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出版者:

作者:郭祎 编

出品人:

页数:140

译者:

出版时间:2008-5

价格:14.80元

装帧:

isbn号码:9787121063503

丛书系列:

图书标签:

• 机械设计
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现代光学系统设计与分析 作者： 张伟, 李明, 王芳 出版社： 科学技术出版社 出版日期： 2023年10月 --- 图书简介 《现代光学系统设计与分析》是一本全面、深入探讨现代光学系统理论基础、设计方法和实际应用的专业著作。本书旨在为光学工程、光电子技术、精密仪器等相关领域的科研人员、工程师及高年级本科生和研究生提供一个系统、前沿的学习平台。 本书内容涵盖了从基础光学原理到复杂成像系统设计、公差分析以及最新成像技术的前沿进展。我们力求在保持理论严谨性的同时，突出工程实践的应用价值，使读者能够掌握设计和评估高性能光学系统的核心能力。 --- 第一部分：光学基础与成像理论（约 400 字） 本部分系统回顾了光学工程所需的核心基础理论，为后续的系统设计打下坚实基础。 第一章：几何光学回顾与现代眼学基础 本章首先对费马原理、光线追迹法进行了深入复习，并详细阐述了基于基点（Cardinal Points）的薄透镜和厚透镜系统矩阵表示法。重点引入了光瞳与孔径光阑、场光阑的概念，并解释了它们如何决定系统的光照度、视场和机械结构限制。此外，本章详细介绍了人眼模型在光学设计中的应用，特别是关于人眼对不同波长光的敏感度和分辨率极限的描述，为设计满足人眼视觉要求的系统（如目镜、望远镜）提供了理论依据。 第二章：波动光学与衍射理论 超越几何光学的限制，本章深入探讨了光的波动本质。内容包括惠更斯-菲涅尔原理、夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射的数学描述。核心在于对衍射极限的定量分析，以及如何利用傅里叶光学原理来描述成像过程。本章详细推导了点扩散函数 (PSF) 和 线扩散函数 (LSF)，并引入了调制传递函数 (MTF) 这一描述系统成像质量的核心工具。MTF 的不同空间频率响应曲线被用于评估系统的清晰度和对比度损失。 第三章：像差理论与消色差设计 本部分是光学设计的核心。章节从理论上剖析了五大几何像差：球差、彗差、像散、场曲和畸变。我们不仅提供了精确的数学公式，还结合谢尔-德拉古涅-伯恩哈德（Seidel-Dragone-Bernhard） 理论，解释了这些像差的产生机制及其对成像质量的影响。针对色差问题，本章深入讲解了色散关系，并详细介绍了不同折射率材料组合（如冕牌玻璃与燧石玻璃）如何实现复消色差（Apochromatic） 和 倍率色差 的校正，以确保系统在宽波段内保持高分辨率。 --- 第二部分：现代光学系统设计方法（约 650 字） 本部分聚焦于如何将理论知识转化为实际可制造的高性能光学系统。 第四章：优化设计理论与方法 现代光学设计严重依赖计算机辅助优化。本章详细介绍了评价函数（Merit Function） 的构建原则，包括对像差、MTF、光斑尺寸、机械尺寸的加权处理。重点阐述了梯度下降法、阻尼最小二乘法等经典优化算法的迭代过程和收敛特性。