65 PJ5~,4H-4 5.2.3在Zemax中使用梯度折射率面66 K-cRNt 5.2.4梯度折射率面与非球面的等效70 lZCTthr\ *9Ej fs7L 第6章光学系统中的光束限制72 \fj*.[, 6.1光阑分类72 7_xQa$U[ 6.1.1孔径光阑72 P+tRxpz 6.1.2视场光阑73 p6VS<L 6.1.3渐晕光阑73 omisfu_~E 6.1.4消杂光光阑74 4^/MDM@ 6.2主光线和边缘光线74 G~b/!clN 6.3相对孔径与F数75 %{?EfULg 6.4拉格朗日不变量75 G6]W'Kk 6.5远心光路77 }TI"j{(QJ 6.5.1物方远心光路77 Lq:
!?)I 6.5.2像方远心光路78 #;4<dDVy 6.6在Zemax中移动光阑78 OHTJQ5%zL OE[|1?3 第7章塞德像差理论Ⅰ83 SM;UNIRVE 7.1球差83 _Vul9= 7.1.1球差的定义83 kG 7]<^Os3 7.1.2球差的计算公式84 T?B753I 7.2轴外初级单色像差85 R~TzZ(Ah] 7.2.1空间坐标系的建立85 sl?> X)} 7.2.2Petzval场曲86 A/:^l%y,GZ 7.2.3轴向像差87 xvn@zi 7.2.4横向像差89 ~U"puEftbs 7.2.5旋转对称系统89 4}-{sS}MP 7.2.6初级单色像差的塞德和数90
StZ GKY[Q 7.3彗差90 .{r 0Szm. 7.3.1子午面和弧矢面90 .S4c<pMap 7.3.2子午面和弧矢面像差91 PggjuPPh 7.3.3彗差定义92 '&v.h#< 7.3.4正弦差93 LGuK@^ 7.4场曲和像散93 2aj9:S 7.4.1子午场曲和弧矢场曲93 nD#QC=} 7.4.2像散94 `_"F7Czn 7.4.3Petzval场曲94 EH1GdlhA 7.5畸变94 PiQsVk 7.6PW形式的塞德和数95 *DBm"{q%&k 7.7在Zemax中查看塞德像差系数97 P)D2PVD
b~oQhU??" 第8章塞德像差理论Ⅱ100 1V/?p<A 8.1初级色差100 ':fq/k3;& 8.1.1轴向色差100 u_31Db< 8.1.2垂轴色差102 ' 5tk0A 8.1.3在Zemax中查看初级色差数据103 :[P)t
% 8.2Zemax中横向像差与轴向像差105 e 97Ll=> 8.3像差的级数展开与像差平衡107 nLvF^%P8 8.4像差曲线113 4 q-/R ;YGCsLT<xt 第9章优化函数116 ?F=^&
v8 9.1求解116 k{Ad(S4J& 9.1.1曲率求解116 - 2DvKW$ 9.1.2厚度求解118 Sao4MkSz[] 9.2环和臂119 *h([ai"1- 9.3构建优化函数121 |J:|56kVZq 9.4Zemax中常用优化函数122 r%=} e++^% 9.5设计实例124 ,y>Sq + qnc?&f 第10章波像差129 v~.nP}
E^ 10.1波前129 uE'O}Y95 10.2费马原理131 H\vd0DD; 10.3波像差公式131 A.YXK%A% 10.3.1轴上点波像差与球差的关系131 Vf*Z }' 10.3.2波像差与塞德像差的关系132 /BN_K8nb` 10.3.3波像差普遍式133 3bU(ea^e$ 10.3.4波像差的极坐标形式134 5 *R{N
~> 10.3.5波像差与塞德像差换算公式134 @'AjEl:&-_ 10.3.6焦深136
fV(WUN+ 10.4用波像差研究初级像差的几何形状137 on^m2pQ
*p 10.4.1球差137 *r90IS}A$2 10.4.2彗差137 <6rc8jYz 10.4.3像散137 x9!3i{_ 10.4.4场曲137 >))f;$D= 10.4.5畸变138 C0`Bi:Ze 10.5色差的波像差138 :HiAjaA1pg 10.5.1D-d方法计算波色差138 QKB*N)%6 10.5.2用后一面半径消色差138 Q\moR^> 10.5.3波色差与塞德初级色差的关系139 gJFx#s0?6. 10.5.4近轴薄透镜的波色差139 *DUP$@}k 10.6在Zemax中查看波像差140 ;udV"7C 'qy
