光學(xué)設(shè)計(jì)教程

前言

　　本書是光學(xué)工程、測(cè)控技術(shù)與儀器、電子工程與技術(shù)等專業(yè)本科生的專業(yè)課程——光學(xué)設(shè)計(jì)的教學(xué)用書。光學(xué)設(shè)計(jì)課程旨在讓學(xué)生掌握光學(xué)系統(tǒng)及光電儀器設(shè)計(jì)的基本理論和實(shí)際知識(shí)，學(xué)習(xí)光學(xué)設(shè)計(jì)的像差理論和像差校正方法，熟練運(yùn)用光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件對(duì)各類典型光學(xué)儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)這一目標(biāo)，本書從理論和實(shí)踐兩方面出發(fā)，系統(tǒng)闡述了光學(xué)設(shè)計(jì)的基本理論和典型光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。書中包含大量光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例，希望能夠幫助讀者通過(guò)本書掌握光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和步驟?！　」鈱W(xué)設(shè)計(jì)是一門理論緊密聯(lián)系實(shí)踐、注重操作性的科學(xué)。近20年來(lái)，隨著新領(lǐng)域、新需求的不斷出現(xiàn)，對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)提出了新的要求，同時(shí)也使得當(dāng)代的光學(xué)設(shè)計(jì)在內(nèi)容和方法上都有別于傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。這一時(shí)期，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出各種功能強(qiáng)大的自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件，一方面為高質(zhì)、高效的設(shè)計(jì)提供了可能；另一方面也促進(jìn)了光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展。為適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展及培養(yǎng)人才的要求，本書在李林等著《工程光學(xué)》的基礎(chǔ)上，對(duì)書中有關(guān)光學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行了重新編寫、修訂。全書共分8章。第1章是光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)，是光學(xué)設(shè)計(jì)初學(xué)者必須具備的基本知識(shí)，這一部分既介紹了傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，也加入了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流軟件中普遍采用的光學(xué)傳遞函數(shù)、點(diǎn)列圖、包圍圓能量等概念。第2章是光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)原理及程序。該章介紹了像差自動(dòng)校正的基本原理，重點(diǎn)討論了光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的兩種優(yōu)化方法：最小二乘法和適應(yīng)法。在這一基礎(chǔ)上，第3章針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域普遍采用的ZemaX軟件進(jìn)行了功能和使用方法介紹，對(duì)利用軟件進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程及各功能模塊的操作方法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。第4章是薄透鏡的初級(jí)像差理論，介紹了根據(jù)薄透鏡組的像差特性要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)求解的具體過(guò)程。第5～第8章是典型光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用前幾章的基本理論分析了望遠(yuǎn)物鏡、顯微物鏡、目鏡和照相物鏡的像差特性及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。文中按照實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程，詳細(xì)介紹了結(jié)構(gòu)參數(shù)求解、采用不同優(yōu)化方法和程序進(jìn)行像差校正的主要步驟和實(shí)際結(jié)果。通過(guò)這些實(shí)例，能夠使讀者較快地掌握典型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體方法?！　”緯奶攸c(diǎn)為：①基礎(chǔ)理論采用實(shí)用化的薄透鏡初級(jí)像差理論，去掉了傳統(tǒng)教材中初級(jí)像差理論中大量煩瑣的公式推導(dǎo)和理論分析，便于讀者理解掌握：②理論密切聯(lián)系實(shí)際。全書在闡述理論、講解軟件及典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，均結(jié)合了大量的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，書中給出了設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟和具體結(jié)果。讀者參照這些實(shí)例都能做出較好的設(shè)計(jì)結(jié)果。③內(nèi)容豐富、全面。全書既包含了經(jīng)典光學(xué)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，又加入了當(dāng)今熱門領(lǐng)域的設(shè)計(jì)實(shí)例，努力反映了技術(shù)光學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展。書中介紹了當(dāng)今國(guó)內(nèi)外使用最為廣泛的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件zemax的使用，采用這一軟件設(shè)計(jì)的各種典型光學(xué)系統(tǒng)實(shí)例對(duì)讀者具有較好的指導(dǎo)意義。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)論述了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論及方法。全書共分8章，內(nèi)容包括光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)、光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)原理及程序、Zemax軟件功能與使用、薄透鏡初級(jí)像差理論以及望遠(yuǎn)物鏡、顯微物鏡、目鏡和照相物鏡等典型光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。書中各章均附有適量習(xí)題，供讀者復(fù)習(xí)及上機(jī)實(shí)際操作之用。    