现代光学设计

上篇光学设计基础

第1章什么是光学设计2

1.1为什么需要光学设计2

1.1.1光学仪器小史2

1.1.2光学系统4

1.1.3理想光学系统4

1.1.4理想成像的违背5

1.1.5像质评价7

1.2光学设计的流程9

1.2.1设计前阶段9

1.2.2设计阶段10

1.2.3设计师需要参与的阶段13

第2章Zemax软件概述14

2.1光学设计软件14

2.2在Zemax中输入数据16

2.2.1Zemax软件的交互界面16

2.2.2输入镜头数据18

2.2.3设置孔径20

2.2.4设置视场22

2.2.5设置波长23

2.2.6设置玻璃24

2.3查看输入结果26

2.3.1镜头结构参数26

2.3.22D/3D视图26

2.3.3查看一阶特性27

2.3.4分析输入结果27

第3章光路计算30

3.1符号规则30

3.1.1线量的符号规则30

3.1.2角量的符号规则31

3.1.3反射处理32

3.2光路计算公式32

3.2.1非近轴光路计算公式32

3.2.2转面公式33

3.3近轴光路计算公式33

3.4计算实例34

3.5光路计算的向量公式36

3.5.1球面光路计算的向量公式37

3.5.2二次曲面光路计算的向量公式39

3.5.3光路计算的起始和终结公式41

第4章光学材料45

4.1无色光学玻璃45

4.1.1夫琅禾费波长45

4.1.2无色光学玻璃的分类和牌号46

4.1.3玻璃折射率47

4.1.4色散48

4.1.5无色光学玻璃的质量指标49

4.1.6玻璃图51

4.2光学塑料51

4.2.1光学塑料简介51

4.2.2常用的光学塑料52

4.2.3在Zemax中使用光学塑料53

4.3特殊光学玻璃54

4.3.1有色光学玻璃54

4.3.2低膨胀玻璃55

4.3.3耐辐射玻璃55

4.3.4耐潮湿和耐腐蚀玻璃55

4.4紫外光学玻璃56

第5章特殊光学面形58

5.1非球面58

5.1.1形状因子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梯度折射率简介64

5.2.2梯度折射率分类65

5.2.3在Zemax中使用梯度折射率面66

5.2.4梯度折射率面与非球面的等效70

第6章光学系统中的光束限制72

6.1光阑分类72

6.1.1孔径光阑72

6.1.2视场光阑73

6.1.3渐晕光阑73

6.1.4消杂光光阑74

6.2主光线和边缘光线74

6.3相对孔径与F数75

6.4拉格朗日不变量75

6.5远心光路77

6.5.1物方远心光路77

6.5.2像方远心光路78

6.6在Zemax中移动光阑78

第7章塞德像差理论Ⅰ83

7.1球差83

7.1.1球差的定义83

7.1.2球差的计算公式84

7.2轴外初级单色像差85

7.2.1空间坐标系的建立85

7.2.2Petzval场曲86

7.2.3轴向像差87

7.2.4横向像差89

7.2.5旋转对称系统89

7.2.6初级单色像差的塞德和数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彗差定义92

7.3.4正弦差93

7.4场曲和像散93

7.4.1子午场曲和弧矢场曲93

7.4.2像散94

7.4.3Petzval场曲94

7.5畸变94

7.6PW形式的塞德和数95

7.7在Zemax中查看塞德像差系数97

第8章塞德像差理论Ⅱ100

8.1初级色差100

8.1.1轴向色差100

8.1.2垂轴色差102

8.1.3在Zemax中查看初级色差数据103

8.2Zemax中横向像差与轴向像差105

8.3像差的级数展开与像差平衡107

8.4像差曲线113

第9章优化函数116

9.1求解116

9.1.1曲率求解116

9.1.2厚度求解118

9.2环和臂119

9.3构建优化函数121

9.4Zemax中常用优化函数122

9.5设计实例124

第10章波像差129

10.1波前129

10.2费马原理131

10.3波像差公式131

10.3.1轴上点波像差与球差的关系131

10.3.2波像差与塞德像差的关系132

10.3.3波像差普遍式133

10.3.4波像差的极坐标形式134

10.3.5波像差与塞德像差换算公式134

10.3.6焦深136

10.4用波像差研究初级像差的几何形状137

10.4.1球差137

10.4.2彗差137

10.4.3像散137

10.4.4场曲137

10.4.5畸变138

10.5色差的波像差138

10.5.1D-d方法计算波色差138

10.5.2用最后一面半径消色差138

10.5.3波色差与塞德初级色差的关系139

10.5.4近轴薄透镜的波色差139

10.6在Zemax中查看波像差140

第11章Buchdahl公式142

11.1Buchdahl塞德和数公式142

11.1.1阿贝不变量表示的塞德和数142

11.1.2Buchdahl的塞德和数143

11.2结构像差系数145

11.2.1薄透镜近似145

11.2.2结构像差系数的消像差条件148

11.3最小弥散斑150

11.3.1最小弥散斑位置150

11.3.2在Zemax中查看离焦152

第12章像质评价Ⅰ154

12.1像差容限154

12.1.1瑞利判据154

12.1.2球差容限154

12.1.3望远和显微物镜的像差容限157

12.1.4望远和显微目镜的像差容限157

12.1.5照相物镜的像差容限157

12.2光线扇形图158

12.3点列图160

12.4能量集中度163

12.5斯特列尔比164

第13章像质评价Ⅱ167

13.1对比度167

13.2傅里叶变换168

13.2.1傅里叶变换的定义168

13.2.2卷积168

13.2.3线性系统169

13.2.4线性平移不变性169

13.3衍射理论170

13.3.1基尔霍夫公式170

13.3.2菲涅耳和夫琅禾费近似171

13.3.3透镜的相位变换172

13.4点扩散函数173

13.4.1点扩散函数计算公式173

13.4.2在Zemax中查看点扩散函数174

13.5光学传递函数177

13.5.1调制传递函数177

13.5.2一个计算实例178

13.5.3衍射受限的光学传递函数179

13.5.4在Zemax中使用MTF180

第14章透镜的初级像差184

14.1初级像差系数184

14.2单折射面的初级像差185

14.2.1球差185

14.2.2彗差186

14.2.3像散187

14.2.4场曲187

14.2.5畸变188

14.3球面反射镜的初级像差188

14.3.1球面反射镜188

14.3.2平面反射镜189

14.3.3非球面的初级像差189

14.4薄透镜的初级像差189

14.5平行平板的初级像差190

14.6场镜的像差192

14.7光阑位置对初级像差的影响192

14.8厚透镜194

第15章分离镜片和场曲平化196

15.1分离镜片196

15.1.1单片镜196

15.1.2双片镜197

15.1.3三片镜198

15.2弯曲光学系统200

15.3场曲平化201

15.3.1Petzval半径201

15.3.2平行平板引起的焦移203

15.3.3场曲平化方程203

15.3.4Zemax中的场曲平化操作数204

15.4对称结构204