现代光学设计电子书

上篇 光学设计基础

第1章 什么是光学设计

1.1 为什么需要光学设计

1.1.1 光学仪器小史

1.1.2 光学系统

1.1.3 理想光学系统

1.1.4 理想成像的违背

1.1.5 像质评价

1.2 光学设计的流程

1.2.1 设计前阶段

1.2.2 设计阶段

1.2.3 设计师需要参与的阶段

第2章 Zemax软件概述

2.1 光学设计软件

2.2 在Zemax中输入数据

2.2.1 Zemax软件的交互界面

2.2.2 输入镜头数据

2.2.3 设置孔径

2.2.4 设置视场

2.2.5 设置波长

2.2.6 设置玻璃

2.3 查看输入结果

2.3.1 镜头结构参数

2.3.2 2D/3D视图

2.3.3 查看一阶特性

2.3.4 分析输入结果

第3章 光路计算

3.1 符号规则

3.1.1 线量的符号规则

3.1.2 角量的符号规则

3.1.3 反射处理

3.2 光路计算公式

3.2.1 非近轴光路计算公式

3.2.2 转面公式

3.3 近轴光路计算公式

3.4 计算实例

3.5 光路计算的向量公式

3.5.1 球面光路计算的向量公式

3.5.2 二次曲面光路计算的向量公式

3.5.3 光路计算的起始和终结公式

第4章 光学材料

4.1 无色光学玻璃

4.1.1 夫琅禾费波长

4.1.2 无色光学玻璃的分类和牌号

4.1.3 玻璃折射率

4.1.4 色散

4.1.5 无色光学玻璃的质量指标

4.1.6 玻璃图

4.2 光学塑料

4.2.1 光学塑料简介

4.2.2 常用的光学塑料

4.2.3 在Zemax中使用光学塑料

4.3 特殊光学玻璃

4.3.1 有色光学玻璃

4.3.2 低膨胀玻璃

4.3.3 耐辐射玻璃

4.3.4 耐潮湿和耐腐蚀玻璃

4.4 紫外光学玻璃

第5章 特殊光学面形

5.1 非球面

5.1.1 形状因子

5.1.2 矢高

5.1.3 二次曲面

5.1.4 在Zemax中使用非球面

5.1.5 在Zemax中使用反射面

5.2 梯度折射率面

5.2.1 梯度折射率简介

5.2.2 梯度折射率分类

5.2.3 在Zemax中使用梯度折射率面

5.2.4 梯度折射率面与非球面的等效

第6章 光学系统中的光束限制

6.1 光阑分类

6.1.1 孔径光阑

6.1.2 视场光阑

6.1.3 渐晕光阑

6.1.4 消杂光光阑

6.2 主光线和边缘光线

6.3 相对孔径与F数

6.4 拉格朗日不变量

6.5 远心光路

6.5.1 物方远心光路

6.5.2 像方远心光路

6.6 在Zemax中移动光阑

第7章 塞德像差理论Ⅰ

7.1 球差

7.1.1 球差的定义

7.1.2 球差的计算公式

7.2 轴外初级单色像差

7.2.1 空间坐标系的建立

7.2.2 Petzval场曲

7.2.3 轴向像差

7.2.4 横向像差

7.2.5 旋转对称系统

7.2.6 初级单色像差的塞德和数

7.3 彗差

7.3.1 子午面和弧矢面

7.3.2 子午面和弧矢面像差

7.3.3 彗差定义

7.3.4 正弦差

7.4 场曲和像散

7.4.1 子午场曲和弧矢场曲

7.4.2 像散

7.4.3 Petzval场曲

7.5 畸变

7.6 PW形式的塞德和数

7.7 在Zemax中查看塞德像差系数

第8章 塞德像差理论Ⅱ

8.1 初级色差

8.1.1 轴向色差

8.1.2 垂轴色差

8.1.3 在Zemax中查看初级色差数据

8.2 Zemax中横向像差与轴向像差

8.3 像差的级数展开与像差平衡

8.4 像差曲线

第9章 优化函数

9.1 求解

9.1.1 曲率求解

9.1.2 厚度求解

9.2 环和臂

9.3 构建优化函数

9.4 Zemax中常用优化函数

9.5 设计实例

第10章 波像差

10.1 波前

10.2 费马原理