特别地，本章讲解了如何设置自由曲面（Freeform Surface） 来校正传统球面难以解决的复杂像差，并讨论了全局优化策略与局部优化策略的结合使用，以避免陷入局部最优解。 第五章：成像系统的具体设计实例 本章通过实际案例，演示了复杂系统的设计流程。 远心系统设计： 详细介绍了工业测量和机器视觉中对无穷远共轭和近无穷远共轭的需求，以及如何通过配置双高斯结构或复杂的多组元设计来实现主平面和副主平面的位置精确控制，保证放大倍数在视场内变化极小。 显微物镜设计： 重点讨论了高数值孔径（NA > 1.0）物镜的设计挑战，包括浸没式设计、油浸与水浸介质的影响，以及如何通过增加镜片数量和使用非球面镜面来校正高阶像差。 变焦系统（Zoom Lens）设计： 阐述了变焦机构中补偿组和移动组的作用，通过矩阵分析展示了如何保持焦距变化过程中像面位置的恒定，并分析了变焦过程中MTF的变化趋势。 第六章：照明与非成像光学系统设计 本章拓宽了光学设计的领域，涉及光束整形和均匀照明。内容包括： Lissotropes（全内反射棱镜） 和 Dove 棱镜在光束转向中的应用。 自由曲面反射镜在LED照明和汽车大灯中的设计，特别是如何通过等光能线法或折射率匹配来实现严格的光斑控制和光强分布均匀化。 光纤耦合与准直器的设计，包括针对特定模式场直径（MFD）的光纤耦合效率优化。 --- 第三部分：系统公差分析与制造约束（约 450 字） 优秀的设计必须是可制造的。本部分是连接设计与制造的关键桥梁。 第七章：光学系统公差分析（Tolerance Analysis） 本章强调了将设计灵敏度纳入优化过程的重要性。我们详细介绍了灵敏度分析的方法，包括一阶导数分析和蒙特卡洛模拟。内容涵盖了对以下制造和装配误差源的敏感度评估： 1. 元件参数公差： 镜片厚度、曲率半径、材料折射率和阿贝数的允许偏差。 2. 装配公差： 镜片同心度（倾斜和位移）、空气间隙的允许误差范围。 本章提供了构建鲁棒性设计（Tolerance-Robust Design）的实用策略，如引入"对中镜片"或"可调节单元"来吸收关键公差。 第八章：光学元件制造技术与检测 本章概述了现代光学加工的最新进展，为设计人员提供实际制造约束的视角。 非球面加工： 重点介绍钻石车削技术在生成高精度非球面和衍射元件上的应用，以及离子束抛光（IBF） 技术在超精密表面加工中的优势。 镀膜技术： 详细讨论了增透膜 (AR)、高反射膜 (HR) 和带通滤光片的层级设计原理，以及镀膜误差对系统 MTF 和杂散光的影响。 检测方法： 介绍了Zygo干涉仪在波前误差检测中的应用，以及MTF测量仪在系统级性能验证中的重要性。讨论了如何将这些检测数据反馈到设计中进行迭代修正。 第九章：杂散光控制与系统热稳定 杂散光（Stray Light）是影响成像系统对比度的主要因素。本章系统地讲解了杂散光的来源（如镜片表面反射、机械结构遮挡、内部散射）及其量化方法（如辐照度传递矩阵法）。设计策略包括：增加遮光环、使用黑化处理、以及优化镜筒内部的涂层设计。 最后，本章对热成像系统中的热稳定性问题进行了探讨，分析了温度变化对镜片折射率和机械结构尺寸的影响，并提出了通过热补偿结构设计来维持系统焦距稳定的工程方法。 --- 总结 《现代光学系统设计与分析》以其全面的理论框架、详尽的工程实例和对最新制造技术的考量，为读者提供了一个从原理到实践的无缝过渡。本书强调的不仅是设计出理论上完美的系统，更是设计出在实际制造和工作环境下能够稳定、高效运行的高性能光学产品。

