現代光學設計方法

前言

隨著科學技術的飛速發(fā)展，各種各樣的新型光電儀器不斷涌現，在信息、通信、工農業(yè)以及國防軍事等諸多領域起著非常重要的作用。設計和研制這些新型光電儀器對于設計者來說是一種新的挑戰(zhàn)，因為設計者需要掌握光學、機械、電子、控制以及計算機方面的多種知識，其中，光學設計是一門專業(yè)知識領域相對比較狹窄的學科。對于一個現代的光學設計工作者，一方面要求他牢固地掌握光學設計的像差理論知識；另一方面又要求他在設計實踐中不斷地積累經驗，掌握各種各樣新型光學系統(tǒng)的像差特性和設計方法，而且還需要具備熟練的計算機操作和光學設計軟件使用能力。所有這些要求使得光學設計比較難以掌握，它是一門非常專業(yè)的學科。以前的光學設計書籍介紹的內容大都只是基于像差理論，進行像差計算，設計實例較少。有的書籍雖然有一些例子，但涉及的系統(tǒng)較為傳統(tǒng)，而且基本上是采用國內開發(fā)的DOS平臺的光學設計軟件進行設計。這些國內開發(fā)的DOS平臺的光學設計軟件功能較弱，使用界面不友好，操作復雜，圖形功能弱，因此采用這些光學設計軟件來設計高質量的新型光電儀器是一項非常費時間的艱苦工作，往往很難達到最好的成像質量。近年來，國內一些光電研制單位相繼購買了國際上先進的光學設計軟件，例如美國的Zemaxj C（）DE V以及C）SI。O等，其中購買Zemax光學設計軟件的最多，因為Zemax軟件具有使用方便、功能齊全、價格低廉的特點，特別適合國內的光電儀器研制單位。但是，由于國內的光學設計工作者對這些光學設計軟件不太熟悉，使用這些軟件所采用的設計方法與傳統(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。相關設計人員非常希望能有一本緊密結合當前新的發(fā)展需求，既詳細講解光學設計軟件使用，又有具體光學系統(tǒng)設計實例的參考書籍。本書正是針對這種狀況編寫的。本書首先介紹光學設計的基礎知識和像差理論，然后以國外先進的光學設計軟件Zemax作為基礎，詳細介紹采用Zemax設計新型光學系統(tǒng)的方法。雖然主要以Zemax軟件來討論，但由于不同的光學設計軟件雖有差別，卻都具有其基本共同點，因此在軟件使用上仍具有普遍性。本書的特點是緊密結合當前各應用領域最新的一些光學系統(tǒng)，內容基本上可以分為7個部分。第1部分是光學系統(tǒng)的像質評價，這是設計一個光學系統(tǒng)所必備的基礎知識。

內容概要

本書首先介紹光學設計的基礎知識和像差理論，然后以國外先進的光學設計軟件Zemax作為基礎，詳細介紹采用Zemax設計新型光學系統(tǒng)的方法。本書緊密結合當前各應用領域的最新的一些光學系統(tǒng)，內容基本上可以分為7個部分。第1部分是光學系統(tǒng)的像質評價，這是設計一個光學系統(tǒng)所必備的基礎知識。第2部分是光學自動設計的原理與程序，介紹了適應法和阻尼最小二乘這兩種常用的光學自動設計程序的特點和使用方法。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)的像差計算與自動設計問題。第4部分是光學系統(tǒng)的公差分析與計算，介紹了公差分析計算軟件的原理與編程特點。第5部分是光學系統(tǒng)的環(huán)境溫度分析與無熱設計，討論了環(huán)境溫度對光學系統(tǒng)的影響及利用衍射光學元件進行無熱設計的原理與方法。第6部分是典型光學系統(tǒng)設計，應用所介紹的光學設計程序對望遠系統(tǒng)、顯微物鏡和照相物鏡等進行了實際設計，并對所設計的例子進行了像質評價。第7部分是對偏振像差、非球面應用、計算機輔助光學裝調、衍射光學元件、非成像光學系統(tǒng)、空間光學系統(tǒng)、紅外光學系統(tǒng)以及其他一些光電系統(tǒng)進行了介紹。    本書可作為從事光學設計的專業(yè)人員及高等院校光學專業(yè)教師和研究生的教學和參考用書。

