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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。 !_)[/q" 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。 9W2Vo [( on`3&0,.
[attachment=110014] ^u ~Q/4 第1章什么是光学设计2 n/:33DAB 1.1为什么需要光学设计2 !Wnb|=j 1.1.1光学仪器小史2 vA8nvoi 1.1.2光学系统4 OQJ6e:BGt 1.1.3理想光学系统4 S.NPZ39}ZE 1.1.4理想成像的违背5 e(t\g^X 1.1.5像质评价7 3f{3NzN 1.2光学设计的流程9 /a4{?? #e 1.2.1设计前阶段9 64tvP^kp 1.2.2设计阶段10 kt:!
7 1.2.3设计师需要参与的阶段13 [7Oe3= uKHxe~ 第2章Zemax软件概述14 Gyc]?m 2.1光学设计软件14 H G^'I+Yn 2.2在Zemax中输入数据16 AoxA+.O 2.2.1Zemax软件的交互界面16 SO!8Di 2.2.2输入镜头数据18 wbl& 2.2.3设置孔径20 $ddCTS^ 2.2.4设置视场22 *$g-:ILRuZ 2.2.5设置波长23 4^:=xL 2.2.6设置玻璃24 C~/a- 2.3查看输入结果26 pv|G^,># 2.3.1镜头结构参数26 KbeC"mi 2.3.22D/3D视图26 H/M@t\$Dc 2.3.3查看一阶特性27
ew4U)2J+ 2.3.4分析输入结果27 /j.9$H'y 7qS)c}Q\ 第3章光路计算30 PEZ!n.'S 3.1符号规则30 w\O;!1iU 3.1.1线量的符号规则30 Cw&KVw* 3.1.2角量的符号规则31 .Z *'d 3.1.3反射处理32 )Pv%#P-< 3.2光路计算公式32 5nx1i 3.2.1非近轴光路计算公式32 0o&5]lEe 3.2.2转面公式33 nqUV 3.3近轴光路计算公式33 .7X^YKR 3.4计算实例34 )9]P MA?u 3.5光路计算的向量公式36 {+>-7
9b 3.5.1球面光路计算的向量公式37 )8ZH-|N`!E 3.5.2二次曲面光路计算的向量公式39 f3y=Wxk[ 3.5.3光路计算的起始和终结公式41 jnwu9PQ 2D5StCF$O 第4章光学材料45 SOIN']L|V[ 4.1无色光学玻璃45 `Urhy#LC 4.1.1夫琅禾费波长45 t%8BK>AHvw 4.1.2无色光学玻璃的分类和牌号46 wUJcmM; 4.1.3玻璃折射率47 oQJtUP% 4.1.4色散48 =7UsVn#o 4.1.5无色光学玻璃的质量指标49 UJ2U1H54h 4.1.6玻璃图51 6_B]MN!( 4.2光学塑料51 =?8@#]G+ 4.2.1光学塑料简介51 ]6j{@z?{ 4.2.2常用的光学塑料52 w,D+j74e$ 4.2.3在Zemax中使用光学塑料53 qf-8<{T 4.3特殊光学玻璃54 <F'\lA9 4.3.1有色光学玻璃54 F8ulkcD 4.3.2低膨胀玻璃55 M"L=L5OH- 4.3.3耐辐射玻璃55 !5!<C,U 4.3.4耐潮湿和耐腐蚀玻璃55 |Y.?_lC 4.4紫外光学玻璃56 ;hq\ );YDtGip J 第5章特殊光学面形58 rPm x 5.1非球面58 #<xm. 5.1.1形状因子58 [nh>vqum 5.1.2矢高59 `WS&rmq&' 5.1.3二次曲面59 D2O~kNd 5.1.4在Zemax中使用非球面60 K(|}dl: 5.1.5在Zemax中使用反射面62 f6p/5]=J26 5.2梯度折射率面64 yf,z$CR 5.2.1梯度折射率简介64 cWm$;`Q#\ 5.2.2梯度折射率分类65 P$,Ke< 5.2.3在Zemax中使用梯度折射率面66 vP,n(reM 5.2.4梯度折射率面与非球面的等效70 5bb(/YtFy ~$J2g 第6章光学系统中的光束限制72 -G=]=f/' 6.1光阑分类72 ?V=CB,^ 6.1.1孔径光阑72 LR3*G7 6.1.2视场光阑73 1Z&(6cDY8M 6.1.3渐晕光阑73 XK vi=0B 6.1.4消杂光光阑74 \{D"
