现代光学设计

《现代光学设计》分2篇共30章，详细介绍了现代光学设计的方法和要点。本书上篇为光学设计基础，包括光学设计概述、Zemax软件概述、光路计算、光学材料、塞德像差理论、波像差理论、Buchdahl公式、像质评价、消色差、光学自动设计等内容；下篇为光学系统设计，引入了大量的设计实例，介绍了各类常见光学镜头及系统设计方法，包括望远物镜、显微物镜、目镜、照相物镜、投影和照明系统、变焦距系统、红外物镜、折反系统、激光光学系统、折衍混合光学系统等，最后还介绍了光学制图等知识。
本书将光学设计理论与光学软件Zemax设计实例结合，内容由浅入深，讲解清晰易懂，可供光学设计师、工程师参考与自学，也可供高校光电信息类专业师生使用。

1.理论讲解清晰易懂，夯实基础。
2.实例设计丰富，涵盖常用光学镜头。
3.结合Zemax软件操作讲解，学以致用。

光学设计是一门历久弥新的技术，伴随着计算机软件技术的发展、现代制造业的进步和新理论的出现，光学设计也在不断地更新和前进。无论光学设计如何发展，继承前人的理论和技术成就，是必须首先要做的任务。所以，大量而系统的理论知识贯穿了本书，读者在阅读完本书之后，可以扎下牢牢的根基。没有根基的大厦，是无法盖得更高、更坚固的。
本书在撰写时，尽量将理论密切联系的知识点放置在一起，让读者获得系统的了解。本书涵盖了光学设计的基本知识和基本理论，包括光线追迹、光学材料、塞德像差理论、波像差理论、Buchdahl理论、像质评价、消色差、光学自动设计、各类常见光学镜头的设计以及光学制图等。笔者秉承的理念是：力求一个光学设计的入门者，也可以看得懂所有的理论推导和结论，而不是通过直接引用的方式将公式罗列出来，所有的理论推导过程必须脉络清晰易懂。
本书的整体结构是：上篇以光学设计理论为主，中间穿插少量的实例；下篇以设计各种镜头为主，并引入大量的设计实例。在做实例时，考虑到通用光学设计软件的成本、易用性、流行性，选用了Zemax OpticStudio 2017版软件作为实例用软件。事实证明，Zemax是一个稳定且值得信赖的优秀光学设计软件。本书中，所有实例的镜头数据和图形均是直接从Zemax软件中截取获得的，没有经过任何修改，读者完全可以复算并验证它的设计过程。
本书在编排上进行了创新，不是以大章节的形式来集中阐述某一个理论方向，而是将相关的知识点放在一起形成10～20页紧密相连的部分。每一章完全可以单独剥离出来，作为一个小报告独立存在。这种编排方式，更有利于读者阅读使用，也适合作为高等学校本科生或者研究生的教材。
感谢家人大力支持，在本书撰写过程中，忍受我长时间的工作并热心地照顾好我的生活起居。感谢院系领导的支持，感谢部分老师提供的帮助，如贾红、丁超亮、张永涛等都提出了十分有意义的建议。感谢我的学生曹璐瑶、邢明卓、郭立娟等，帮助绘制了部分图纸。
由于本书是一个新的探索，所以应该有很多不当之处，欢迎读者不吝珠玉，给予批评指正。笔者的联系方式为：[email protected]，如有任何意见或建议，请赐信于上述邮箱，笔者将及时回复。

编著者

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