近代光学系统设计概论

第1章 概述 1 

1.1 光学成像系统的最新进展 1 

1.2 光学玻璃的进展 5 

1.3 新一代光学设计软件的开发 7 

1.4 近代光学设计的特点 8 

1.4.1 传统光学设计 8 

1.4.2 近代光学设计理念和设计流程 8 

1.4.3 小视场物镜的直接设计 8 

1.4.4 etendue分析和光学系统的F-w空间 9 

1.4.5 复杂系统设计 10 

1.5 像质评价指标和评价函数 11 

1.5.1 像差 11 

1.5.2 评价函数 12 

1.6 本章小结 13 

第2章 应用光学基础 14 

2.1 引言 14 

2.1.1 光学设计和应用光学 14 

2.1.2 成像系统的一般模型 14 

2.1.3 符号规则 15 

2.1.4 理想光学 15 

2.2 薄透镜成像、光焦度和偏角公式 17 

2.2.1 光线经过薄透镜的折射 17 

2.2.2 光焦度与偏角 17 

2.2.3 分离薄透镜的偏角公式 19 

2.2.4 分离薄透镜设计 20 

2.3 光波的波段和材料 21 

2.4 光学系统图、视场和孔径 22 

2.4.1 光学系统图 22 

2.4.2 视场 23 

2.4.3 孔径 23 

2.4.4 归一化 25 

2.5 放大率 25 

2.5.1 横向放大率和纵向放大率 25 

2.5.2 角放大率 26 

2.6 焦深 27 

2.6.1 离焦 27 

2.6.2 衍射极限成像系统的焦深 28 

2.6.3 物方焦深和像方焦深 29 

2.7 光学系统的基面和基点 29 

2.7.1 主平面、焦平面和节平面 29 

2.7.2 透镜 30 

2.7.3 透镜的基点和基面 31 

2.8 光阑、光瞳和渐晕 32 

2.8.1 光阑和光瞳 32 

2.8.2 光阑的直径和弥散 32 

2.8.3 光阑的位置和渐晕 33 

2.9 光度学基础：成像系统像面的照度 35 

2.9.1 辐射通量和光通量 35 

2.9.2 发光强度和亮度 36 

2.9.3 余弦发射体 36 

2.9.4 光学系统像的轴上点的亮度和照度 37 

2.9.5 光学系统轴外像点的照度 38 

2.9.6 相对照度的余弦四次方定律与软件计算结果的比对 41 

2.9.7 倾斜安置监控物镜的照度估算实例 42 

2.10 光通量传递的etendue分析 43 

2.11 本章小结 44 

第3章 成像信息的传递和像质评价 45 

3.1 引言 45 

3.2 衍射极限系统和近衍射极限系统 45 

3.2.1 衍射极限系统 45 

3.2.2 近衍射极限系统 46 

3.3 光线追迹 47 

3.3.1 主光线和点扩散函数 47 

3.3.2 上光线、下光线和“大光线” 48 

3.4 球差和纵向色差 48 

3.4.1 球差 48 

3.4.2 纵向色差 50 

3.5 轴外像差 51 

3.5.1 彗差 52 

3.5.2 场曲和像散 52 

3.5.3 畸变 56 

3.5.4 横向色差 56 

3.6 特性曲线和弥散斑图(点列图) 57 

3.6.1 光线的扇形分布和特性曲线 57 

3.6.2 弥散斑图 59 

3.7 光学传递函数 59 

3.7.1 声音频率和图像频率 59 

3.7.2 衍射极限系统的光学传递函数 61 

3.7.3 用光学传递函数来评价像质 62 

3.8 高斯型弥散斑的传递函数、半峰全宽和分辨率 63 

3.8.1 贝塞尔函数的积分公式 63 

3.8.2 弥散斑的RMS半径 63 

3.8.3 弥散斑的半峰全宽和分辨率 64 

3.8.4 MTF的解析表达式 65 

3.8.5 1/e2带宽 65 

3.8.6 等效带宽 66 

3.9 像素探测器阵列CCD、CMOS和器件截止频率 68 

3.10 光学信号的etendue分析 69 

3.10.1 空间带宽积和一维etendue分析 69 

3.10.2 探测器和光学系统的etendue匹配 70 

3.10.3 光学系统的etendue指标 71 

3.11 本章小结 71 

参考文献 71 

第4章 双胶合和双分离消色差物镜 72 

4.1 双胶合消色差物镜 72 

4.1.1 双胶合消色差物镜简介 72 

4.1.2 球差和纵向色差 73 

4.1.3 弥散斑和轴外像差 74 

4.2 双胶合消色差物镜的信息量和定义区间 75 

4.3 初级球差和高级球差 76 

4.4 双胶合消色差物镜设计方法 77 

4.4.1 流行的设计方法 77 

4.4.2 设计指标四要素：“适用波段、相对孔径、视场和焦距” 77 

4.4.3 双胶合物镜对像差的校正 77 

4.4.4 焦距缩放 78 

4.4.5 设计实例 78 

4.5 评价函数的“SPHERICAL”(球差校正)模块和“ACHROMATIC”(色差校正)模块 80 

4.5.1 焦距EFFL 80 

4.5.2 “ACHROMATIC”(色差校正)模块 80 

4.5.3 “SPHERICAL”(球差校正)模块 82 

4.5.4 评价函数第2节“默认评价函数”(default merit function)的弥散斑校正设置 83 

