上篇光學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)
第1章什么是光學(xué)設(shè)計2
1.1為什么需要光學(xué)設(shè)計2
1.1.1光學(xué)儀器小史2
1.1.2光學(xué)系統(tǒng)4
1.1.3理想光學(xué)系統(tǒng)4
1.1.4理想成像的違背5
1.1.5像質(zhì)評價7
1.2光學(xué)設(shè)計的流程9
1.2.1設(shè)計前階段9
1.2.2設(shè)計階段10
1.2.3設(shè)計師需要參與的階段13

第2章Zemax軟件概述14
2.1光學(xué)設(shè)計軟件14
2.2在Zemax中輸入數(shù)據(jù)16
2.2.1Zemax軟件的交互界面16
2.2.2輸入鏡頭數(shù)據(jù)18
2.2.3設(shè)置孔徑20
2.2.4設(shè)置視場22
2.2.5設(shè)置波長23
2.2.6設(shè)置玻璃24
2.3查看輸入結(jié)果26
2.3.1鏡頭結(jié)構(gòu)參數(shù)26
2.3.22D/3D視圖26
2.3.3查看一階特性27
2.3.4分析輸入結(jié)果27

第3章光路計算30
3.1符號規(guī)則30
3.1.1線量的符號規(guī)則30
3.1.2角量的符號規(guī)則31
3.1.3反射處理32
3.2光路計算公式32
3.2.1非近軸光路計算公式32
3.2.2轉(zhuǎn)面公式33
3.3近軸光路計算公式33
3.4計算實例34
3.5光路計算的向量公式36
3.5.1球面光路計算的向量公式37
3.5.2二次曲面光路計算的向量公式39
3.5.3光路計算的起始和終結(jié)公式41

第4章光學(xué)材料45
4.1無色光學(xué)玻璃45
4.1.1夫瑯禾費波長45
4.1.2無色光學(xué)玻璃的分類和牌號46
4.1.3玻璃折射率47
4.1.4色散48
4.1.5無色光學(xué)玻璃的質(zhì)量指標49
4.1.6玻璃圖51
4.2光學(xué)塑料51
4.2.1光學(xué)塑料簡介51
4.2.2常用的光學(xué)塑料52
4.2.3在Zemax中使用光學(xué)塑料53
4.3特殊光學(xué)玻璃54
4.3.1有色光學(xué)玻璃54
4.3.2低膨脹玻璃55
4.3.3耐輻射玻璃55
4.3.4耐潮濕和耐腐蝕玻璃55
4.4紫外光學(xué)玻璃56

第5章特殊光學(xué)面形58
5.1非球面58
5.1.1形狀因子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梯度折射率簡介64
5.2.2梯度折射率分類65
5.2.3在Zemax中使用梯度折射率面66
5.2.4梯度折射率面與非球面的等效70

第6章光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制72
6.1光闌分類72
6.1.1孔徑光闌72
6.1.2視場光闌73
6.1.3漸暈光闌73
6.1.4消雜光光闌74
6.2主光線和邊緣光線74
6.3相對孔徑與F數(shù)75
6.4拉格朗日不變量75
6.5遠心光路77
6.5.1物方遠心光路77
6.5.2像方遠心光路78
6.6在Zemax中移動光闌78

第7章塞德像差理論Ⅰ83
7.1球差83
7.1.1球差的定義83
7.1.2球差的計算公式84
7.2軸外初級單色像差85
7.2.1空間坐標系的建立85
7.2.2Petzval場曲86
7.2.3軸向像差87
7.2.4橫向像差89
7.2.5旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng)89
7.2.6初級單色像差的塞德和數(shù)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彗差定義92
7.3.4正弦差93
7.4場曲和像散93
7.4.1子午場曲和弧矢場曲93
7.4.2像散94
7.4.3Petzval場曲94
7.5畸變94
7.6PW形式的塞德和數(shù)95
7.7在Zemax中查看塞德像差系數(shù)97

