| cyqdesign | 2021-12-10 10:51 |
现代光学设计（Modern Optical Design）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。 [attachment=110014] 第1章什么是光学设计2 1.1为什么需要光学设计2 1.1.1光学仪器小史2 1.1.2光学系统4 1.1.3理想光学系统4 1.1.4理想成像的违背5 1.1.5像质评价7 1.2光学设计的流程9 1.2.1设计前阶段9 1.2.2设计阶段10 1.2.3设计师需要参与的阶段13 第2章Zemax软件概述14 2.1光学设计软件14 2.2在Zemax中输入数据16 2.2.1Zemax软件的交互界面16 2.2.2输入镜头数据18 2.2.3设置孔径20 2.2.4设置视场22 2.2.5设置波长23 2.2.6设置玻璃24 2.3查看输入结果26 2.3.1镜头结构参数26 2.3.22D/3D视图26 2.3.3查看一阶特性27 2.3.4分析输入结果27 第3章光路计算30 3.1符号规则30 3.1.1线量的符号规则30 3.1.2角量的符号规则31 3.1.3反射处理32 3.2光路计算公式32 3.2.1非近轴光路计算公式32 3.2.2转面公式33 3.3近轴光路计算公式33 3.4计算实例34 3.5光路计算的向量公式36 3.5.1球面光路计算的向量公式37 3.5.2二次曲面光路计算的向量公式39 3.5.3光路计算的起始和终结公式41 第4章光学材料45 4.1无色光学玻璃45 4.1.1夫琅禾费波长45 4.1.2无色光学玻璃的分类和牌号46 4.1.3玻璃折射率47 4.1.4色散48 4.1.5无色光学玻璃的质量指标49 4.1.6玻璃图51 4.2光学塑料51 4.2.1光学塑料简介51 4.2.2常用的光学塑料52 4.2.3在Zemax中使用光学塑料53 4.3特殊光学玻璃54 4.3.1有色光学玻璃54 4.3.2低膨胀玻璃55 4.3.3耐辐射玻璃55 4.3.4耐潮湿和耐腐蚀玻璃55 4.4紫外光学玻璃56 第5章特殊光学面形58 5.1非球面58 5.1.1形状因子58 5.1.2矢高59 5.1.3二次曲面59 5.1.4在Zemax中使用非球面60 5.1.5在Zemax中使用反射面62 5.2梯度折射率面64 5.2.1梯度折射率简介64 5.2.2梯度折射率分类65 5.2.3在Zemax中使用梯度折射率面66 5.2.4梯度折射率面与非球面的等效70 第6章光学系统中的光束限制72 6.1光阑分类72 6.1.1孔径光阑72 6.1.2视场光阑73 6.1.3渐晕光阑73 6.1.4消杂光光阑74 6.2主光线和边缘光线74 6.3相对孔径与F数75 6.4拉格朗日不变量75 6.5远心光路77 6.5.1物方远心光路77 6.5.2像方远心光路78 6.6在Zemax中移动光阑78 第7章塞德像差理论Ⅰ83 7.1球差83 7.1.1球差的定义83 7.1.2球差的计算公式84 7.2轴外初级单色像差85 7.2.1空间坐标系的建立85 7.2.2Petzval场曲86 7.2.3轴向像差87 7.2.4横向像差89 7.2.5旋转对称系统89 7.2.6初级单色像差的塞德和数90 7.3彗差90 7.3.1子午面和弧矢面90 7.3.2子午面和弧矢面像差91 7.3.3彗差定义92 7.3.4正弦差93 7.4场曲和像散93 7.4.1子午场曲和弧矢场曲93 7.4.2像散94 7.4.3Petzval场曲94 7.5畸变94 7.6PW形式的塞德和数95 7.7在Zemax中查看塞德像差系数97 第8章塞德像差理论Ⅱ100 8.1初级色差100 8.1.1轴向色差100 8.1.2垂轴色差102 8.1.3在Zemax中查看初级色差数据103 8.2Zemax中横向像差与轴向像差105 8.3像差的级数展开与像差平衡107 8.4像差曲线113 第9章优化函数116 9.1求解116 9.1.1曲率求解116 9.1.2厚度求解118 9.2环和臂119 9.3构建优化函数121 9.4Zemax中常用优化函数122 9.5设计实例124 第10章波像差129 10.1波前129 10.2费马原理131 