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工程光学-第4版
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本书是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，是根据高等教育规划教材的编写要求，以及更新教材内容、反映现代科技发展和应用的原则，在普通高等教育“十一五”国家级规划教材《工程光学（第3版）》基础上重新修订而成。本书编写一贯坚持注重基本理论的论述，加强理论与工程实际的结合，突出现代光学与光学技术发展的指导思想。本书修订后仍分为上、下两篇，上篇为几何光学和光学设计，下篇为物理光学。全书系统地介绍了工程光学的基本原理、方法和应用。
目录新版网络支持功能介绍第4版前言第3版前言第2版前言第1版前言上篇几何光学与光学设计第一章几何光学基本定律与成像概念1第一节几何光学的基本定律和原理1一、光波与光线1二、几何光学的基本定律2三、费马原理5四、马吕斯定律6第二节成像的基本概念与完善成像条件6一、光学系统与成像概念6二、完善成像条件6三、物、像的虚实7第三节光路计算与近轴光学系统7一、基本概念与符号规则7二、实际光线的光路计算8三、近轴光线的光路计算9第四节球面光学成像系统10一、单个折射面成像10二、球面反射镜成像11三、共轴球面系统12习题14第二章理想光学系统16第一节理想光学系统与共线成像理论16第二节理想光学系统的基点与基面18一、无限远的轴上物点对应的像点f′18二、无限远轴上像点对应的物点f19三、物方主平面与像方主平面间的关系，理想光学系统的基点和基面19四、实际光学系统的基点位置和焦距的计算20第三节理想光学系统的物像关系21一、图解法求像21二、解析法求像22三、由多个光组组成的理想光学系统的成像24四、理想光学系统两焦距之间的关系25第四节理想光学系统的放大率26一、轴向放大率26二、角放大率27三、光学系统的节点27四、用平行光管测定焦距的依据28第五节理想光学系统的组合28一、两个光组组合分析29二、多光组组合计算31三、举例32第六节透镜35习题37第三章平面与平面系统39第一节平面镜成像39一、平面镜成像原理39二、平面镜旋转特性40三、双平面镜成像40第二节平行平板41一、平行平板的成像特性42二、平行平板的等效光学系统42第三节反射棱镜43一、反射棱镜的类型43二、棱镜系统的成像方向判断47三、反射棱镜的等效作用与展开48第四节折射棱镜与光楔50一、折射棱镜的偏向角50二、光楔及其应用52三、棱镜色散52第五节光学材料53一、透射材料的光学特性53二、反射光学材料的光学特性56习题56工程光学第4版目录?第四章光学系统中的光阑与光束限制59第一节光阑59一、孔径光阑59二、视场光阑62第二节照相系统中的光阑62第三节望远镜系统中成像光束的选择64第四节显微镜系统中的光束限制与分析66一、简单显微镜系统中的光束限制66二、远心光路67三、场镜的应用67第五节光学系统的景深68一、光学系统的空间像68二、光学系统的景深69第六节数码照相机镜头的景深73习题74第五章光度学和色度学基础77第一节辐射量和光学量及其单位77一、辐射量77二、光学量78三、光学量和辐射量间的关系79第二节光传播过程中光学量的变化规律80一、点光源在与之距离为r处的表面上形成的照度80二、面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度81三、单一介质元光管内光亮度的传递81四、光束经界面反射和折射后的亮度81五、余弦辐射体83第三节成像系统像面的光照度84一、轴上像点的光照度84二、轴外像点的光照度84三、光通过光学系统时的能量损失85四、光学系统的总透射比87第四节颜色的分类及颜色的表观特征87一、颜色及其分类87二、颜色的表观特征87第五节颜色混合及格拉斯曼颜色混合定律88一、颜色混合88二、格拉斯曼颜色混合定律88第六节颜色匹配89一、颜色匹配和颜色匹配实验89二、颜色方程式90三、颜色匹配实验的结论90第七节色度学中的几个概念90一、颜色刺激90二、三原色90三、三刺激值90四、光谱三刺激值或颜色匹配函数91五、色品坐标及色品图91六、色度学中常用的光度学概念91第八节颜色相加原理及光源色和物体色的三刺激值93一、颜色相加原理93二、光源色和物体色的三刺激值93第九节cie标准色度学系统94一、 cie1931标准色度学系统94二、 cie1964补充标准色度学系统100三、 cie标准照明体和标准光源101四、 cie关于照明和观察条件的规定102五、 cie色度学系统表示颜色的方法102第十节均匀颜色空间及色差公式103一、（x,y,y）颜色空间是非均匀颜色空间103二、均匀颜色空间及相应的色差公式104第十一节颜色测量105一、颜色测量原理105二、颜色测量方法分类106三、颜色测量方法106习题107第六章光线的光路计算及像差理论108第一节概述108一、基本概念108二、像差计算的谱线选择109第二节光线的光路计算109一、子午面内的光线光路计算110二、沿轴外点主光线细光束的光路计算112三、计算举例113第三节轴上点的球差114一、球差的定义和表示方法114二、球差的校正116第四节正弦差和彗差118一、正弦差118二、彗差120第五节场曲和像散121一、场曲与轴外球差121二、像散123第六节畸变124第七节色差126一、位置色差、色球差和二级光谱126二、倍率色差128第八节像差特征曲线与分析129一、像差特征曲线129二、像差特征曲线分析130第九节波像差132习题134第七章典型光学系统137第一节眼睛及其光学系统137一、眼睛的结构――成像光学系统137二、眼睛的调节及校正137三、眼睛――辐射接收器139四、眼睛的分辨率139五、眼睛的对准精度140六、眼睛的景深140七、双目立体视觉141第二节放大镜142一、视觉放大率142二、光束限制和线视场143第三节显微镜系统144一、显微镜的视觉放大率144二、显微镜的线视场145三、显微镜的出瞳直径145四、显微镜的分辨率和有效放大率145五、显微镜的景深146六、显微镜的照明方法147七、显微镜的物镜149第四节望远镜系统149一、望远系统的分辨率及工作放大率150二、望远镜的视场151第五节目镜152第六节摄影系统155一、摄影物镜的光学特性155二、摄影物镜的景深157三、摄影物镜的类型157四、数码相机(digital camera)159第七节投影系统160一、基本参数160二、投影物镜的结构型式161三、照明系统162四、基于dmd的投影光学系统162五、dmd空间光调制器163第八节变焦距光学系统164一、变焦距光学系统的原理164二、变焦距系统的变焦方程166三、机械补偿变焦系统169第九节光学系统的外形尺寸计算171一、转像系统和场镜171二、带有对称透镜转像系统的望远镜172习题175第八章现代光学系统179第一节激光光学系统179一、高斯光束的特性179二、高斯光束的传播179三、高斯光束的透镜变换181四、高斯光束的聚焦和准直183五、高斯光束的整形184六、ld光束特性及其整形186第二节傅里叶（fourier）变换光学系统187一、相干光学处理系统187二、傅里叶变换物镜的光学设计要求及结构型式188第三节扫描光学系统189一、扫描方程式190二、常用光学扫描形式190三、扫描物镜――fθ物镜191第四节光纤光学系统193一、阶跃型光纤的基本原理193二、梯度折射率光纤194三、光纤束的传光、传像特性197四、光纤光学系统200五、光纤面板与光锥201第五节红外光学系统201一、红外光学材料202二、红外光学系统的结构型式204三、红外光学系统的冷阑与冷阑效率206四、红外光学系统的无热化设计206第六节特殊面型及特殊结构光学系统207一、自由曲面光学系统207二、折/衍混合成像光学系统209三、离轴反射式光学系统210四、微透镜及微透镜阵列211五、共形光学系统211六、自适应光学系统212习题213?