基于Zemax的应用光学教程

目录 第1章 几何光学基本定律与成像基本概念 1 1.1 几何光学的基本概念 1 1.1.1 几何光学中的光源与光束 1 1.1.2 几何光学的基本定律 2 1.1.3 费马原理 4 1.2 光学系统及成像的基本概念 7 1.3 Zemax的界面简介与光学建模方式 9 1.3.1 Zemax的界面简介 9 1.3.2 Zemax光学建模与基本计算流程 11 思考题 12 计算与证明题 12 第2章 共轴球面系统的成像理论 13 2.1 几何光学中的符号规则 13 2.1.1 线段 14 2.1.2 角度 14 2.1.3 符号规则的意义 15 2.1.4 符号的标注 15 2.2 单折射球面成像 15 2.2.1 实际光线单折射球面的光路计算 15 2.2.2 近轴区域单折射球面光路计算 18 2.2.3 近轴区域单折射球面成像规律 19 2.2.4 细光束大视场入射情况与场曲 23 2.3 共轴球面系统成像 25 2.3.1 共轴球面系统近轴区域的转面过渡公式 26 2.3.2 共轴球面系统近轴像面位置计算 27 2.4 单个反射球面的成像 29 2.5 Zemax中的像差评价与镜面参数设置 31 2.5.1 Spot Diagram与Ray Aberration简介 31 2.5.2 纯离焦 35 2.5.3 纯球差 37 2.5.4 球差和离焦 39 2.5.5 自动优化设计概念初步 40 思考题 43 计算与证明题 43 第3章 理想光学系统 45 3.1 理想光学系统的基本理论 45 3.2 理想光学系统的基点、基面 46 3.2.1 焦点、焦面与焦距 47 3.2.2 主面与主点 48 3.2.3 节点 49 3.3 理想光学系统的物像解析关系 49 3.3.1 物像位置计算 49 3.3.2 放大率及相互关系 51 3.4 理想光学系统的图解法 54 3.5 理想光学系统的组合 58 3.5.1 双光组光学系统 59 3.5.2 多光组光学系统正切计算法 61 3.6 透镜 63 3.6.1 单折射球面的基点、基面与焦距 63 3.6.2 透镜的基点与焦距 64 3.6.3 薄透镜与薄透镜组 70 3.7 单透镜与双透镜的Zemax设计实例 72 3.7.1 单透镜Zemax设计实例 72 3.7.2 双胶合透镜Zemax设计实例 77 计算题 81 第4章 平面系统 84 4.1 平面折射与平行平板玻璃成像性质 84 4.1.1 平行平板的成像性质 84 4.1.2 平行平板的等效空气层的概念 86 4.2 平面反射镜 88 4.2.1 平面反射镜的成像特性 89 4.2.2 平面反射镜的旋转效应 90 4.2.3 两面角镜的成像特性 91 4.3 反射棱镜 92 4.3.1 反射棱镜的基本概念 92 4.3.2 反射棱镜系统的物像坐标变换规律 94 4.3.3 反射棱镜的展开与结构尺寸计算 95 4.4 折射棱镜和楔镜 99 4.4.1 折射棱镜 99 4.4.2 楔镜 100 4.5 Zemax中的坐标断点 102 4.5.1 Zemax中的坐标系 102 4.5.2 坐标变换 103 4.5.3 Zemax中的坐标断点设置 104 4.6 光学系统中具有反射镜或者平行平板的Zemax仿真分析 106 4.7 具有反射镜的光学系统Zemax设计方法实例――牛顿望远镜 109 4.8 具有阿米西（Amici）屋脊棱镜与五棱镜组合的光学系统Zemax设计实例 112 思考题 115 计算题 116 第5章 光学系统的光束限制 118 5.1 光学系统中的孔径光阑、入射光瞳与出射光瞳 118 5.1.1 孔径光阑的判断 119 5.1.2 入射光瞳与出射光瞳 121 5.2 视场光阑、窗与渐晕 124 5.2.1 视场光阑 