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第1章 绪论 1

1.1 我国成像光学的发展与动力 1

1.2 成像光学的“像”信息本质 2

1.3 成像光学系统的发展动态 3

1.3.1 强度直接成像光学系统的几个重要发展动态 3

1.3.2 光场传输——聚能系统 9

1.3.3 干涉（相位）成像系统 11

1.3.4 偏振成像系统 13

1.4 光学工程的不断发展对光学设计实用方法带来的挑战 14

复习题 15

第2章 光学系统与几何像差 16

2.1 概述 16

2.2 光学系统的结构参数和光学特性参数 17

2.2.1 光学系统的结构参数 17

2.2.2 光学特性参数 19

2.2.3 实际光学系统描述举例 24

2.3 几何像差与光线结构 25

2.3.1 轴上点的像差 25

2.3.2 轴外物点的光线结构与像差 37

2.3.3 轴外像差的一般规律 45

2.4 高级像差的定义与实用计算方法 48

2.4.1 像差与视场、孔径的函数关系 48

2.4.2 高级像差的计算关系式 49

2.5 赛德像差多项式 49

2.5.1 垂轴像差分量表达形式 50

2.5.2 波像差表达形式 50

2.6 像差的曲线表示方法 51

2.6.1 独立几何像差曲线 51

2.6.2 光线像差（垂轴分量）曲线 53

2.7 ZEMAX软件简介 53

2.7.1 ZEMAX的视窗类型 54

2.7.2 主视窗的操作 54

2.8 ZEMAX中光学系统的建立实例 56

2.8.1 设计要求 56

2.8.2 初始结构 56

2.8.3 其他光学特性参数的输入方法 57

2.8.4 ZEMAX中的像质评价方法 61

2.9 ZEMAX中几何像差垂轴表示法（Ray Fans）的解读 72

2.9.1 彗差的提取 74

2.9.2 像面与近轴像面之间离焦量的判别 76

2.9.3 场曲的判别 76

2.9.4 垂轴色差的解读 77

2.9.5 Ray Aberration的地位 77

复习题 78

第3章 光学自动设计原理 80

3.1 概述 80

3.2 广义像差与结构参数的隐晦函数关系 80

3.3 光学自动设计中的优化方法 83

3.3.1 评价函数 83

3.3.2 最小二乘法 84

3.3.3 阻尼最小二乘法（Damped Least Square，DLS） 85

3.3.4 阻尼因子与权因子的自动赋值方法简介 85

3.3.5 边界条件 86

3.4 ZEMAX中评价函数（Merit Function）的构成要素 87

3.5 ZEMAX默认评价函数（Default Merit Function）定义方法 87

3.5.1 RMS或PTV 88

3.5.2 Wavefront或Spot Radius等 88

3.5.3 Centroid/Chief Ray/Mean 89

3.5.4 Pupil Integration Method 89

3.5.5 Thickness Boundary Values 89

3.5.6 其余辅助选项 89

复习题 90

第4章 像差精准优化设计在ZEMAX中的实现方法 91

4.1 概述 91

4.2 ZEMAX中评价函数与现有操作符 92

4.2.1 高斯光学参数（外形尺寸数据） 93

4.2.2 像差控制操作符 94

4.2.3 以主光线为参照的垂轴几何像差 94

4.2.4 以质心为参照垂轴几何像差 95

4.2.5 波像差控制操作符 95

4.2.6 光学传递函数操作符 95

4.2.7 透镜边界条件 96

4.2.8 光学材料控制操作符 97

4.2.9 数学运算操作符 98

4.3 Default Merit Function和现有像差控制操作符的局限性 98

4.3.1 轴上点的像差操作符局限性 98

4.3.2 轴外物点的像差操作符局限性 99

4.4 常见像差控制在评价函数中的实现 99

4.4.1 轴上球差、色差的控制操作符 99

4.4.2 轴外初级像差的控制操作符 102

4.4.3 轴外物点视场孔径高级像差的定义及其控制操作符 104

4.5 ZEMAX中与色差有关操作符的像差计算基准 104

4.5.1 AXCL操作符的计算基准 104

4.5.2 LACL操作符的计算基准 105

4.5.3 TRAY操作符的计算基准 108

4.6 像差设计举例 108

4.6.1 设计要求 109

4.6.2 光学特性特点与像差校正要求 109

4.6.3 初始结构选择 109

4.6.4 优化设计 110

复习题 117

第5章 薄透镜系统的初级像差理论 118

5.1 概述 118

5.2 薄透镜系统的初级像差方程组 118

5.3 薄透镜组的普遍像差性质 121

5.3.1 薄透镜组的单色像差特性 121

5.3.2 薄透镜组的色差特性 122

5.4 单薄透镜组——双胶合、三胶合透镜像差校正能力的局限性 123

5.5 基于ZEMAX软件仿真的单透镜像差性质的讨论 124

5.5.1 物位于无限远时球差随透镜形状的变化规律 124

5.5.2 保持焦距、透镜形状不变，球差随折射率的变化规律 126

5.5.3 物位于无限远时光瞳在透镜上的彗差规律 127

5.5.4 孔径光阑远离单透镜的彗差规律 128

5.5.5 像散随孔径光阑位置的变化规律 131

5.6 平行平板引入的像差讨论 133

5.6.1 平行玻璃板的初级像差公式 133

5.6.2 倾斜平行玻璃板引起像散的校正方法 136

