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《近代光學系統設計概論》根據作者和美國光學設計師流行的設計方法，以“簡練、實用，凡是計算機能做的儘量交給計算機做”的理念，介紹准直鏡、柯克、天塞、雙高斯、遠攝、反遠攝、遠心、投影、變焦、廣角、顯微、紅外等各類光學成像系統的設計方法和流程，討論物理模型的建立、部件選型、高效評價函數的設置，並給出大量的設計實例和ZEMAX設計程序。教學和實踐證明，只要認真研讀《近代光學系統設計概論》有關章節，參考《近代光學系統設計概論》的實例，根據合理的技術指標，遵循規範的流程，系統總是沿著速下降路徑平穩快速收斂、自動更換玻璃，能得到性能符合要求、結構緊湊、成本合理的設計結果。
目次
目錄
第1章 概述 1
1.1 光學成像系統的最新進展 1
1.2 光學玻璃的進展 5
1.3 新一代光學設計軟件的開發 7
1.4 近代光學設計的特點 8
1.4.1 傳統光學設計 8
1.4.2 近代光學設計理念和設計流程 8
1.4.3 小視場物鏡的直接設計 8
1.4.4 etendue分析和光學系統的F-w空間 9
1.4.5 複雜系統設計 10
1.5 像質評價指標和評價函數 11
1.5.1 像差 11
1.5.2 評價函數 12
1.6 本章小結 13
第2章 應用光學基礎 14
2.1 引言 14
2.1.1 光學設計和應用光學 14
2.1.2 成像系統的一般模型 14
2.1.3 符號規則 15
2.1.4 理想光學 15
2.2 薄透鏡成像、光焦度和偏角公式 17
2.2.1 光線經過薄透鏡的折射 17
2.2.2 光焦度與偏角 17
2.2.3 分離薄透鏡的偏角公式 19
2.2.4 分離薄透鏡設計 20
2.3 光波的波段和材料 21
2.4 光學系統圖、視場和孔徑 22
2.4.1 光學系統圖 22
2.4.2 視場 23
2.4.3 孔徑 23
2.4.4 歸一化 25
2.5 放大率 25
2.5.1 橫向放大率和縱向放大率 25
2.5.2 角放大率 26
2.6 焦深 27
2.6.1 離焦 27
2.6.2 衍射極限成像系統的焦深 28
2.6.3 物方焦深和像方焦深 29
2.7 光學系統的基面和基點 29
2.7.1 主平面、焦平面和節平面 29
2.7.2 透鏡 30
2.7.3 透鏡的基點和基面 31
2.8 光闌、光瞳和漸暈 32
2.8.1 光闌和光瞳 32
2.8.2 光闌的直徑和彌散 32
2.8.3 光闌的位置和漸暈 33
2.9 光度學基礎：成像系統像面的照度 35
2.9.1 輻射通量和光通量 35
2.9.2 發光強度和亮度 36
2.9.3 余弦發射體 36
2.9.4 光學系統像的軸上點的亮度和照度 37
2.9.5 光學系統軸外像點的照度 38
2.9.6 相對照度的余弦四次方定律與軟件計算結果的比對 41
2.9.7 傾斜安置監控物鏡的照度估算實例 42
2.10 光通量傳遞的etendue分析 43
2.11 本章小結 44
第3章 成像信息的傳遞和像質評價 45
3.1 引言 45
3.2 衍射極限系統和近衍射極限系統 45
3.2.1 衍射極限系統 45
3.2.2 近衍射極限系統 46
3.3 光線追跡 47
3.3.1 主光線和點擴散函數 47
3.3.2 上光線、下光線和“大光線” 48
3.4 球差和縱向色差 48
3.4.1 球差 48
3.4.2 縱向色差 50
3.5 軸外像差 51
3.5.1 彗差 52
3.5.2 場曲和像散 52
3.5.3 畸變 56
3.5.4 橫向色差 56
3.6 特性曲線和彌散斑圖(點列圖) 57
3.6.1 光線的扇形分佈和特性曲線 57
3.6.2 彌散斑圖 59
3.7 光學傳遞函數 59
3.7.1 聲音頻率和圖像頻率 59
3.7.2 衍射極限系統的光學傳遞函數 61
3.7.3 用光學傳遞函數來評價像質 62
3.8 高斯型彌散斑的傳遞函數、半峰全寬和分辨率 63
3.8.1 貝塞爾函數的積分公式 63