LQ:6 第11章Buchdahl公式142 UFSbu5 j 11.1Buchdahl塞德和数公式142 %iq8dAW% 11.1.1阿贝不变量表示的塞德和数142 4roqD;5|~| 11.1.2Buchdahl的塞德和数143 E;MelK<8( 11.2结构像差系数145 0d|DIT#>? 11.2.1薄透镜近似145 BB9+d"Sq 11.2.2结构像差系数的消像差条件148 G4;5$YGG 11.3小弥散斑150 Rt+ak} 11.3.1小弥散斑位置150 umo<9Y 11.3.2在Zemax中查看离焦152 2 ":W^P CqVeR';2 第12章像质评价Ⅰ154 %
|^V) 12.1像差容限154 JYw_Z*L=m 12.1.1瑞利判据154 ascY E 12.1.2球差容限154 eHl)/=' 12.1.3望远和显微物镜的像差容限157 )45#lE3TH 12.1.4望远和显微目镜的像差容限157 $a#-d; 12.1.5照相物镜的像差容限157 X/BcS[a 12.2光线扇形图158 YwizA}a# 12.3点列图160 ZBuh(be 12.4能量集中度163 SNOML7pd 12.5斯特列尔比164 }.k*4Vw#Wt =nff;Xu 第13章像质评价Ⅱ167 MHqk-4Mz 13.1对比度167 dMw}4c3E 13.2傅里叶变换168 I83 _x|$FZ 13.2.1傅里叶变换的定义168 `UD,ne 13.2.2卷积168 aN?^vW< 13.2.3线性系统169 `8lS)R! 13.2.4线性平移不变性169 p#aB0H3 13.3衍射理论170
NIh?2w"\ 13.3.1基尔霍夫公式170 }bZb8hiG 13.3.2菲涅耳和夫琅禾费近似171 s+<`iH9Hm 13.3.3透镜的相位变换172 "&%Lhyt 13.4点扩散函数173 wTe 9OFv 13.4.1点扩散函数计算公式173 OPuty/^!Gw 13.4.2在Zemax中查看点扩散函数174 KXf(v4 13.5光学传递函数177 Zg&o][T 13.5.1调制传递函数177 jB"IJ$cD 13.5.2一个计算实例178 hX)PdRk# 13.5.3衍射受限的光学传递函数179 V\nj7Gr:sF 13.5.4在Zemax中使用MTF180 Am@:<J -P:o ^_)g 第14章透镜的初级像差184 XGb*LY+Db6 14.1初级像差系数184 4DgH/Yo 14.2单折射面的初级像差185 {\vcwMUzZ 14.2.1球差185 POI|#[-V 14.2.2彗差186 U1;&G 14.2.3像散187 m*'hHt
n 14.2.4场曲187 3}2;*:p4Y 14.2.5畸变188 Y[0mTL4IO 14.3球面反射镜的初级像差188 qM18Ji* 14.3.1球面反射镜188 [NoO A 14.3.2平面反射镜189 N c(f+8 14.3.3非球面的初级像差189 hem>@Bp'V 14.4薄透镜的初级像差189 1]a\uq} 14.5平行平板的初级像差190 F4]=(T 14.6场镜的像差192 B|K^:LUk9 14.7光阑位置对初级像差的影响192 h?Lp9VF 14.8厚透镜194 u<JkP <"S v^dQ%+}7> 第15章分离镜片和场曲平化196 &3$FkU^F6 15.1分离镜片196 6~OJB! 15.1.1单片镜196 Q9Vj8JO"{ 15.1.2双片镜197 s`en8% 15.1.3三片镜198 >rXD Lj-e 15.2弯曲光学系统200 YYhN>d$ 15.3场曲平化201 = N^Ec[u(l 15.3.1Petzval半径201 l5nm.i<M 15.3.2平行平板引起的焦移203 WD@v<Wx) 15.3.3场曲平化方程203 Dkg^B@5Xr 15.3.4Zemax中的场曲平化操作数204 lhX4MB" 15.4对称结构204 E[Q2ZqhgbP NG8F'=< 第16章消色差Ⅰ206 K;ocs?rk/ 16.1密接双片镜消初级色差206 G
