光学设计及Zemax应用

第1部分 像 差 理 论 第1章 绪论 2 1.1 光学设计的概念及发展概况 2 1.1.1 光学设计的概念 2 1.1.2 光学设计的发展概况 3 1.2 光学系统设计的具体过程和步骤 4 1.2.1 光学系统设计的具体过程 4 1.2.2 光学设计的具体步骤 5 1.3 仪器对光学系统性能与质量的要求 5 第2章 像差综述 7 2.1 球差 7 2.1.1 球差的定义及表示方法 7 2.1.2 球差的校正 8 2.1.3 球差的分布式 9 2.1.4 齐明点 10 2.1.5 球差的级数展开式 12 2.2 彗差 14 2.2.1 彗差的定义 14 2.2.2 彗差的级数展开式 15 2.2.3 彗差的校正 16 2.2.4 彗差的分布式 18 2.3 像散及场曲 18 2.3.1 像散 18 2.3.2 场曲 20 2.4 畸变 22 2.4.1 畸变的定义 22 2.4.2 畸变的分类 22 2.4.3 畸变的校正 22 2.4.4 畸变的级数展开式 23 2.4.5 畸变的分布式 24 2.5 正弦差 24 2.5.1 余弦定律 24 2.5.2 正弦条件 25 2.5.3 赫歇尔条件 26 2.5.4 弧矢不变量与正弦条件的关系 26 2.5.5 正弦条件的其他表示形式 28 2.5.6 在不晕点处的正弦条件 29 2.5.7 等晕条件 29 2.5.8 正弦差 32 2.6 位置色差 32 2.6.1 位置色差的产生原因及定义 32 2.6.2 消色差谱线的选择 32 2.6.3 二级光谱 34 2.6.4 色球差 34 2.6.5 位置色差的级数展开式 34 2.6.6 位置色差的分布式 36 2.6.7 消色差系统光焦度分配 36 2.7 倍率色差 40 2.7.1 倍率色差的定义 40 2.7.2 倍率色差的校正 41 2.7.3 倍率色差的级数展开式 41 2.7.4 倍率色差的分布式 42 2.8 波像差 42 2.8.1 波像差的定义 42 2.8.2 参考点移动对波像差的影响 43 2.8.3 参考点移动与焦深 45 2.8.4 波色差 46 第3章 光学系统的像质评价和像差容限 47 3.1 瑞利判断 47 3.2 中心点亮度 48 3.3 分辨率 49 3.4 点列图 50 3.5 光学传递函数 51 3.5.1 利用MTF曲线来评价成像质量 52 3.5.2 利用MTF曲线的积分值来评价成像质量 53 3.6 像差容限 54 3.6.1 望远物镜和显微物镜的像差公差 54 3.6.2 望远目镜和显微目镜的像差公差 55 3.6.3 照相物镜的像差公差 56 第2部分 典型光学系统 第4章 望远镜物镜设计 58 4.1 望远镜及其光学特性 58 4.1.1 普通望远镜特性 58 4.1.2 伽利略望远镜和开普勒望远镜 60 4.2 望远物镜的设计 62 4.2.1 望远物镜的特点 62 4.2.2 望远物镜的类型和设计方法 63 第5章 显微镜物镜设计 70 5.1 显微镜及其光学特性 70 5.1.1 显微镜成像原理 70 5.1.2 显微镜中的光束限制 71 5.1.3 显微镜的景深 74 5.1.4 显微镜的分辨率和有效放大率 76 5.2 显微镜物镜的类型 77 5.2.1 消色差物镜 77 5.2.2 复消色差物镜 78 5.2.3 平像场物镜 79 5.2.4 反射和折反射显微镜物镜 79 第6章 照相物镜设计 82 6.1 照相物镜及其光学特性 82 6.1.1 照相物镜的光学特性 82 6.1.2 照相物镜的像差要求 85 6.2 照相物镜的类型 85 6.2.1 大孔径物镜 86 6.2.2 广角物镜 89 6.2.3 长焦物镜 93 6.2.4 变焦距物镜 94 6.2.5 折反射照相物镜 95 第7章 目镜设计 97 7.1 目镜及其光学特性 97 7.1.1 目镜的光学特性 97 7.1.2 目镜的像差特点 98 7.1.3 目镜的视度调节 98 7.2 目镜的类型 99 第8章 非球面及其在现代光学系统中的应用 103 8.1 非球面概述 103 8.2 非球面的数学表述 104 8.2.1 二次非球面 104 8.2.2 高次非球面 104 8.2.3 Forbes非球面 105 8.2.4 自由曲面 108 8.3 非球面的初级像差 110 8.4 非球面的确定 111 第9章 衍射光学元件及其在现代光学系统中的应用 112 9.1 普通衍射光学元件及其特性 112 9.1.1 衍射光学元件的发展历程 112 9.1.2 衍射光学元件的制作方法 113 9.1.3 衍射光学元件的特性 114 9.2 谐衍射光学元件及其特性 116 9.2.1 谐衍射的概念 116 9.2.2 谐衍射光学元件的色散 118 第10章 梯度折射率透镜及其在现代光学系统中的应用 120 10.1 梯度折射率光学概述 120 10.2 梯度折射率介质中的光线追迹 121 10.3 梯度折射率光学系统像差 128 第11章 红外光学系统设计 131 11.1 红外波段的分类 131 11.2 红外光学系统的特点 131 11.3 红外光学系统的温度特性 132 11.4 红外光学系统的设计原则 133 11.5 红外光学系统的主要参数 133 11.5.1 F数 133 11.5.2 视场 133 11.5.3 焦深和景深 134 11.5.4 *小弥散斑及其角直径 134 11.6 红外光学系统的材料选择 135 11.6.1 红外光学材料的主要性能 135 11.6.2 红外光学材料的特点 136 11.6.3 红外光学材料的种类 136 11.7 红外探测器 139 11.7.1 热探测器 139 11.7.2 光子探测器 140 11.7.3 红外焦平面器件 140 第12章 激光扫描光学系统设计 142 12.1 光束扫描器 142 12.2 扫描方式 144 12.3 fθ透镜的特性 144 12.4 fθ透镜参数确定 145 第13章 变焦光学系统设计 147 13.1 变焦系统的原理 147 13.2 变焦系统的分类 147 13.3 变焦系统的特点 150 13.4 变焦系统的几个重要规律 150 第3部分 Zemax光学设计实例 第14章 Zemax软件及光学设计实例 156 设计实例一 单透镜的设计 160 设计实例二 双胶合望远镜物镜设计 162 设计实例三 40倍生物显微物镜设计 169 设计实例四 双高斯照相物镜设计 172 设计实例五 显微望远光学系统设计 175 设计实例六 折反射式望远物镜设计 189 设计实例七 照明系统设计 196 设计实例八 变焦物镜设计 199 设计实例九 非球面系统设计(带施密特校正板的卡塞格林系统) 208 设计实例十 傅里叶变换透镜设计 212 设计实例十一 Ftheta透镜设计 216 设计实例十二 梯度折射率透镜设计 222 设计实例十三 偏心、倾斜 225 设计实例十四 激光扩束准直系统设计 228 设计实例十五 带有衍射光学元件的平行光管物镜设计 232 参考文献 239