10.3波像差公式131 10.3.1轴上点波像差与球差的关系131 10.3.2波像差与塞德像差的关系132 10.3.3波像差普遍式133 10.3.4波像差的极坐标形式134 10.3.5波像差与塞德像差换算公式134 10.3.6焦深136 10.4用波像差研究初级像差的几何形状137 10.4.1球差137 10.4.2彗差137 10.4.3像散137 10.4.4场曲137 10.4.5畸变138 10.5色差的波像差138 10.5.1D-d方法计算波色差138 10.5.2用后一面半径消色差138 10.5.3波色差与塞德初级色差的关系139 10.5.4近轴薄透镜的波色差139 10.6在Zemax中查看波像差140 第11章Buchdahl公式142 11.1Buchdahl塞德和数公式142 11.1.1阿贝不变量表示的塞德和数142 11.1.2Buchdahl的塞德和数143 11.2结构像差系数145 11.2.1薄透镜近似145 11.2.2结构像差系数的消像差条件148 11.3小弥散斑150 11.3.1小弥散斑位置150 11.3.2在Zemax中查看离焦152 第12章像质评价Ⅰ154 12.1像差容限154 12.1.1瑞利判据154 12.1.2球差容限154 12.1.3望远和显微物镜的像差容限157 12.1.4望远和显微目镜的像差容限157 12.1.5照相物镜的像差容限157 12.2光线扇形图158 12.3点列图160 12.4能量集中度163 12.5斯特列尔比164 第13章像质评价Ⅱ167 13.1对比度167 13.2傅里叶变换168 13.2.1傅里叶变换的定义168 13.2.2卷积168 13.2.3线性系统169 13.2.4线性平移不变性169 13.3衍射理论170 13.3.1基尔霍夫公式170 13.3.2菲涅耳和夫琅禾费近似171 13.3.3透镜的相位变换172 13.4点扩散函数173 13.4.1点扩散函数计算公式173 13.4.2在Zemax中查看点扩散函数174 13.5光学传递函数177 13.5.1调制传递函数177 13.5.2一个计算实例178 13.5.3衍射受限的光学传递函数179 13.5.4在Zemax中使用MTF180 第14章透镜的初级像差184 14.1初级像差系数184 14.2单折射面的初级像差185 14.2.1球差185 14.2.2彗差186 14.2.3像散187 14.2.4场曲187 14.2.5畸变188 14.3球面反射镜的初级像差188 14.3.1球面反射镜188 14.3.2平面反射镜189 14.3.3非球面的初级像差189 14.4薄透镜的初级像差189 14.5平行平板的初级像差190 14.6场镜的像差192 14.7光阑位置对初级像差的影响192 14.8厚透镜194 第15章分离镜片和场曲平化196 15.1分离镜片196 15.1.1单片镜196 15.1.2双片镜197 15.1.3三片镜198 15.2弯曲光学系统200 15.3场曲平化201 15.3.1Petzval半径201 15.3.2平行平板引起的焦移203 15.3.3场曲平化方程203 15.3.4Zemax中的场曲平化操作数204 15.4对称结构204 第16章消色差Ⅰ206 16.1密接双片镜消初级色差206 16.1.1消色差约束条件206 16.1.2消色差设计实例207 16.1.3加入厚度208 16.1.4弯曲消色差209 16.2消二级光谱210 16.2.1二级光谱色差的概念210 16.2.2消二级光谱方法210 16.2.3消二级光谱实例212 16.2.4如何获得二级光谱数值213 16.2.5何时需要校正二级光谱215 第17章消色差Ⅱ216 17.1分离双片镜消初级色差216 17.1.1分离双片镜消色差条件216 17.1.2分离双片镜消色差解217 17.1.3同种材料消色差218 17.1.4设计实例218 17.2密接三片镜复消色差220 17.2.1部分色差约束条件220 17.2.2复消色差约束条件221 17.2.3复消色差方程组的解221 17.2.4设计实例222 第18章PWC分解227 18.1PWC因子的规化227 18.1.1PW因子227 