光学系统设计教程PDF电子书下载

第1章 预备知识 1

1.1名词与概念 1

1.2镜头的设计步骤 1

1.2.1初始系统的来源 2

1.2.2光路计算 2

1.2.3设计评价 2

1.2.4系统的修改 3

1.3高斯光学和理想成像 3

1.4初级像差及其独立性原理 5

1.5轴向球差与横向球差 6

1.6透镜的近似表示 7

1.6.1薄透镜与薄透镜系统 7

1.6.2真实透镜的近轴形式 7

1.7玻璃的特性 8

1.7.1折射率 8

1.7.2色散 8

1.7.3玻璃色散特性的量化 8

1.7.4玻璃图 10

1.7.5熔炼数据 13

1.7.6部分色散 14

1.7.7实际考虑 14

1.8习题 15

第2章 ZEMAX软件的使用 16

2.1 ZEMAX中数据的输入 16

2.1.1将初始数据输入到透镜数据编辑器中 16

2.1.2通过对话框完成的操作 18

2.2外形图及一级特性的调用 20

2.3 ZEMAX的分析功能 21

2.4 ZEMAX玻璃库的调用 24

2.4.1 ZEMAX玻璃库的调用 24

2.4.2玻璃库中的特殊文件夹 24

2.4.3描述玻璃的多项式 25

2.5其他 25

2.5.1 ZEMAX中的3个F数 25

2.5.2光线的选择 26

2.5.3设计方案的跟踪 27

第3章 近轴光路与非球面公式 28

3.1符号规则 28

3.2透镜及表面形状的描述 30

3.2.1面形因子 30

3.2.2表面挠度 30

3.3近轴光线追迹公式 31

3.3.1基本公式 31

3.3.2用PRTE描述的透镜外观 32

3.3.3光学表面的光焦度 32

3.3.4 M方案和F方案 34

3.4二合系统的光焦度及主面位置 35

3.5单反射面和薄透镜的光焦度公式 38

3.6高斯透镜公式 38

3.7非球面 39

3.7.1为什么要采用非球面 39

3.7.2二次曲面表达式的推导 39

3.7.3相对于球面的偏离 42

3.8练习题 43

3.9习题 49

第4章 光阑与摄影镜头 50

4.1光阑与光瞳 50

4.2边缘光线和主光线 52

4.3光阑位于透镜内部时用PRTE确定人瞳和出瞳的位置 52

4.4光瞳的大小与F数的关系 53

4.5拉格朗日不变量 54

4.6光阑移动与像差控制 55

4.7渥拉斯顿后摄影透镜 58

4.8习题 59

第5章 像差概述及设计评价 62

5.1分析工具 62

5.1.1光线扇曲线 62

5.1.2点列图 63

5.2像差的光线描述 64

5.2.1离焦 64

5.2.2球差 66

5.2.3彗差 68

5.2.4像散 70

5.2.5场曲和畸变 72

5.2.6阿贝正弦条件 73

5.3波像差 73

5.3.1点光源的波前（或参考波前） 74

5.3.2波前与光学系统间的相互作用 74

5.3.3波前的描述 75

5.3.4波前与衍射 76

5.3.5像面像差与出瞳像差间的关系 78

5.4设计方案评价 79

5.4.1环与臂 79

5.4.2评价函数 80

5.4.3 RMS点半径 81

5.4.4 RMS点曲线 84

第6章 透镜的分离与对称结构 86

6.1透镜分离 86

6.1.1单元组 86

6.1.2二元组 87

6.1.3三元组 88

6.2透镜分离的应用 90

6.3对称结构——潜望镜设计 92

6.3.1确定初始半径 92

6.3.2在ZEMAX中设置初始数据 93

6.3.3物位于无穷远 95

6.3.4平视场 97

6.4潜望镜与后摄影透镜的比较 97

6.5打破对称性 99

6.6习题 101

第7章 球差 103

7.1有关W ijk的讨论 104

7.2通过近轴追迹求得W040的实例 106

7.3 W040的薄透镜形式 108

7.4 W040计算实例 109

7.5轴外像差系数 110

7.6波像差球差系数W040的推导 112

7.7习题 115

第8章 透镜弯曲与像差平衡 116