10.3 波像差公式

10.3.1 轴上点波像差与球差的关系

10.3.2 波像差与塞德像差的关系

10.3.3 波像差普遍式

10.3.4 波像差的极坐标形式

10.3.5 波像差与塞德像差换算公式

10.3.6 焦深

10.4 用波像差研究初级像差的几何形状

10.4.1 球差

10.4.2 彗差

10.4.3 像散

10.4.4 场曲

10.4.5 畸变

10.5 色差的波像差

10.5.1 D-d方法计算波色差

10.5.2 用最后一面半径消色差

10.5.3 波色差与塞德初级色差的关系

10.5.4 近轴薄透镜的波色差

10.6 在Zemax中查看波像差

第11章 Buchdahl公式

11.1 Buchdahl塞德和数公式

11.1.1 阿贝不变量表示的塞德和数

11.1.2 Buchdahl的塞德和数

11.2 结构像差系数

11.2.1 薄透镜近似

11.2.2 结构像差系数的消像差条件

11.3 最小弥散斑

11.3.1 最小弥散斑位置

11.3.2 在Zemax中查看离焦

第12章像质评价Ⅰ

12.1 像差容限

12.1.1 瑞利判据

12.1.2 球差容限

12.1.3 望远和显微物镜的像差容限

12.1.4 望远和显微目镜的像差容限

12.1.5 照相物镜的像差容限

12.2 光线扇形图

12.3 点列图

12.4 能量集中度

12.5 斯特列尔比

第13章 像质评价Ⅱ

13.1 对比度

13.2 傅里叶变换

13.2.1 傅里叶变换的定义

13.2.2 卷积

13.2.3 线性系统

13.2.4 线性平移不变性

13.3 衍射理论

13.3.1 基尔霍夫公式

13.3.2 菲涅耳和夫琅禾费近似

13.3.3 透镜的相位变换

13.4 点扩散函数

13.4.1 点扩散函数计算公式

13.4.2 在Zemax中查看点扩散函数

13.5 光学传递函数

13.5.1 调制传递函数

13.5.2 一个计算实例

13.5.3 衍射受限的光学传递函数

13.5.4 在Zemax中使用MTF

第14章 透镜的初级像差

14.1 初级像差系数

14.2 单折射面的初级像差

14.2.1 球差

14.2.2 彗差

14.2.3 像散

14.2.4 场曲

14.2.5 畸变

14.3 球面反射镜的初级像差

14.3.1 球面反射镜

14.3.2 平面反射镜

14.3.3 非球面的初级像差

14.4 薄透镜的初级像差

14.5 平行平板的初级像差

14.6 场镜的像差

14.7 光阑位置对初级像差的影响

14.8 厚透镜

第15章 分离镜片和场曲平化

15.1 分离镜片

15.1.1 单片镜

15.1.2 双片镜

15.1.3 三片镜

15.2 弯曲光学系统

15.3 场曲平化

15.3.1 Petzval半径

15.3.2 平行平板引起的焦移

15.3.3 场曲平化方程

15.3.4 Zemax中的场曲平化操作数

15.4 对称结构

第16章 消色差Ⅰ

16.1 密接双片镜消初级色差

16.1.1 消色差约束条件

16.1.2 消色差设计实例

16.1.3 加入厚度

16.1.4 弯曲消色差

16.2 消二级光谱

16.2.1 二级光谱色差的概念

16.2.2 消二级光谱方法

16.2.3 消二级光谱实例

16.2.4 如何获得二级光谱数值

16.2.5 何时需要校正二级光谱

第17章 消色差Ⅱ

17.1 分离双片镜消初级色差

17.1.1 分离双片镜消色差条件

17.1.2 分离双片镜消色差解

17.1.3 同种材料消色差

17.1.4 设计实例

17.2 密接三片镜复消色差

17.2.1 部分色差约束条件

17.2.2 复消色差约束条件

17.2.3 复消色差方程组的解

17.2.4 设计实例

第18章 PWC分解

18.1 PWC因子的规化