18.1.2有限距离的PW因子规化228 18.1.3位置变化对PW因子的规化228 18.1.4薄透镜组的PW规化过程230 18.1.5逆向追迹光路时的PW因子231 18.1.6初级色差系数的规化231 18.1.7计算实例232 18.2双胶合透镜组的PW计算233 18.2.1变量选取233 18.2.2PWC因子和结构参数的关系234 18.2.3PWC因子与玻璃材料的关系235 18.2.4双胶合透镜组PWC计算过程235 18.2.5设计实例236 18.3单透镜的PWC计算241 第19章光学自动设计243 19.1光学自动设计的数学问题243 19.2多元函数的极值理论245 19.3小二乘法247 19.4阻尼小二乘法250 19.5正交下降法251 19.6全局搜索253 下篇光学系统设计 第20章望远物镜设计257 20.1望远物镜的成像特性257 20.2望远物镜的类型258 20.3大相对孔径望远物镜设计260 20.3.1初始系统260 20.3.2缩放系统261 20.3.3优化处理262 20.3.4校正色差262 20.4内调焦摄远物镜设计263 20.4.1光焦度分配264 20.4.2求解初始结构265 20.4.3前后透镜组为摄远物镜268 第21章显微物镜设计270 21.1光学显微镜的两种形式270 21.2显微物镜的像差特性271 21.3像差的控制271 21.3.1像差类型271 21.3.2在Zemax中像差的控制方法272 21.3.3球差的构建273 21.3.4色球差的构建273 21.3.5子午彗差的构建274 21.4显微物镜的成像特性275 21.5显微物镜的类型276 21.5.1消色差物镜276 21.5.2复消色差物镜277 21.5.3平场物镜277 21.6低倍消色差显微物镜设计277 21.6.1一阶参数计算277 21.6.2初始系统278 21.6.3优化处理278 21.7高倍显微物镜设计280 21.7.1一阶参数计算280 21.7.2初始系统280 21.7.3优化处理281 第22章目镜设计283 22.1目镜的光学特性283 22.1.1短焦距283 22.1.2小相对孔径283 22.1.3大视场角284 22.1.4入瞳和出瞳远离透镜组284 22.2目镜的像差特点284 22.3目镜的类型285 22.3.1冉斯登目镜286 22.3.2惠更斯目镜287 22.3.3凯涅尔目镜287 22.3.4对称目镜288 22.3.5无畸变目镜288 22.3.6广角目镜288 22.4冉斯登目镜的设计289 22.4.1冉斯登目镜的技术要求289 22.4.2冉斯登目镜的初始系统289 22.4.3阶段优化290 22.4.4第二阶段优化291 22.5对称目镜的设计291 22.5.1对称目镜的技术要求291 22.5.2初始对称目镜292 22.5.3优化处理292 22.6无畸变目镜的设计294 22.6.1无畸变目镜的技术要求294 22.6.2初始无畸变目镜294 22.6.3优化处理294 第23章照相物镜设计296 23.1照相物镜的光学特性296 23.1.1幅面大小296 23.1.2焦距297 23.1.3视场角297 23.1.4相对孔径297 23.1.5F数298 23.1.6分辨率298 23.1.7景深298 23.2照相物镜的类型298 23.2.1匹兹瓦物镜298 23.2.2库克三片式物镜298 23.2.3天塞物镜和海利亚物镜299 23.2.4双高斯物镜299 23.2.5摄远物镜299 23.2.6托普岗物镜和鲁沙物镜300 23.2.7松纳物镜300 23.2.8反摄远物镜300 23.3照相物镜的像差校正301 23.4双高斯物镜的设计302 23.4.1双高斯物镜的技术要求302 23.4.2初始双高斯物镜302 23.4.3基础像差校正303 23.4.4像差平衡304 23.5反摄远物镜的设计306 23.5.1反摄远物镜的技术要求306 23.5.2初始反摄远物镜307 23.5.3基础像差校正307 23.5.4像差平衡308 第24章投影和照明系统设计312 24.1幻灯机312 24.1.1幻灯机的原理312 24.1.2两种照明方式313 24.1.3投影物镜314 