8.1薄透镜结构的表达式 116

8.2薄透镜的弯曲 117

8.3焦点的移动 118

8.4 W020与Wd间的差异 120

8.5像差平衡：球差与离焦 121

8.6最小模糊斑处散焦的轴向位置和半径大小 122

8.7 W040与SA3间的联系 123

8.8薄透镜公式的推导 125

8.9习题 129

第9章 彗差和像散 130

9.1横向球差：SA3 130

9.2 ZEMAX中轴外像差的计算 133

9.2.1用赛得系数表示彗差（W131） 134

9.2.2用薄透镜公式表示彗差（W131） 135

9.2.3用赛得系数表示像散（W222） 135

9.2.4用薄透镜公式表示像散（W222） 136

9.3彗差与透镜弯曲 136

9.4彗差和像散随f/#及视场角的变化关系 137

9.5习题 139

第10章 场曲与畸变 140

10.1匹兹瓦尔弯曲 140

10.1.1匹兹瓦尔弯曲的概念 140

10.1.2匹兹瓦尔波像差 141

10.1.3匹兹瓦尔像差系数与匹兹瓦尔和 141

10.1.4计算实例 142

10.1.5匹兹瓦尔半径 143

10.2平场器的基本理论 145

10.3波前倾斜与畸变 148

10.3.1波前倾斜 148

10.3.2畸变 150

10.4畸变计算实例 151

10.5讨论 153

10.6习题 153

第11章 色差与消色差物镜 155

11.1公式推导 155

11.1.1初级轴向色差公式的推导 155

11.1.2赛得像差系数CL的推导 157

11.1.3波色差系数Wax的推导 157

11.2消色差物镜的预先设计 159

11.2.1约束条件 160

11.2.2消色差物镜的光焦度 160

11.2.3消色差物镜的设计实例 160

11.3实际消色差物镜的设计 164

11.4消色差物镜的弯曲 167

11.4.1赛得球差 167

11.4.2高级球差 167

11.4.3色球差 169

11.4.4彗差及像散 170

11.4.5消球差透镜 171

11.5二级光谱 172

11.5.1部分色散 173

11.5.2消色差物镜的二级光谱 175

11.5.3用ZEMAX校正过的消色差物镜 177

11.5.4什么时候需考虑二级光谱 179

11.6横向色差 180

11.7习题 181

第12章 分离式消色差物镜、法国摄影物镜和复消色差物镜 182

12.1用分离的薄透镜构造的消色差物镜 182

12.1.1色散约束条件的修改 182

12.1.2确定各个镜片的光焦度 183

12.1.3用同一种玻璃构造的消色差物镜 184

12.2消色差物镜的场曲问题 185

12.2.1平视场的消色差物镜 185

12.2.2契伐利埃（Chevalier）物镜 186

12.3复消色差的条件 187

12.3.1部分初级轴向色差 187

12.3.2双透镜组和三透镜组的初级部分色差 189

12.4复消色差物镜 189

12.4.1复消色差物镜的约束条件 190

12.4.2复消色差物镜光焦度的求解 190

12.4.3计算实例 192

12.4.4 ZEMAX中的优化 193

12.5色差校正与像点大小的关系 196

12.6习题 198

第13章 测试与总结 200

13.1显微镜 200

13.2设计综述与提示 201

13.2.1第1部分：预先的薄透镜设计 201

13.2.2第2部分：利用ZEMAX对设计进行优化 203

13.3测试题 203

13.4总结与展望 204

习题答案 206

第1章1（1.8习题） 206

第3章（3.9习题） 207

第4章4（4.8习题） 208

第6章（6.6习题） 212

第7章（7.7习题） 217

第8章（8.9习题） 218

第9章（9.5习题） 219

第10章（10.6习题） 221

第11章（11.7习题） 223

第12章（12.6习题） 227

第13章（测试题） 228

参考文献 229