18.1.1 PW因子

18.1.2 有限距离的PW因子规化

18.1.3 位置变化对PW因子的规化

18.1.4 薄透镜组的PW规化过程

18.1.5 逆向追迹光路时的PW因子

18.1.6 初级色差系数的规化

18.1.7 计算实例

18.2 双胶合透镜组的PW计算

18.2.1 变量选取

18.2.2 PWC因子和结构参数的关系

18.2.3 PWC因子与玻璃材料的关系

18.2.4 双胶合透镜组PWC计算过程

18.2.5 设计实例

18.3 单透镜的PWC计算

第19章 光学自动设计

19.1 光学自动设计的数学问题

19.2 多元函数的极值理论

19.3 最小二乘法

19.4 阻尼最小二乘法

19.5 正交下降法

19.6 全局搜索

下篇 光学系统设计

第20章 望远物镜设计

20.1 望远物镜的成像特性

20.2 望远物镜的类型

20.3 大相对孔径望远物镜设计

20.3.1 初始系统

20.3.2 缩放系统

20.3.3 优化处理

20.3.4 校正色差

20.4 内调焦摄远物镜设计

20.4.1 光焦度分配

20.4.2 求解初始结构

20.4.3 前后透镜组合成为摄远物镜

第21章 显微物镜设计

21.1 光学显微镜的两种形式

21.2 显微物镜的像差特性

21.3 高级像差的控制

21.3.1 高级像差类型

21.3.2 在Zemax中高级像差的控制方法

21.3.3 高级球差的构建

21.3.4 色球差的构建

21.3.5 子午高级彗差的构建

21.4 显微物镜的成像特性

21.5 显微物镜的类型

21.5.1 消色差物镜

21.5.2 复消色差物镜

21.5.3 平场物镜

21.6 低倍消色差显微物镜设计

21.6.1 一阶参数计算

21.6.2 初始系统

21.6.3 优化处理

21.7 高倍显微物镜设计

21.7.1 一阶参数计算

21.7.2 初始系统

21.7.3 优化处理

第22章 目镜设计

22.1 目镜的光学特性

22.1.1 短焦距

22.1.2 小相对孔径

22.1.3 大视场角

22.1.4 入瞳和出瞳远离透镜组

22.2 目镜的像差特点

22.3 目镜的类型

22.3.1 冉斯登目镜

22.3.2 惠更斯目镜

22.3.3 凯涅尔目镜

22.3.4 对称目镜

22.3.5 无畸变目镜

22.3.6 广角目镜

22.4 冉斯登目镜的设计

22.4.1 冉斯登目镜的技术要求

22.4.2 冉斯登目镜的初始系统

22.4.3 第一阶段优化

22.4.4 第二阶段优化

22.5 对称目镜的设计

22.5.1 对称目镜的技术要求

22.5.2 初始对称目镜

22.5.3 优化处理

22.6 无畸变目镜的设计

22.6.1 无畸变目镜的技术要求

22.6.2 初始无畸变目镜

22.6.3 优化处理

第23章 照相物镜设计

23.1 照相物镜的光学特性

23.1.1 幅面大小

23.1.2 焦距

23.1.3 视场角

23.1.4 相对孔径

23.1.5 F数

23.1.6 分辨率

23.1.7 景深

23.2 照相物镜的类型

23.2.1 匹兹瓦物镜

23.2.2 库克三片式物镜

23.2.3 天塞物镜和海利亚物镜

23.2.4 双高斯物镜

23.2.5 摄远物镜

23.2.6 托普岗物镜和鲁沙物镜

23.2.7 松纳物镜

23.2.8 反摄远物镜

23.3 照相物镜的像差校正

23.4 双高斯物镜的设计

23.4.1 双高斯物镜的技术要求

23.4.2 初始双高斯物镜

23.4.3 基础像差校正

23.4.4 像差平衡

23.5 反摄远物镜的设计

23.5.1 反摄远物镜的技术要求

23.5.2 初始反摄远物镜

23.5.3 基础像差校正

23.5.4 像差平衡

第24章 投影和照明系统设计

24.1 幻灯机

24.1.1 幻灯机的原理

