現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)方法

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種各樣的新型光電儀器不斷涌現(xiàn)，在信息、通信、工農(nóng)業(yè)以及國(guó)防軍事等諸多領(lǐng)域起著非常重要的作用。設(shè)計(jì)和研制這些新型光電儀器對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一種新的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者需要掌握光學(xué)、機(jī)械、電子、控制以及計(jì)算機(jī)方面的多種知識(shí)，其中，光學(xué)設(shè)計(jì)是一門專業(yè)知識(shí)領(lǐng)域相對(duì)比較狹窄的學(xué)科。對(duì)于一個(gè)現(xiàn)代的光學(xué)設(shè)計(jì)工作者，一方面要求他牢固地掌握光學(xué)設(shè)計(jì)的像差理論知識(shí)；另一方面又要求他在設(shè)計(jì)實(shí)踐中不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，掌握各種各樣新型光學(xué)系統(tǒng)的像差特性和設(shè)計(jì)方法，而且還需要具備熟練的計(jì)算機(jī)操作和光學(xué)設(shè)計(jì)軟件使用能力。所有這些要求使得光學(xué)設(shè)計(jì)比較難以掌握，它是一門非常專業(yè)的學(xué)科。以前的光學(xué)設(shè)計(jì)書(shū)籍介紹的內(nèi)容大都只是基于像差理論，進(jìn)行像差計(jì)算，設(shè)計(jì)實(shí)例較少。有的書(shū)籍雖然有一些例子，但涉及的系統(tǒng)較為傳統(tǒng)，而且基本上是采用國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的DOS平臺(tái)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的DOS平臺(tái)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件功能較弱，使用界面不友好，操作復(fù)雜，圖形功能弱，因此采用這些光學(xué)設(shè)計(jì)軟件來(lái)設(shè)計(jì)高質(zhì)量的新型光電儀器是一項(xiàng)非常費(fèi)時(shí)間的艱苦工作，往往很難達(dá)到最好的成像質(zhì)量。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些光電研制單位相繼購(gòu)買了國(guó)際上先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，例如美國(guó)的Zemaxj C（）DE V以及C）SI。O等，其中購(gòu)買Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的最多，因?yàn)閆emax軟件具有使用方便、功能齊全、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，特別適合國(guó)內(nèi)的光電儀器研制單位。但是，由于國(guó)內(nèi)的光學(xué)設(shè)計(jì)工作者對(duì)這些光學(xué)設(shè)計(jì)軟件不太熟悉，使用這些軟件所采用的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的方法有較大的差異，因此往往不能很好地利用，造成了資源的浪費(fèi)。相關(guān)設(shè)計(jì)人員非常希望能有一本緊密結(jié)合當(dāng)前新的發(fā)展需求，既詳細(xì)講解光學(xué)設(shè)計(jì)軟件使用，又有具體光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例的參考書(shū)籍。本書(shū)正是針對(duì)這種狀況編寫(xiě)的。本書(shū)首先介紹光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和像差理論，然后以國(guó)外先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax作為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹采用Zemax設(shè)計(jì)新型光學(xué)系統(tǒng)的方法。雖然主要以Zemax軟件來(lái)討論，但由于不同的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件雖有差別，卻都具有其基本共同點(diǎn)，因此在軟件使用上仍具有普遍性。本書(shū)的特點(diǎn)是緊密結(jié)合當(dāng)前各應(yīng)用領(lǐng)域最新的一些光學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)容基本上可以分為7個(gè)部分。第1部分是光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)，這是設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所必備的基礎(chǔ)知識(shí)。

