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作者高志山、袁群、马骏 著
出版社北京理工大学出版社
出版时间2022-02
版次1
装帧平装
货号11-4
上书时间2024-06-13
本书紧密结合当前先进的光学系统,结合作者研究团队的新研究成果,将像差理论、实践应用、建模方法、学科前沿几方面有机融合,按照理论基础、具体应用、仿真优化、先进技术的流程,详细讲解了现代光学设计的设计步骤与方法;创新性地提出光学自由曲面系统的初始结构确定方法、衍射超透镜设计的方法与要点、新型像质评价指标“椭率”等先进技术。本书内容包括:光学系统像差理论、衍射成像与像质评价、光学自动设计原理、玻璃库与玻璃选择、透镜分裂、Zemax在像差设计中的应用、自由曲面光学系统设计、新型光学设计方法等。
本教材可作为高等院校相关专业大专、本科、研究生的实践教学、实验教材或教学参考书,也可作为其他相关理工科学生和工程技术人员的实践参考书。
高志山,男,1966年生,工学博士,教授、博士生导师,曾获王大珩光学奖中青年科技奖,中国光学学会理事,中国光学工程学会理事,中国光学学会光学测试专业副主任,中国航天科技集团有限公司光学部件制造工艺技术中心特聘专家,中国航天科工集团光学工艺分中心特聘专家,中国宇航学会光电专业委员会常务委员,全国专业标准化技术委员会委员等职。受聘为由周炳琨院士领衔的科学出版社《光学与光子学丛书》编委会委员,《激光与光电子学进展》期刊编委,《电光与控制》期刊编委,《应用光学》期刊编委,《长春理工大学(自然科学版)》期刊编委。国防科学技术一等奖1项、省部级科技进步/技术发明二等奖7项。编著出版《现行光学元件检测与国际标准》、新版 《光学手册之十四章成像光学》2部。作为课程负责人,主持南京理工大学精品课程建设与金课建设。指导硕士研究生毕业50余人、博士研究生毕业15余人,其中1人2010年获得江苏省优秀博士学位论文。
第1 章 绪论………………………………………………………………………………… 001
1. 1 我国成像光学的发展与动力 ………………………………………………………… 001
1. 2 成像光学的 “像” 信息本质 ………………………………………………………… 002
1. 3 成像光学系统的发展动态 …………………………………………………………… 003
1. 3. 1 强度直接成像光学系统的几个重要发展动态 ………………………………… 003
1. 3. 2 光场传输―――聚能系统 ………………………………………………………… 009
1. 3. 3 干涉 (相位) 成像系统 ………………………………………………………… 011
1. 3. 4 偏振成像系统 …………………………………………………………………… 013
1. 4 光学工程的不断发展对光学设计实用方法带来的挑战 …………………………… 014
复习题………………………………………………………………………………………… 015
第2 章 光学系统与几何像差…………………………………………………………… 016
2. 1 概述 …………………………………………………………………………………… 016
2. 2 光学系统的结构参数和光学特性参数 ……………………………………………… 017
2. 2. 1 光学系统的结构参数 …………………………………………………………… 017
2. 2. 2 光学特性参数 …………………………………………………………………… 019
2. 2. 3 实际光学系统描述举例 ………………………………………………………… 024
2. 3 几何像差与光线结构 ………………………………………………………………… 025
2. 3. 1 轴上点的像差 …………………………………………………………………… 025
2. 3. 2 轴外物点的光线结构与像差 …………………………………………………… 037
2. 3. 3 轴外像差的一般规律 …………………………………………………………… 045
2. 4 高级像差的定义与实用计算方法 …………………………………………………… 048
2. 4. 1 像差与视场、 孔径的函数关系 ………………………………………………… 048
2. 4. 2 高级像差的计算关系式 ………………………………………………………… 049
2. 5 赛德像差多项式 ……………………………………………………………………… 049
2. 5. 1 垂轴像差分量表达形式 ………………………………………………………… 050
2. 5. 2 波像差表达形式 ………………………………………………………………… 050
2. 6 像差的曲线表示方法 ………………………………………………………………… 051
2. 6. 1 独立几何像差曲线 ……………………………………………………………… 051
2. 6. 2 光线像差 (垂轴分量) 曲线 …………………………………………………… 053
2. 7 ZEMAX 软件简介……………………………………………………………………… 053
2. 7. 1 ZEMAX 的视窗类型……………………………………………………………… 054
2. 7. 2 主视窗的操作 …………………………………………………………………… 054
2. 8 ZEMAX 中光学系统的建立实例……………………………………………………… 056
2. 8. 1 设计要求 ………………………………………………………………………… 056
2. 8. 2 初始结构 ………………………………………………………………………… 056
2. 8. 3 其他光学特性参数的输入方法 ………………………………………………… 057
2. 8. 4 ZEMAX 中的像质评价方法……………………………………………………… 061
2. 9 ZEMAX 中几何像差垂轴表示法 (Ray Fans) 的解读……………………………… 072
2. 9. 1 彗差的提取 ……………………………………………………………………… 074
2. 9. 2 像面与近轴像面之间离焦量的判别 …………………………………………… 076
2. 9. 3 场曲的判别 ……………………………………………………………………… 076
2. 9. 4 垂轴色差的解读 ………………………………………………………………… 077
2. 9. 5 Ray Aberration 的地位 …………………………………………………………… 077
复习题………………………………………………………………………………………… 078
第3 章 光学自动设计原理 ……………………………………………………………… 080
3. 1 概述 …………………………………………………………………………………… 080