!e 6.2主光线和边缘光线74 zT{VE+= 6.3相对孔径与F数75 !5N.B|Nt 6.4拉格朗日不变量75
Fk;Rfqq 6.5远心光路77 Uw:"n]G]D? 6.5.1物方远心光路77 .RL=xb|[ 6.5.2像方远心光路78 nr#|b`J] 6.6在Zemax中移动光阑78 2KZneS` D6Wa.,r 第7章塞德像差理论Ⅰ83 +cRn%ioVi 7.1球差83 ptaKf4P^r 7.1.1球差的定义83 QsW/X0YBv 7.1.2球差的计算公式84 '<uq3?5 7.2轴外初级单色像差85 y)<q/ 7.2.1空间坐标系的建立85 (tO\)aS= 7.2.2Petzval场曲86 ,fRq5"? 7.2.3轴向像差87 5-A\9UC*@ 7.2.4横向像差89 'hf8ZEW9' 7.2.5旋转对称系统89 "wc<B4" 7.2.6初级单色像差的塞德和数90 `0R./|bv\I 7.3彗差90 4Po_-4 7.3.1子午面和弧矢面90 i-&yH 7.3.2子午面和弧矢面像差91 6w7 7YTJ 7.3.3彗差定义92 "Rl}VeDY 7.3.4正弦差93 }PpUAt~g 7.4场曲和像散93 @o.I ;}*N 7.4.1子午场曲和弧矢场曲93 L:x-%m%w 7.4.2像散94 3gf1ownC 7.4.3Petzval场曲94 Qwc"[N4H 7.5畸变94 fc@A0Hf 7.6PW形式的塞德和数95 j+YJbL v 7.7在Zemax中查看塞德像差系数97 XX~,>Q}H= ?X;RLpEc|A 第8章塞德像差理论Ⅱ100 aQ~s`^D 8.1初级色差100 [/ZO q 8.1.1轴向色差100 J=yTbSN\v 8.1.2垂轴色差102 nj4/#W 8.1.3在Zemax中查看初级色差数据103 c[e}w+uB 8.2Zemax中横向像差与轴向像差105 ']oQ]Yx0 8.3像差的级数展开与像差平衡107 u= yOu^={ 8.4像差曲线113 .|=\z9_7S8 xezcAwW 第9章优化函数116 :Qq#Z 9.1求解116 {XHh8_^& 9.1.1曲率求解116 ?%kV?eu' 9.1.2厚度求解118 ctV,Q3'Z 9.2环和臂119 "w_aM7x_ 9.3构建优化函数121 9>$p 9.4Zemax中常用优化函数122 q'11^V!0 9.5设计实例124 ,[;G|et =Runf
+} 第10章波像差129 PRT +mT 10.1波前129 ^}C\zW 10.2费马原理131 ~;] d"' 10.3波像差公式131 CH/rp4NeSy 10.3.1轴上点波像差与球差的关系131 rQ9'bCSr% 10.3.2波像差与塞德像差的关系132 6zn5UW#q 10.3.3波像差普遍式133 F&Hrk|a 10.3.4波像差的极坐标形式134 tI{_y 10.3.5波像差与塞德像差换算公式134 =":,.Ttq41 10.3.6焦深136 bN88ua}k{ 10.4用波像差研究初级像差的几何形状137 s(8W_4&' 10.4.1球差137 :i7;w%B 10.4.2彗差137 XZwK6F)L 10.4.3像散137 }&3~|kP~O 10.4.4场曲137 |D.ND%K& 10.4.5畸变138 k+4#!.HX^ 10.5色差的波像差138 {_dvx*M 10.5.1D-d方法计算波色差138 ,Lt[\_ 10.5.2用后一面半径消色差138 [8*)8jP3 10.5.3波色差与塞德初级色差的关系139 a}uSm/S 10.5.4近轴薄透镜的波色差139 l@:0e]8|o 10.6在Zemax中查看波像差140 9g?