內(nèi)容概要

本書(shū)首先介紹光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和像差理論，然后以國(guó)外先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax作為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹采用Zemax設(shè)計(jì)新型光學(xué)系統(tǒng)的方法。本書(shū)緊密結(jié)合當(dāng)前各應(yīng)用領(lǐng)域的最新的一些光學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)容基本上可以分為7個(gè)部分。第1部分是光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)，這是設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所必備的基礎(chǔ)知識(shí)。第2部分是光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的原理與程序，介紹了適應(yīng)法和阻尼最小二乘這兩種常用的光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)程序的特點(diǎn)和使用方法。第3部分是變焦距系統(tǒng)的原理與程序，討論了變焦距系統(tǒng)的像差計(jì)算與自動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。第4部分是光學(xué)系統(tǒng)的公差分析與計(jì)算，介紹了公差分析計(jì)算軟件的原理與編程特點(diǎn)。第5部分是光學(xué)系統(tǒng)的環(huán)境溫度分析與無(wú)熱設(shè)計(jì)，討論了環(huán)境溫度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響及利用衍射光學(xué)元件進(jìn)行無(wú)熱設(shè)計(jì)的原理與方法。第6部分是典型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用所介紹的光學(xué)設(shè)計(jì)程序?qū)νh(yuǎn)系統(tǒng)、顯微物鏡和照相物鏡等進(jìn)行了實(shí)際設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的例子進(jìn)行了像質(zhì)評(píng)價(jià)。第7部分是對(duì)偏振像差、非球面應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)裝調(diào)、衍射光學(xué)元件、非成像光學(xué)系統(tǒng)、空間光學(xué)系統(tǒng)、紅外光學(xué)系統(tǒng)以及其他一些光電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。    本書(shū)可作為從事光學(xué)設(shè)計(jì)的專業(yè)人員及高等院校光學(xué)專業(yè)教師和研究生的教學(xué)和參考用書(shū)。

