現代光學設計

上篇光學設計基礎
第1章什麽是光學設計2
1.1為什麽需要光學設計2
1.1.1光學儀器小史2
1.1.2光學系統4
1.1.3理想光學系統4
1.1.4理想成像的違背5
1.1.5像質評價7
1.2光學設計的流程9
1.2.1設計前階段9
1.2.2設計階段10
1.2.3設計師需要參與的階段13

第2章Zemax軟件概述14
2.1光學設計軟件14
2.2在Zemax中輸入數據16
2.2.1Zemax軟件的交互界面16
2.2.2輸入鏡頭數據18
2.2.3設置孔徑20
2.2.4設置視場22
2.2.5設置波長23
2.2.6設置玻璃24
2.3查看輸入結果26
2.3.1鏡頭結構參數26
2.3.22D/3D視圖26
2.3.3查看一階特性27
2.3.4分析輸入結果27

第3章光路計算30
3.1符號規則30
3.1.1線量的符號規則30
3.1.2角量的符號規則31
3.1.3反射處理32
3.2光路計算公式32
3.2.1非近軸光路計算公式32
3.2.2轉面公式33
3.3近軸光路計算公式33
3.4計算實例34
3.5光路計算的向量公式36
3.5.1球面光路計算的向量公式37
3.5.2二次曲面光路計算的向量公式39
3.5.3光路計算的起始和終結公式41

第4章光學材料45
4.1無色光學玻璃45
4.1.1夫瑯禾費波長45
4.1.2無色光學玻璃的分類和牌號46
4.1.3玻璃折射率47
4.1.4色散48
4.1.5無色光學玻璃的質量指標49
4.1.6玻璃圖51
4.2光學塑料51
4.2.1光學塑料簡介51
4.2.2常用的光學塑料52
4.2.3在Zemax中使用光學塑料53
4.3特殊光學玻璃54
4.3.1有色光學玻璃54
4.3.2低膨脹玻璃55
4.3.3耐輻射玻璃55
4.3.4耐潮濕和耐腐蝕玻璃55
4.4紫外光學玻璃56

第5章特殊光學面形58
5.1非球面58
5.1.1形狀因子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梯度折射率簡介64
5.2.2梯度折射率分類65
5.2.3在Zemax中使用梯度折射率面66
5.2.4梯度折射率面與非球面的等效70

第6章光學系統中的光束限制72
6.1光闌分類72
6.1.1孔徑光闌72
6.1.2視場光闌73
6.1.3漸暈光闌73
6.1.4消雜光光闌74
6.2主光線和邊緣光線74
6.3相對孔徑與F數75
6.4拉格朗日不變量75
6.5遠心光路77
6.5.1物方遠心光路77
6.5.2像方遠心光路78
6.6在Zemax中移動光闌78

第7章塞德像差理論Ⅰ83
7.1球差83
7.1.1球差的定義83
7.1.2球差的計算公式84
7.2軸外初級單色像差85
7.2.1空間坐標系的建立85
7.2.2Petzval場曲86
7.2.3軸向像差87
7.2.4橫向像差89
7.2.5旋轉對稱系統89
7.2.6初級單色像差的塞德和數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彗差定義92
7.3.4正弦差93
7.4場曲和像散93
7.4.1子午場曲和弧矢場曲93
7.4.2像散94
7.4.3Petzval場曲94
7.5畸變94
7.6PW形式的塞德和數95
7.7在Zemax中查看塞德像差系數97

第8章塞德像差理論Ⅱ100
8.1初級色差100
8.1.1軸向色差100
8.1.2垂軸色差102
8.1.3在Zemax中查看初級色差數據103
8.2Zemax中橫向像差與軸向像差105
8.3像差的級數展開與像差平衡107
8.4像差曲線113

第9章優化函數116
9.1求解116
9.1.1曲率求解116
9.1.2厚度求解118
9.2環和臂119
9.3構建優化函數121
9.4Zemax中常用優化函數122
9.5設計實例124