3.8.2 彌散斑的RMS半徑 63
3.8.3 彌散斑的半峰全寬和分辨率 64
3.8.4 MTF的解析表達式 65
3.8.5 1/e2帶寬 65
3.8.6 等效帶寬 66
3.9 像素探測器陣列CCD、CMOS和器件截止頻率 68
3.10 光學信號的etendue分析 69
3.10.1 空間帶寬積和一維etendue分析 69
3.10.2 探測器和光學系統的etendue匹配 70
3.10.3 光學系統的etendue指標 71
3.11 本章小結 71
參考文獻 71
第4章 雙膠合和雙分離消色差物鏡 72
4.1 雙膠合消色差物鏡 72
4.1.1 雙膠合消色差物鏡簡介 72
4.1.2 球差和縱向色差 73
4.1.3 彌散斑和軸外像差 74
4.2 雙膠合消色差物鏡的信息量和定義區間 75
4.3 初級球差和高級球差 76
4.4 雙膠合消色差物鏡設計方法 77
4.4.1 流行的設計方法 77
4.4.2 設計指標四要素：“適用波段、相對孔徑、視場和焦距” 77
4.4.3 雙膠合物鏡對像差的校正 77
4.4.4 焦距縮放 78
4.4.5 設計實例 78
4.5 評價函數的“SPHERICAL”(球差校正)模塊和“ACHROMATIC”(色差校正)模塊 80
4.5.1 焦距EFFL 80
4.5.2 “ACHROMATIC”(色差校正)模塊 80
4.5.3 “SPHERICAL”(球差校正)模塊 82
4.5.4 評價函數第2節“默認評價函數”(default merit function)的彌散斑校正設置 83
4.6 有限共軛距雙膠合成像系統設計 83
4.6.1 有限共軛距時關於“孔徑”的幾個定義 83
4.6.2 有限共軛距雙膠合消色差准直鏡設計方法 84
4.7 雙分離消色差物鏡設計 84
4.7.1 雙膠合消色差物鏡的設計極限 84
4.7.2 雙分離消色差物鏡設計方法 85
4.8 帶棱鏡(平板)的雙膠合消色差物鏡 86
4.8.1 棱鏡(平板)的加入 86
4.8.2 HAMMER優化和更換玻璃 87
4.8.3 將平板改為45±反射棱鏡 88
4.9 本章小結 89
附錄4.1 技術指標、像差曲線和結構參數 90
附錄4.2 [DB-2]-SPLIT技術指標、像差曲線和結構參數 96
附錄4.3 [DB-5]-PRISM技術指標、像差曲線和結構參數 97
附錄4.4 評價函數ACHROMATIC-3 98
第5章 三片及四片式消色差准直鏡/望遠物鏡 99
5.1 引言 99
5.2 光焦度與偏角 99
5.3 “雙膠合+單片”物鏡與雙膠合透鏡性能比對 100
5.4 三片及四片式物鏡典型設計 101
5.4.1 “2+1”型三片式物鏡 101
5.4.2 “1+2”型三片式物鏡 102
5.4.3 三膠合和四膠合物鏡 103
5.4.4 三分離和四分離物鏡 104
5.5 長入瞳距物鏡 105
5.6 “雙膠合+單片”(“2+1”)物鏡設計(I) 107
5.6.1 前後組參數計算 107
5.6.2 設計流程 107
5.7 “雙膠合+單片”(“2+1”)物鏡設計(II) 109
5.8 分光棱鏡的插入操作 110
5.9 帶有棱鏡的望遠系統設計 112
5.9.1 低倍開普勒望遠鏡 112
5.9.2 低倍開普勒望遠鏡設計方法 112
5.10 本章小結 114
附錄5.1 技術指標、像差曲線和結構參數 115
附錄5.2 評價函數 134
第6章 二級光譜和複消色差航攝望遠物鏡 135
6.1 長焦距雙膠合消色差准直鏡的二級光譜 135
6.2 二級光譜的波像差 136
6.3 光學玻璃的色散特性和阿貝公式 137
6.3.1 光學玻璃所用的特徵譜線 137
6.3.2 中部色散和相對部分色散 137
6.3.3 阿貝公式和反常材料 138
6.4 雙膠合複消色差准直鏡設計 140
6.5 光學設計的極限 142
附錄6 技術指標、像差曲線和結構參數 143
第7章 柯克物鏡 152
7.1 有限共軛距成像系統 152
7.2 典型的柯克物鏡 153
