近代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概論

第1章 概述 1 

1.1 光學(xué)成像系統(tǒng)的最新進(jìn)展 1 

1.2 光學(xué)玻璃的進(jìn)展 5 

1.3 新一代光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā) 7 

1.4 近代光學(xué)設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 8 

1.4.1 傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì) 8 

1.4.2 近代光學(xué)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)流程 8 

1.4.3 小視場物鏡的直接設(shè)計(jì) 8 

1.4.4 etendue分析和光學(xué)系統(tǒng)的F-w空間 9 

1.4.5 復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 

1.5 像質(zhì)評價指標(biāo)和評價函數(shù) 11 

1.5.1 像差 11 

1.5.2 評價函數(shù) 12 

1.6 本章小結(jié) 13 

第2章 應(yīng)用光學(xué)基礎(chǔ) 14 

2.1 引言 14 

2.1.1 光學(xué)設(shè)計(jì)和應(yīng)用光學(xué) 14 

2.1.2 成像系統(tǒng)的一般模型 14 

2.1.3 符號規(guī)則 15 

2.1.4 理想光學(xué) 15 

2.2 薄透鏡成像、光焦度和偏角公式 17 

2.2.1 光線經(jīng)過薄透鏡的折射 17 

2.2.2 光焦度與偏角 17 

2.2.3 分離薄透鏡的偏角公式 19 

2.2.4 分離薄透鏡設(shè)計(jì) 20 

2.3 光波的波段和材料 21 

2.4 光學(xué)系統(tǒng)圖、視場和孔徑 22 

2.4.1 光學(xué)系統(tǒng)圖 22 

2.4.2 視場 23 

2.4.3 孔徑 23 

2.4.4 歸一化 25 

2.5 放大率 25 

2.5.1 橫向放大率和縱向放大率 25 

2.5.2 角放大率 26 

2.6 焦深 27 

2.6.1 離焦 27 

2.6.2 衍射極限成像系統(tǒng)的焦深 28 

2.6.3 物方焦深和像方焦深 29 

2.7 光學(xué)系統(tǒng)的基面和基點(diǎn) 29 

2.7.1 主平面、焦平面和節(jié)平面 29 

2.7.2 透鏡 30 

2.7.3 透鏡的基點(diǎn)和基面 31 

2.8 光闌、光瞳和漸暈 32 

2.8.1 光闌和光瞳 32 

2.8.2 光闌的直徑和彌散 32 

2.8.3 光闌的位置和漸暈 33 

2.9 光度學(xué)基礎(chǔ)：成像系統(tǒng)像面的照度 35 

2.9.1 輻射通量和光通量 35 

2.9.2 發(fā)光強(qiáng)度和亮度 36 

2.9.3 余弦發(fā)射體 36 

2.9.4 光學(xué)系統(tǒng)像的軸上點(diǎn)的亮度和照度 37 

2.9.5 光學(xué)系統(tǒng)軸外像點(diǎn)的照度 38 

2.9.6 相對照度的余弦四次方定律與軟件計(jì)算結(jié)果的比對 41 

2.9.7 傾斜安置監(jiān)控物鏡的照度估算實(shí)例 42 

2.10 光通量傳遞的etendue分析 43 

2.11 本章小結(jié) 44 

第3章 成像信息的傳遞和像質(zhì)評價 45 

3.1 引言 45 

3.2 衍射極限系統(tǒng)和近衍射極限系統(tǒng) 45 

3.2.1 衍射極限系統(tǒng) 45 

3.2.2 近衍射極限系統(tǒng) 46 

3.3 光線追跡 47 

3.3.1 主光線和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) 47 

3.3.2 上光線、下光線和“大光線” 48 

3.4 球差和縱向色差 48 

3.4.1 球差 48 

3.4.2 縱向色差 50 

3.5 軸外像差 51 

3.5.1 彗差 52 

3.5.2 場曲和像散 52 

3.5.3 畸變 56 

3.5.4 橫向色差 56 

3.6 特性曲線和彌散斑圖(點(diǎn)列圖) 57 

3.6.1 光線的扇形分布和特性曲線 57 

3.6.2 彌散斑圖 59 

3.7 光學(xué)傳遞函數(shù) 59 

3.7.1 聲音頻率和圖像頻率 59 

3.7.2 衍射極限系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù) 61 

3.7.3 用光學(xué)傳遞函數(shù)來評價像質(zhì) 62 

3.8 高斯型彌散斑的傳遞函數(shù)、半峰全寬和分辨率 63 

3.8.1 貝塞爾函數(shù)的積分公式 63 

3.8.2 彌散斑的RMS半徑 63 

3.8.3 彌散斑的半峰全寬和分辨率 64 

3.8.4 MTF的解析表達(dá)式 65 

3.8.5 1/e2帶寬 65 

3.8.6 等效帶寬 66 

3.9 像素探測器陣列CCD、CMOS和器件截止頻率 68 

3.10 光學(xué)信號的etendue分析 69 

3.10.1 空間帶寬積和一維etendue分析 69 

3.10.2 探測器和光學(xué)系統(tǒng)的etendue匹配 70 

3.10.3 光學(xué)系統(tǒng)的etendue指標(biāo) 71 

3.11 本章小結(jié) 71 

參考文獻(xiàn) 71 

第4章 雙膠合和雙分離消色差物鏡 72 

4.1 雙膠合消色差物鏡 72 

4.1.1 雙膠合消色差物鏡簡介 72 

4.1.2 球差和縱向色差 73 

4.1.3 彌散斑和軸外像差 74 

4.2 雙膠合消色差物鏡的信息量和定義區(qū)間 75 

4.3 初級球差和高級球差 76 

4.4 雙膠合消色差物鏡設(shè)計(jì)方法 77 

4.4.1 流行的設(shè)計(jì)方法 77 

4.4.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)四要素：“適用波段、相對孔徑、視場和焦距” 77 

4.4.3 雙膠合物鏡對像差的校正 77 

4.4.4 焦距縮放 78 

4.4.5 設(shè)計(jì)實(shí)例 78 

4.5 評價函數(shù)的“SPHERICAL”(球差校正)模塊和“ACHROMATIC”(色差校正)模塊 80 

4.5.1 焦距EFFL 80 

4.5.2 “ACHROMATIC”(色差校正)模塊 80 

4.5.3 “SPHERICAL”(球差校正)模塊 82 

4.5.4 評價函數(shù)第2節(jié)“默認(rèn)評價函數(shù)”(default merit function)的彌散斑校正設(shè)置 83 