第九章光学系统的像质评价214第一节瑞利判断与波前图214一、瑞利判断（rayleigh judgement）214二、波前图（wavefront map）215第二节中心点亮度与能量包容图215一、中心点亮度（brightnessof center disk）215二、能量包容图（encircledenergy）215第三节分辨率与点扩散函数216一、分辨率（resolving power）216二、点扩散函数（point spreadfunction）218第四节星点检测法与点列图218一、星点检测法（star test）218二、点列图（spot diagram）219第五节光学传递函数评价成像质量220一、利用mtf曲线来评价成像质量221二、利用mtf曲线的积分值来评价成像质量221第六节其他像质评价方法222一、方均根（rootmeansquare，rms）统计评价222二、光程差曲线与光线差曲线223三、照度分析与光谱分析224四、杂散光分析225第七节光学系统的像差公差226一、望远物镜和显微物镜的像差公差226二、望远目镜和显微目镜的像差公差227三、照相物镜的像差公差228习题228第十章光学设计229第一节pw形式的初级像差系数229一、 pw的定义及pw形式的初级像差系数229二、薄透镜系统初级像差的pw表示式231第二节薄透镜系统的基本像差参量231一、对像差参量p、w进行规化232二、对物体位置进行规化232三、规化色差系数c1233四、用规化像差参量p、w表示的初级像差系数234第三节双胶合薄透镜组的基本像差参量与结构参数的关系234一、双胶合薄透镜组的独立结构参数234二、基本像差参量p∞、w∞和c1与结构参数的关系235三、p∞、w∞与玻璃材料的关系236四、求解双胶合薄透镜组结构参数的步骤237第四节单薄透镜的p∞、w∞和c1与结构参数的关系238第五节用pw方法求解初始结构参数实例239一、双胶合物镜的初始结构设计239二、双分离物镜的初始结构设计244第六节光学系统的像差校正方法246一、系统中各光组（以至各面）的像差分布合理，尽量减小高级像差247二、系统的像差具有合理的匹配247三、改变单个面的曲率半径247四、整体弯曲247五、利用特殊位置的透镜或透镜组的像差特性247六、利用对称型结构的像差特性，成对地修改结构参数248七、增加胶合面，校正色差或单色像差248八、更换玻璃，校正色差或单色像差248九、加入无光焦度校正板248十、移动光阑至合适的位置248十一、通过拦光，改善轴外点成像质量248十二、加入非球面248第七节光学系统的优化设计248一、概述248二、光学镜头设计中常用优化方法的数学原理250三、阻尼因子p、权因子μj和评价函数251四、边界条件253五、小结254第八节-5×显微物镜的优化设计实例254一、方法1254二、方法2255第九节激光扫描物镜优化设计实例259一、设计要求259二、优化设计过程与结果259第十节三片数码相机物镜优化设计实例266一、三片数码相机物镜的光学特性和像质要求266二、初始结构266三、加厚镜片的过程268四、优化269第十一节双高斯物镜优化设计实例275一、设计背景概述275二、双高斯物镜的初始结构276三、优化277第十二节非球面镜头优化设计实例285一、概述285二、非球面激光聚焦物镜优化设计实例288三、孔径角u′=61°、后工作距l′≥20mm的非球面聚光镜的优化设计292习题297上篇习题部分参考答案299上篇主要参考文献303下篇物理光学第十一章光的电磁理论基础305第一节光的电磁波性质305一、电磁场的波动性305二、平面电磁波及其性质308三、球面波和柱面波311四、光波的辐射和辐射能312第二节光在电介质界面上的反射和折射314一、电磁场的连续条件314二、光在两电介质分界面上的反射定律和折射定律315三、菲涅耳公式316四、反射和折射时的振幅关系318五、相位变化319六、反射比和透射比320七、反射和折射时的偏振特性321八、全反射323第三节光在金属表面的反射和透射327一、金属中的光波327二、金属表面的反射328第四节光的吸收、色散和散射330一、光的吸收330二、光
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海淀公安分局备案编号：导读：4用ZEMAX进行优化设计...........................，本文研究了用Zemax设计非球面补偿系统的优化，在Zemax中优化控制设计零位补偿系统，设计既方便,加工又容易,是一种较好的方法，利用Zemax进行一个实例的优化设计，得到了优化后的数据，本课题研究用Zemax优化控制设计零位补偿系统，设计方便,加工容易，设有两个光学系统（1和2）的设计结果，目录摘要...... 目录
摘要 .......................................................................................................................................................... 1 ABSTRACT ............................................................................................................................................ 2 引言 .......................................................................................................................................................... 3 1 光学传递函数和点列图 ...................................................................................................................... 