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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。 \R3H+W 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。 17OH] ^*fxR]Y
[attachment=110014] ,-OCc!7K 第1章什么是光学设计2 al[n,u 1.1为什么需要光学设计2 ;JRs?1<=' 1.1.1光学仪器小史2 jvQ*t_L 1.1.2光学系统4 ]7/
b/J 1.1.3理想光学系统4 [V)
L 1.1.4理想成像的违背5 "^1L'4'S 1.1.5像质评价7 pm9%%M$ 1.2光学设计的流程9 '_$uW&{NI 1.2.1设计前阶段9 NoJ`6MB 1.2.2设计阶段10
$&2UTczp 1.2.3设计师需要参与的阶段13 Vo"RO$%ow* zrU{@z$l 第2章Zemax软件概述14 q]\g,a 2.1光学设计软件14 s\P2Bp_{ 2.2在Zemax中输入数据16 v%RP0%%{s 2.2.1Zemax软件的交互界面16 g=e71DXG2 2.2.2输入镜头数据18 zH*KYB 2.2.3设置孔径20 ~jb"5CX 2.2.4设置视场22 \2vg{ 2.2.5设置波长23 FEJ~k1z 2.2.6设置玻璃24 nYJTKU 2.3查看输入结果26 7k( Kq5w. 2.3.1镜头结构参数26 O/!bG~\Y 2.3.22D/3D视图26 fhCc! \ 2.3.3查看一阶特性27 /AQMFx4-5 2.3.4分析输入结果27 +L5\; LvEnX S 第3章光路计算30 B)QHM+[=F 3.1符号规则30 > z^# 3.1.1线量的符号规则30 {b@KYR9K 3.1.2角量的符号规则31 CQpCS_M 3.1.3反射处理32 -<_Ww\%8M 3.2光路计算公式32 IO/4.m-aN# 3.2.1非近轴光路计算公式32 @e'5E^ 3.2.2转面公式33 LB.co4 3.3近轴光路计算公式33 %G?;!Lz 3.4计算实例34 i:l<C 3.5光路计算的向量公式36 JXj8Br?Z@ 3.5.1球面光路计算的向量公式37 ymNnkFv 3.5.2二次曲面光路计算的向量公式39 _fwb!T}$ 3.5.3光路计算的起始和终结公式41 36n>jS& .&x}NYX4 第4章光学材料45 ,<Q~b%(3 4.1无色光学玻璃45 A Z{^o4<q 4.1.1夫琅禾费波长45 84{Q\c 4.1.2无色光学玻璃的分类和牌号46 UQ.7>Ug+8s 4.1.3玻璃折射率47 +GAf O0 4.1.4色散48 QL$S4 J" 4.1.5无色光学玻璃的质量指标49 NzW`B^p 4.1.6玻璃图51 d
O~O
|Xsb 4.2光学塑料51 =GXu 5 8 4.2.1光学塑料简介51 +L=*:e\j 4.2.2常用的光学塑料52 U-^[lWn[@4 4.2.3在Zemax中使用光学塑料53 8#D:H/`' 4.3特殊光学玻璃54 %riK+ 4.3.1有色光学玻璃54 PG]%Bv57 4.3.2低膨胀玻璃55 W@2vjz 4.3.3耐辐射玻璃55 W#Qmv^StZ 4.3.4耐潮湿和耐腐蚀玻璃55 Ou>vX[{ 4.4紫外光学玻璃56 w;e(Gb%9 #YSF&*
第5章特殊光学面形58 K)_WL]RJ.4 5.1非球面58 U/NBFc:[y: 5.1.1形状因子58 Rl6\#C* 5.1.2矢高59 z7-k`(l4 5.1.3二次曲面59 ~xIjF1Z 5.1.4在Zemax中使用非球面60 1R.4:Dn_ 5.1.5在Zemax中使用反射面62 9Ok9bC'?8@ 5.2梯度折射率面64 9*:gr#(5 5.2.1梯度折射率简介64 n$:IVX"2b 5.2.2梯度折射率分类65 !SKV!xH9 5.2.3在Zemax中使用梯度折射率面66 =KT7nl 5.2.4梯度折射率面与非球面的等效70 /Ky__l!bu s[Ur~Wvn 第6章光学系统中的光束限制72 6yy;JQAke 6.1光阑分类72 }!i` 0p 6.1.1孔径光阑72 gf+d!c(/ 6.1.2视场光阑73 p*l$Wj 6.1.3渐晕光阑73 ]/cd;u 6.1.4消杂光光阑74 3u33a"nL8 6.2主光线和边缘光线74 .4l/_4,s_ 6.3相对孔径与F数75 t]-uw-E 6.4拉格朗日不变量75 ?tg
