现代应用光学

目 录
第1章 现代应用光学基础理论概述 1
1.1 概述 1
1.1.1 本书的背景 1
1.1.2 本书的内容安排 1
1.2 光学系统设计中常用的光学材料特征参数 2
1.2.1 光学材料的光学参量 2
1.2.2 热系数及温度变化效应的消除 4
1.2.3 其他玻璃数据 4
1.3 新型光学材料 5
1.3.1 新型光学材料概述 5
1.3.2 光学材料发展概况 6
1.4 液晶材料及液晶显示器 12
1.4.1 液晶材料及其分类 12
1.4.2 常用液晶显示器件的基本结构和工作原理 16
1.4.3 STN-LCD技术 27
1.4.4 液晶光阀技术 32
1.4.5 硅上液晶（LCoS）反射式显示器 36
1.4.6 光计算用SLM 38
1.5 电光源和光电探测器 38
1.5.1 电光源 38
1.5.2 激光器 41
1.5.3 光电导探测器 48
1.5.4 光伏探测器 49
1.5.5 位敏探测器 53
1.5.6 阵列型光电探测器 56
1.6 波像差像质评价基础知识 59
1.6.1 光学系统像差的坐标及符号规则 59
1.6.2 无像差成像概念和完善镜头聚焦衍射模式 60
参考文献 63
第2章 光学非球面的应用 67
2.1 概述 67
2.2 非球面曲面方程 67
2.2.1 旋转对称的非球面方程 67
2.2.2 圆锥曲线的意义 68
2.2.3 其他常见非球面方程 70
2.2.4 非球面的法线和曲率 71
2.3 非球面的初级像差 71
2.3.1 波像差及其与垂轴像差的关系 71
2.3.2 非球面的初级像差 73
2.3.3 折射锥面轴上物点波像差 75
2.3.4 折射锥面轴外物点波像差 76
2.4 微振（perturbed）光学系统的初级像差计算 77
2.4.1 偏心（decentered）光学面 78
2.4.2 光学面的倾斜 80
2.4.3 间隔失调（despace）面 81
2.5 两镜系统的理论基础 82
2.5.1 两镜系统的基本结构形式 82
2.5.2 单色像差的表示式 82
2.5.3 消像差条件式 84
2.5.4 常用的两镜系统 85
2.6 二次圆锥曲面及其衍生高次项曲面 86
2.6.1 消球差的等光程折射非球面 86
2.6.2 经典卡塞格林系统 87
2.6.3 格里高里系统 88
2.6.4 只消球差的其他特种情况 88
2.6.5 R-C（Ritchey-Chrétien）系统及马克苏托夫系统 89
2.6.6 等晕系统的特殊情况 90
2.6.7 库特（Cuder）系统及同心系统 91
2.6.8 史瓦希尔德（Schwarzschield）系统 92
2.6.9 一个消四种初级像差 的系统 93
2.6.10 无焦系统 93
2.7 两镜系统的具体设计过程 93
2.7.1 R-C系统的设计 93
2.7.2 格里高里系统与卡塞格林系统 94
2.8 施密特光学系统设计 95
2.8.1 施密特光学系统的初级像差 95
2.8.2 施密特校正器的精确计算法 98
2.9 三反射镜系统设计示例 99
2.9.1 设计原则 99
2.9.2 设计过程分析 100
2.9.3 设计示例 101
参考文献 103
第3章 衍射光学元件 105
3.1 概述 105
3.1.1 菲涅耳圆孔衍射——菲涅耳波带法 106
3.1.2 菲涅耳圆孔衍射的特点 108
3.1.3 菲涅耳圆屏衍射 109
3.2 波带片 110
3.2.1 菲涅耳波带片 110
3.2.2 相位型菲涅耳波带片 112
3.2.3 条形或方形波带片 113
3.3 衍射光学器件衍射效率 113
3.3.1 锯齿形一维相位光栅的衍射效率 113
3.3.2 台阶状（二元光学）相位光栅的衍射效率及其计算 114
3.4 通过衍射面的光线光路计算 115
3.5 衍射光学系统初级像差 118
3.5.1 衍射光学透镜的单色初级像差特性 118
3.5.2 折衍混合成像系统中衍射结构的高折射率模型及PWC描述 121
3.5.3 P∞、W∞、C与折衍混合单透镜结构的函数关系 122
3.6 折衍光学透镜的色散性质及色差的校正 123
3.6.1 折衍光学透镜的等效阿贝数ν 123
3.6.2 用DOL实现消色差 124
3.6.3 折衍光学透镜的部分色散及二级光谱的校正 125
3.7 衍射透镜的热变形特性 127
3.7.1 光热膨胀系数 127
3.7.2 消热变形光学系统的设计 129
3.7.3 折衍混合系统消热差系统设计示例 130
3.8 衍射面的相位分布函数 132
3.8.1 用于平衡像差的衍射面的相位分布函数 132
3.8.2 用于平衡热像差的衍射面的相位分布函数 133
3.9 多层衍射光学元件（multi-layer diffractive optical elements） 133
3.9.1 多层衍射光学元件的理论分析 134
3.9.2 多层衍射光学元件的结构 134
3.9.3 多层衍射光学元件材料的选择 134
3.9.4 多层衍射光学元件的衍射效率 135
3.9.5 多层衍射光学元件在成像光学系统中的应用举例 136
3.10 谐衍射透镜（HDL）及其成像特点 137
3.10.1 谐衍射透镜 137
3.10.2 谐衍射透镜的特点 137
3.10.3 单片谐衍射透镜成像 138
3.10.4 谐衍射/折射太赫兹多波段成像系统设计示例 139
3.11 衍射光学轴锥镜（简称衍射轴锥镜） 143
3.11.1 衍射轴锥镜 143
3.11.2 设计原理和方法 144
参考文献 150
第4章 非对称光学系统像差理论 153
4.1 波像差与Zernike多项式概述 153
