光學設計及Zemax應用（簡體書）

本書根據相關專業應用型人才培養方案和“光學設計”教學大綱組織編寫。全書系統地論述了光學設計的基本理論及設計方法，並引入具體軟件仿真實例，將理論與實踐相結合，讓大學生學以致用。
本書分為像差理論、典型光學系統和Zemax光學設計實例三大部分。像差理論(第1～3章)主要介紹光學設計的基礎；典型光學系統(第4～13章)主要介紹如何將像差理論運用到具體設計中；Zemax光學設計實例(第14章，包括15個設計實例)則是利用軟件仿真出理論設計的結果並進行優化。
本書可作為高等學校光電信息工程專業、測控技術與儀器專業以及其他相關專業的教材，也可作為從事光學系統及光電儀器的研究、設計、製造和系統開發的技術人員的參考書。

第1部分 像 差 理 論

第1章 緒論 2
1.1 光學設計的概念及發展概況 2
1.1.1 光學設計的概念 2
1.1.2 光學設計的發展概況 3
1.2 光學系統設計的具體過程和步驟 4
1.2.1 光學系統設計的具體過程 4
1.2.2 光學設計的具體步驟 5
1.3 儀器對光學系統性能與質量的要求 5
第2章 像差綜述 7
2.1 球差 7
2.1.1 球差的定義及表示方法 7
2.1.2 球差的校正 8
2.1.3 球差的分布式 9
2.1.4 齊明點 10
2.1.5 球差的級數展開式 12
2.2 彗差 14
2.2.1 彗差的定義 14
2.2.2 彗差的級數展開式 15
2.2.3 彗差的校正 16
2.2.4 彗差的分布式 18
2.3 像散及場曲 18
2.3.1 像散 18
2.3.2 場曲 20
2.4 畸變 22
2.4.1 畸變的定義 22
2.4.2 畸變的分類 22
2.4.3 畸變的校正 22
2.4.4 畸變的級數展開式 23
2.4.5 畸變的分布式 24
2.5 正弦差 24
2.5.1 余弦定律 24
2.5.2 正弦條件 25
2.5.3 赫歇爾條件 26
2.5.4 弧矢不變量與正弦條件的關係 26
2.5.5 正弦條件的其他表示形式 28
2.5.6 在不暈點處的正弦條件 29
2.5.7 等暈條件 29
2.5.8 正弦差 32
2.6 位置色差 32
2.6.1 位置色差的產生原因及定義 32
2.6.2 消色差譜線的選擇 32
2.6.3 二級光譜 34
2.6.4 色球差 34
2.6.5 位置色差的級數展開式 34
2.6.6 位置色差的分布式 36
2.6.7 消色差系統光焦度分配 36
2.7 倍率色差 40
2.7.1 倍率色差的定義 40
2.7.2 倍率色差的校正 41
2.7.3 倍率色差的級數展開式 41
2.7.4 倍率色差的分布式 42
2.8 波像差 42
2.8.1 波像差的定義 42
2.8.2 參考點移動對波像差的影響 43
2.8.3 參考點移動與焦深 45
2.8.4 波色差 46
第3章 光學系統的像質評價和像差容限 47
3.1 瑞利判斷 47
3.2 中心點亮度 48
3.3 分辨率 49
3.4 點列圖 50
3.5 光學傳遞函數 51
3.5.1 利用MTF曲線來評價成像質量 52
3.5.2 利用MTF曲線的積分值來評價成像質量 53
3.6 像差容限 54
3.6.1 望遠物鏡和顯微物鏡的像差公差 54
3.6.2 望遠目鏡和顯微目鏡的像差公差 55
3.6.3 照相物鏡的像差公差 56