24.1.4投影镜头设计过程315 24.2投影仪315 24.2.1投影仪原理315 24.2.2投影镜头设计实例316 24.3背投数字光处理器319 24.3.1数字微反射阵列319 24.3.2背投投影仪原理320 24.4菲涅耳透镜设计321 24.4.1为什么使用菲涅耳透镜321 24.4.2菲涅耳透镜设计理论322 24.4.3菲涅耳透镜设计实例323 第25章变焦距系统设计325 25.1光学补偿法变焦距系统设计325 25.1.1光学补偿法原理325 25.1.2计算实例328 25.2机械补偿法变焦距系统设计329 25.2.1机械补偿法原理329 25.2.2设计实例333 25.2.3凸轮曲线计算337 25.3矩阵法变焦距系统设计340 25.3.1矩阵法原理340 25.3.2设计实例341 第26章红外物镜设计344 26.1红外光学材料344 26.1.1红外材料简介344 26.1.2常用红外材料345 26.1.3在Zemax中使用红外材料346 26.2红外镜头347 26.2.1红外镜头的作用347 26.2.2红外探测器348 26.2.3红外镜头的类型348 26.2.4红外镜头的特性350 26.3定焦红外镜头设计351 26.3.1定焦红外镜头技术要求351 26.3.2定焦红外镜头初始结构352 26.3.3定焦红外镜头优化352 26.4变焦红外镜头设计355 26.4.1变焦红外镜头技术要求355 26.4.2高斯光学计算355 26.4.3设计结果356 第27章折反系统设计359 27.1反射元件359 27.1.1反射元件的优点359 27.1.2反射元件的应用360 27.2等光程原理361 27.2.1等光程条件361 27.2.2抛物面等光程条件361 27.2.3椭球面等光程条件362 27.2.4双曲面等光程条件362 27.3折反射镜头363 27.3.1折反式望远物镜363 27.3.2折反式照相物镜364 27.3.3折反式显微物镜365 27.4折反系统的设计365 27.4.1施密特校正板设计365 27.4.2两镜反射系统设计367 27.5施密特·卡塞格林系统设计369 27.5.1施密特·卡塞格林系统技术要求369 27.5.2施密特校正板设计369 27.5.3主镜和副镜设计370 27.5.4初始数据370 27.5.5优化处理371 27.5.6像质评价372 第28章激光光学系统设计374 28.1激光束的传播特性374 28.2激光束经过光学系统的变换376 28.2.1沿同种介质激光束传播的变换376 28.2.2一般光学系统对激光束的变换376 28.2.3单薄透镜对激光束的变换377 28.2.4调焦望远镜对激光束的变换378 28.2.5离焦望远镜对激光束的变换379 28.3激光扩束系统设计380 28.3.1激光扩束系统技术要求380 28.3.2激光扩束系统初始镜头数据381 28.3.3激光扩束系统优化处理381 28.3.4Zemax的高斯光束计算工具383 28.4激光扫描系统设计385 28.4.1激光扫描系统的特点385 28.4.2激光扫描系统的技术要求385 28.4.3激光扫描系统的初始结构386 28.4.4激光扫描系统的优化处理386 第29章折衍混合光学系统设计389 29.1二元光学透镜的成像特性389 29.1.1二元光学透镜概述389 29.1.2二元光学透镜单色像差特性391 29.1.3二元光学透镜的色差特性393 29.2在Zemax软件中使用二元光学面395 29.3折衍混合红外物镜设计396 29.3.1折衍混合红外物镜的技术要求396 29.3.2折衍混合红外物镜的初始结构397 29.3.3在红外物镜里引入二元光学面397 第30章光学制图403 30.1光学制图概述403 30.1.1一般规定403 30.1.2特殊符号标记404 30.2光学系统图406 30.3光学部件图408 30.4光学零件图409 附录422 附录A无色光学玻璃422 附录B中外玻璃对照表430 附录C双胶合透镜P0、Q0表434 附录D玻璃组合表440 附录EZemax优化函数441 参考文献450 
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