現代光學設計（簡體書）

光學設計是一門歷久彌新的技術，伴隨著計算機軟件技術的發展、現代製造業的進步和新理論的出現，光學設計也在不斷地更新和前進。無論光學設計如何發展，繼承前人的理論和技術成就，是必須首先要做的任務。所以，大量而系統的理論知識貫穿了本書，讀者在閱讀完本書之後，可以紮下牢牢的根基。沒有根基的大廈，是無法蓋得更高、更堅固的。
本書在撰寫時，儘量將理論密切聯繫的知識點放置在一起，讓讀者獲得系統的瞭解。本書涵蓋了光學設計的基本知識和基本理論，包括光線追跡、光學材料、塞德像差理論、波像差理論、Buchdahl理論、像質評價、消色差、光學自動設計、各類常見光學鏡頭的設計以及光學製圖等。筆者秉承的理念是：力求一個光學設計的入門者，也可以看得懂所有的理論推導和結論，而不是通過直接引用的方式將公式羅列出來，所有的理論推導過程必須脈絡清晰易懂。
本書的整體結構是：上篇以光學設計理論為主，中間穿插少量的實例；下篇以設計各種鏡頭為主，並引入大量的設計實例。在做實例時，考慮到通用光學設計軟件的成本、易用性、流行性，選用了Zemax OpticStudio 2017版軟件作為實例用軟件。事實證明，Zemax是一個穩定且值得信賴的優秀光學設計軟件。本書中，所有實例的鏡頭資料和圖形均是直接從Zemax軟件中截取獲得的，沒有經過任何修改，讀者完全可以複算並驗證它的設計過程。
本書在編排上進行了創新，不是以大章節的形式來集中闡述某一個理論方向，而是將相關的知識點放在一起形成10～20頁緊密相連的部分。每一章完全可以單獨剝離出來，作為一個小報告獨立存在。這種編排方式，更有利於讀者閱讀使用，也適合作為高等學校本科生或者研究生的教材。
感謝家人大力支持，在本書撰寫過程中，忍受我長時間的工作並熱心地照顧好我的生活起居。感謝院系領導的支援，感謝部分老師提供的説明，如賈紅、丁超亮、張永濤等都提出了十分有意義的建議。感謝我的學生曹璐瑤、邢明卓、郭立娟等，説明繪製了部分圖紙。
由於本書是一個新的探索，所以應該有很多不當之處，歡迎讀者不吝珠玉，給予批評指正。如有任何意見或建議，請賜信於上述郵箱，筆者將及時回復。

編著者

上篇光學設計基礎
第1章什麼是光學設計2
1.1為什麼需要光學設計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中輸入資料16
2.2.1Zemax軟件的交互接口16
2.2.2輸入鏡頭資料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形狀因數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拉格朗日不變數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中查看塞德像差係數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係131
10.3.2波像差與塞德像差的關係132
10.3.3波像差普遍式133
10.3.4波像差的極座標形式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用最後一面半徑消色差138
10.5.3波色差與塞德初級色差的關係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阿貝不變數表示的塞德和數142
11.1.2Buchdahl的塞德和數143
11.2結構像差係數145
11.2.1薄透鏡近似145
11.2.2結構像差係數的消像差條件148
11.3最小彌散斑150
11.3.1最小彌散斑位置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傅裡葉變換168
13.2.1傅裡葉變換的定義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調製傳遞函數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初級像差係數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