4 1.1 光学传递函数 ............................................................................................................................... 4 1.1.1利用MTF曲线来评价成像质量 .................................................................................. 4 1.1.2 利用MTF曲线的积分值来评价成像质量 .................................................................. 5 1.2 点列图 ........................................................................................................................................... 5 2 像差综述 .............................................................................................................................................. 6 2.1轴上点球差 .................................................................................................................................... 6 2.1.1球差的定义和表示方法................................................................................................. 6 2.1.2
球差的校正 .................................................................................................................. 8 2.2 像散与像面弯曲（场曲） ........................................................................................................... 8 2.2.1 像散 ................................................................................................................................ 8 2.2.2 场曲 ................................................................................................................................ 9 2.3 正弦差和彗差 ............................................................................................................................... 9 2.3.1 正弦差和彗差的定义 .................................................................................................... 9 2.3.2 彗差的校正 .................................................................................................................. 12 2.4 畸变 ............................................................................................................................................. 12 2.5 色差 ............................................................................................................................................. 13 2.5.1 位置色差 ...................................................................................................................... 13 2.5.2 倍率色差...................................................................................................................... 14 2.6 波相差 ......................................................................................................................................... 15 3 表面类型 ............................................................................................................................................ 16 3.1简介 .............................................................................................................................................. 16 3.2 内含表面 ..................................................................................................................................... 