3. 2 广义像差与结构参数的隐晦函数关系 ……………………………………………… 080
3. 3 光学自动设计中的优化方法 ………………………………………………………… 083
3. 3. 1 评价函数 ………………………………………………………………………… 083
3. 3. 2 最小二乘法 ……………………………………………………………………… 084
3. 3. 3 阻尼最小二乘法 (Damped Least Square, DLS) ……………………………… 085
3. 3. 4 阻尼因子与权因子的自动赋值方法简介 ……………………………………… 085
3. 3. 5 边界条件 ………………………………………………………………………… 086
3. 4 ZEMAX 中评价函数 (Merit Function) 的构成要素………………………………… 087
3. 5 ZEMAX 默认评价函数 (Default Merit Function) 定义方法 ……………………… 087
3. 5. 1 RMS 或 PTV ……………………………………………………………………… 088
3. 5. 2 Wavefront 或 Spot Radius 等……………………………………………………… 088
3. 5. 3 Centroid/ Chief Ray/ Mean ……………………………………………………… 089
3. 5. 4 Pupil Integration Method ………………………………………………………… 089
3. 5. 5 Thickness Boundary Values ……………………………………………………… 089
3. 5. 6 其余辅助选项 …………………………………………………………………… 089
复习题………………………………………………………………………………………… 090
第4 章 像差精准优化设计在 ZEMAX 中的实现方法 …………………………… 091
4. 1 概述 …………………………………………………………………………………… 091
4. 2 ZEMAX 中评价函数与现有操作符…………………………………………………… 092
4. 2. 1 高斯光学参数 (外形尺寸数据) ……………………………………………… 093
4. 2. 2 像差控制操作符 ………………………………………………………………… 094
4. 2. 3 以主光线为参照的垂轴几何像差 ……………………………………………… 094
4. 2. 4 以质心为参照垂轴几何像差 …………………………………………………… 095
4. 2. 5 波像差控制操作符 ……………………………………………………………… 095
4. 2. 6 光学传递函数操作符 …………………………………………………………… 095
4. 2. 7 透镜边界条件 …………………………………………………………………… 096
4. 2. 8 光学材料控制操作符 …………………………………………………………… 097
4. 2. 9 数学运算操作符 ………………………………………………………………… 098
4. 3 Default Merit Function 和现有像差控制操作符的局限性 …………………………… 098
4. 3. 1 轴上点的像差操作符局限性 …………………………………………………… 098
4. 3. 2 轴外物点的像差操作符局限性 ………………………………………………… 099
4. 4 常见像差控制在评价函数中的实现 ………………………………………………… 099
4. 4. 1 轴上球差、 色差的控制操作符 ………………………………………………… 099
4. 4. 2 轴外初级像差的控制操作符 …………………………………………………… 102
4. 4. 3 轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符 ………………………… 104
4. 5 ZEMAX 中与色差有关操作符的像差计算基准……………………………………… 104
4. 5. 1 AXCL 操作符的计算基准 ……………………………………………………… 104
4. 5. 2 LACL 操作符的计算基准………………………………………………………… 105
4. 5. 3 TRAY 操作符的计算基准 ……………………………………………………… 108
4. 6 像差设计举例 ………………………………………………………………………… 108
4. 6. 1 设计要求 ………………………………………………………………………… 109
4. 6. 2 光学特性特点与像差校正要求 ………………………………………………… 109
4. 6. 3 初始结构选择 …………………………………………………………………… 109
4. 6. 4 优化设计 ………………………………………………………………………… 110
复习题………………………………………………………………………………………… 117
第5 章 薄透镜系统的初级像差理论 ………………………………………………… 118
5. 1 概述 …………………………………………………………………………………… 118
5. 2 薄透镜系统的初级像差方程组 ……………………………………………………… 118
5. 3 薄透镜组的普遍像差性质 …………………………………………………………… 121
5. 3. 1 薄透镜组的单色像差特性 ……………………………………………………… 121
5. 3. 2 薄透镜组的色差特性 …………………………………………………………… 122
5. 4 单薄透镜组―――双胶合、 三胶合透镜像差校正能力的局限性 …………………… 123
5. 5 基于 ZEMAX 软件仿真的单透镜像差性质的讨论 ………………………………… 124
5. 5. 1 物位于无限远时球差随透镜形状的变化规律 ………………………………… 124
5. 5. 2 保持焦距、 透镜形状不变, 球差随折射率的变化规律 ……………………… 126
5. 5. 3 物位于无限远时光瞳在透镜上的彗差规律 …………………………………… 127
5. 5. 4 孔径光阑远离单透镜的彗差规律 ……………………………………………… 128
5. 5. 5 像散随孔径光阑位置的变化规律 ……………………………………………… 131
5. 6 平行平板引入的像差讨论 …………………………………………………………… 133
5. 6. 1 平行玻璃板的初级像差公式 …………………………………………………… 133
5. 6. 2 倾斜平行玻璃板引起像散的校正方法 ………………………………………… 136