第8章塞德像差理論Ⅱ100
8.1初級色差100
8.1.1軸向色差100
8.1.2垂軸色差102
8.1.3在Zemax中查看初級色差數(shù)據(jù)103
8.2Zemax中橫向像差與軸向像差105
8.3像差的級數(shù)展開與像差平衡107
8.4像差曲線113

第9章優(yōu)化函數(shù)116
9.1求解116
9.1.1曲率求解116
9.1.2厚度求解118
9.2環(huán)和臂119
9.3構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)121
9.4Zemax中常用優(yōu)化函數(shù)122
9.5設(shè)計實例124

第10章波像差129
10.1波前129
10.2費馬原理131
10.3波像差公式131
10.3.1軸上點波像差與球差的關(guān)系131
10.3.2波像差與塞德像差的關(guān)系132
10.3.3波像差普遍式133
10.3.4波像差的極坐標形式134
10.3.5波像差與塞德像差換算公式134
10.3.6焦深136
10.4用波像差研究初級像差的幾何形狀137
10.4.1球差137
10.4.2彗差137
10.4.3像散137
10.4.4場曲137
10.4.5畸變138
10.5色差的波像差138
10.5.1D-d方法計算波色差138
10.5.2用最后一面半徑消色差138
10.5.3波色差與塞德初級色差的關(guān)系139
10.5.4近軸薄透鏡的波色差139
10.6在Zemax中查看波像差140

第11章Buchdahl公式142
11.1Buchdahl塞德和數(shù)公式142
11.1.1阿貝不變量表示的塞德和數(shù)142
11.1.2Buchdahl的塞德和數(shù)143
11.2結(jié)構(gòu)像差系數(shù)145
11.2.1薄透鏡近似145
11.2.2結(jié)構(gòu)像差系數(shù)的消像差條件148
11.3最小彌散斑150
11.3.1最小彌散斑位置150
11.3.2在Zemax中查看離焦152

第12章像質(zhì)評價Ⅰ154
12.1像差容限154
12.1.1瑞利判據(jù)154
12.1.2球差容限154
12.1.3望遠和顯微物鏡的像差容限157
12.1.4望遠和顯微目鏡的像差容限157
12.1.5照相物鏡的像差容限157
12.2光線扇形圖158
12.3點列圖160
12.4能量集中度163
12.5斯特列爾比164

第13章像質(zhì)評價Ⅱ167
13.1對比度167
13.2傅里葉變換168
13.2.1傅里葉變換的定義168
13.2.2卷積168
13.2.3線性系統(tǒng)169
13.2.4線性平移不變性169
13.3衍射理論170
13.3.1基爾霍夫公式170
13.3.2菲涅耳和夫瑯禾費近似171
13.3.3透鏡的相位變換172
13.4點擴散函數(shù)173
13.4.1點擴散函數(shù)計算公式173
13.4.2在Zemax中查看點擴散函數(shù)174
13.5光學(xué)傳遞函數(shù)177
13.5.1調(diào)制傳遞函數(shù)177
13.5.2一個計算實例178
13.5.3衍射受限的光學(xué)傳遞函數(shù)179
13.5.4在Zemax中使用MTF180

第14章透鏡的初級像差184
14.1初級像差系數(shù)184
14.2單折射面的初級像差185
14.2.1球差185
14.2.2彗差186
14.2.3像散187
14.2.4場曲187
14.2.5畸變188
14.3球面反射鏡的初級像差188
14.3.1球面反射鏡188
14.3.2平面反射鏡189
14.3.3非球面的初級像差189
14.4薄透鏡的初級像差189
14.5平行平板的初級像差190
14.6場鏡的像差192
14.7光闌位置對初級像差的影響192
14.8厚透鏡194