7.2.1 典型的柯克物鏡[CK-A]、[CK-B] 153
7.2.2 柯克物鏡的佩茨瓦爾半徑 156
7.3 柯克物鏡的定義域和F-w空間 156
7.3.1 柯克物鏡的參考設計 156
7.3.2 柯克物鏡的平場特性分析 156
7.3.3 柯克物鏡的定義域和etendue分析 157
7.4 柯克物鏡設計 158
7.4.1 無限共軛距柯克物鏡設計 158
7.4.2 有限共軛距柯克物鏡設計 161
7.4.3 探測器和傳遞函數 163
7.5 玻璃的選配和演變 163
7.6 近紫外-深紅超寬帶柯克物鏡 165
7.7 柯克物鏡的評價函數“FIXED-3A-SIMPLE” 166
7.7.1 角視場模塊 166
7.7.2 放大率和焦距模塊 167
7.7.3 共軛距、物鏡長度、物距、像距和畸變模塊 167
7.7.4 中心和邊緣厚度邊界條件模塊 167
7.7.5 “默認評價函數”設置 168
7.7.6 設置評價函數的要點 169
7.8 光闌像差和光線對準操作 169
7.9 本章小結 170
附錄7.1 技術指標、像差曲線和結構參數 171
附錄7.2 評價函數“FIXED-3A-SIMPLE” 187
第8章 天塞物鏡及其變形 188
8.1 引言 188
8.2 典型的天塞物鏡 188
8.3 天塞物鏡的F-w空間 189
8.4 攔光操作 190
8.5 變形天塞物鏡 191
8.6 海利亞物鏡 193
8.7 本章小結 194
附錄8.1 天塞及其變形物鏡技術指標、像差曲線和結構參數 195
附錄8.2 評價函數TESSA 212
第9章 雙高斯物鏡及其變形 213
9.1 引言 213
9.2 單反相機物鏡 214
9.3 攔光和斜光束漸暈 215
9.4 換玻璃操作 216
9.5 雙高斯物鏡的典型設計 217
9.6 雙高斯物鏡的F-w空間 221
9.7 雙高斯掃描儀物鏡 222
9.8 雙高斯照相機物鏡設計 223
9.9 本章小結 225
附錄9.1 技術指標、像差曲線和結構參數 226
附錄9.2 FIXED-3A-SIMPLE優化函數 244
第10章 有限共軛距近對稱成像物鏡 245
10.1 引言 245
10.2 有限共軛距成像的理想光學基本公式 245
10.2.1 共軛距L、橫向放大率β和焦距f' 245
10.2.2 物高y、像高y'和孔徑角 245
10.2.
第1章 概述 1
1.1 光學成像系統的最新進展 1
1.2 光學玻璃的進展 5
1.3 新一代光學設計軟件的開發 7
1.4 近代光學設計的特點 8
1.4.1 傳統光學設計 8
1.4.2 近代光學設計理念和設計流程 8
1.4.3 小視場物鏡的直接設計 8
1.4.4 etendue分析和光學系統的F-w空間 9
1.4.5 複雜系統設計 10
1.5 像質評價指標和評價函數 11
1.5.1 像差 11
1.5.2 評價函數 12
1.6 本章小結 13
第2章 應用光學基礎 14
2.1 引言 14
2.1.1 光學設計和應用光學 14
2.1.2 成像系統的一般模型 14
2.1.3 符號規則 15
2.1.4 理想光學 15
2.2 薄透鏡成像、光焦度和偏角公式 17
2.2.1 光線經過薄透鏡的折射 17
2.2.2 光焦度與偏角 17
2.2.3 分離薄透鏡的偏角公式 19
2.2.4 分離薄透鏡設計 20
2.3 光波的波段和材料 21
2.4 光學系統圖、視場和孔徑 22
2.4.1 光學系統圖 22
2.4.2 視場 23
2.4.3 孔徑 23
2.4.4 歸一化 25
2.5 放大率 25
2.5.1 橫向放大率和縱向放大率 25
2.5.2 角放大率 26
2.6 焦深 27
2.6.1 離焦 27
2.6.2 衍射極限成像系統的焦深 28
2.6.3 物方焦深和像方焦深 29
2.7 光學系統的基面和基點 29
2.7.1 主平面、焦平面和節平面 29
2.7.2 透鏡 30
2.7.3 透鏡的基點和基面 31
2.8 光闌、光瞳和漸暈 32
2.8.1 光闌和光瞳 32
2.8.2 光闌的直徑和彌散 32