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这本书的封面设计简直是一场视觉的冒险，那深邃的蓝色调配上充满未来感的银色线条，立刻把我带入了一个对精密制造充满遐想的世界。我记得我是在一个慵懒的周日下午翻开它的，原本只是想随便看看，结果就被里面那严谨而富有逻辑的章节安排深深吸引住了。它开篇并没有急于抛出复杂的公式或者晦涩的理论，而是巧妙地通过几个引人入胜的案例，比如航空发动机叶片的复杂曲面设计，来展示数字化制造在现代工业中的核心地位。作者的叙述方式非常平易近人，他似乎很清楚一个初学者在面对CAD/CAM知识时的那种茫然无措，所以他用一种近乎“手把手”的口吻，将那些原本高高在上的技术概念，层层剥开，让你能清晰地看到每一个步骤背后的设计哲学。尤其是关于参数化建模的那几章，作者简直是一位大师，他没有简单地罗列软件操作，而是深入探讨了如何构建一个“智能”的模型，一个能够根据需求自动适应和修改的设计骨架。读完这部分，我感觉自己不再是简单地在电脑上“画图”，而是真正开始理解如何用数据和逻辑来驱动设计，这对于我理解整个产品生命周期的管理都有了全新的认识。

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这本书给我的最大惊喜，在于它对未来趋势的把握，虽然内容本身是基于现有技术的，但作者的视野却始终聚焦在工业4.0和智能化制造的前沿。在讨论到CAM后处理和后置处理器的定制化时，书中花费了大量篇幅探讨了如何将人工智能算法集成到刀路生成中，以实现更高效的排程和更少的能耗。这部分内容写得非常具有前瞻性，它没有沦为空泛的口号，而是通过对现有API接口和数据结构的分析，给出了一个可行的技术路线图。这使得这本书不仅仅是一本针对当前生产流程的指南，更像是一份面向未来十年工程师的行动纲领。我敢肯定，对于那些希望在这个行业中保持领先地位的专业人士来说，这本书提供的洞察力是无价的。它教会你的不仅是“如何做”，更是“下一步该往哪里走”，这种引导作用，是任何一个追求卓越的制造人都迫切需要的。它让我意识到，学习工程技术，就必须与时俱进，而这本书，无疑是站在潮头的那一个。

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如果要用一个词来形容阅读这本书的感受，那一定是“通透”。这本书的叙述逻辑非常流畅，它成功地架起了一座沟通“设计意图”与“物理实现”之间的桥梁。很多读者可能只擅长设计，或者只擅长编程加工，但这本书的价值在于它强迫你从全局视角去看待问题。例如，在讲解公差配合和几何尺寸标注（GD&T）的应用时，作者没有停留在标准的教条解释上，而是结合实际的CNC加工限制，解释了为什么某些尺寸必须被设定为“关键控制尺寸”，以及这些尺寸的变化会如何直接影响到装配时的间隙和受力情况。这种跨学科的融合处理，使得内容极具张力和实用价值。它让你意识到，CAD/CAM不仅仅是软件技能，它更是一种精密的工程语言，是用以避免昂贵错误和提高制造效率的工具。每读完一个章节，我都会有一种“原来如此”的豁然开朗感，感觉自己对“制造”这个概念的理解又提升了一个维度，不再是停留在表面的操作层面。

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坦白说，我当初购买这本书的时候，是带着一丝丝的怀疑的，毕竟市面上关于这个领域的书籍浩如烟海，很多都只是软件操作手册的堆砌，读起来枯燥乏味，实用价值打了折扣。然而，这本书彻底颠覆了我的预期。它的深度远超出了我的想象，尤其是在关于五轴联动加工路径优化那一块的内容，简直是教科书级别的深度解析。作者似乎对数控机床的物理限制和切削力学有着深刻的洞察，他不仅解释了G代码和M代码的生成原理，更关键的是，他引入了“误差补偿”和“刀具路径的平滑性”这两个极具工程实践价值的概念。我记得其中一个例子，讲解了如何通过调整进给速率曲线来减少机床在高速换向时的微小振动，从而保证最终零件的表面粗糙度达到镜面效果。这种对细节的极致追求，让这本书充满了“工程师的浪漫”。对我这种已经有一定实践经验的人来说，它提供的不仅仅是知识，更是一种解决实际生产难题的思维模型。阅读过程中，我经常会停下来，在自己的工作环境中去印证书中的理论，每一次印证都让我对那位未曾谋面的作者充满了敬意。

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这本书的排版设计和图文的配合简直是业界良心，很多技术书籍常常因为插图模糊不清或者版面拥挤而大打折扣，但这本书完全没有这个问题。它大量使用了高质量的工程制图和三维渲染图，而且这些图示绝非装饰，它们是理解复杂几何造型和装配关系的关键钥匙。我尤其欣赏作者在讲解实体建模和曲面造型切换时的处理方式。比如，在描述如何用NURBS曲面来精确拟合自由曲面时，书中配有清晰的等高线图和控制点的变化示意图，这比单纯看软件界面上的操作要直观和深刻得多。它不是告诉你“点击这个按钮”，而是告诉你“为什么这个按钮会产生这种几何效果”。这种对“为什么”的深究，是区分一本好书和一本普通参考资料的关键所在。此外，书中的案例项目设计得非常有层次感，从一个简单的标准件开始，逐步过渡到复杂的模具结构分析，这种循序渐进的难度递增，让读者能够稳扎稳打地建立起知识体系，而不是被突如其来的高难度内容给“劝退”。

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