4.1.1 波前像差理论概述 153
4.1.2 角向、横向和纵向像差 154
4.1.3 Seidel像差的波前像差表示 155
4.1.4 泽尼克（Zernike）多项式 162
4.1.5 条纹（fringe）Zernike系数 164
4.1.6 波前像差的综合评价指标 165
4.1.7 色差 167
4.1.8 典型光学元件的像差特性 167
4.2 非对称旋转成像光学系统中像差理论 174
4.2.1 重要概念简介 174
4.2.2 倾斜非球面光学面处理 176
4.2.3 局部坐标系统（LCS）近轴光方法计算单个光学面像差场中心 176
4.2.4 OAR的参数化 179
4.2.5 倾斜和偏心的光学面的定位像差场对称中心矢量（像差场偏移量的推导） 181
4.2.6 基于实际光线计算单个面的像差场中心 182
4.2.7 失调光学系统的波像差表示式 183
4.2.8 举例：LCS近轴计算与其实际光线等价计算的比较 185
4.3 近圆光瞳非对称光学系统三级像差的描述 187
4.3.1 光学系统的像差场为各个面的贡献之和 187
4.3.2 带有近圆光瞳的非旋转对称光学系统中的三级像差 187
4.3.3 节点像差场 191
4.3.4 波前误差以及光线的横向像差 194
4.3.5 非对称光学系统中的三级畸变 195
4.4 非旋转对称光学系统的多节点五级像差：球差 197
4.4.1 非旋转对称光学系统像差概述 197
4.4.2 非旋转对称光学系统的五级像差 198
4.4.3 五级像差的特征节点行为：球差族包括的各项 199
参考文献 203
第5章 光学自由曲面的应用 205
5.1 光学自由曲面概述 205
5.2 参数曲线和曲面 206
5.2.1 曲线和曲面的参数表示 206
5.2.2 参数曲线的代数和几何形式 210
5.3 Bézier曲线与曲面 212
5.3.1 Bézier曲线的数学描述和性质 212
5.3.2 Bézier曲面 215
5.4 B样条（B-spline）曲线与曲面 217
5.4.1 B样条曲线的数学描述和性质 217
5.4.2 B样条曲线的性质 219
5.4.3 B样条曲面的表示 220
5.5 双三次均匀B样条曲面 221
5.5.1 B 样条曲面 221
5.5.2 双三次均匀B样条曲面的矩阵公式 223
5.6 非均匀有理B样条（NURBS）曲线与曲面 224
5.6.1 NURBS曲线与曲面 224
5.6.2 NURBS曲线的定义 224
5.6.3 NURBS表示 226
5.6.4 非均匀有理B样条曲面 228
5.7 Coons曲面 229
5.7.1 基本概念 229
5.7.2 双线性Coons曲面 230
5.7.3 双三次Coons曲面 231
5.8 自由曲面棱镜光学系统 232
5.8.1 自由曲面棱镜概述 232
5.8.2 矢量像差理论及初始结构确定方法 233
5.8.3 自由曲面棱镜设计 236
5.8.4 用光学设计软件设计含自由曲面的光学系统 238
参考文献 239
第6章 共形光学系统 241
6.1 概述 241
6.1.1 共形光学系统的一般要求 241
6.1.2 共形光学系统的主要参量 244
6.1.3 共形光学系统中的像差校正 250
6.1.4 共形光学系统实际应用须考虑的问题 252
6.2 椭球整流罩的几何特性及消像差条件在共形光学系统中的应用 253
6.2.1 椭球面几何特性分析 253
6.2.2 椭球整流罩的几何特性 256
6.2.3 利用矢量像差理论分析椭球整流罩结构的像差特性 258
6.3 基于Wassermann-Wolf方程的共形光学系统设计 259
6.3.1 共形光学系统解决像差动态变化的方法概述 259
6.3.2 共形光学系统的像差分析 260
6.3.3 Wassermann-Wolf非球面理论 261
6.3.4 利用Wassermann-Wolf原理设计共形光学系统 265
6.4 折/反射椭球形整流罩光学系统的设计 268
6.4.1 折/反射椭球形整流罩光学系统的设计原则 269
6.4.2 椭球形整流罩像差分析 269
6.4.3 两镜校正系统初始结构设计原理 269
6.4.4 用平面对称矢量像差理论分析光学系统像差特性 274
6.4.5 设计结果 275
6.5 共形光学系统的动态像差校正技术 276
6.5.1 共形光学系统的固定校正器 276
6.5.2 弧形校正器 278
6.5.3 基于轴向移动柱面—泽尼克校正元件的动态像差校正技术 280
6.6 二元光学元件在椭球整流罩导引头光学系统中的应用 283
6.6.1 二元光学元件的光学特性 284
6.6.2 二元衍射光学元件在椭球形整流罩导引头光学系统中的应用 286
6.6.3 利用衍/射光学元件进行共形整流罩像差校正的研究 288
6.6.4 折/衍混合消热差共形光学系统的设计 291
6.7 利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计 295
6.7.1 自由曲面进行微变焦共形光学系统的特点 295
6.7.2 利用自由曲面的像差校正方法 295
6.8 基于实际光线追迹的共形光学系统设计概述 298
6.8.1 实际光线追迹设计方法可在共形光学系统整个观察视场内得到较好像质 298
6.8.2 实际光线追迹方法概述 299
参考文献 302
第7章 非成像光学系统 308
7.1 引言 308
7.1.1 太阳能热发电技术简介 308
7.1.2 太阳能光伏发电 311
7.1.3 照明非成像光学 312
7.2 非