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出版者:Academic Press

作者:Rudolf Kingslake

出品人:

页数:366

译者:

出版时间:1978-05-12

价格:USD 107.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780124086500

丛书系列:

图书标签:

• 光学设计
• 镜头设计
• 光学工程
• 光学
• 物理光学
• 衍射光学
• 非球面
• 光线追迹
• 成像系统
• 光学仪器

《光学成像的奥秘：透镜系统原理与设计解析》 本书并非一本关于“Lens Design Fundamentals”的教材，而是深入探索光学成像领域，特别是透镜系统在其中扮演的关键角色，并在此基础上详细阐述其设计原理与实践方法的学术专著。我们的目标是为读者构建一个全面而深刻的理解框架，揭示肉眼所不能见的微观世界如何在精密的透镜组合中被捕捉、塑造并最终呈现。 第一章：光之轨迹——几何光学基础 在深入探讨透镜系统之前，理解光的基本行为至关重要。本章将从几何光学这一经典理论出发，勾勒出光线在不同介质中传播的路径。我们将详细介绍光的折射定律（斯涅尔定律），解释当光线跨越不同折射率的界面时，其方向如何发生偏折。全反射现象也将被深入解析，这对理解光纤通信等技术以及某些特殊光学元件的设计具有基础性意义。 球面镜和平面镜的成像原理是几何光学的基础，我们将分别对凸面镜、凹面镜、平面镜的成像特性进行详尽分析，包括像的性质（虚实、正倒、大小）与物距、焦距的关系，并引入成像公式。在此基础上，我们将重点转向透镜。 圆柱形透镜和球面透镜是构成复杂光学系统的基本单元。本章将详述凸透镜和凹透镜的光线传播路径，以及如何通过透镜获得放大、缩小、倒置或正置的虚像与实像。透镜的焦点、焦距、光心等关键概念将被一一定义和阐释。我们还将探讨多透镜系统的组合成像，介绍如何通过简单组合透镜来初步实现光学放大或聚焦的功能，为后续章节更复杂的透镜系统设计奠定基础。 最后，本章将引入轴上和轴外成像的概念。轴上成像是指物体位于光学轴上的成像，而轴外成像则更具普遍性，它涉及到更复杂的成像关系和像差的萌芽。通过对这些基础概念的掌握，读者将初步建立起对光线如何在透镜系统中遵循规则运行的直观认识。 第二章：透镜的语言——像差的形成与分析 任何一个单一透镜，甚至是最完美的球面透镜，都无法完美地复现一个物体。这是因为光线的物理本质以及透镜制造中的固有局限性，都会导致成像过程中出现偏差，这些偏差统称为“像差”。本章将聚焦于这一核心问题，深度解析不同类型的像差及其成因。 球差是由于透镜表面曲率不一致导致不同区域折射率不同而产生的，它使得平行光束经过透镜后不能汇聚于一点，导致图像边缘模糊。我们将通过数学模型和图示，清晰地展示球差对成像质量的影响。 慧差则与物体偏离光学轴时的成像有关，使得轴外点光源在成像时产生彗星状的拖尾，严重影响了轴外区域的图像清晰度。色差是由于不同波长的光线在介质中的折射率不同而引起的，导致同一物体在不同颜色下成像位置有差异，使得彩色图像出现彩色边缘，降低了图像的色彩纯净度。 畸变是指物体的直线在成像后变成曲线的现象，它分为枕形畸变（图像边缘向外弯曲）和桶形畸变（图像边缘向内弯曲）。散光是指光线经过透镜后，在垂直和水平方向上的聚焦能力不同，导致图像出现模糊的线条。 为了更直观地理解这些像差，本章将介绍一系列的分析方法，包括子午面和弧矢面的概念，以及如何通过图形化的方式来评估像差的程度。我们将深入探讨不同像差与透镜形状、材料折射率、光线人射角等因素之间的定量关系，为后续的像差校正奠定理论基础。理解像差的形成是实现高质量光学成像的第一步，更是进行有效透镜系统设计的关键前提。 第三章：超越完美——像差的校正与优化 既然像差是光学成像的固有挑战，那么如何有效地抑制甚至消除这些像差，就成为了透镜系统设计的核心任务。本章将系统性地介绍多种像差校正策略，并深入探讨如何在实践中对透镜系统进行优化。 组合透镜是校正像差最直接有效的方法之一。本章将详细讲解如何通过组合不同形状、不同材料的透镜来相互补偿各自的像差。例如，使用两种具有不同色散特性的玻璃组合，可以有效地校正色差，形成消色差透镜。