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出版者:机械工业出版社

作者:邱言龙

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:2001-7-1

价格:15.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787111089056

丛书系列:

图书标签:

• 钳工
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• 工业技术

现代光学系统设计与优化 作者： [此处可填写作者名，例如：张伟、李教授] 出版社： [此处可填写出版社名，例如：科学技术出版社] ISBN： [此处可填写ISBN] --- 内容简介 本书旨在为光学工程、精密仪器制造、光电子技术等领域的专业人士和高年级学生提供一套全面、深入且极具实践指导意义的现代光学系统设计与优化方法论。它不仅仅是一本理论教材，更是一本结合最新工程实践和前沿技术趋势的工具书，旨在帮助读者跨越理论与实际应用之间的鸿沟，高效地解决复杂光学系统的设计难题。 全书内容围绕“从需求定义到系统集成与性能验证”这一完整流程展开，系统性地涵盖了现代光学系统设计所需的所有关键环节。 --- 第一部分：光学系统设计基础与前置分析 (Fundamentals and Preliminary Analysis) 本部分奠定了坚实的基础，强调在开始具体设计之前，对系统需求进行精确界定和对物理限制进行充分评估的重要性。 第一章：光学系统需求的量化与规格定义 本章深入探讨了如何将模糊的工程目标转化为精确、可测量的光学规格。内容包括： 1. 成像质量指标体系： 详细解析了调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）、波前误差均方根（RMS WFE）、弥散斑尺寸等核心指标的物理意义、计算方法及其在不同应用（如遥感、生物成像、半导体光刻）中的权重分配。 2. 杂散光与环境适应性分析： 阐述了系统级杂散光（Stray Light）的来源分类（内部反射、透射、散射）及其影响。同时，分析了温度漂移、机械振动、气压变化对光学系统公差和稳定性的影响，引入了热-机-光耦合分析（Thermo-Opto-Mechanical Coupling, TOMC）的基本概念。 3. 系统预算分配： 重点介绍如何进行误差预算的分配，包括公差预算（Tolerance Budgeting）和性能预算（Performance Budgeting），确保设计方案在可制造性和成本约束下仍能达到预期的性能指标。 第二章：几何光学与初级系统布局 本章回顾并深化了几何光学在系统级布局中的应用，特别关注于大视场和高分辨率系统的初步构型选择。 1. 成像系统基础理论回顾： 详细阐述了理想光学系统的特性，包括斯奈尔定律在复杂曲面上的应用，以及对系统像差（球差、彗差、像散、场曲、色差）的系统性分类和初步校正思路。 2. 系统布局策略： 探讨了常见的成像系统拓扑结构，如开普勒望远镜、伽利略望远镜、折反射系统（施密特、麦克斯托夫、卡塞格林）的优缺点及其适用场景。重点讲解了广义共轭原理在多镜系统中的应用，以确定最佳的系统焦距和放大倍率。 3. 光路图的绘制与解析： 教授如何使用光线追迹（Ray Tracing）工具进行初级光路图的快速构建和关键参数的迭代计算。 --- 第二部分：物理光学与像差深度校正 (Physical Optics and Aberration Correction) 本部分聚焦于衍射效应、偏振效应以及利用非球面、衍射光学元件（DOE）进行复杂像差的精确校正。 第三章：衍射效应与物理光学分析 现代高分辨率系统不可避免地受到衍射限制。本章详细阐述了如何从物理光学的角度评估系统性能。 1. 衍射极限与归一化: 介绍艾里斑（Airy Pattern）理论，计算系统的衍射极限分辨率，并明确何时需要从几何光学转向物理光学进行评估。 