第15章分離鏡片和場曲平化196
15.1分離鏡片196
15.1.1單片鏡196
15.1.2雙片鏡197
15.1.3三片鏡198
15.2彎曲光學(xué)系統(tǒng)200
15.3場曲平化201
15.3.1Petzval半徑201
15.3.2平行平板引起的焦移203
15.3.3場曲平化方程203
15.3.4Zemax中的場曲平化操作數(shù)204
15.4對稱結(jié)構(gòu)204

第16章消色差Ⅰ206
16.1密接雙片鏡消初級色差206
16.1.1消色差約束條件206
16.1.2消色差設(shè)計實例207
16.1.3加入厚度208
16.1.4彎曲消色差209
16.2消二級光譜210
16.2.1二級光譜色差的概念210
16.2.2消二級光譜方法210
16.2.3消二級光譜實例212
16.2.4如何獲得二級光譜數(shù)值213
16.2.5何時需要校正二級光譜215

第17章消色差Ⅱ216
17.1分離雙片鏡消初級色差216
17.1.1分離雙片鏡消色差條件216
17.1.2分離雙片鏡消色差解217
17.1.3同種材料消色差218
17.1.4設(shè)計實例218
17.2密接三片鏡復(fù)消色差220
17.2.1部分色差約束條件220
17.2.2復(fù)消色差約束條件221
17.2.3復(fù)消色差方程組的解221
17.2.4設(shè)計實例222

第18章PWC分解227
18.1PWC因子的規(guī)化227
18.1.1PW因子227
18.1.2有限距離的PW因子規(guī)化228
18.1.3位置變化對PW因子的規(guī)化228
18.1.4薄透鏡組的PW規(guī)化過程230
18.1.5逆向追跡光路時的PW因子231
18.1.6初級色差系數(shù)的規(guī)化231
18.1.7計算實例232
18.2雙膠合透鏡組的PW計算233
18.2.1變量選取233
18.2.2PWC因子和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系234
18.2.3PWC因子與玻璃材料的關(guān)系235
18.2.4雙膠合透鏡組PWC計算過程235
18.2.5設(shè)計實例236
18.3單透鏡的PWC計算241

第19章光學(xué)自動設(shè)計243
19.1光學(xué)自動設(shè)計的數(shù)學(xué)問題243
19.2多元函數(shù)的極值理論245
19.3最小二乘法247
19.4阻尼最小二乘法250
19.5正交下降法251
19.6全局搜索253

下篇光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
第20章望遠物鏡設(shè)計257
20.1望遠物鏡的成像特性257
20.2望遠物鏡的類型258
20.3大相對孔徑望遠物鏡設(shè)計260
20.3.1初始系統(tǒng)260
20.3.2縮放系統(tǒng)261
20.3.3優(yōu)化處理262
20.3.4校正色差262
20.4內(nèi)調(diào)焦攝遠物鏡設(shè)計263
20.4.1光焦度分配264
20.4.2求解初始結(jié)構(gòu)265
20.4.3前后透鏡組合成為攝遠物鏡268

第21章顯微物鏡設(shè)計270
21.1光學(xué)顯微鏡的兩種形式270
21.2顯微物鏡的像差特性271
21.3高級像差的控制271
21.3.1高級像差類型271
21.3.2在Zemax中高級像差的控制方法272
21.3.3高級球差的構(gòu)建273
21.3.4色球差的構(gòu)建273
21.3.5子午高級彗差的構(gòu)建274
21.4顯微物鏡的成像特性275
21.5顯微物鏡的類型276
21.5.1消色差物鏡276
21.5.2復(fù)消色差物鏡277
21.5.3平場物鏡277
21.6低倍消色差顯微物鏡設(shè)計277
21.6.1一階參數(shù)計算277
21.6.2初始系統(tǒng)278
21.6.3優(yōu)化處理278
21.7高倍顯微物鏡設(shè)計280
21.7.1一階參數(shù)計算280
21.7.2初始系統(tǒng)280
21.7.3優(yōu)化處理281