4.6 有限共軛距雙膠合成像系統(tǒng)設(shè)計(jì) 83 

4.6.1 有限共軛距時關(guān)于“孔徑”的幾個定義 83 

4.6.2 有限共軛距雙膠合消色差準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì)方法 84 

4.7 雙分離消色差物鏡設(shè)計(jì) 84 

4.7.1 雙膠合消色差物鏡的設(shè)計(jì)極限 84 

4.7.2 雙分離消色差物鏡設(shè)計(jì)方法 85 

4.8 帶棱鏡(平板)的雙膠合消色差物鏡 86 

4.8.1 棱鏡(平板)的加入 86 

4.8.2 HAMMER優(yōu)化和更換玻璃 87 

4.8.3 將平板改為45±反射棱鏡 88 

4.9 本章小結(jié) 89 

附錄4.1 技術(shù)指標(biāo)、像差曲線和結(jié)構(gòu)參數(shù) 90 

附錄4.2 [DB-2]-SPLIT技術(shù)指標(biāo)、像差曲線和結(jié)構(gòu)參數(shù) 96 

附錄4.3 [DB-5]-PRISM技術(shù)指標(biāo)、像差曲線和結(jié)構(gòu)參數(shù) 97 

附錄4.4 評價函數(shù)ACHROMATIC-3 98 

第5章 三片及四片式消色差準(zhǔn)直鏡/望遠(yuǎn)物鏡 99 

5.1 引言 99 

5.2 光焦度與偏角 99 

5.3 “雙膠合+單片”物鏡與雙膠合透鏡性能比對 100 

5.4 三片及四片式物鏡典型設(shè)計(jì) 101 

5.4.1 “2+1”型三片式物鏡 101 

5.4.2 “1+2”型三片式物鏡 102 

5.4.3 三膠合和四膠合物鏡 103 

5.4.4 三分離和四分離物鏡 104 

5.5 長入瞳距物鏡 105 

5.6 “雙膠合+單片”(“2+1”)物鏡設(shè)計(jì)(I) 107 

5.6.1 前后組參數(shù)計(jì)算 107 

5.6.2 設(shè)計(jì)流程 107 

5.7 “雙膠合+單片”(“2+1”)物鏡設(shè)計(jì)(II) 109 

5.8 分光棱鏡的插入操作 110 

5.9 帶有棱鏡的望遠(yuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 112 

5.9.1 低倍開普勒望遠(yuǎn)鏡 112 

5.9.2 低倍開普勒望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方法 112 

5.10 本章小結(jié) 114 

附錄5.1 技術(shù)指標(biāo)、像差曲線和結(jié)構(gòu)參數(shù) 115 

附錄5.2 評價函數(shù) 134 

第6章 二級光譜和復(fù)消色差航攝望遠(yuǎn)物鏡 135 

6.1 長焦距雙膠合消色差準(zhǔn)直鏡的二級光譜 135 

6.2 二級光譜的波像差 136 

6.3 光學(xué)玻璃的色散特性和阿貝公式 137 

6.3.1 光學(xué)玻璃所用的特征譜線 137 

6.3.2 中部色散和相對部分色散 137 

6.3.3 阿貝公式和反常材料 138 

6.4 雙膠合復(fù)消色差準(zhǔn)直鏡設(shè)計(jì) 140 