16 3.3 非球面镜片 ................................................................................................................................. 19 3.3.1 简介 .............................................................................................................................. 19 3.3.2 非球面镜片光学原理 ................................................................................................. 20 4 用ZEMAX进行优化设计 ............................................................................................................... 20 4.1由抛物反射镜产生的初级球面像差: ......................................................................................... 20 4.2 求由抛物面反射镜和两单透镜组成的初始光学系统 .............................................................. 21 4.3 计算抛物面反射镜和两单透镜组成的初始光学系统 .............................................................. 23 5 结论 .................................................................................................................................................... 27 致谢 ........................................................................................................................................................ 28 参考文献 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。
本文研究了用Zemax设计非球面补偿系统的优化。非球面抛物面反射镜在许多光学系统中被采用, 但加工检验较难。在Zemax中优化控制设计零位补偿系统。设计既方便, 加工又容易, 是一种较好的方法。文中介绍了七种像差的定义和表示方法以及对于像差的校正方法；波像差的定义、形成原因及其与像差的关系；由于涉及到面型，本文还介绍了Zemax中包含的面型以及重要面型的简介。最后，利用Zemax进行一个实例的优化设计，得到了优化后的数据。
关键字：像差，波像差，表面类型
This paper studies the design of non-spherical with Zemax compensation system optimization.Non-spherical parabolic mirrors are used in many optical systems, but the inspection process more difficult.Zemax the optimal design in zero compensation system.Design is convenient, easy processing, is a better way.This paper introduces the definition of seven aberrations and representation as well as for aberrati wave aberration of the definition, causes and its relationship as it involves the face, the paper also describes Zemax containedface and the important face of the profile.Finally, an instance of Zemax for the optimal design has been optimized data.
Keywords: Zemax ,aberration, wavefront aberration, surface type
随着高精度非球面光学元件在光学系统中的广泛应用, 非球面的加工和检验技术也受到了越来越多的重视, 特别是在天文望远镜中非球抛物面使用的最多. 因此研究抛物面的加工和检验就更加必要。通常是在抛物面的焦点上放置点光源经抛物面反射成平行光又经平面反射镜按原路自准回去, 这样平面反射镜口径至少大于或等于抛物镜的口镜。由于目前大口径平面反射镜的加工难度仍很大, 因此就出现了用两个小透镜(甚至为两个平凸小透镜) 的补偿系统。实际上是用一个小透镜或两个小透镜产生与抛物面镜等值反符号像差来完成这一工作的。非球抛物面反射镜在许多光学系统中被采用, 但加工检验较难。本课题研究用Zemax优化控制设计零位补偿系统。设计方便, 加工容易。
1 光学传递函数和点列图 1.1 光学传递函数
利用光学传递函数来评价光学系统的成像质量，是基于把物体看做是由各种频率的谱组成的，也就是把物体的光强分布函数展开成傅里叶级数或傅里叶积分的形式，由于光学传递函数既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，故用它评价光学系统的成像质量，具有客观和可靠的优点，并能同时运用小像差光学系统和大像差光学系统。
光学传递函数反映了光学系统对物体不同频率成分的传递能力。一般来说，高频部分反应物体的细节传递情况，中频部分反映物体的层次传递情况，低频部分则反映物体的轮廓传递情况。 1.1.1利用MTF曲线来评价成像质量
所谓MTF是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，其对比度（即振幅）的衰减程度。当某一频率的对比度下降为零时，说明该频率的光强分布已无亮度变化，既该频率被截止。这是利用光学传递函数来评价光学系统成像质量的主要方法。
设有两个光学系统（1和2）的设计结果，他们的MTF曲线如下图所示。
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用Zemax进行优化设计
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