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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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