書籍目錄

第1章 光學系統(tǒng)像質評價方法  1.1 概述  1.2 光學系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)、結構參數和特性參數  1.3 檢測階段的像質評價指標——星點檢驗  1.4 檢測階段的像質評價指標——分辨力測量  1.5 幾何像差的定義及其計算  1.6 垂軸像差的概念及其計算  1.7 幾何像差計算程序ABR的輸人數據與輸出結果  1.8 幾何像差及垂軸像差的圖形輸出  1.9 用波像差評價光學系統(tǒng)的成像質量  1.10 光學傳遞函數  1.11 點列圖  1.12 包圍圓能量第2章 光學自動設計原理和程序  2.1 概述  2.2 阻尼最小二乘法光學自動設計程序  2.3 光學自動設計的全局優(yōu)化  2.4 適應法光學自動設計程序  2.5 典型光學設計軟件介紹    2.5.1 國內實用軟件    2.5.2 國外著名軟件第3章 公差分析與計算  3.1 概述  3.2 公差設計中的評價函數  3.3 光學公差的概率關系  3.4 公差設計中的隨機模擬檢驗  3.5 公差設計中的偏心光路追跡第4章 目視光學系統(tǒng)  4.1 薄透鏡系統(tǒng)的初級像差理論  4.2 望遠鏡物鏡設計  4.3 顯微鏡物鏡設計  4.4 目鏡設計第5章 照相物鏡設計  5.1 照相物鏡的光學特性  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 照相物鏡設計的特點  5.5 數碼相機物鏡設計特點  5.6 照相物鏡像差的公差第6章 變焦距光學系統(tǒng)  6.1 概述  6.2 變焦距系統(tǒng)的分類及其特點  6.3 變焦距物鏡的高斯光學  6.4 變焦距物鏡高斯光學實例  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計  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)的設計  7.4 液晶投影儀投影物鏡的設計  7.5 背投電視鏡頭設計特點第8章 其他光學系統(tǒng)  8.1 激光掃描系統(tǒng)和fo鏡頭  8.2 光學信息處理系統(tǒng)和傅里葉變換鏡頭  8.3 紅外光學系統(tǒng)  8.4 空間光學系統(tǒng)  8.5 共形光學設計  8.6 計算機直接制版鏡頭  8.7 投影儀擴展廣角鏡頭第9章 非球面技術的應用  9.1 非球面的表示方法  ……第10章 環(huán)境溫度分析第11章 衍射光學元件第12章 偏振像差的理論第13章 計算機輔助裝調第14章 非成像光學第15章 Zemax光學設計軟件應用附錄 雙膠合薄透鏡參數表（王冕玻璃在前）雙膠合薄透鏡參數表（火石玻璃在前）參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：任何一個光學系統(tǒng)不管用于何處，其作用都是把目標發(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，從而獲得目標的各種信息，包括目標的幾何形狀、能量強弱等。因此，對光學系統(tǒng)成像性能的要求主要有兩個方面：第一方面是光學特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距離等；第二方面是成像質量，光學系統(tǒng)所成的像應該足夠清晰，并且物像相似，變形要小。有關第一方面的內容即滿足光學特性方面的要求屬于應用光學的討論范疇，第二方面的內容即滿足成像質量方面的要求，則在光學設計部分做了詳細介紹。從物理光學或波動光學的角度出發(fā)，可見光是波長在400～760 nm的電磁波，光的傳播是一個波動問題。一個理想的光學系統(tǒng)應能使一個點物發(fā)出的球面波通過光學系統(tǒng)后仍然是一個球面波，從而理想地聚交于一點。從幾何光學的觀點出發(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”，一個理想光學系統(tǒng)應能使一個點物發(fā)出的所有光線通過光學系統(tǒng)后仍然聚交于一點，理想光學系統(tǒng)同時滿足直線成像直線、平面成像平面。、但是實際上任何一個實際的光學系統(tǒng)都不可能理想成像。所謂像差就是光學系統(tǒng)所成的實際像與理想像之間的差異。由于一個光學系統(tǒng)不可能理想成像，因此就存在一個光學系統(tǒng)成像質量優(yōu)劣的評價問題，從不同的角度出發(fā)會得出不同的像質評價指標。從物理光學或波動光學的角度出發(fā)，人們定義了波像差和傳遞函數等像質評價指標；從幾何光學的觀點出發(fā)，人們定義了幾何像差等像質評價指標。有了像質評價的方法和指標，設計人員在設計階段，即在制造出實際的光學系統(tǒng)之前就能預先確定其成像質量的優(yōu)劣，光學設計的任務就是根據對光學系統(tǒng)的光學特性和成像質量兩方面的要求來確定系統(tǒng)的結構參數。本章將首先介紹用于檢測階段的像質評價指標——星點檢驗和分辨率檢測，然后介紹用于設計階段的像質評價指標——幾何像差、垂軸像差、波像差、光學傳遞函數、點列圖、點擴散函數、包圍圓能量等。

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