2.8.3 光闌的位置和漸暈 33
2.9 光度學基礎：成像系統像面的照度 35
2.9.1 輻射通量和光通量 35
2.9.2 發光強度和亮度 36
2.9.3 余弦發射體 36
2.9.4 光學系統像的軸上點的亮度和照度 37
2.9.5 光學系統軸外像點的照度 38
2.9.6 相對照度的余弦四次方定律與軟件計算結果的比對 41
2.9.7 傾斜安置監控物鏡的照度估算實例 42
2.10 光通量傳遞的etendue分析 43
2.11 本章小結 44
第3章 成像信息的傳遞和像質評價 45
3.1 引言 45
3.2 衍射極限系統和近衍射極限系統 45
3.2.1 衍射極限系統 45
3.2.2 近衍射極限系統 46
3.3 光線追跡 47
3.3.1 主光線和點擴散函數 47
3.3.2 上光線、下光線和“大光線” 48
3.4 球差和縱向色差 48
3.4.1 球差 48
3.4.2 縱向色差 50
3.5 軸外像差 51
3.5.1 彗差 52
3.5.2 場曲和像散 52
3.5.3 畸變 56
3.5.4 橫向色差 56
3.6 特性曲線和彌散斑圖(點列圖) 57
3.6.1 光線的扇形分佈和特性曲線 57
3.6.2 彌散斑圖 59
3.7 光學傳遞函數 59
3.7.1 聲音頻率和圖像頻率 59
3.7.2 衍射極限系統的光學傳遞函數 61
3.7.3 用光學傳遞函數來評價像質 62
3.8 高斯型彌散斑的傳遞函數、半峰全寬和分辨率 63
3.8.1 貝塞爾函數的積分公式 63
3.8.2 彌散斑的RMS半徑 63
3.8.3 彌散斑的半峰全寬和分辨率 64
3.8.4 MTF的解析表達式 65
3.8.5 1/e2帶寬 65
3.8.6 等效帶寬 66
3.9 像素探測器陣列CCD、CMOS和器件截止頻率 68
3.10 光學信號的etendue分析 69
3.10.1 空間帶寬積和一維etendue分析 69
3.10.2 探測器和光學系統的etendue匹配 70
3.10.3 光學系統的etendue指標 71
3.11 本章小結 71
參考文獻 71
第4章 雙膠合和雙分離消色差物鏡 72
4.1 雙膠合消色差物鏡 72
4.1.1 雙膠合消色差物鏡簡介 72
4.1.2 球差和縱向色差 73
4.1.3 彌散斑和軸外像差 74
4.2 雙膠合消色差物鏡的信息量和定義區間 75
4.3 初級球差和高級球差 76
4.4 雙膠合消色差物鏡設計方法 77
4.4.1 流行的設計方法 77
4.4.2 設計指標四要素：“適用波段、相對孔徑、視場和焦距” 77
4.4.3 雙膠合物鏡對像差的校正 77
4.4.4 焦距縮放 78
4.4.5 設計實例 78
4.5 評價函數的“SPHERICAL”(球差校正)模塊和“ACHROMATIC”(色差校正)模塊 80
4.5.1 焦距EFFL 80
4.5.2 “ACHROMATIC”(色差校正)模塊 80
4.5.3 “SPHERICAL”(球差校正)模塊 82
4.5.4 評價函數第2節“默認評價函數”(default merit function)的彌散斑校正設置 83
4.6 有限共軛距雙膠合成像系統設計 83
4.6.1 有限共軛距時關於“孔徑”的幾個定義 83
4.6.2 有限共軛距雙膠合消色差准直鏡設計方法 84
4.7 雙分離消色差物鏡設計 84
4.7.1 雙膠合消色差物鏡的設計極限 84
4.7.2 雙分離消色差物鏡設計方法 85
4.8 帶棱鏡(平板)的雙膠合消色差物鏡 86
4.8.1 棱鏡(平板)的加入 86
4.8.2 HAMMER優化和更換玻璃 87
4.8.3 將平板改為45±反射棱鏡 88
4.9 本章小結 89
附錄4.1 技術指標、像差曲線和結構參數 90
附錄4.2 [DB-2]-SPLIT技術指標、像差曲線和結構參數 96
附錄4.3 [DB-5]-PRISM技術指標、像差曲線和結構參數 97
附錄4.4 評價函數ACHROMATIC-3 98
第5章 三片及四片式消色差准直鏡/望遠物鏡 99