y| 6.5远心光路77 *{o UWt 6.5.1物方远心光路77 ~3RC>8*Qw 6.5.2像方远心光路78 /b;K 6.6在Zemax中移动光阑78 PNeh#PI6) \x>65; 第7章塞德像差理论Ⅰ83 _e!F~V. 7.1球差83 voe7l+Xk 7.1.1球差的定义83 ]8;n{ }X 7.1.2球差的计算公式84 j'p1q 7.2轴外初级单色像差85 ^ZTGJ(j7~ 7.2.1空间坐标系的建立85 H UWxPIu 7.2.2Petzval场曲86 =xianQ<lK 7.2.3轴向像差87 V#q}Wysft 7.2.4横向像差89 4Tct 7.2.5旋转对称系统89 0D~ C
5}/4 7.2.6初级单色像差的塞德和数90 _DP|-bp D 7.3彗差90 iK_c.b 7.3.1子午面和弧矢面90 +2C?9:bH 7.3.2子午面和弧矢面像差91 s:y
^_W)d 7.3.3彗差定义92 ,572n[-q 7.3.4正弦差93 Rb}KZ+o"Z 7.4场曲和像散93 b.2J]6G
7.4.1子午场曲和弧矢场曲93 DDd|T;8 7.4.2像散94 Zt E##p 7.4.3Petzval场曲94 a1N!mQ^ 7.5畸变94 c3
&m9zC 7.6PW形式的塞德和数95 as"N=\N 7.7在Zemax中查看塞德像差系数97 G&f7+e $(q>mg:H 第8章塞德像差理论Ⅱ100 cyd~2\Kv~ 8.1初级色差100 ;\%sEcpT 8.1.1轴向色差100 o{-<L 8.1.2垂轴色差102 hF&}lPVtv 8.1.3在Zemax中查看初级色差数据103 %"A_!<n@*` 8.2Zemax中横向像差与轴向像差105 1MA@JA:T 8.3像差的级数展开与像差平衡107 H'J|U| 8.4像差曲线113 8Og3yFx[rt Me:{{-V4 第9章优化函数116 Cef:tdk7 9.1求解116 "t(wG{RxY 9.1.1曲率求解116 UmK X*T9 9.1.2厚度求解118 \.s`n2.w 9.2环和臂119 w36(p{#vp 9.3构建优化函数121 ~y0R'oi 9.4Zemax中常用优化函数122 o`r(`6@ 9.5设计实例124 v+1i=s2$ 'qv;sB. 第10章波像差129 ^~L}<] 10.1波前129 u@.>WHQN 10.2费马原理131 XY+y}D
% 10.3波像差公式131 2>hz_o{5', 10.3.1轴上点波像差与球差的关系131 #2%([w 10.3.2波像差与塞德像差的关系132 keqcV23k 10.3.3波像差普遍式133 }C(5 -7 10.3.4波像差的极坐标形式134 yFpySvj} 10.3.5波像差与塞德像差换算公式134 P -Fg^tl 10.3.6焦深136 _dU P7H ( 10.4用波像差研究初级像差的几何形状137 5JFV%odo 10.4.1球差137 9XV^z*E(J 10.4.2彗差137 5 d ;|=K 10.4.3像散137 fnH3CE 10.4.4场曲137 %AR^+*Nu 10.4.5畸变138 x,Y5U+]E 10.5色差的波像差138 ,{<p 10.5.1D-d方法计算波色差138 _ 6:ww/ 10.5.2用后一面半径消色差138 jM__{z 10.5.3波色差与塞德初级色差的关系139 if~rp-\P 10.5.4近轴薄透镜的波色差139 %<}=xJf>1 10.6在Zemax中查看波像差140 fA8ozL T ^,7=X8Su 第11章Buchdahl公式142 k90B!kg 11.1Buchdahl塞德和数公式142 6[==BbZ 11.1.1阿贝不变量表示的塞德和数142 9qH[o?] 11.1.2Buchdahl的塞德和数143 C+l?k2 11.2结构像差系数145 A4_>LO_qL 11.2.1薄透镜近似145 #@_1fE 11.2.2结构像差系数的消像差条件148 |< N frz 11.3小弥散斑150 eoJ]4-WFq 11.3.1小弥散斑位置150 w:Q|?30 11.3.2在Zemax中查看离焦152 &`@M8-m#F :t2B^})\ 第12章像质评价Ⅰ154 fI11dE9&?