2. 光瞳函数与MTF的精确计算： 详细讲解了光瞳函数（Pupil Function）的构造，以及如何通过傅里叶光学方法精确计算物理光学MTF，特别是当系统包含复杂的相位调制元件（如DOE或自由曲面）时。 3. 离轴像差的挑战： 针对离轴成像系统（如平板照相机、倾斜扫描系统），深入分析了场曲和畸变等像差的物理本质，并引入了广义光线倾斜度（Generalized Ray Slope）的概念来简化分析。 第四章：先进光学元件的应用与设计 本章是本书的核心实践部分，重点介绍如何使用非传统元件来突破传统球面系统的限制。 1. 非球面设计与优化： 详细介绍非球面方程的数学形式（如二次曲面、偶次多项式非球面），以及如何利用非球面将多个球面像差（如球差、彗差）耦合校正。讨论了非球面的制造公差对系统性能的敏感性分析。 2. 衍射光学元件（DOE）的集成： 阐述了DOE在色散校正、波长复用和波前整形中的应用。包括相位型DOE的设计原理（如亚波长结构、多层膜设计）及其在系统中的集成与对准要求。 3. 自由曲面光学（Freeform Optics）： 介绍Zernike多项式和NURBS曲面在描述和优化复杂光学表面中的作用。重点讨论如何利用自由曲面一步校正高阶像差或实现紧凑的光学系统布局，以及自由曲面的逆向设计流程。 --- 第三部分：系统优化、公差分析与制造考量 (Optimization, Tolerance, and Manufacturing) 本部分将理论设计转化为可制造和可验证的工程产品。 第五章：优化算法与设计收敛 本章讲解了现代光学设计软件背后的优化理论，并指导读者如何有效地使用这些工具。 1. 优化目标函数构建： 阐述了如何构建一个包含性能指标、物理约束（如元件厚度、间距、曲率半径限制）和制造限制的综合目标函数。 2. 优化算法详解： 对比分析了梯度下降法、牛顿法、阻尼最小二乘法（Damped Least Squares, DLS）以及全局搜索算法（如模拟退火法）在光学优化中的应用场景和收敛特性。强调了如何避免陷入局部最优解的策略。 3. 序列优化与并行优化流程： 介绍从宏观布局到微观像差校正的迭代优化流程，以及如何利用并行计算加速复杂的物理光学优化过程。 第六章：公差分析与制造影响评估 一个优秀的设计必须是稳健的。本章是连接设计与生产的关键桥梁。 1. 灵敏度分析与蒙特卡洛模拟： 详细介绍如何通过对设计参数（曲率、厚度、折射率、元件位置）进行随机微小扰动，评估系统性能的敏感度。讲解如何运用蒙特卡洛方法，基于制造公差的统计分布，预测系统的最终成品率（Yield Rate）。 2. 公差分配策略： 介绍基于敏感度权重和成本效益的公差分配方法，确定哪些元件的加工精度要求最高。 3. 制造工艺对设计选择的反馈： 分析不同制造工艺（如研磨抛光、注塑成型、玻璃模压、3D打印/增材制造）对曲面精度、表面粗糙度和材料选择的影响，指导设计人员做出实际可行且经济的方案。 第七章：系统集成与性能验证 本章关注系统装调、测试和实际应用中的挑战。 1. 装调策略： 讨论了光学元件的对中（Alignment）技术，包括倾斜（Tilt）和偏心（Decenter）的补偿方法。介绍使用自适应光学（AO）技术对残余像差进行实时校正的原理。 2. 计量与测试： 详细介绍了系统级性能测试的标准方法，包括干涉仪测量波前误差、Hartmann/Shack-Hartmann传感器测量点扩散函数，以及实际目标成像测试流程。 3. 应用案例研究： 通过分析几个典型的工程案例（如高倍率显微物镜、高精度激光扫描头），展示如何将前述所有理论和方法整合应用于实际系统的设计与实现全过程。 --- 附录 附录 A： 常用光学材料的热力学与色散参数表 附录 B： Zernike多项式系数表及其与经典像差的对应关系 附录 C： 常用光学设计软件（如Zemax OpticStudio, Code V）的高级操作技巧与宏语言编程示例。 本书的深度和广度，使其成为光学系统设计人员案边不可或缺的参考手册，确保读者能够设计出性能卓越、稳定可靠且具备良好可制造性的下一代光学系统。