4.6 有限共轭距双胶合成像系统设计 83 

4.6.1 有限共轭距时关于“孔径”的几个定义 83 

4.6.2 有限共轭距双胶合消色差准直镜设计方法 84 

4.7 双分离消色差物镜设计 84 

4.7.1 双胶合消色差物镜的设计极限 84 

4.7.2 双分离消色差物镜设计方法 85 

4.8 带棱镜(平板)的双胶合消色差物镜 86 

4.8.1 棱镜(平板)的加入 86 

4.8.2 HAMMER优化和更换玻璃 87 

4.8.3 将平板改为45±反射棱镜 88 

4.9 本章小结 89 

附录4.1 技术指标、像差曲线和结构参数 90 

附录4.2 [DB-2]-SPLIT技术指标、像差曲线和结构参数 96 

附录4.3 [DB-5]-PRISM技术指标、像差曲线和结构参数 97 

附录4.4 评价函数ACHROMATIC-3 98 

第5章 三片及四片式消色差准直镜/望远物镜 99 

5.1 引言 99 

5.2 光焦度与偏角 99 

5.3 “双胶合+单片”物镜与双胶合透镜性能比对 100 

5.4 三片及四片式物镜典型设计 101 

5.4.1 “2+1”型三片式物镜 101 

5.4.2 “1+2”型三片式物镜 102 

5.4.3 三胶合和四胶合物镜 103 

5.4.4 三分离和四分离物镜 104 

5.5 长入瞳距物镜 105 

5.6 “双胶合+单片”(“2+1”)物镜设计(I) 107 

5.6.1 前后组参数计算 107 

5.6.2 设计流程 107 

5.7 “双胶合+单片”(“2+1”)物镜设计(II) 109 

5.8 分光棱镜的插入操作 110 

5.9 带有棱镜的望远系统设计 112 

5.9.1 低倍开普勒望远镜 112 

5.9.2 低倍开普勒望远镜设计方法 112 

5.10 本章小结 114 

附录5.1 技术指标、像差曲线和结构参数 115 

附录5.2 评价函数 134 

第6章 二级光谱和复消色差航摄望远物镜 135 

6.1 长焦距双胶合消色差准直镜的二级光谱 135 

6.2 二级光谱的波像差 136 

6.3 光学玻璃的色散特性和阿贝公式 137 

6.3.1 光学玻璃所用的特征谱线 137 

6.3.2 中部色散和相对部分色散 137 

6.3.3 阿贝公式和反常材料 138 

6.4 双胶合复消色差准直镜设计 140 

6.5 光学设计的极限 142 

附录6 技术指标、像差曲线和结构参数 143 

第7章 柯克物镜 152 

7.1 有限共轭距成像系统 152 

7.2 典型的柯克物镜 153 

7.2.1 典型的柯克物镜[CK-A]、[CK-B] 153 

7.2.2 柯克物镜的佩茨瓦尔半径 156 

7.3 柯克物镜的定义域和F-w空间 156 

7.3.1 柯克物镜的参考设计 156 

7.3.2 柯克物镜的平场特性分析 156 

7.3.3 柯克物镜的定义域和etendue分析 157 

7.4 柯克物镜设计 158 

7.4.1 无限共轭距柯克物镜设计 158 

7.4.2 有限共轭距柯克物镜设计 161 

7.4.3 探测器和传递函数 163 

7.5 玻璃的选配和演变 163 

7.6 近紫外-深红超宽带柯克物镜 165 

7.7 柯克物镜的评价函数“FIXED-3A-SIMPLE” 166 

7.7.1 角视场模块 166 

7.7.2 放大率和焦距模块 167 

7.7.3 共轭距、物镜长度、物距、像距和畸变模块 167 

7.7.4 中心和边缘厚度边界条件模块 167 

7.7.5 “默认评价函数”设置 168 

7.7.6 设置评价函数的要点 169 

7.8 光阑像差和光线对准操作 169 

7.9 本章小结 170 

附录7.1 技术指标、像差曲线和结构参数 171 

附录7.2 评价函数“FIXED-3A-SIMPLE” 187 

第8章 天塞物镜及其变形 188 

8.1 引言 188 

8.2 典型的天塞物镜 188 

8.3 天塞物镜的F-w空间 189 

8.4 拦光操作 190 

8.5 变形天塞物镜 191 

8.6 海利亚物镜 193 

8.7 本章小结 194 

附录8.1 天塞及其变形物镜技术指标、像差曲线和结构参数 195 

附录8.2 评价函数TESSA 212 

第9章 双高斯物镜及其变形 213 

9.1 引言 213 

9.2 单反相机物镜 214 

9.3 拦光和斜光束渐晕 215 

9.4 换玻璃操作 216 

9.5 双高斯物镜的典型设计 217 

9.6 双高斯物镜的F-w空间 221 

9.7 双高斯扫描仪物镜 222 

9.8 双高斯照相机物镜设计 223 

9.9 本章小结 225 

附录9.1 技术指标、像差曲线和结构参数 226 

附录9.2 FIXED-3A-SIMPLE优化函数 244 

第10章 有限共轭距近对称成像物镜 245 

10.1 引言 245 

10.2 有限共轭距成像的理想光学基本公式 245 

10.2.1 共轭距L、横向放大率β和焦距f' 245 

10.2.2 物高y、像高y'和孔径角 245 

10.2.