第22章目鏡設(shè)計283
22.1目鏡的光學(xué)特性283
22.1.1短焦距283
22.1.2小相對孔徑283
22.1.3大視場角284
22.1.4入瞳和出瞳遠離透鏡組284
22.2目鏡的像差特點284
22.3目鏡的類型285
22.3.1冉斯登目鏡286
22.3.2惠更斯目鏡287
22.3.3凱涅爾目鏡287
22.3.4對稱目鏡288
22.3.5無畸變目鏡288
22.3.6廣角目鏡288
22.4冉斯登目鏡的設(shè)計289
22.4.1冉斯登目鏡的技術(shù)要求289
22.4.2冉斯登目鏡的初始系統(tǒng)289
22.4.3第一階段優(yōu)化290
22.4.4第二階段優(yōu)化291
22.5對稱目鏡的設(shè)計291
22.5.1對稱目鏡的技術(shù)要求291
22.5.2初始對稱目鏡292
22.5.3優(yōu)化處理292
22.6無畸變目鏡的設(shè)計294
22.6.1無畸變目鏡的技術(shù)要求294
22.6.2初始無畸變目鏡294
22.6.3優(yōu)化處理294

第23章照相物鏡設(shè)計296
23.1照相物鏡的光學(xué)特性296
23.1.1幅面大小296
23.1.2焦距297
23.1.3視場角297
23.1.4相對孔徑297
23.1.5F數(shù)298
23.1.6分辨率298
23.1.7景深298
23.2照相物鏡的類型298
23.2.1匹茲瓦物鏡298
23.2.2庫克三片式物鏡298
23.2.3天塞物鏡和海利亞物鏡299
23.2.4雙高斯物鏡299
23.2.5攝遠物鏡299
23.2.6托普崗物鏡和魯沙物鏡300
23.2.7松納物鏡300
23.2.8反攝遠物鏡300
23.3照相物鏡的像差校正301
23.4雙高斯物鏡的設(shè)計302
23.4.1雙高斯物鏡的技術(shù)要求302
23.4.2初始雙高斯物鏡302
23.4.3基礎(chǔ)像差校正303
23.4.4像差平衡304
23.5反攝遠物鏡的設(shè)計306
23.5.1反攝遠物鏡的技術(shù)要求306
23.5.2初始反攝遠物鏡307
23.5.3基礎(chǔ)像差校正307
23.5.4像差平衡308

第24章投影和照明系統(tǒng)設(shè)計312
24.1幻燈機312
24.1.1幻燈機的原理312
24.1.2兩種照明方式313
24.1.3投影物鏡314
24.1.4投影鏡頭設(shè)計過程315
24.2投影儀315
24.2.1投影儀原理315
24.2.2投影鏡頭設(shè)計實例316
24.3背投數(shù)字光處理器319
24.3.1數(shù)字微反射陣列319
24.3.2背投投影儀原理320
24.4菲涅耳透鏡設(shè)計321
24.4.1為什么使用菲涅耳透鏡321
24.4.2菲涅耳透鏡設(shè)計理論322
24.4.3菲涅耳透鏡設(shè)計實例323

第25章變焦距系統(tǒng)設(shè)計325
25.1光學(xué)補償法變焦距系統(tǒng)設(shè)計325
25.1.1光學(xué)補償法原理325
25.1.2計算實例328
25.2機械補償法變焦距系統(tǒng)設(shè)計329
25.2.1機械補償法原理329
25.2.2設(shè)計實例333
25.2.3凸輪曲線計算337
25.3矩陣法變焦距系統(tǒng)設(shè)計340
25.3.1矩陣法原理340
25.3.2設(shè)計實例341