第10章波像差129
10.1波前129
10.2費馬原理131
10.3波像差公式131
10.3.1軸上點波像差與球差的關系131
10.3.2波像差與塞德像差的關系132
10.3.3波像差普遍式133
10.3.4波像差的極坐標形式134
10.3.5波像差與塞德像差換算公式134
10.3.6焦深136
10.4用波像差研究初級像差的幾何形狀137
10.4.1球差137
10.4.2彗差137
10.4.3像散137
10.4.4場曲137
10.4.5畸變138
10.5色差的波像差138
10.5.1D-d方法計算波色差138
10.5.2用後一面半徑消色差138
10.5.3波色差與塞德初級色差的關系139
10.5.4近軸薄透鏡的波色差139
10.6在Zemax中查看波像差140

第11章Buchdahl公式142
11.1Buchdahl塞德和數公式142
11.1.1阿貝不變量表示的塞德和數142
11.1.2Buchdahl的塞德和數143
11.2結構像差系數145
11.2.1薄透鏡近似145
11.2.2結構像差系數的消像差條件148
11.3小彌散斑150
11.3.1小彌散斑位置150
11.3.2在Zemax中查看離焦152

第12章像質評價Ⅰ154
12.1像差容限154
12.1.1瑞利判據154
12.1.2球差容限154
12.1.3望遠和顯微物鏡的像差容限157
12.1.4望遠和顯微目鏡的像差容限157
12.1.5照相物鏡的像差容限157
12.2光線扇形圖158
12.3點列圖160
12.4能量集中度163
12.5斯特列爾比164

第13章像質評價Ⅱ167
13.1對比度167
13.2傅里葉變換168
13.2.1傅里葉變換的定義168
13.2.2卷積168
13.2.3線性系統169
13.2.4線性平移不變性169
13.3衍射理論170
13.3.1基爾霍夫公式170
13.3.2菲涅耳和夫瑯禾費近似171
13.3.3透鏡的相位變換172
13.4點擴散函數173
13.4.1點擴散函數計算公式173
13.4.2在Zemax中查看點擴散函數174
13.5光學傳遞函數177
13.5.1調制傳遞函數177
13.5.2一個計算實例178
13.5.3衍射受限的光學傳遞函數179
13.5.4在Zemax中使用MTF180

第14章透鏡的初級像差184
14.1初級像差系數184
14.2單折射面的初級像差185
14.2.1球差185
14.2.2彗差186
14.2.3像散187
14.2.4場曲187
14.2.5畸變188
14.3球面反射鏡的初級像差188
14.3.1球面反射鏡188
14.3.2平面反射鏡189
14.3.3非球面的初級像差189
14.4薄透鏡的初級像差189
14.5平行平板的初級像差190
14.6場鏡的像差192
14.7光闌位置對初級像差的影響192
14.8厚透鏡194

第15章分離鏡片和場曲平化196
15.1分離鏡片196
15.1.1單片鏡196
15.1.2雙片鏡197
15.1.3三片鏡198
15.2彎曲光學系統200
15.3場曲平化201
15.3.1Petzval半徑201
15.3.2平行平板引起的焦移203
15.3.3場曲平化方程203
15.3.4Zemax中的場曲平化操作數204
15.4對稱結構204

第16章消色差Ⅰ206
16.1密接雙片鏡消初級色差206
16.1.1消色差約束條件206
16.1.2消色差設計實例207
16.1.3加入厚度208
16.1.4彎曲消色差209
16.2消二級光譜210
16.2.1二級光譜色差的概念210
16.2.2消二級光譜方法210
16.2.3消二級光譜實例212
16.2.4如何獲得二級光譜數值213
16.2.5何時需要校正二級光譜215

第17章消色差Ⅱ216
17.1分離雙片鏡消初級色差216
17.1.1分離雙片鏡消色差條件216
17.1.2分離雙片鏡消色差解217
17.1.3同種材料消色差218
17.1.4設計實例218
17.2密接三片鏡覆消色差220
17.2.1部分色差約束條件220
17.2.2覆消色差約束條件221
17.2.3覆消色差方程組的解221
17.2.4設計實例222