24.1.2 两种照明方式

24.1.3 投影物镜

24.1.4 投影镜头设计过程

24.2 投影仪

24.2.1 投影仪原理

24.2.2 投影镜头设计实例

24.3 背投数字光处理器

24.3.1 数字微反射阵列

24.3.2 背投投影仪原理

24.4 菲涅耳透镜设计

24.4.1 为什么使用菲涅耳透镜

24.4.2 菲涅耳透镜设计理论

24.4.3 菲涅耳透镜设计实例

第25章 变焦距系统设计

25.1 光学补偿法变焦距系统设计

25.1.1 光学补偿法原理

25.1.2 计算实例

25.2 机械补偿法变焦距系统设计

25.2.1 机械补偿法原理

25.2.2 设计实例

25.2.3 凸轮曲线计算

25.3 矩阵法变焦距系统设计

25.3.1 矩阵法原理

25.3.2 设计实例

第26章 红外物镜设计

26.1 红外光学材料

26.1.1 红外材料简介

26.1.2 常用红外材料

26.1.3 在Zemax中使用红外材料

26.2 红外镜头

26.2.1 红外镜头的作用

26.2.2 红外探测器

26.2.3 红外镜头的类型

26.2.4 红外镜头的特性

26.3 定焦红外镜头设计

26.3.1 定焦红外镜头技术要求

26.3.2 定焦红外镜头初始结构

26.3.3 定焦红外镜头优化

26.4 变焦红外镜头设计

26.4.1 变焦红外镜头技术要求

26.4.2 高斯光学计算

26.4.3 设计结果

第27章 折返系统设计

27.1 反射元件

27.1.1 反射元件的优点

27.1.2 反射元件的应用

27.2 等光程原理

27.2.1 等光程条件

27.2.2 抛物面等光程条件

27.2.3 椭球面等光程条件

27.2.4 双曲面等光程条件

27.3 折反射镜头

27.3.1 折反式望远物镜

27.3.2 折反式照相物镜

27.3.3 折反式显微物镜

27.4 折反系统的设计

27.4.1 施密特校正板设计

27.4.2 两镜反射系统设计

27.5 施密特⁃卡塞格林系统设计

27.5.1 施密特⁃卡塞格林系统技术要求

27.5.2 施密特校正板设计

27.5.3 主镜和副镜设计

27.5.4 初始数据

27.5.5 优化处理

27.5.6 像质评价

第28章 激光光学系统设计

28.1 激光束的传播特性

28.2 激光束经过光学系统的变换

28.2.1 沿同种介质激光束传播的变换

28.2.2 一般光学系统对激光束的变换

28.2.3 单薄透镜对激光束的变换

28.2.4 调焦望远镜对激光束的变换

28.2.5 离焦望远镜对激光束的变换

28.3 激光扩束系统设计

28.3.1 激光扩束系统技术要求

28.3.2 激光扩束系统初始镜头数据

28.3.3 激光扩束系统优化处理

28.3.4 Zemax的高斯光束计算工具

28.4 激光扫描系统设计

28.4.1 激光扫描系统的特点

28.4.2 激光扫描系统的技术要求

28.4.3 激光扫描系统的初始结构

28.4.4 激光扫描系统的优化处理

第29章 折衍混合光学系统设计

29.1 二元光学透镜的成像特性

29.1.1 二元光学透镜概述

29.1.2 二元光学透镜单色像差特性

29.1.3 二元光学透镜的色差特性

29.2 在Zemax软件中使用二元光学面

29.3 折衍混合红外物镜设计

29.3.1 折衍混合红外物镜的技术要求

29.3.2 折衍混合红外物镜的初始结构

29.3.3 在红外物镜里引入二元光学面

第30章 光学制图

30.1 光学制图概述

30.1.1 一般规定

30.1.2 特殊符号标记

30.2 光学系统图

30.3 光学部件图

30.4 光学零件图

附录

附录A 无色光学玻璃

附录B 中外玻璃对照表

附录C 双胶合透镜P0、Q0表

附录D 玻璃组合表

附录E Zemax优化函数

参考文献