现代光学设计 赵存华 编 自由组合套装专业科技 正版图书籍 化学工业出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

《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，最后还介绍了光学制图等知识。 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专业师生使用。

上篇光学设计基础

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前后透镜组合成为摄远物镜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高级像差的控制271

21.3.1高级像差类型271

21.3.2在Zemax中高级像差的控制方法272

21.3.3高级球差的构建273

21.3.4色球差的构建273

21.3.5子午高级彗差的构建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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书籍介绍

《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，最后还介绍了光学制图等知识。 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专业师生使用。