2`hEX% 16.1.1消色差约束条件206 I7HGV( 16.1.2消色差设计实例207 K'f^=bcI 16.1.3加入厚度208 w7c0jIf{ 16.1.4弯曲消色差209 n_(f"Uv 16.2消二级光谱210 L[^.pO 16.2.1二级光谱色差的概念210 D63?f\ 16.2.2消二级光谱方法210 pJJOy 16.2.3消二级光谱实例212 "R\D:Olb# 16.2.4如何获得二级光谱数值213 OX7a72z 16.2.5何时需要校正二级光谱215 +4+czfz 7LB%7~{< 第17章消色差Ⅱ216 *v$j n 17.1分离双片镜消初级色差216 m.FN ttkM 17.1.1分离双片镜消色差条件216 N;a' `l 17.1.2分离双片镜消色差解217 @&x'.2[nv 17.1.3同种材料消色差218 nRyx2\Py+ 17.1.4设计实例218 @~}~;}0x 17.2密接三片镜复消色差220 >abpse 17.2.1部分色差约束条件220 .X5A7 m 17.2.2复消色差约束条件221 LLL;SNY 17.2.3复消色差方程组的解221 D&x.io 17.2.4设计实例222 M8IU[Pz4 a ?\:,5= 第18章PWC分解227 J+TtM> 18.1PWC因子的规化227 TR%8O; 18.1.1PW因子227 ,/qY 9eh 18.1.2有限距离的PW因子规化228 )NK#}c~5 18.1.3位置变化对PW因子的规化228 oIniy{ 18.1.4薄透镜组的PW规化过程230 @{Dfro 18.1.5逆向追迹光路时的PW因子231 O^q~dda 18.1.6初级色差系数的规化231 dA^{}zZu 18.1.7计算实例232 R8 LHwRQ 18.2双胶合透镜组的PW计算233 }:Y)DH%u 18.2.1变量选取233 6E2#VT>@/ 18.2.2PWC因子和结构参数的关系234 `(/xj{"Fr} 18.2.3PWC因子与玻璃材料的关系235 ;U3K@_ 18.2.4双胶合透镜组PWC计算过程235 =sso )/3 18.2.5设计实例236 SW5n?Qj3- 18.3单透镜的PWC计算241 sm{/S*3 P@Fx6 第19章光学自动设计243 ^%m{yf# 19.1光学自动设计的数学问题243 "<Yxt"Z4 19.2多元函数的极值理论245 &?TXsxf1Zh 19.3小二乘法247 1h#/8X 19.4阻尼小二乘法250 $KhD>4^jL 19.5正交下降法251 j{johV+`8 19.6全局搜索253 ("YWJJ'H fQ1Dp 下篇光学系统设计 a|(|!= 第20章望远物镜设计257 aPRMpY-YC3 20.1望远物镜的成像特性257 i(ZzE 20.2望远物镜的类型258 B)/c]"@89 20.3大相对孔径望远物镜设计260 omznSL 20.3.1初始系统260 _pzYmQ 20.3.2缩放系统261 +_25E.>ml 20.3.3优化处理262 JDW/Mc1bh 20.3.4校正色差262 mwMu1# 20.4内调焦摄远物镜设计263 s IBP$9 20.4.1光焦度分配264 `[e0_g\ 20.4.2求解初始结构265 zl|+YjR 20.4.3前后透镜组为摄远物镜268 J@QOF+ & G$luGxl[ 第21章显微物镜设计270 &gr
T@ 21.1光学显微镜的两种形式270 (N/-blto 21.2显微物镜的像差特性271 /q8B | (U 21.3像差的控制271 !? H:? 21.3.1像差类型271 R+!oPWfb 21.3.2在Zemax中像差的控制方法272 5s;@ ;V 21.3.3球差的构建273 45x4JG 21.3.4色球差的构建273 CEBu[TT/9 21.3.5子午彗差的构建274 w
`+.F;}s 21.4显微物镜的成像特性275 Ups0Xg&{ 21.5显微物镜的类型276 7HQL^Q 21.5.1消色差物镜276 <f =<r*6 21.5.2复消色差物镜277 t~)4f.F: 21.5.3平场物镜277 n*i&o;5 21.6低倍消色差显微物镜设计277 `t44.