[ 12.1像差容限154 $pFk"]= 12.1.1瑞利判据154 6An{3" 12.1.2球差容限154 `s}BXKIv} 12.1.3望远和显微物镜的像差容限157 sb'p-Mj 12.1.4望远和显微目镜的像差容限157 aIu2> 12.1.5照相物镜的像差容限157 V} bM!5 H 12.2光线扇形图158 5\G)Q<A]*L 12.3点列图160 .3g&9WvN!Z 12.4能量集中度163 !0dX@V'r 12.5斯特列尔比164 k!13=Gh T}2:.Hk:N 第13章像质评价Ⅱ167 NW De-<fQ 13.1对比度167 nW&$~d 13.2傅里叶变换168 '49L(>. 13.2.1傅里叶变换的定义168 m"-G6BKS 13.2.2卷积168 X,Zd= 13.2.3线性系统169 r{V.jZ%p'Z 13.2.4线性平移不变性169 (C~dkR? 13.3衍射理论170 <|V'pim 13.3.1基尔霍夫公式170 1NGyaI 13.3.2菲涅耳和夫琅禾费近似171 I Tn;m 13.3.3透镜的相位变换172 _m7co : 13.4点扩散函数173 {_as!5l 13.4.1点扩散函数计算公式173 6J;i,/ky 13.4.2在Zemax中查看点扩散函数174 bs:QG1*. 13.5光学传递函数177 vXf:~G] 13.5.1调制传递函数177 3k{c$x} 13.5.2一个计算实例178 @Mr}6x* 13.5.3衍射受限的光学传递函数179 X X&K=<,Ja 13.5.4在Zemax中使用MTF180 acP
;(t "GLYyC 第14章透镜的初级像差184 M8Juykw 14.1初级像差系数184 pe#*I/)b 14.2单折射面的初级像差185 /h-6CR
Ka 14.2.1球差185 D1!
{S7 14.2.2彗差186 1g81S_T
. 14.2.3像散187 Q;@X2JSp 14.2.4场曲187 .$^wy3:F" 14.2.5畸变188 *JS"(. '( 14.3球面反射镜的初级像差188 r8+*|$K 14.3.1球面反射镜188 sZEgsrJh 14.3.2平面反射镜189 <THUsY`3P& 14.3.3非球面的初级像差189 <>&89E%j' 14.4薄透镜的初级像差189 hy=u}^F.C 14.5平行平板的初级像差190 h=Oh9zsz8 14.6场镜的像差192 !*8#jy 14.7光阑位置对初级像差的影响192 :Lc3a$qtx5 14.8厚透镜194 `~|DoSi^d Z]p8IH%~92 第15章分离镜片和场曲平化196 3f,u}1npa* 15.1分离镜片196 i&1U4q 15.1.1单片镜196 s8yCC#H" 15.1.2双片镜197 T7ki/hjRb 15.1.3三片镜198 UCn.t 15.2弯曲光学系统200 #B\B(y 15.3场曲平化201 9yDFHz w 15.3.1Petzval半径201 Jtpa@!M 15.3.2平行平板引起的焦移203 ha5 bD% 15.3.3场曲平化方程203 FQQ@kP$. 15.3.4Zemax中的场曲平化操作数204 T[m ~6 15.4对称结构204 7_1W:-A7W L[1d&d!p 第16章消色差Ⅰ206 GtG&yeB 16.1密接双片镜消初级色差206 oq243\?Y 16.1.1消色差约束条件206 U* 4{" 16.1.2消色差设计实例207 |
[p68v> 16.1.3加入厚度208 >|5XaaDa 16.1.4弯曲消色差209 )2#vhMpdN 16.2消二级光谱210 /AoVl'R 16.2.1二级光谱色差的概念210 \N4d_fPj 16.2.2消二级光谱方法210 M,ppCHy/$ 16.2.3消二级光谱实例212 DqRLx85d1 16.2.4如何获得二级光谱数值213 mQFa/7FX 16.2.5何时需要校正二级光谱215 JUmw$u xa'
