现代光学设计实用方法

图书标准信息

• 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
• ISBN 9787576308501
• 定价 110.00元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 360页

【内容简介】

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。 

 

【作者简介】

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。 

【目录】

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