(BI^z =rK+eG#, 第11章Buchdahl公式142 v.ui!|c 11.1Buchdahl塞德和数公式142 IIqUZJ 11.1.1阿贝不变量表示的塞德和数142 Q5_o/wk 11.1.2Buchdahl的塞德和数143 nxHkv`s k 11.2结构像差系数145 Tb-F]lg$ 11.2.1薄透镜近似145 ,?XCyHSgWW 11.2.2结构像差系数的消像差条件148 2Hv+W-6v 11.3小弥散斑150 yCX?!E;La 11.3.1小弥散斑位置150 8sCv]|cn 11.3.2在Zemax中查看离焦152 ei{eTp4HpV VD\=`r)nT 第12章像质评价Ⅰ154 b_):MQ1{ 12.1像差容限154 wa3}SB 12.1.1瑞利判据154 zv"Z DRW 12.1.2球差容限154 qyNyBr? 12.1.3望远和显微物镜的像差容限157 )F2OT<]m, 12.1.4望远和显微目镜的像差容限157 !Rt>xD 12.1.5照相物镜的像差容限157 Oc; G(l( 12.2光线扇形图158 @ry_nKr9 12.3点列图160 ?F;8Pa/ 12.4能量集中度163 PiYxk+N 12.5斯特列尔比164 ofv)SCjd = 9]~yt 第13章像质评价Ⅱ167 k@:%:Sj 2 13.1对比度167 O0y_Lm\ 13.2傅里叶变换168 U b!(H^zu 13.2.1傅里叶变换的定义168 "w.3Q96r 13.2.2卷积168 tNX|U:Y* 13.2.3线性系统169 o0vUj 13.2.4线性平移不变性169 t<viX's 13.3衍射理论170 nj53G67y 13.3.1基尔霍夫公式170 "FKOaQ%IH 13.3.2菲涅耳和夫琅禾费近似171 #YOA`m,' 13.3.3透镜的相位变换172 Z)aUt
Srf 13.4点扩散函数173 z]9MM
2+ 13.4.1点扩散函数计算公式173 $p?aVO 13.4.2在Zemax中查看点扩散函数174 ZJ[
??=Gz 13.5光学传递函数177 `^y7f 13.5.1调制传递函数177 zI<<Q2 13.5.2一个计算实例178 e@OX_t_ 13.5.3衍射受限的光学传递函数179 Vy,DN~ag 13.5.4在Zemax中使用MTF180 9p2&)kb6 ,nB5/Lx 第14章透镜的初级像差184 Per1IcN 14.1初级像差系数184 & 9 ?\b7 14.2单折射面的初级像差185 /Mu@,)'' 14.2.1球差185 .h4 \Y A 14.2.2彗差186 ,Vk3kmuvr] 14.2.3像散187 KMjhZap% 14.2.4场曲187 J~UuS+Ufv 14.2.5畸变188 <yFu*(Q 14.3球面反射镜的初级像差188 fx>4 14.3.1球面反射镜188 'y3!fN=h 14.3.2平面反射镜189 MFAH%Z$ 14.3.3非球面的初级像差189 ';=O 0)u 14.4薄透镜的初级像差189 <<R*2b 14.5平行平板的初级像差190 r|Tcfk]% 14.6场镜的像差192 nK%LRcAs 14.7光阑位置对初级像差的影响192 "~C,bk 14.8厚透镜194 3x'|]Ns [^98fAlz6 第15章分离镜片和场曲平化196 ^RtIh-Z.9 15.1分离镜片196 o$lM$E: 15.1.1单片镜196 d,n 'n 15.1.2双片镜197 wT8DSq 15.1.3三片镜198 g~A`N=r;h 15.2弯曲光学系统200 (jl
