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第1章 光学系统像质评价 1

1.1 概述 1

1.2 光学系统的坐标系统和基本参数 2

1.2.1 坐标系统和基本量的符号及符号规则 2

1.2.2 共轴光学系统的结构参数 3

1.2.3 光学系统的特性参数 5

1.3 几何像差的定义及其计算 9

1.3.1 光学系统的色差 10

1.3.2 轴上像点的单色像差 11

1.3.3 轴外像点的单色像差 13

1.3.4 高级像差 17

1.4 垂轴像差的概念及其计算 19

1.5 几何像差计算程序的输入数据与输出数据 21

1.5.1 基本输入数据 21

1.5.2 基本输出数据 22

1.6 几何像差曲线及垂轴像差曲线 27

1.6.1 轴上点的球差和轴向色差曲线 27

1.6.2 正弦差曲线 27

1.6.3 畸变和垂轴色差曲线 28

1.6.4 像散曲线 28

1.6.5 轴外点子午球差和子午彗差曲线 29

1.6.6 子午垂轴像差曲线 31

1.6.7 弧矢垂轴像差曲线 33

1.7 典型光学系统的像差公差 35

1.7.1 望远物镜的像差公差 36

1.7.2 望远系统的像差公差 36

1.7.3 显微物镜的像差公差 37

1.7.4 照相物镜的像差公差 37

1.8 光线追迹子程序及其流程图 38

第2章 光学传递函数计算 47

2.1 概述 47

2.2 光学传递函数的基本概念和基本公式 48

2.2.1 线性和空间不变性 49

2.2.2 空间不变线性系统的成像性质 50

2.2.3 光学传递函数 51

2.2.4 用光学传递函数表示实际光学系统的成像质量 54

2.2.5 白光光学传递函数的计算 54

2.3 两次傅里叶变换光学传递函数的计算 57

2.3.1 利用样条函数插值法计算波像差 59

2.3.2 确定束截面通光域 65

2.3.3 利用快速傅里叶变换法计算光学传递函数 66

2.4 自相关法光学传递函数的计算 71

2.4.1 计算实际出瞳的形状 72

2.4.2 计算波像差函数 73

2.4.3 在出瞳规化成单位圆时的光学传递函数计算公式 74

2.4.4 积分方法 77

2.4.5 程序流程图 78

第3章 光学像差自动校正程序及自动设计问题 79

3.1 概述 79

3.2 多元函数的极值理论 81

3.3 光学自动设计的数学模型 84

3.3.1 用像差计算法求像差对结构参数的差商 88

3.3.2 建立像差线性方程组 89

3.3.3 求解像差线性方程组 89

3.3.4 按一定的步长修改光学系统 90

3.3.5 判断结束条件 90

3.4 阻尼最小二乘法光学自动设计原理 90

3.4.1 最小二乘法 91

3.4.2 阻尼最小二乘法 92

3.4.3 阻尼最小二乘法光学自动设计程序评价函数的构成 93

3.4.4 阻尼最小二乘法光学自动设计程序阻尼因子的选择 100

3.4.5 阻尼最小二乘法光学自动设计程序边界条件的确定 105

3.4.6 阻尼最小二乘法光学自动设计程序的特点 108

3.5 适应法光学自动设计原理 112

3.5.1 适应法光学自动设计的数学原理 112

3.5.2 适应法光学自动设计程序的像差参数、约束条件和边界条件 114

3.5.3 适应法光学自动设计程序像差方程组的建立和求解 118

3.5.4 适应法光学自动设计程序的线性检查、步长控制和边界条件确定 127

3.5.5 适应法光学自动设计程序的像差校正与适应过程 129

3.6 光学自动设计的全局优化 137

3.6.1 模拟退火法 138

3.6.2 随机抽样法 140

3.6.3 区间穷举法 141

3.6.4 逃逸函数法 142

3.6.5 人工神经网络技术 144

3.7 光学自动设计实例 150

3.7.1 合用阻尼最小二乘法光学自动设计程序设计成像物镜 150

3.7.2 使用适应法光学自动设计程序设计双胶合望远物镜 154

第4章 变焦距系统设计 158

4.1 引言 158

4.2 变焦距系统的构成与分类 158

4.2.1 用双透镜组构成变倍组 163

4.2.2 由负前固定组和正变倍组构成的低倍变焦距系统 165

4.2.3 由前固定组、负变倍组、负补偿组和后固定组构成的变焦距系统 165

4.2.4 由前固定组、负变倍组和正补偿组构成的变焦距系统 167

4.2.5 由前固定组、负变倍组和正变倍组构成的变焦距系统 167

4.3 变焦距系统设计实例 169

4.3.1 确定结构型式和高斯光学计算 169

4.3.2 像差校正 174

4.4 变焦距系统程序的使用 175

4.4.1 变焦距系统像差计算程序 175

4.4.2 变焦距系统适应法自动设计程序 176

第5章 光学系统的公差分析与计算 178

5.1 概述 178

5.2 光学系统的公差设计中的评价函数 179

5.3 公差分析中的概率关系 185

5.3.1 线性概率误差的基本公式 185

5.3.2 加工工艺平衡权因子的确定 188

5.4 公差设计中的随机模拟检验 194

5.4.1 蒙特卡洛方法的基本思路 194

5.4.2 调整装配过程的模拟 197

5.5 公差设计中的偏心光路追迹 201

5.5.1 空间面倾斜和顶点偏心的坐标变换法 202

5.5.2 顶点偏心的坐标变换 205

5.5.3 偏心球面光路追迹 207

第6章 环境温度分析与无热设计 214

6.1 概述 214

6.2 均匀温度变化对光学系统成像质量的影响 217

6.2.1 单个透镜的温度效应 217

6.2.2 空气折射率温度效应分析 218

6.2.3 透镜组合的温度效应 222

6.3 径向梯度温度对光学系统成像质量的影响 222

6.3.1 光学系统中的径向温度分布 222

6.3.2 径向温度梯度对光学系统像质的影响 226

6.4 光学系统的无热设计 229

6.4.1 均匀温度变化下的无热设计 230

6.4.2 径向温度梯度分布下的无热设计 233

6.5 热效应分析的光学设计软件 237

6.5.1 软件的主要功能 238

6.5.2 非均匀介质中的光线追迹 240

6.5.3 温度分布函数的拟合 242

6.5.4 径向温度梯度分布介质中的光线轨迹 242

6.5.5 径向温度梯度分布中的透镜面形的拟合 245

第7章 其它计算机辅助设计程序 250

7.1 玻璃数据库程序 250

7.2 出图计算程序 253

7.3 半径和厚度标准化程序 260

第8章 典型光学系统的设计方法 264

8.1 薄透镜系统的初级像差理论 264

8.2 望远物镜的设计方法 267

8.3 目镜的设计方法及物镜与目镜的像差补偿 271

8.4 显微物镜的设计方法 278

8.5 照相物镜的设计方法 282

参考文献 287