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第一章 光学系统设计基础 1

1.1 几何光学的基本定律 1

1.1.1 基本概念 1

1.1.2 几何光学的基本定律 2

1.1.3 费马原理和马吕斯定律 5

1.1.4 光学成像的基本概念 6

1.2 共轴球面系统成像的几何理论 8

1.2.1 几何光学的符号规则 8

1.2.2 单个球面折射的光路计算公式 8

1.2.3 球面的近轴成像 10

1.2.4 共轴球面系统和球面反射镜 12

1.3 理想光学系统成像的几何理论 14

1.3.1 理想光学系统的基点和基面 14

1.3.2 理想光学系统的物像位置关系 17

1.3.3 理想光学系统的放大率 18

1.3.4 光学系统的光焦度 20

1.4 光学系统的组合 20

1.4.1 两个光组的组合 21

1.4.2 共轴多光组的组合 24

1.4.3 透镜与薄透镜 28

1.5 近轴光学中的矩阵方法 35

1.5.1 近轴光线的矩阵表示 35

1.5.2 单个折射面的物像矩阵 36

1.5.3 用高斯常数表示的基点位置和焦距 37

1.5.4 薄透镜系统的矩阵运算 38

1.6 平面镜棱镜系统的成像特性 41

1.6.1 平面反射镜 41

1.6.2 平面折射 42

1.6.3 反射棱镜 45

1.7 光学系统中的光阑 55

1.7.1 孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 55

1.7.2 视场光阑、入射窗和出射窗 57

1.7.3 渐晕 58

1.7.4 消杂光光阑 58

1.8 望远系统的外形尺寸计算 59

习题 63

第二章 光学系统的像差及光线的光路计算 65

2.1 光线的光路计算 65

2.1.1 近轴子午光线的光路计算 66

2.1.2 非近轴子午光线的光路计算 70

2.1.3 轴外点主光线细光束的光路计算 75

2.2 非球面子午光线的光路计算 78

2.2.1 非球面曲面方程表达式 78

2.2.2 非球面子午面内近轴光线的光路计算 79

2.2.3 轴对称二次曲面近轴光线的光路计算 80

2.3 轴上点球差 84

2.3.1 球差的定义及量度 84

2.3.2 初级球差表达式及计算 85

2.3.3 高级球差的计算 86

2.3.4 折射球面的齐明点及其应用 88

2.4 正弦差与慧差 89

2.4.1 等晕条件、正弦条件 89

2.4.2 正弦差的定义及量度 90

2.4.3 慧差的定义及量度 91

2.4.4 初级正弦差、初级慧差的表达式 93

2.5 像散与像面弯曲（场曲） 94

2.5.1 像散的定义与量度 94

2.5.2 像面弯曲的定义及量度 96

2.5.3 初级场曲与初级像散的表达式 97

2.6 畸变 100

2.6.1 畸变的定义及量度 100

2.6.2 初级畸变的表达式 102

2.7 色差 102

2.7.1 光学材料的色散及其有关物理量 103

2.7.2 光学系统消像差谱线的选择 103

2.7.3 位置色差的定义和量度 104

2.7.4 倍率色差的定义和量度 105

2.7.5 初级色差的表达式 107

2.7.6 薄透镜系统的初级色差及具体应用 109

2.8 像差综述及应用 115

2.8.1 光学系统对像差校正的要求 115

2.8.2 光学系统初级像差表达式及其与视场和孔径的关系 116

2.8.3 光学系统子午像差特性曲线 118

2.8.4 波像差 120

2.8.5 光学系统的像差容限 121

习题 122

第三章 红外光学系统物镜的设计 124

3.1 红外光学系统的概述 124

3.1.1 典型红外系统的构成 124

3.1.2 红外光学系统的功用和特点 125

3.1.3 红外光学系统的性能参数及设计原则 126

3.2 折射式物镜——单透镜 130

3.2.1 薄透镜的初级球差与结构参数的关系 130

3.2.2 物体位于无限远时初级像差的表达式 132

3.2.3 物体在有限远时的初级像差表达式 135

3.2.4 几种特殊形状的单薄透镜初级像差表达式 136

3.2.5 红外物镜——单薄透镜的应用实例 138

3.2.6 单薄透镜中心厚度的确定 141

3.3 折射式物镜——复合透镜 142