D+Y_ 15.3场曲平化201 ByNn 15.3.1Petzval半径201 [}0haTYc4 15.3.2平行平板引起的焦移203 zv,jM0- 15.3.3场曲平化方程203 oEKvl3Hz_ 15.3.4Zemax中的场曲平化操作数204 U0N 60 15.4对称结构204 @8r pD"x aH/
k Ua 第16章消色差Ⅰ206 o]M5b;1 16.1密接双片镜消初级色差206 <s<n 16.1.1消色差约束条件206 iVq'r4S 16.1.2消色差设计实例207 !\.pq 2 16.1.3加入厚度208 XBu"-( 16.1.4弯曲消色差209 ]R f[y 16.2消二级光谱210 C
mWgcw1 16.2.1二级光谱色差的概念210 "8jf81V* 16.2.2消二级光谱方法210 #-i>;Rt 16.2.3消二级光谱实例212 )g#T9tx2D 16.2.4如何获得二级光谱数值213 *@=/qkaJaI 16.2.5何时需要校正二级光谱215 }.m< dufu|BL|} 第17章消色差Ⅱ216 e_ANUll1 17.1分离双片镜消初级色差216 c>:wd@w 17.1.1分离双片镜消色差条件216 ZyPVy 17.1.2分离双片镜消色差解217 hVAn>_( 17.1.3同种材料消色差218 X296tA>C` 17.1.4设计实例218 W^LY'ypT 17.2密接三片镜复消色差220 Tc`=f'pP)4 17.2.1部分色差约束条件220 EF}\brD1 17.2.2复消色差约束条件221 V/
uP%'cd 17.2.3复消色差方程组的解221 RF4vtQC= 17.2.4设计实例222 CiLg]va xvl#w 第18章PWC分解227 l=)xo@6 18.1PWC因子的规化227 =O_4|7Zl 18.1.1PW因子227 }1i`6`y1 18.1.2有限距离的PW因子规化228 e+BQww 18.1.3位置变化对PW因子的规化228 {|_M
#w~& 18.1.4薄透镜组的PW规化过程230
?2{Gn-{ 18.1.5逆向追迹光路时的PW因子231 V0.vQ/ 18.1.6初级色差系数的规化231 `WFw3TI 18.1.7计算实例232 Pz |>"' 18.2双胶合透镜组的PW计算233 /dQl)tL 18.2.1变量选取233 QIvVcfM^ 18.2.2PWC因子和结构参数的关系234 sn$9Shgh 18.2.3PWC因子与玻璃材料的关系235 )SRefW.v 18.2.4双胶合透镜组PWC计算过程235 MvHm)h 18.2.5设计实例236 m6&~HfwN 18.3单透镜的PWC计算241 Fk*7;OuZl +LZLy9iKt 第19章光学自动设计243 z] PSpUd 19.1光学自动设计的数学问题243 -)]Yr #Q 19.2多元函数的极值理论245 xU>WEm2 19.3小二乘法247 7#ibN! 19.4阻尼小二乘法250 [-k 19.5正交下降法251 n :\~'+$ 19.6全局搜索253 FR4QUk E=CsIK 下篇光学系统设计 Cc' 37~6~P 第20章望远物镜设计257 fg!__Rdi 20.1望远物镜的成像特性257 ith
3=`3 20.2望远物镜的类型258 K'Tm_"[u 20.3大相对孔径望远物镜设计260 ](9Xvy 20.3.1初始系统260 &5spTMw8 20.3.2缩放系统261 Mxsa-?R;v 20.3.3优化处理262 [.'|_l 20.3.4校正色差262 2"kLdD 20.4内调焦摄远物镜设计263 _A5e{Gb 20.4.1光焦度分配264 ?{|q5n 20.4.2求解初始结构265 RO VW s/ 20.4.3前后透镜组为摄远物镜268 |\<`Ib4j p7VTa~\zA 第21章显微物镜设计270 B=yqW 21.1光学显微镜的两种形式270 E$:*NSXj 21.2显微物镜的像差特性271 ]kG"ubHV?h 21.3像差的控制271 +xSHL|:b 21.3.1像差类型271 U;V7 u/{ 21.3.2在Zemax中像差的控制方法272 }QcCS2)Ud 21.3.3球差的构建273 S)k*?dQ##R 21.3.4色球差的构建273 ?'#`