5.1 引言 99
5.2 光焦度與偏角 99
5.3 “雙膠合+單片”物鏡與雙膠合透鏡性能比對 100
5.4 三片及四片式物鏡典型設計 101
5.4.1 “2+1”型三片式物鏡 101
5.4.2 “1+2”型三片式物鏡 102
5.4.3 三膠合和四膠合物鏡 103
5.4.4 三分離和四分離物鏡 104
5.5 長入瞳距物鏡 105
5.6 “雙膠合+單片”(“2+1”)物鏡設計(I) 107
5.6.1 前後組參數計算 107
5.6.2 設計流程 107
5.7 “雙膠合+單片”(“2+1”)物鏡設計(II) 109
5.8 分光棱鏡的插入操作 110
5.9 帶有棱鏡的望遠系統設計 112
5.9.1 低倍開普勒望遠鏡 112
5.9.2 低倍開普勒望遠鏡設計方法 112
5.10 本章小結 114
附錄5.1 技術指標、像差曲線和結構參數 115
附錄5.2 評價函數 134
第6章 二級光譜和複消色差航攝望遠物鏡 135
6.1 長焦距雙膠合消色差准直鏡的二級光譜 135
6.2 二級光譜的波像差 136
6.3 光學玻璃的色散特性和阿貝公式 137
6.3.1 光學玻璃所用的特徵譜線 137
6.3.2 中部色散和相對部分色散 137
6.3.3 阿貝公式和反常材料 138
6.4 雙膠合複消色差准直鏡設計 140
6.5 光學設計的極限 142
附錄6 技術指標、像差曲線和結構參數 143
第7章 柯克物鏡 152
7.1 有限共軛距成像系統 152
7.2 典型的柯克物鏡 153
7.2.1 典型的柯克物鏡[CK-A]、[CK-B] 153
7.2.2 柯克物鏡的佩茨瓦爾半徑 156
7.3 柯克物鏡的定義域和F-w空間 156
7.3.1 柯克物鏡的參考設計 156
7.3.2 柯克物鏡的平場特性分析 156
7.3.3 柯克物鏡的定義域和etendue分析 157
7.4 柯克物鏡設計 158
7.4.1 無限共軛距柯克物鏡設計 158
7.4.2 有限共軛距柯克物鏡設計 161
7.4.3 探測器和傳遞函數 163
7.5 玻璃的選配和演變 163
7.6 近紫外-深紅超寬帶柯克物鏡 165
7.7 柯克物鏡的評價函數“FIXED-3A-SIMPLE” 166
7.7.1 角視場模塊 166
7.7.2 放大率和焦距模塊 167
7.7.3 共軛距、物鏡長度、物距、像距和畸變模塊 167
7.7.4 中心和邊緣厚度邊界條件模塊 167
7.7.5 “默認評價函數”設置 168
7.7.6 設置評價函數的要點 169
7.8 光闌像差和光線對準操作 169
7.9 本章小結 170
附錄7.1 技術指標、像差曲線和結構參數 171
附錄7.2 評價函數“FIXED-3A-SIMPLE” 187
第8章 天塞物鏡及其變形 188
8.1 引言 188
8.2 典型的天塞物鏡 188
8.3 天塞物鏡的F-w空間 189
8.4 攔光操作 190
8.5 變形天塞物鏡 191
8.6 海利亞物鏡 193
8.7 本章小結 194
附錄8.1 天塞及其變形物鏡技術指標、像差曲線和結構參數 195
附錄8.2 評價函數TESSA 212
第9章 雙高斯物鏡及其變形 213
9.1 引言 213
9.2 單反相機物鏡 214
9.3 攔光和斜光束漸暈 215
9.4 換玻璃操作 216
9.5 雙高斯物鏡的典型設計 217
9.6 雙高斯物鏡的F-w空間 221
9.7 雙高斯掃描儀物鏡 222
9.8 雙高斯照相機物鏡設計 223
9.9 本章小結 225
附錄9.1 技術指標、像差曲線和結構參數 226
附錄9.2 FIXED-3A-SIMPLE優化函數 244
第10章 有限共軛距近對稱成像物鏡 245
10.1 引言 245
10.2 有限共軛距成像的理想光學基本公式 245
10.2.1 共軛距L、橫向放大率β和焦距f' 245
10.2.2 物高y、像高y'和孔徑角 245
10.2.
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