第26章紅外物鏡設(shè)計344
26.1紅外光學(xué)材料344
26.1.1紅外材料簡介344
26.1.2常用紅外材料345
26.1.3在Zemax中使用紅外材料346
26.2紅外鏡頭347
26.2.1紅外鏡頭的作用347
26.2.2紅外探測器348
26.2.3紅外鏡頭的類型348
26.2.4紅外鏡頭的特性350
26.3定焦紅外鏡頭設(shè)計351
26.3.1定焦紅外鏡頭技術(shù)要求351
26.3.2定焦紅外鏡頭初始結(jié)構(gòu)352
26.3.3定焦紅外鏡頭優(yōu)化352
26.4變焦紅外鏡頭設(shè)計355
26.4.1變焦紅外鏡頭技術(shù)要求355
26.4.2高斯光學(xué)計算355
26.4.3設(shè)計結(jié)果356

第27章折反系統(tǒng)設(shè)計359
27.1反射元件359
27.1.1反射元件的優(yōu)點359
27.1.2反射元件的應(yīng)用360
27.2等光程原理361
27.2.1等光程條件361
27.2.2拋物面等光程條件361
27.2.3橢球面等光程條件362
27.2.4雙曲面等光程條件362
27.3折反射鏡頭363
27.3.1折反式望遠物鏡363
27.3.2折反式照相物鏡364
27.3.3折反式顯微物鏡365
27.4折反系統(tǒng)的設(shè)計365
27.4.1施密特校正板設(shè)計365
27.4.2兩鏡反射系統(tǒng)設(shè)計367
27.5施密特·卡塞格林系統(tǒng)設(shè)計369
27.5.1施密特·卡塞格林系統(tǒng)技術(shù)要求369
27.5.2施密特校正板設(shè)計369
27.5.3主鏡和副鏡設(shè)計370
27.5.4初始數(shù)據(jù)370
27.5.5優(yōu)化處理371
27.5.6像質(zhì)評價372

第28章激光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計374
28.1激光束的傳播特性374
28.2激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的變換376
28.2.1沿同種介質(zhì)激光束傳播的變換376
28.2.2一般光學(xué)系統(tǒng)對激光束的變換376
28.2.3單薄透鏡對激光束的變換377
28.2.4調(diào)焦望遠鏡對激光束的變換378
28.2.5離焦望遠鏡對激光束的變換379
28.3激光擴束系統(tǒng)設(shè)計380
28.3.1激光擴束系統(tǒng)技術(shù)要求380
28.3.2激光擴束系統(tǒng)初始鏡頭數(shù)據(jù)381
28.3.3激光擴束系統(tǒng)優(yōu)化處理381
28.3.4Zemax的高斯光束計算工具383
28.4激光掃描系統(tǒng)設(shè)計385
28.4.1激光掃描系統(tǒng)的特點385
28.4.2激光掃描系統(tǒng)的技術(shù)要求385
28.4.3激光掃描系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)386
28.4.4激光掃描系統(tǒng)的優(yōu)化處理386

第29章折衍混合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計389
29.1二元光學(xué)透鏡的成像特性389
29.1.1二元光學(xué)透鏡概述389
29.1.2二元光學(xué)透鏡單色像差特性391
29.1.3二元光學(xué)透鏡的色差特性393
29.2在Zemax軟件中使用二元光學(xué)面395
29.3折衍混合紅外物鏡設(shè)計396
29.3.1折衍混合紅外物鏡的技術(shù)要求396
29.3.2折衍混合紅外物鏡的初始結(jié)構(gòu)397
29.3.3在紅外物鏡里引入二元光學(xué)面397

第30章光學(xué)制圖403
30.1光學(xué)制圖概述403
30.1.1一般規(guī)定403
30.1.2特殊符號標記404
30.2光學(xué)系統(tǒng)圖406
30.3光學(xué)部件圖408
30.4光學(xué)零件圖409

附錄422
附錄A無色光學(xué)玻璃422
附錄B中外玻璃對照表430
附錄C雙膠合透鏡P0、Q0表434
附錄D玻璃組合表440
附錄EZemax優(yōu)化函數(shù)441

參考文獻450