nx(! 21.3.5子午彗差的构建274
(GuzN 21.4显微物镜的成像特性275 f/NH:1)y 21.5显微物镜的类型276 ?WUA`/[z 21.5.1消色差物镜276 tl4V7!U@^z 21.5.2复消色差物镜277 1N^[.= 21.5.3平场物镜277 i]y<|W)Q3 21.6低倍消色差显微物镜设计277 +p_CN*10H 21.6.1一阶参数计算277 =wHVsdNCN 21.6.2初始系统278 axRV:w;E< 21.6.3优化处理278 z^q0/' 21.7高倍显微物镜设计280 P[#e/qnXu| 21.7.1一阶参数计算280 ='sHj4hU 21.7.2初始系统280 ;|5F[ 21.7.3优化处理281 Ovt.!8 /y#f3r+*2 第22章目镜设计283 e7r-R3_ 22.1目镜的光学特性283 }[};IqVaK 22.1.1短焦距283 }6}l7x 22.1.2小相对孔径283 Co_A/ 22.1.3大视场角284 -M~:lK]n 22.1.4入瞳和出瞳远离透镜组284 .fFCC`&T 22.2目镜的像差特点284 eRstD>r 22.3目镜的类型285 Uq,^Wy 22.3.1冉斯登目镜286 5 +YH.4R 22.3.2惠更斯目镜287 7qLpZ/ 22.3.3凯涅尔目镜287 fZzoAzfv2 22.3.4对称目镜288 z'U1bMg 22.3.5无畸变目镜288 6V:U(g 22.3.6广角目镜288 Nk
8 B_{ 22.4冉斯登目镜的设计289 /?'FE 7Y 22.4.1冉斯登目镜的技术要求289 n;Q7X>-f8` 22.4.2冉斯登目镜的初始系统289 #u(^0'
P 22.4.3阶段优化290 k&q;JyUi 22.4.4第二阶段优化291 K5VWt)Z# 22.5对称目镜的设计291 7P5)Z-K[ 22.5.1对称目镜的技术要求291 Z1f8/?`W 22.5.2初始对称目镜292 ,~$p,ALwN7 22.5.3优化处理292 gNrjo= 22.6无畸变目镜的设计294 I-)+bV
G 22.6.1无畸变目镜的技术要求294 f#"J]p 22.6.2初始无畸变目镜294 9r<J"%*Q 22.6.3优化处理294 T_
<@..C !r8`Yr n 第23章照相物镜设计296 D~iz+{Q4 23.1照相物镜的光学特性296 ]e^&aR5f" 23.1.1幅面大小296 _QE qk@ql 23.1.2焦距297 =tn)}Y.<e 23.1.3视场角297 syj0.JD 23.1.4相对孔径297 o5O#vW2Il& 23.1.5F数298 0[#
3;a 23.1.6分辨率298 9Cp-qA%t 23.1.7景深298 [z\$?VJspQ 23.2照相物镜的类型298 zOIDU 23.2.1匹兹瓦物镜298 ]t,BMu=% 23.2.2库克三片式物镜298 (9GWbB? 23.2.3天塞物镜和海利亚物镜299 uc\Kg1{ 23.2.4双高斯物镜299 (vnAbR#e 23.2.5摄远物镜299 CL;}IBd a 23.2.6托普岗物镜和鲁沙物镜300 _p/UsJ 23.2.7松纳物镜300 Tc:)-
z[o 23.2.8反摄远物镜300 mh#a#< 23.3照相物镜的像差校正301 mb3"U"ohs 23.4双高斯物镜的设计302 IGQFtO/x 23.4.1双高斯物镜的技术要求302 yNo0ubY 23.4.2初始双高斯物镜302 F6|]4H.3Q 23.4.3基础像差校正303 D|p9qe5% 23.4.4像差平衡304 o5GcpbZ3k 23.5反摄远物镜的设计306 FUb\e-Q= 23.5.1反摄远物镜的技术要求306 nEy& | |