=% 21.6.1一阶参数计算277 \Ui8gDJ8y5 21.6.2初始系统278 1]Cbi7 21.6.3优化处理278 t,'J%)j 21.7高倍显微物镜设计280 9P,[MZ 21.7.1一阶参数计算280 xA<-'8ST 21.7.2初始系统280 ,% 'r:@' 21.7.3优化处理281 %%I:L~c {<a)+S.6U 第22章目镜设计283 4=`1C-v?q 22.1目镜的光学特性283 &y7=tEV 22.1.1短焦距283 !I\eIV>0b 22.1.2小相对孔径283 Pa#Jwo 22.1.3大视场角284 i3KAJ@ 22.1.4入瞳和出瞳远离透镜组284 _/"e'@z 22.2目镜的像差特点284 y |i(~ 22.3目镜的类型285 3sIdwY)ZS_ 22.3.1冉斯登目镜286 j?T>S]xOX 22.3.2惠更斯目镜287 Hyenn 22.3.3凯涅尔目镜287 *_mER` 22.3.4对称目镜288 7h2/8YUgQ 22.3.5无畸变目镜288 `sy_'`i>X 22.3.6广角目镜288 $FDGHFM 22.4冉斯登目镜的设计289 `:R9M+
OX 22.4.1冉斯登目镜的技术要求289 =v!Z8zk=W 22.4.2冉斯登目镜的初始系统289 XD?]+ 22.4.3阶段优化290 NPFI^Uj#A 22.4.4第二阶段优化291 VKw.g@BY 22.5对称目镜的设计291 ,aq>9\pi 22.5.1对称目镜的技术要求291 +2k{yl 22.5.2初始对称目镜292 TKbfZw 22.5.3优化处理292 __1Hx?f 22.6无畸变目镜的设计294 T+t7/PwC; 22.6.1无畸变目镜的技术要求294 L?P[{Ohh/ 22.6.2初始无畸变目镜294 MtgY `p 22.6.3优化处理294 :Ig9n: \VI0/G)L 第23章照相物镜设计296 H#WqO<<v 23.1照相物镜的光学特性296 aIr"!. 4 23.1.1幅面大小296 Os].
IL$ 23.1.2焦距297 r+6 DlT
a 23.1.3视场角297 [}
d39 23.1.4相对孔径297 EP<{3fy 23.1.5F数298 m*h O@M 23.1.6分辨率298 LaZ
@4/z! 23.1.7景深298 |Q@( <'8= 23.2照相物镜的类型298 n{qVF#N_ 23.2.1匹兹瓦物镜298 oK<H/76x 23.2.2库克三片式物镜298 BT^=p 23.2.3天塞物镜和海利亚物镜299 X+ybgB4( 23.2.4双高斯物镜299 SOMAs'= 23.2.5摄远物镜299 m(1ot M9 23.2.6托普岗物镜和鲁沙物镜300 tu@-+<* 23.2.7松纳物镜300 aI}htb{m` 23.2.8反摄远物镜300 a@9W'/?igk 23.3照相物镜的像差校正301 O-pH~E 23.4双高斯物镜的设计302 3j[<nBsn. 23.4.1双高斯物镜的技术要求302 $GQEdVSNo 23.4.2初始双高斯物镜302 G9#3
|B-? 23.4.3基础像差校正303 EG_P^<z 23.4.4像差平衡304 $]W*;MTI} 23.5反摄远物镜的设计306 "jq6FT)O 23.5.1反摄远物镜的技术要求306 c=a;<,Rzb 23.5.2初始反摄远物镜307 _{}^]ZB 23.5.3基础像差校正307 Q&@<?K9 23.5.4像差平衡308 zWhzU|=8 Cv&>:k0V 第24章投影和照明系统设计312 1Mx2% 24.1幻灯机312 a^X% (@Sg 24.1.1幻灯机的原理312 "]=XB0) 24.1.2两种照明方式313 *+2BZZwT 24.1.3投影物镜314 4(Y-TFaf 24.1.4投影镜头设计过程315 Ra^c5hP:.E 24.2投影仪315 F4~O-g.< 24.2.1投影仪原理315 V1,~GpNx 24.2.2投影镜头设计实例316 xa
!/. 24.3背投数字光处理器319 onS4ZE3B 24.3.1数字微反射阵列319 }XRfHQk 24.3.2背投投影仪原理320 Q&PEO%/D 24.4菲涅耳透镜设计321 %+#l{\z 24.4.1为什么使用菲涅耳透镜321 (tT%rj! 24.4.2菲涅耳透镜设计理论322 DGz}d,ie 24.4.3菲涅耳透镜设计实例323 8Bxb~* s%m?Yh3 第25章变焦距系统设计325 eSW}H_3 25.1光学补偿法变焦距系统设计325 })q8{Qj! 25.1.1光学补偿法原理325 :Fh _Ya0 25.1.2计算实例328 qA25P< | |