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坦白说，我对机械制图的恐惧感由来已久，那些密密麻麻的尺寸标注和投影关系，对我来说简直是天书。然而，这本书在讲解“读图基础”时，采取了一种非常聪明的教学方法。它没有一开始就抛出复杂的标准件图纸，而是从最简单的二维视图入手，然后逐步过渡到三维空间的想象构建。书中专门用了好几页篇幅，用侧视图、主视图和俯视图的相互转化，来训练读者的空间感知能力。我发现，很多时候我们看不懂图纸，是因为我们的大脑没有建立起一个可靠的“翻译机制”。这本书就像是提供了一个完美的翻译字典，让我能够把图纸上的线条和符号，迅速在大脑中重构出一个真实的零件模型。更让我印象深刻的是，书中还穿插了一些常见零件的爆炸图和剖视图解析，通过这些“解剖”，我才真正理解了内部结构是如何配合工作的。这本书成功地将一个枯燥的理论学科，变成了一个需要动脑筋的侦探游戏，让我体会到了阅读技术图纸的乐趣。

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这本书在讲解材料处理和热处理基础知识的部分，可以说是非常厚道和实用的。很多入门书籍往往为了图省事，会把这部分内容一笔带过，只提一些概念性的东西。但这本书却详细地介绍了常用碳素钢和合金钢的特性，比如它们的硬度、韧性以及切削性能的差异。我记得有一节是关于“退火、正火与淬火”的对比，作者不仅解释了这些工艺的目的，还非常细致地描述了不同加热温度和冷却介质对工件最终性能的影响。比如，为什么同样的钢材，用油淬和用水淬会产生截然不同的结果。这种深入到“微观”层面的解析，让我明白了为什么钳工在实际操作中，有时需要对已加工零件进行简单的“回火”处理来消除内应力。这些知识极大地拓宽了我的视野，让我意识到，一个合格的钳工，不仅要会使用工具，还要懂得材料的“脾气”。这种技术与理论的完美结合，让这本书的价值远超一本简单的操作手册。

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让我印象最深的是，这本书的后半部分，几乎完全聚焦于“修理与装配”的实践经验。作者没有沉溺于新的数控技术，而是回归到了传统钳工最核心的技能——精确定位与配合。书里用大量的篇幅讲解了如何判断轴与孔的配合松紧度，以及如何通过锉削、铰孔等手段来“找配合”。特别是关于配合间隙的微调，书中提供了一些非常实用的经验法则，比如“锉削时，每退一次刀，材料去除量大约在0.02毫米左右”，这种经验值对于初学者来说，比死记硬背理论公差表要管用得多。此外，关于拆卸和安装复杂机械装置的步骤，书中也描述得非常到位，强调了先松开哪一颗螺栓、先取出哪个零件的先后顺序，避免了因为操作失误而对设备造成二次损伤。整本书读下来，感觉就像是陪伴了一位经验丰富的老工匠度过了几个月的学徒期，学到的是那种在车间里摸爬滚打才能积累下来的“匠气”，而不是书本上冰冷的文字。

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这本书的真正价值，在我开始实际操作之后才体现出来。当我第一次拿到一块生铁坯料，面对着图纸上的复杂尺寸时，那种无从下手的恐慌感是难以言喻的。幸运的是，书里有一章专门讲了“零件的基准面确定与划线技巧”。作者没有停留在理论层面，而是深入剖析了在实际加工中，如何根据工件的形状特点，选择最合适的基准。书里绘制的那些示意图，清晰地展示了在非规则表面上进行十字交叉线、圆弧定位的精确方法。我严格按照书中的步骤，用划针和方尺，一丝不苟地在工件上描绘出加工路线，那种“心中有数”的感觉，极大地增强了我的信心。尤其是关于角度的测量和划线，书里介绍的几种三角尺配合使用的方法，比我之前在网上随便看的一些视频要系统和可靠得多。它不仅仅是告诉你“怎么做”，更重要的是告诉你“为什么这么做”，这种逻辑上的严密性，让我明白，钳工这项工作远不止是体力活，更是一种精细的技术活。

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这本书，说实话，拿到手上的时候，我就被它那朴实的封面吸引了。封面上没有花里胡哨的图案，只有工工整整的几个大字：“钳工入门”。我当时正准备接触机械制造这个行业，对各种工具和操作规程一窍不通，心里其实挺没底的。这本书的排版非常清晰，每一个章节的划分都很合理，从最基础的识图、测量，到后来的划线、锯削、锉削，循序渐进地展开。我记得最清楚的是关于安全操作的部分，作者用了大量的篇幅，图文并茂地讲解了如何正确佩戴防护用品，以及在操作台前需要注意的每一个细节。对于我这种新手来说，这些知识简直是救命稻草。书里对每一个工具的介绍都非常到位，比如游标卡尺的不同类型、千分尺的使用技巧，甚至连螺丝刀的种类和适用场景都有详细的说明。我甚至能想象出作者在编写这些内容时，是多么的严谨和耐心，仿佛一位经验丰富的老师傅，手把手地教导着每一个步骤。读完前几章，我立刻感觉自己对工作环境的理解提升了一个档次，不再是茫然无措，而是有了一些可以遵循的章法。

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