本書可作為光學(xué)專業(yè)本科生和研究生的專業(yè)課教材，也可供從事光學(xué)系統(tǒng)及光電儀器設(shè)計(jì)、研制的專業(yè)技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)  §1.1 概述  §1.2 光學(xué)系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性參數(shù)  §1.3 幾何像差的定義及其計(jì)算  §1.4 垂軸像差的概念及其計(jì)算  §1.5 幾何像差計(jì)算程序ABR的輸入數(shù)據(jù)與輸出結(jié)果  §1.6 幾何像差及垂軸像差的圖形輸出  §1.7 用波像差評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量  §1.8 光學(xué)傳遞函數(shù)  §1.9 點(diǎn)列圖  §1.10 包圍圓能量  思考題第2章 光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)原理和程序  §2.1 概述  §2.2 光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化方法  §2.3 阻尼最小二乘法光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)程序  §2.4 怎樣使用阻尼最小二乘法程序進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)  §2.5 適應(yīng)法光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)程序  §2.6 怎樣使用適應(yīng)法程序進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)  §2.7 典型光學(xué)設(shè)計(jì)軟件介紹  思考題第3章 Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用  §3.1 概述  §3.2 Zemax的用戶界面  §3.3 Zemax的基本操作  §3.4 應(yīng)用實(shí)例  思考題第4章 薄透鏡系統(tǒng)的初級(jí)像差理論  §4.1 概述  §4.2 薄透鏡系統(tǒng)的初級(jí)像差方程組  §4.3 薄透鏡組像差的普遍性質(zhì)  §4.4 像差特性參數(shù)P，W，C的歸化  §4.5 單透鏡的P，W，C和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系  §4.6 雙膠合透鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)的求解  §4.7 平行玻璃板的初級(jí)像差公式  §4.8 單透鏡像差性質(zhì)的討論  §4.9 光學(xué)系統(tǒng)消場(chǎng)曲的條件-Petzval條件  思考題第5章 望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)  §5.1 望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)的特點(diǎn)  §5.2 用初級(jí)像差求解雙膠合望遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)  §5.3 用ZemaX件設(shè)計(jì)雙膠合望遠(yuǎn)物鏡  §5.4 大相對(duì)孔徑望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)  §5.5 攝遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)  §5.6 反射式物鏡設(shè)計(jì)  §5.7 折反射球面系統(tǒng)設(shè)計(jì)  §5.8 二級(jí)光譜色差  §5.9 望遠(yuǎn)物鏡像差的公差  思考題第6章 顯微物鏡設(shè)計(jì)  §6.1 顯微物鏡設(shè)計(jì)的特點(diǎn)  §6.2 顯微物鏡的類型  §6.3 低倍消色差顯微物鏡設(shè)計(jì)  §6.4 中倍消色差顯微物鏡設(shè)計(jì)  §6.5 顯微物鏡像差的公差  思考題第7章 目鏡設(shè)計(jì)  §7.1 目鏡設(shè)計(jì)的特點(diǎn)  §7.2 常用目鏡的形式和像差分析  §7.3 冉斯登、惠更斯和凱涅爾目鏡設(shè)計(jì)  §7.4 對(duì)稱式目鏡和無(wú)畸變目鏡設(shè)計(jì)  §7.5 廣角目鏡設(shè)計(jì)  §7.6 目視光學(xué)系統(tǒng)像差的公差  思考題第8章 照相物鏡設(shè)計(jì)  §8.1 照相物鏡的光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)形式  §8.2 照相物鏡設(shè)計(jì)的特點(diǎn)  §8.3 用zemax軟件設(shè)計(jì)雙高斯物鏡  §8.4 照相物鏡像差的公差  思考題附錄1 符號(hào)表附錄2 雙膠合薄透鏡參數(shù)表參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)　　§1.1概　述　　任何一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)不管用于何處，其作用都是把目標(biāo)發(fā)出的光按儀器工作原理的要求改變它們的傳播方向和位置，送入儀器的接收器，從而獲得目標(biāo)的各種信息，包括目標(biāo)的幾何形狀、能量強(qiáng)弱等。因此，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像性能的要求主要有兩個(gè)方面：第一方面是光學(xué)特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距離等；第二方面是成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)所成的像應(yīng)該足夠清晰，并且物像相似，變形要小。有關(guān)第一方面的內(nèi)容即滿足光學(xué)特性方面的要求屬于應(yīng)用光學(xué)的討論范疇，第二方面的內(nèi)容即滿足成像質(zhì)量方面的要求，則屬于光學(xué)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容。　　從物理光學(xué)或波動(dòng)光學(xué)的角度出發(fā)，光是波長(zhǎng)在400～760 nm的電磁波，光的傳播是一個(gè)波動(dòng)問(wèn)題。一個(gè)理想的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)能使一個(gè)點(diǎn)物發(fā)出的球面波通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后仍然是一個(gè)球面波，從而理想地聚交于一點(diǎn)。從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，人們把光看做是“能夠傳輸能量的幾何線——光線”，光線是“具有方向的幾何線”，一個(gè)理想光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)能使一個(gè)點(diǎn)物發(fā)出的所有光線通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后仍然聚交于一點(diǎn)，理想光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)滿足直線成像直線、平面成像平面。但是實(shí)際上任何一個(gè)實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)都不可能理想成像。所謂像差就是光學(xué)系統(tǒng)所成的實(shí)際像與理想像之間的差異。由于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)不可能理想成像，因此就存在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣的評(píng)價(jià)問(wèn)題，從不同的角度出發(fā)會(huì)得出不同的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。從物理光學(xué)或波動(dòng)光學(xué)的角度出發(fā)，人們推導(dǎo)出波像差和傳遞函數(shù)等像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)；從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，人們推導(dǎo)出幾何像差等像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。有了像質(zhì)評(píng)價(jià)的方法和指標(biāo)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段，即在制造出實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)之前就能預(yù)先確定其成像質(zhì)量的優(yōu)劣，光學(xué)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是根據(jù)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性和成像質(zhì)量?jī)煞矫娴囊髞?lái)確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本章著重討論的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)是幾何像差和光學(xué)傳遞函數(shù)等?！　”緯杏懻摰牟糠謨?nèi)容采用北京理工大學(xué)技術(shù)光學(xué)教研室研制的微機(jī)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件包SOD88，所討論的部分實(shí)例也采用SOD88的輸出結(jié)果。若想深入了解該軟件包，可進(jìn)一步參閱SOD88的使用說(shuō)明書。

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