書(shū)籍目錄

第1章 光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)方法  1.1 概述  1.2 光學(xué)系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性參數(shù)  1.3 檢測(cè)階段的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)——星點(diǎn)檢驗(yàn)  1.4 檢測(cè)階段的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)——分辨力測(cè)量  1.5 幾何像差的定義及其計(jì)算  1.6 垂軸像差的概念及其計(jì)算  1.7 幾何像差計(jì)算程序ABR的輸人數(shù)據(jù)與輸出結(jié)果  1.8 幾何像差及垂軸像差的圖形輸出  1.9 用波像差評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量  1.10 光學(xué)傳遞函數(shù)  1.11 點(diǎn)列圖  1.12 包圍圓能量第2章 光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)原理和程序  2.1 概述  2.2 阻尼最小二乘法光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)程序  2.3 光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)的全局優(yōu)化  2.4 適應(yīng)法光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)程序  2.5 典型光學(xué)設(shè)計(jì)軟件介紹    2.5.1 國(guó)內(nèi)實(shí)用軟件    2.5.2 國(guó)外著名軟件第3章 公差分析與計(jì)算  3.1 概述  3.2 公差設(shè)計(jì)中的評(píng)價(jià)函數(shù)  3.3 光學(xué)公差的概率關(guān)系  3.4 公差設(shè)計(jì)中的隨機(jī)模擬檢驗(yàn)  3.5 公差設(shè)計(jì)中的偏心光路追跡第4章 目視光學(xué)系統(tǒng)  4.1 薄透鏡系統(tǒng)的初級(jí)像差理論  4.2 望遠(yuǎn)鏡物鏡設(shè)計(jì)  4.3 顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)  4.4 目鏡設(shè)計(jì)第5章 照相物鏡設(shè)計(jì)  5.1 照相物鏡的光學(xué)特性  5.2 照相物鏡的基本類型  5.3 基本類型照相物鏡的演變形式  5.4 照相物鏡設(shè)計(jì)的特點(diǎn)  5.5 數(shù)碼相機(jī)物鏡設(shè)計(jì)特點(diǎn)  5.6 照相物鏡像差的公差第6章 變焦距光學(xué)系統(tǒng)  6.1 概述  6.2 變焦距系統(tǒng)的分類及其特點(diǎn)  6.3 變焦距物鏡的高斯光學(xué)  6.4 變焦距物鏡高斯光學(xué)實(shí)例  6.5 體視變倍顯微鏡第7章 液晶投影儀和背投電視鏡頭設(shè)計(jì)  7.1 投影顯示類型  7.2 液晶投影儀的工作原理  7.3 液晶投影儀照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)  7.4 液晶投影儀投影物鏡的設(shè)計(jì)  7.5 背投電視鏡頭設(shè)計(jì)特點(diǎn)第8章 其他光學(xué)系統(tǒng)  8.1 激光掃描系統(tǒng)和fo鏡頭  8.2 光學(xué)信息處理系統(tǒng)和傅里葉變換鏡頭  8.3 紅外光學(xué)系統(tǒng)  8.4 空間光學(xué)系統(tǒng)  8.5 共形光學(xué)設(shè)計(jì)  8.6 計(jì)算機(jī)直接制版鏡頭  8.7 投影儀擴(kuò)展廣角鏡頭第9章 非球面技術(shù)的應(yīng)用  9.1 非球面的表示方法  ……第10章 環(huán)境溫度分析第11章 衍射光學(xué)元件第12章 偏振像差的理論第13章 計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)第14章 非成像光學(xué)第15章 Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用附錄 雙膠合薄透鏡參數(shù)表（王冕玻璃在前）雙膠合薄透鏡參數(shù)表（火石玻璃在前）參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：任何一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)不管用于何處，其作用都是把目標(biāo)發(fā)出的光，按儀器工作原理的要求，改變它們的傳播方向和位置，送人儀器的接收器，從而獲得目標(biāo)的各種信息，包括目標(biāo)的幾何形狀、能量強(qiáng)弱等。因此，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像性能的要求主要有兩個(gè)方面：第一方面是光學(xué)特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距離等；第二方面是成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)所成的像應(yīng)該足夠清晰，并且物像相似，變形要小。有關(guān)第一方面的內(nèi)容即滿足光學(xué)特性方面的要求屬于應(yīng)用光學(xué)的討論范疇，第二方面的內(nèi)容即滿足成像質(zhì)量方面的要求，則在光學(xué)設(shè)計(jì)部分做了詳細(xì)介紹。從物理光學(xué)或波動(dòng)光學(xué)的角度出發(fā)，可見(jiàn)光是波長(zhǎng)在400～760 nm的電磁波，光的傳播是一個(gè)波動(dòng)問(wèn)題。一個(gè)理想的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)能使一個(gè)點(diǎn)物發(fā)出的球面波通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后仍然是一個(gè)球面波，從而理想地聚交于一點(diǎn)。從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，人們把光看做是“能夠傳輸能量的幾何線——光線”，光線是“具有方向的幾何線”，一個(gè)理想光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)能使一個(gè)點(diǎn)物發(fā)出的所有光線通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后仍然聚交于一點(diǎn)，理想光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)滿足直線成像直線、平面成像平面。、但是實(shí)際上任何一個(gè)實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)都不可能理想成像。所謂像差就是光學(xué)系統(tǒng)所成的實(shí)際像與理想像之間的差異。由于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)不可能理想成像，因此就存在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣的評(píng)價(jià)問(wèn)題，從不同的角度出發(fā)會(huì)得出不同的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。從物理光學(xué)或波動(dòng)光學(xué)的角度出發(fā)，人們定義了波像差和傳遞函數(shù)等像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)；從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，人們定義了幾何像差等像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。有了像質(zhì)評(píng)價(jià)的方法和指標(biāo)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段，即在制造出實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)之前就能預(yù)先確定其成像質(zhì)量的優(yōu)劣，光學(xué)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是根據(jù)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性和成像質(zhì)量?jī)煞矫娴囊髞?lái)確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本章將首先介紹用于檢測(cè)階段的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)——星點(diǎn)檢驗(yàn)和分辨率檢測(cè)，然后介紹用于設(shè)計(jì)階段的像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)——幾何像差、垂軸像差、波像差、光學(xué)傳遞函數(shù)、點(diǎn)列圖、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、包圍圓能量等。

編輯推薦

《現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)方法》：國(guó)防特色教材·光學(xué)工程。

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