5. 7 光学系统消场曲的条件 ……………………………………………………………… 137
5. 7. 1 正、 负光焦度远离的薄透镜系统 ……………………………………………… 137
5. 7. 2 弯月形厚透镜 …………………………………………………………………… 138
5. 7. 3 消场曲条件典型应用 …………………………………………………………… 138
复习题………………………………………………………………………………………… 139
第6 章 衍射成像与像质评价…………………………………………………………… 140
6. 1 衍射成像及基本概念 ………………………………………………………………… 140
6. 1. 1 衍射成像 ………………………………………………………………………… 140
6. 1. 2 成像基本概念 …………………………………………………………………… 142
6. 2 综合像质评价指标 …………………………………………………………………… 146
6. 2. 1 波像差与像差容限 ……………………………………………………………… 146
6. 2. 2 斯特列尔值 ……………………………………………………………………… 147
6. 2. 3 调制传递函数 …………………………………………………………………… 148
6. 2. 4 点列图 …………………………………………………………………………… 152
6. 3 像差容限 ……………………………………………………………………………… 153
6. 4 天文光学中的椭率 …………………………………………………………………… 153
复习题………………………………………………………………………………………… 155
第7 章 玻璃库与玻璃的选择…………………………………………………………… 156
7. 1 材料特性概述 ………………………………………………………………………… 156
7. 2 玻璃图和部分色散 …………………………………………………………………… 158
7. 3 玻璃牌号的命名规律与折射率特征 ………………………………………………… 161
7. 4 玻璃选择的参数化范例 ……………………………………………………………… 161
7. 5 选择玻璃的方法 ……………………………………………………………………… 165
7. 5. 1 可用性 …………………………………………………………………………… 165
7. 5. 2 光谱透射性 ……………………………………………………………………… 166
7. 5. 3 应力双折射对折射率的影响 …………………………………………………… 166
7. 5. 4 化学特性 ………………………………………………………………………… 166
7. 5. 5 热膨胀特性 ……………………………………………………………………… 166
7. 6 塑料光学材料 ………………………………………………………………………… 167
7. 7 红外材料 ……………………………………………………………………………… 168
7. 8 高折射率的红外材料有利于降低像差的讨论 ……………………………………… 173
复习题………………………………………………………………………………………… 175
第8 章 透镜分裂与组合 ………………………………………………………………… 176
8. 1 透镜分裂的理论依据 ………………………………………………………………… 176
8. 2 光刻投影系统 ………………………………………………………………………… 179
8. 3 干涉仪光学系统 ……………………………………………………………………… 180
8. 4 透镜的组合 …………………………………………………………………………… 183
复习题………………………………………………………………………………………… 183
第9 章 像差精准控制方法的应用实践 ……………………………………………… 184
9. 1 特殊像差控制要求的物镜设计 ……………………………………………………… 184
9. 2 物方远心光路的无限筒长显微物镜与管镜设计 …………………………………… 195
9. 3 光瞳外置光学模拟器与目镜设计 …………………………………………………… 200
复习题………………………………………………………………………………………… 208
第10 章 照明系统的设计 ……………………………………………………………… 210
10. 1 照明系统的基本概念………………………………………………………………… 210
10. 2 阿贝照明和柯勒照明………………………………………………………………… 211
10. 3 光学不变量和面角积………………………………………………………………… 212
10. 4 太阳模拟器匀光系统的设计………………………………………………………… 214
10. 5 其他类型的照明系统………………………………………………………………… 216
复习题………………………………………………………………………………………… 217
第11 章 自由曲面光学设计 …………………………………………………………… 218
11. 1 自由曲面定义方法…………………………………………………………………… 218
11. 2 自由曲面初始结构的生成方法……………………………………………………… 231
11. 3 自由曲面光学系统的优化方法……………………………………………………… 245
11. 4 自由曲面光学系统的设计实例……………………………………………………… 247
复习题………………………………………………………………………………………… 265
第12 章 新型光学系统设计方法 ……………………………………………………… 266
12. 1 消色差衍射光学元件设计…………………………………………………………… 266
12. 2 消球差衍射光学元件设计…………………………………………………………… 273
12. 3 超透镜设计…………………………………………………………………………… 277
12. 4 宽光谱大数值孔径平场复消色差物镜设计………………………………………… 281
12. 5 大视场胶囊物镜的拼接融合型光学设计方法……………………………………… 300
12. 6 基于视场分割的同心球内窥镜设计方法…………………………………………… 317
复习题………………………………………………………………………………………… 335
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 337
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