124 5.2.2 入射窗与出射窗 125 5.2.3 渐晕 126 5.3 光学系统的景深 131 5.4 Zemax中光束限制的设计方法――单透镜光束限制的设计与分析 135 5.5 Zemax中渐晕的设计方法 140 5.6 Zemax的多重结构设计――反射式扫描系统设计 146 计算题 149 第6章 光度学基础 151 6.1 光能和光度学的基本概念 151 6.1.1 立体角的概念 151 6.1.2 辐射通量、光谱光视效率与光通量 153 6.1.3 光亮度、发光强度、光出射度和光照度 155 6.1.4 光学系统中光亮度和光通量的传递 159 6.2 光学系统中的光能损失分析与计算 161 6.2.1 光学系统中的光能损失分析 162 6.2.2 光学系统的透过率计算 164 6.3 Zemax中相对照度、镀膜简介及序列/非序列混合模型与照明设计实例 164 6.3.1 相对照度 164 6.3.2 镀膜 165 6.3.3 利用序列与非序列混合模型设计一个LED（点光源）的照明系统 167 计算题 173 第7章 像差理论 174 7.1 单色像差 174 7.1.1 轴上点与轴外点像差 174 7.1.2 正弦差与彗差 177 7.1.3 像散 180 7.1.4 场曲 181 7.1.5 畸变 183 7.2 色差 184 7.2.1 位置色差 184 7.2.2 放大率色差 184 7.3 Zemax中的像差模拟与分析 185 7.3.1 球差 185 7.3.2 彗差 187 7.3.3 像散 189 7.3.4 场曲 189 7.3.5 畸变 191 7.3.6 色差 192 第8章 实际光学系统 196 8.1 人眼光学系统与视光学 196 8.1.1 人眼的构造 196 8.1.2 人眼的主要特性 197 8.1.3 双眼立体视觉 201 8.2 放大镜 202 8.2.1 目视光学仪器的工作原理 203 8.2.2 放大镜的视觉放大率 203 8.2.3 放大镜光束限制 204 8.3 望远镜 205 8.3.1 望远镜的历史发展背景 205 8.3.2 望远镜的基本类型与工作原理 206 8.3.3 望远镜的技术指标 207 8.4 显微镜 209 8.4.1 显微镜的历史发展背景 209 8.4.2 显微镜的基本工作原理与技术指标 210 8.4.3 显微镜的光束限制 211 8.4.4 显微镜的分辨力与有效放大率 212 8.5 照相机与投影仪 216 8.5.1 照相机的历史发展背景 216 8.5.2 照相机的基本工作原理与性能参数 216 8.5.3 投影仪的历史发展背景 220 8.5.4 投影仪的基本工作原理与性能参数 220 8.6 光学成像系统的像质评价简介 222 8.7 光学传递函数、人眼模型和虚拟现实应用 223 8.7.1 光学传递函数像质评价基本概念 223 8.7.2 人眼的Zemax模型和在虚拟现实（VR）中的应用 225 思考题 230 计算题 231 第9章 Zemax中的优化、公差与若干设计案例 233 9.1 Zemax优化方法简介 233 9.1.1 优化方法概述 233 9.1.2 光学系统数学建模 234 9.1.3 Zemax中评价函数的定义 236 9.1.4 Zemax操作符的定义 237 9.1.5 默认评价函数 238 9.2 Zemax公差分析简介 239 9.3 若干光学系统设计实例 242 9.3.1 优化设计双透镜光纤对接耦合系统 243 9.3.2 优化非球面镜实现半导体激光器与单模光纤的高效耦合 255 9.3.3 基于偏振元件的光环形器设计 264 9.3.4 库克三片式成像镜头设计 272 9.3.5 苹果手机镜头剖析 279 思考与练习题 292 参考文献 294