第2部分 典型光學系統

第4章 望遠鏡物鏡設計 58
4.1 望遠鏡及其光學特性 58
4.1.1 普通望遠鏡特性 58
4.1.2 伽利略望遠鏡和開普勒望遠鏡 60
4.2 望遠物鏡的設計 62
4.2.1 望遠物鏡的特點 62
4.2.2 望遠物鏡的類型和設計方法 63
第5章 顯微鏡物鏡設計 70
5.1 顯微鏡及其光學特性 70
5.1.1 顯微鏡成像原理 70
5.1.2 顯微鏡中的光束限制 71
5.1.3 顯微鏡的景深 74
5.1.4 顯微鏡的分辨率和有效放大率 76
5.2 顯微鏡物鏡的類型 77
5.2.1 消色差物鏡 77
5.2.2 複消色差物鏡 78
5.2.3 平像場物鏡 79
5.2.4 反射和折反射顯微鏡物鏡 79
第6章 照相物鏡設計 82
6.1 照相物鏡及其光學特性 82
6.1.1 照相物鏡的光學特性 82
6.1.2 照相物鏡的像差要求 85
6.2 照相物鏡的類型 85
6.2.1 大孔徑物鏡 86
6.2.2 廣角物鏡 89
6.2.3 長焦物鏡 93
6.2.4 變焦距物鏡 94
6.2.5 折反射照相物鏡 95
第7章 目鏡設計 97
7.1 目鏡及其光學特性 97
7.1.1 目鏡的光學特性 97
7.1.2 目鏡的像差特點 98
7.1.3 目鏡的視度調節 98
7.2 目鏡的類型 99
第8章 非球面及其在現代光學系統中的應用 103
8.1 非球面概述 103
8.2 非球面的數學表述 104
8.2.1 二次非球面 104
8.2.2 高次非球面 104
8.2.3 Forbes非球面 105
8.2.4 自由曲面 108
8.3 非球面的初級像差 110
8.4 非球面的確定 111
第9章 衍射光學元件及其在現代光學系統中的應用 112
9.1 普通衍射光學元件及其特性 112
9.1.1 衍射光學元件的發展歷程 112
9.1.2 衍射光學元件的製作方法 113
9.1.3 衍射光學元件的特性 114
9.2 諧衍射光學元件及其特性 116
9.2.1 諧衍射的概念 116
9.2.2 諧衍射光學元件的色散 118
第10章 梯度折射率透鏡及其在現代光學系統中的應用 120
10.1 梯度折射率光學概述 120
10.2 梯度折射率介質中的光線追跡 121
10.3 梯度折射率光學系統像差 128
第11章 紅外光學系統設計 131
11.1 紅外波段的分類 131
11.2 紅外光學系統的特點 131
11.3 紅外光學系統的溫度特性 132
11.4 紅外光學系統的設計原則 133
11.5 紅外光學系統的主要參數 133
11.5.1 F數 133
11.5.2 視場 133
11.5.3 焦深和景深 134
11.5.4 最小彌散斑及其角直徑 134
11.6 紅外光學系統的材料選擇 135
11.6.1 紅外光學材料的主要性能 135
11.6.2 紅外光學材料的特點 136
11.6.3 紅外光學材料的種類 136
11.7 紅外探測器 139
11.7.1 熱探測器 139
11.7.2 光子探測器 140
11.7.3 紅外焦平面器件 140
第12章 激光掃描光學系統設計 142
12.1 光束掃描器 142
12.2 掃描方式 144
12.3 fθ透鏡的特性 144
12.4 fθ透鏡參數確定 145
第13章 變焦光學系統設計 147
13.1 變焦系統的原理 147
13.2 變焦系統的分類 147
13.3 變焦系統的特點 150
13.4 變焦系統的幾個重要規律 150

第3部分 Zemax光學設計實例

第14章 Zemax軟件及光學設計實例 156
設計實例一 單透鏡的設計 160
設計實例二 雙膠合望遠鏡物鏡設計 162
設計實例三 40倍生物顯微物鏡設計 169
設計實例四 雙高斯照相物鏡設計 172
設計實例五 顯微望遠光學系統設計 175
設計實例六 折反射式望遠物鏡設計 189
設計實例七 照明系統設計 196
設計實例八 變焦物鏡設計 199
設計實例九 非球面系統設計(帶施密特校正板的卡塞格林系統) 208
設計實例十 傅裡葉變換透鏡設計 212
設計實例十一 Ftheta透鏡設計 216
設計實例十二 梯度折射率透鏡設計 222
設計實例十三 偏心、傾斜 225
設計實例十四 激光擴束准直系統設計 228
設計實例十五 帶有衍射光學元件的平行光管物鏡設計 232
參考文獻 239