nJ"f; 第17章消色差Ⅱ216 H'D#s;SlR 17.1分离双片镜消初级色差216 ;Sy/N|| 17.1.1分离双片镜消色差条件216 otoBb^Mz 17.1.2分离双片镜消色差解217 !+5C{Hs2 17.1.3同种材料消色差218 a (P^e)< 17.1.4设计实例218 P4i3y{$V 17.2密接三片镜复消色差220 NYGmLbq 17.2.1部分色差约束条件220 l&vm[3 17.2.2复消色差约束条件221 (/('nY 17.2.3复消色差方程组的解221 i1tVdbC] 17.2.4设计实例222 S_ZLTcq<1 zUNH8=U 第18章PWC分解227 c{^i$ 18.1PWC因子的规化227 G OH 18.1.1PW因子227 Ii,~HH 18.1.2有限距离的PW因子规化228 o?;F.W_ 18.1.3位置变化对PW因子的规化228 |X,$?ZDap 18.1.4薄透镜组的PW规化过程230 +SO2M|ru& 18.1.5逆向追迹光路时的PW因子231 U0!^m1U: 18.1.6初级色差系数的规化231 c6f|y_2 18.1.7计算实例232 Zlr{L]c
18.2双胶合透镜组的PW计算233 \nrgAC-b 18.2.1变量选取233 n9N#&Q"7m
18.2.2PWC因子和结构参数的关系234 Cc@=? 18.2.3PWC因子与玻璃材料的关系235 qPL^zM+ 18.2.4双胶合透镜组PWC计算过程235 [0h* & 18.2.5设计实例236 >6*(}L9 18.3单透镜的PWC计算241 ROP C | '.=Wk^,Ua 第19章光学自动设计243 aytq4Ts 19.1光学自动设计的数学问题243 v<{wA`'R+ 19.2多元函数的极值理论245 }DJ|9D^yf 19.3小二乘法247 Rrh<mo(yj# 19.4阻尼小二乘法250 j2< !z;2 19.5正交下降法251 9Q,Msl4n 19.6全局搜索253 dDsjPM;2 i<B: 下篇光学系统设计 V"w`! 第20章望远物镜设计257 }pbBo2 20.1望远物镜的成像特性257 z0\;m{TH 20.2望远物镜的类型258 x>U1t!' 20.3大相对孔径望远物镜设计260 4 *Bp 20.3.1初始系统260 BM|-GErE 20.3.2缩放系统261 Uuwq7oFub 20.3.3优化处理262 N$N;Sw 20.3.4校正色差262 NvQY7C 20.4内调焦摄远物镜设计263 CP c" 20.4.1光焦度分配264 )?!vJb" 20.4.2求解初始结构265 +io;K]C 20.4.3前后透镜组为摄远物镜268 2$o2.$i81 _#/!s]$d#
第21章显微物镜设计270 y_}K? 21.1光学显微镜的两种形式270 VQ1?Db(_2 21.2显微物镜的像差特性271 0ClX 21.3像差的控制271 9\AEyaJFZ 21.3.1像差类型271 @ChN_gd3! 21.3.2在Zemax中像差的控制方法272 ^Nd|+} 21.3.3球差的构建273 NmH}"ndv+ 21.3.4色球差的构建273 ZcUh[5:| 21.3.5子午彗差的构建274 =XZF.ur 21.4显微物镜的成像特性275 UgF) J 21.5显微物镜的类型276 ]&3s6{R 21.5.1消色差物镜276 WHlD%u 21.5.2复消色差物镜277 K[iY{ 21.5.3平场物镜277 g\
8#:@at 21.6低倍消色差显微物镜设计277 &Iv\jhq
21.6.1一阶参数计算277 Ma` 21.6.2初始系统278 ()+jrrK 21.6.3优化处理278 E[SV*1) 21.7高倍显微物镜设计280 3EbnZb 21.7.1一阶参数计算280 0C7thl{Dms 21.7.2初始系统280 W _PM!>8` 21.7.3优化处理281 W+#}~2&Dv X";QA": 第22章目镜设计283 k7z(Gbzu 22.1目镜的光学特性283 "-0pz\a 22.1.1短焦距283 Ff)~clIK ' 22.1.2小相对孔径283 N}8HK^n* 22.1.3大视场角284 zPX=MfF 22.1.4入瞳和出瞳远离透镜组284 V\iIvBpWg 22.2目镜的像差特点284 m~= ]^e 22.3目镜的类型285 G/LXUhuif 22.3.1冉斯登目镜286 902!M65[rG 22.3.2惠更斯目镜287 9J-!o]f .b 22.3.3凯涅尔目镜287 !7O=< | |