第18章PWC分解227
18.1PWC因子的規化227
18.1.1PW因子227
18.1.2有限距離的PW因子規化228
18.1.3位置變化對PW因子的規化228
18.1.4薄透鏡組的PW規化過程230
18.1.5逆向追跡光路時的PW因子231
18.1.6初級色差系數的規化231
18.1.7計算實例232
18.2雙膠合透鏡組的PW計算233
18.2.1變量選取233
18.2.2PWC因子和結構參數的關系234
18.2.3PWC因子與玻璃材料的關系235
18.2.4雙膠合透鏡組PWC計算過程235
18.2.5設計實例236
18.3單透鏡的PWC計算241

第19章光學自動設計243
19.1光學自動設計的數學問題243
19.2多元函數的極值理論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

下篇光學系統設計
第20章望遠物鏡設計257
20.1望遠物鏡的成像特性257
20.2望遠物鏡的類型258
20.3大相對孔徑望遠物鏡設計260
20.3.1初始系統260
20.3.2縮放系統261
20.3.3優化處理262
20.3.4校正色差262
20.4內調焦攝遠物鏡設計263
20.4.1光焦度分配264
20.4.2求解初始結構265
20.4.3前後透鏡組合成為攝遠物鏡268

第21章顯微物鏡設計270
21.1光學顯微鏡的兩種形式270
21.2顯微物鏡的像差特性271
21.3高級像差的控制271
21.3.1高級像差類型271
21.3.2在Zemax中高級像差的控制方法272
21.3.3高級球差的構建273
21.3.4色球差的構建273
21.3.5子午高級彗差的構建274
21.4顯微物鏡的成像特性275
21.5顯微物鏡的類型276
21.5.1消色差物鏡276
21.5.2覆消色差物鏡277
21.5.3平場物鏡277
21.6低倍消色差顯微物鏡設計277
21.6.1一階參數計算277
21.6.2初始系統278
21.6.3優化處理278
21.7高倍顯微物鏡設計280
21.7.1一階參數計算280
21.7.2初始系統280
21.7.3優化處理281

第22章目鏡設計283
22.1目鏡的光學特性283
22.1.1短焦距283
22.1.2小相對孔徑283
22.1.3大視場角284
22.1.4入瞳和出瞳遠離透鏡組284
22.2目鏡的像差特點284
22.3目鏡的類型285
22.3.1冉斯登目鏡286
22.3.2惠更斯目鏡287
22.3.3凱涅爾目鏡287
22.3.4對稱目鏡288
22.3.5無畸變目鏡288
22.3.6廣角目鏡288
22.4冉斯登目鏡的設計289
22.4.1冉斯登目鏡的技術要求289
22.4.2冉斯登目鏡的初始系統289
22.4.3階段優化290
22.4.4第二階段優化291
22.5對稱目鏡的設計291
22.5.1對稱目鏡的技術要求291
22.5.2初始對稱目鏡292
22.5.3優化處理292
22.6無畸變目鏡的設計294
22.6.1無畸變目鏡的技術要求294
22.6.2初始無畸變目鏡294
22.6.3優化處理294

第23章照相物鏡設計296
23.1照相物鏡的光學特性296
23.1.1幅面大小296
23.1.2焦距297
23.1.3視場角297
23.1.4相對孔徑297
23.1.5F數298
23.1.6分辨率298
23.1.7景深298
23.2照相物鏡的類型298
23.2.1匹茲瓦物鏡298
23.2.2庫克三片式物鏡298
23.2.3天塞物鏡和海利亞物鏡299
23.2.4雙高斯物鏡299
23.2.5攝遠物鏡299
23.2.6托普崗物鏡和魯沙物鏡300
23.2.7松納物鏡300
23.2.8反攝遠物鏡300
23.3照相物鏡的像差校正301
23.4雙高斯物鏡的設計302
23.4.1雙高斯物鏡的技術要求302
23.4.2初始雙高斯物鏡302
23.4.3基礎像差校正303
23.4.4像差平衡304
23.5反攝遠物鏡的設計306
23.5.1反攝遠物鏡的技術要求306
23.5.2初始反攝遠物鏡307
23.5.3基礎像差校正307
23.5.4像差平衡308