5.7 光学系统消场曲的条件 137

5.7.1 正、负光焦度远离的薄透镜系统 137

5.7.2 弯月形厚透镜 138

5.7.3 消场曲条件典型应用 138

复习题 139

第6章 衍射成像与像质评价 140

6.1 衍射成像及基本概念 140

6.1.1 衍射成像 140

6.1.2 成像基本概念 142

6.2 综合像质评价指标 146

6.2.1 波像差与像差容限 146

6.2.2 斯特列尔值 147

6.2.3 调制传递函数 148

6.2.4 点列图 152

6.3 像差容限 153

6.4 天文光学中的椭率 153

复习题 155

第7章 玻璃库与玻璃的选择 156

7.1 材料特性概述 156

7.2 玻璃图和部分色散 158

7.3 玻璃牌号的命名规律与折射率特征 161

7.4 玻璃选择的参数化范例 161

7.5 选择玻璃的方法 165

7.5.1 可用性 165

7.5.2 光谱透射性 166

7.5.3 应力双折射对折射率的影响 166

7.5.4 化学特性 166

7.5.5 热膨胀特性 166

7.6 塑料光学材料 167

7.7 红外材料 168

7.7.1 锗 170

7.7.2 硅 171

7.7.3 硫化锌 171

7.7.4 硒化锌 172

7.7.5 AMTIR Ⅰ和AMTIR Ⅲ 172

7.7.6 氟化镁 172

7.7.7 蓝宝石 172

7.7.8 三硫化砷 172

7.7.9 其他可用材料 172

7.8 高折射率的红外材料有利于降低像差的讨论 173

复习题 175

第8章 透镜分裂与组合 176

8.1 透镜分裂的理论依据 176

8.2 光刻投影系统 179

8.3 干涉仪光学系统 180

8.4 透镜的组合 183

复习题 183

第9章 像差精准控制方法的应用实践 184

9.1 特殊像差控制要求的物镜设计 184

9.1.1 目标像差不为0的望远物镜设计 184

9.1.2 高级像差精准控制的物镜设计 187

9.1.3 多组分系统的分组独立像差校正设计方法 190

9.2 物方远心光路的无限筒长显微物镜与管镜设计 195

9.2.1 显微物镜的特点 195

9.2.2 物方远心无限筒长物镜设计举例 196

9.2.3 远心光路定义 198

9.2.4 管镜设计 199

9.2.5 物镜与管镜合成 200

9.3 光瞳外置光学模拟器与目镜设计 200

9.3.1 光瞳外置的光学模拟器设计 201

9.3.2 光瞳外置的目镜设计 202

9.3.3 凯涅尔目镜设计 206

复习题 208

第10章 照明系统的设计 210

10.1 照明系统的基本概念 210

10.2 阿贝照明和柯勒照明 211

10.3 光学不变量和面角积 212

10.4 太阳模拟器匀光系统的设计 214

10.5 其他类型的照明系统 216

复习题 217

第11章 自由曲面光学设计 218

11.1 自由曲面定义方法 218

11.1.1 正交多项式 219

11.1.2 非正交多项式 226

11.1.3 局部面型可控的函数 227

11.1.4 离散数据点表征的数值化正交多项式 229

11.2 自由曲面初始结构的生成方法 231

11.2.1 基于专利数据库或已有系统优化 231

11.2.2 对同轴结构做离轴化处理 232

11.2.3 直接设计法 235

11.2.4 基于无像差点曲面的微区分段拼接融合方法 239

11.3 自由曲面光学系统的优化方法 245

11.4 自由曲面光学系统的设计实例 247

11.4.1 自由曲面光谱仪的优化设计 247

11.4.2 自由曲面两反远心扫描镜的优化设计 258

复习题 265

第12章 新型光学系统设计方法 266

12.1 消色差衍射光学元件设计 266

12.1.1 衍射光学元件工作原理 266

12.1.2 等效非球面相位 268

12.1.3 色散 268

12.1.4 消色差折衍混合透镜设计 269

12.2 消球差衍射光学元件设计 273

12.3 超透镜设计 277

12.3.1 简介 277

12.3.2 超透镜的设计流程 279

12.3.3 超透镜设计实例 279

12.4 宽光谱大数值孔径平场复消色差物镜设计 281

12.4.1 设计指标 282

12.4.2 光焦度分配方案 282

12.4.3 初始结构确定 283

12.4.4 优化设计结果 289

12.4.5 设计结果对比与讨论 293

12.4.6 公差分析 294

12.4.7 设计总结 299

12.5 大视场胶囊物镜的拼接融合型光学设计方法 300

12.5.1 双通道大视场紧凑型成像系统的结构选型 300

12.5.2 环形拼接Q非球面的定义及其特征 303

12.5.3 胶囊内窥物镜系统的光学设计 305

12.5.4 设计总结 317

12.6 基于视场分割的同心球内窥镜设计方法 317

12.6.1 基于视场分割的阵列面型设计理念 318

12.6.2 基于同心球内窥镜的设计指标 319

12.6.3 双层同心球结构的求解 319

12.6.4 基于视场分割的微透镜阵列系统设计 323

12.6.5 多环带Q非球面视场拼接设计方法 328

12.6.6 多环带Q非球面视场拼接设计结果与评价 332

12.6.7 设计总结 335

复习题 335

参考文献 337

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