6.5 光學(xué)設(shè)計(jì)的極限 142 

附錄6 技術(shù)指標(biāo)、像差曲線和結(jié)構(gòu)參數(shù) 143 

第7章 柯克物鏡 152 

7.1 有限共軛距成像系統(tǒng) 152 

7.2 典型的柯克物鏡 153 

7.2.1 典型的柯克物鏡[CK-A]、[CK-B] 153 

7.2.2 柯克物鏡的佩茨瓦爾半徑 156 

7.3 柯克物鏡的定義域和F-w空間 156 

7.3.1 柯克物鏡的參考設(shè)計(jì) 156 

7.3.2 柯克物鏡的平場特性分析 156 

7.3.3 柯克物鏡的定義域和etendue分析 157 

7.4 柯克物鏡設(shè)計(jì) 158 

7.4.1 無限共軛距柯克物鏡設(shè)計(jì) 158 

7.4.2 有限共軛距柯克物鏡設(shè)計(jì) 161 

7.4.3 探測器和傳遞函數(shù) 163 

7.5 玻璃的選配和演變 163 

7.6 近紫外-深紅超寬帶柯克物鏡 165 

7.7 柯克物鏡的評價函數(shù)“FIXED-3A-SIMPLE” 166 

7.7.1 角視場模塊 166 

7.7.2 放大率和焦距模塊 167 

7.7.3 共軛距、物鏡長度、物距、像距和畸變模塊 167 

7.7.4 中心和邊緣厚度邊界條件模塊 167 

7.7.5 “默認(rèn)評價函數(shù)”設(shè)置 168 

7.7.6 設(shè)置評價函數(shù)的要點(diǎn) 169 

7.8 光闌像差和光線對準(zhǔn)操作 169 

7.9 本章小結(jié) 170 

附錄7.1 技術(shù)指標(biāo)、像差曲線和結(jié)構(gòu)參數(shù) 171 

附錄7.2 評價函數(shù)“FIXED-3A-SIMPLE” 187 

第8章 天塞物鏡及其變形 188 

8.1 引言 188 

8.2 典型的天塞物鏡 188 

8.3 天塞物鏡的F-w空間 189 

8.4 攔光操作 190 

8.5 變形天塞物鏡 191 

8.6 海利亞物鏡 193 

8.7 本章小結(jié) 194 

附錄8.1 天塞及其變形物鏡技術(shù)指標(biāo)、像差曲線和結(jié)構(gòu)參數(shù) 195 

附錄8.2 評價函數(shù)TESSA 212 

第9章 雙高斯物鏡及其變形 213 

9.1 引言 213 

9.2 單反相機(jī)物鏡 214 

9.3 攔光和斜光束漸暈 215 

9.4 換玻璃操作 216 

9.5 雙高斯物鏡的典型設(shè)計(jì) 217 

9.6 雙高斯物鏡的F-w空間 221 

9.7 雙高斯掃描儀物鏡 222 

9.8 雙高斯照相機(jī)物鏡設(shè)計(jì) 223 

9.9 本章小結(jié) 225 

附錄9.1 技術(shù)指標(biāo)、像差曲線和結(jié)構(gòu)參數(shù) 226 

附錄9.2 FIXED-3A-SIMPLE優(yōu)化函數(shù) 244 

第10章 有限共軛距近對稱成像物鏡 245 

10.1 引言 245 

10.2 有限共軛距成像的理想光學(xué)基本公式 245 

10.2.1 共軛距L、橫向放大率β和焦距f' 245 

10.2.2 物高y、像高y'和孔徑角 245 

10.2.