3.3.1 双胶合物镜的初级像差 142

3.3.2 双分离物镜的初级像差 144

3.3.3 组合式红外物镜及应用实例 146

3.4 反射式物镜——单反射镜 150

3.4.1 球面反射镜 150

3.4.2 非球面反射镜 151

3.4.3 轴对称非球面的初级像差 153

3.5 反射式物镜——双反射镜系统 155

3.5.1 双反射镜系统的概述 155

3.5.2 双反射镜系统的设计 157

3.5.3 双反射镜系统主次镜面型的确定 160

3.5.4 各种类型的双反射镜系统实例介绍 163

3.6 折反射式物镜 168

3.6.1 施密特系统 169

3.6.2 曼金折反射式物镜 171

3.6.3 包沃斯－马克苏托夫系统 172

习题 175

第四章 红外探测器光学系统的设计 176

4.1 场镜 176

4.1.1 场镜的主要作用 176

4.1.2 光学系统中场镜参数的计算 177

4.1.3 光学系统中场镜的像差及校正方法 179

4.2 光锥 181

4.2.1 光锥的种类及其工作原理 181

4.2.2 空心圆锥型光锥的设计 182

4.2.3 实心圆锥的设计 184

4.2.4 场镜与光锥的组合结构 185

4.3 浸没透镜 187

4.3.1 浸没透镜的成像特点 187

4.3.2 浸没透镜的类型及工作原理 187

4.3.3 浸没透镜的使用限制 190

4.4 整流罩和窗口 192

4.4.1 整流罩 193

4.4.2 窗口 194

4.5 常用光机扫描元件 194

4.5.1 光机扫描的分类及特点 194

4.5.2 摆动平面反射镜和平面平行平板 196

4.5.3 旋转的45°平面反射镜 199

4.5.4 旋转的多面体反射棱柱 199

4.5.5 旋转的折射棱镜 201

4.5.6 旋转折射光楔 202

4.5.7 其他类型的扫描元件 204

4.5.8 各种扫描图形的产生方法 205

习题 206

第五章 光学薄膜 207

5.1 光学薄膜设计的理论基础 207

5.1.1 单色平面电磁波 207

5.1.2 平面电磁波在单一界面上的反射和折射 211

5.2 光学薄膜特性的理论计算 216

5.2.1 单层介质薄膜的反射比 216

5.2.2 多层介质薄膜的反射比 219

5.3 矢量作图法和有效界面法 225

5.3.1 矢量作图法 225

5.3.2 有效界面法 227

5.4 对称膜系的等效层 228

5.4.1 等效光学导纳 228

5.4.2 等效层的光谱特性 230

5.4.3 周期对称膜系的特征矩阵 231

5.5 增透膜 233

5.5.1 λ0/4和λ0/2膜系的导纳 233

5.5.2 单层增透膜 234

5.5.3 双层增透膜 236

5.5.4 多层增透膜 239

5.5.5 红外增透膜 242

5.6 红外带通滤光片 244

5.6.1 带通滤光片的光学特性描述 244

5.6.2 红外带通滤光片 245

5.7 膜厚监控原理 光电极值法 248

习题 250

第六章 红外光学系统的像质评价 252

6.1 导言 252

6.2 几个基本概念 253

6.2.1 线性成像系统 253

6.2.2 空间频率 253

6.2.3 对比和调制传递函数 253

6.2.4 理想光学系统 254

6.2.5 截止频率 254

6.2.6 线扩散函数 254

6.3 点光源的像和点扩散函数 255

6.4 非相干扩展目标的像和基本定理 257

6.4.1 非相干扩展目标的像 257

6.4.2 基本定理 258

6.4.3 复合系统的光学传递函数 261

6.5 光学传递函数的计算 263

6.6 光学传递函数的测量 265

6.6.1 测量原理 266

6.6.2 红外光学系统OTF的测量 267

6.6.3 用红外MTF测量仪测定红外透镜的焦距 268

习题 269

第七章 典型红外装置光学系统的设计 270

7.1 概述 270

7.2 透射式红外测温仪光学系统的设计 271

7.3 反射式红外测温仪光学系统的设计 275

7.4 红外跟踪系统 278

7.5 红外热像仪 282

7.5.1 旋转折射棱镜热像仪的光学系统 282

7.5.2 多元线列并扫热像仪的光学系统 285

7.6 机载多光谱扫描仪的设计 287

习题 292

附录 293

参考文献 304