第24章投影和照明系統設計312
24.1幻燈機312
24.1.1幻燈機的原理312
24.1.2兩種照明方式313
24.1.3投影物鏡314
24.1.4投影鏡頭設計過程315
24.2投影儀315
24.2.1投影儀原理315
24.2.2投影鏡頭設計實例316
24.3背投數字光處理器319
24.3.1數字微反射陣列319
24.3.2背投投影儀原理320
24.4菲涅耳透鏡設計321
24.4.1為什麽使用菲涅耳透鏡321
24.4.2菲涅耳透鏡設計理論322
24.4.3菲涅耳透鏡設計實例323

第25章變焦距系統設計325
25.1光學補償法變焦距系統設計325
25.1.1光學補償法原理325
25.1.2計算實例328
25.2機械補償法變焦距系統設計329
25.2.1機械補償法原理329
25.2.2設計實例333
25.2.3凸輪曲線計算337
25.3矩陣法變焦距系統設計340
25.3.1矩陣法原理340
25.3.2設計實例341

第26章紅外物鏡設計344
26.1紅外光學材料344
26.1.1紅外材料簡介344
26.1.2常用紅外材料345
26.1.3在Zemax中使用紅外材料346
26.2紅外鏡頭347
26.2.1紅外鏡頭的作用347
26.2.2紅外探測器348
26.2.3紅外鏡頭的類型348
26.2.4紅外鏡頭的特性350
26.3定焦紅外鏡頭設計351
26.3.1定焦紅外鏡頭技術要求351
26.3.2定焦紅外鏡頭初始結構352
26.3.3定焦紅外鏡頭優化352
26.4變焦紅外鏡頭設計355
26.4.1變焦紅外鏡頭技術要求355
26.4.2高斯光學計算355
26.4.3設計結果356

第27章折反系統設計359
27.1反射元件359
27.1.1反射元件的優點359
27.1.2反射元件的應用360
27.2等光程原理361
27.2.1等光程條件361
27.2.2拋物面等光程條件361
27.2.3橢球面等光程條件362
27.2.4雙曲面等光程條件362
27.3折反射鏡頭363
27.3.1折反式望遠物鏡363
27.3.2折反式照相物鏡364
27.3.3折反式顯微物鏡365
27.4折反系統的設計365
27.4.1施密特校正板設計365
27.4.2兩鏡反射系統設計367
27.5施密特·卡塞格林系統設計369
27.5.1施密特·卡塞格林系統技術要求369
27.5.2施密特校正板設計369
27.5.3主鏡和副鏡設計370
27.5.4初始數據370
27.5.5優化處理371
27.5.6像質評價372

第28章激光光學系統設計374
28.1激光束的傳播特性374
28.2激光束經過光學系統的變換376
28.2.1沿同種介質激光束傳播的變換376
28.2.2一般光學系統對激光束的變換376
28.2.3單薄透鏡對激光束的變換377
28.2.4調焦望遠鏡對激光束的變換378
28.2.5離焦望遠鏡對激光束的變換379
28.3激光擴束系統設計380
28.3.1激光擴束系統技術要求380
28.3.2激光擴束系統初始鏡頭數據381
28.3.3激光擴束系統優化處理381
28.3.4Zemax的高斯光束計算工具383
28.4激光掃描系統設計385
28.4.1激光掃描系統的特點385
28.4.2激光掃描系統的技術要求385
28.4.3激光掃描系統的初始結構386
28.4.4激光掃描系統的優化處理386

第29章折衍混合光學系統設計389
29.1二元光學透鏡的成像特性389
29.1.1二元光學透鏡概述389
29.1.2二元光學透鏡單色像差特性391
29.1.3二元光學透鏡的色差特性393
29.2在Zemax軟件中使用二元光學面395
29.3折衍混合紅外物鏡設計396
29.3.1折衍混合紅外物鏡的技術要求396
29.3.2折衍混合紅外物鏡的初始結構397
29.3.3在紅外物鏡里引入二元光學面397

第30章光學制圖403
30.1光學制圖概述403
30.1.1一般規定403
30.1.2特殊符號標記404
30.2光學系統圖406
30.3光學部件圖408
30.4光學零件圖409

附錄422
附錄A無色光學玻璃422
附錄B中外玻璃對照表430
附錄C雙膠合透鏡P0、Q0表434
附錄D玻璃組合表440
附錄EZemax優化函數441

參考文獻450