通过精心设计的组合，可以显著降低球差、慧差等。 非球面透镜的应用是现代光学设计的重要发展。本章将介绍非球面透镜的基本概念，解释其如何通过打破传统的球面曲率限制，实现更精密的成像和更强的像差校正能力。我们还将探讨使用非球面透镜所带来的优势，如减少透镜数量、减轻系统重量等。 优化算法在现代光学设计中扮演着至关重要的角色。本章将介绍各种优化方法，包括基于评价函数（如MTF、RMS波前误差等）的优化，以及遗传算法、模拟退火等启发式算法在透镜系统设计中的应用。我们将展示如何通过计算机辅助设计（CAD）软件，对透镜的曲率、厚度、间距、材料等参数进行迭代优化，以达到最优的成像质量。 此外，本章还将触及一些更高级的像差校正技术，如衍射光学元件（DOE）和自适应光学（AO）。DOE利用衍射效应来实现特定功能，其设计和制造具有独特性。自适应光学则通过实时补偿大气湍流等动态因素，实现超高分辨率成像。 通过本章的学习，读者将掌握如何从理论上理解像差的校正原理，并了解如何在实际设计过程中，运用各种工具和方法来构建一个性能卓越的光学系统。 第四章：从概念到现实——透镜系统的设计流程与实现 光学系统的设计并非仅仅是理论计算，更是一个严谨的工程实现过程。本章将带领读者了解从初步概念到最终产品实现的完整设计流程。 首先，我们将探讨需求分析的重要性。一个成功的光学设计必须明确其应用场景、性能指标（如分辨率、视场、波长范围、亮度等）、成本限制以及物理约束（如尺寸、重量）。这些需求将直接指导后续的设计选择。 接着，我们将介绍初步构型的设计。基于需求，设计者需要选择合适的透镜类型（如折射式、反射式、折反射式）、数量以及大致的布局。经验公式、标准设计库以及一些基础的设计工具将在此阶段发挥作用。 然后，进入详细设计与优化阶段。运用前面章节介绍的像差分析和校正技术，通过计算机辅助设计软件，对透镜的各项参数进行精确计算和迭代优化。我们将详细介绍如何设置优化目标，如何解读优化结果，并进行多次迭代，以达到预期的设计指标。 在设计完成后，制造的可行性分析至关重要。本章将探讨不同类型透镜的制造工艺，如玻璃研磨、注塑成型、纳米压印等，以及制造公差对成像质量的影响。设计者需要与制造商密切合作，确保设计能够以合理的成本和精度被实现。 质量控制与测试是光学系统实现的关键环节。我们将介绍各种光学测试方法，如干涉仪、MTF测试仪、点扩散函数（PSF）测量等，用于验证光学系统的实际性能是否达到设计要求。 最后，本章将简要介绍一些常见的光学系统的设计实例，如相机镜头、显微镜物镜、望远镜、投影仪光学系统等，通过这些案例，读者可以更直观地理解前面所学的设计理论与实践相结合的应用。 第五章：未来的光影——前沿光学技术与应用展望 光学技术的发展日新月异，不断突破着我们对世界的认知和改造能力。本章将放眼未来，探讨当前光学设计领域的前沿技术和激动人心的应用前景。 计算光学（Computational Optics）是近年来备受瞩目的领域。我们将介绍如何利用复杂的计算算法，结合先进的光学元件，实现传统光学难以达到的功能。例如，计算成像（Computational Imaging）技术，通过对图像进行后处理来补偿光学系统的不足，甚至实现“超越衍射极限”的成像。 超材料（Metamaterials）作为一种人工设计的周期性结构，能够展现出自然界材料所不具备的奇异光学特性，如负折射率。本章将探讨超材料在透镜设计中的潜力，如实现超透镜（Superlens），能够成像比光波长更小的物体。 人工智能（AI）在光学设计中的应用也日益广泛。我们将介绍如何利用机器学习和深度学习算法，加速透镜系统的优化过程，甚至能够自主发现创新的光学结构。AI还可以用于缺陷检测、图像复原等方面。 此外，本章还将展望光学技术在各个领域的应用。在生物医学领域，微型光学仪器、光动力疗法等正在改变着诊断和治疗方式。在通信领域，光学通信技术的发展推动着信息传输的极限。在工业领域，激光加工、精密测量等离不开先进的光学系统。在消费电子产品中，微型投影仪、AR/VR光学器件等正不断提升用户体验。 通过本章的学习，读者将对光学设计的未来发展方向有一个清晰的认识，并能够激发他们在这一充满活力的领域进行探索和创新的热情。 本书旨在为所有对光学成像原理和透镜系统设计感兴趣的读者提供一个全面、深入的学习平台。无论您是光学工程专业的学生、研究人员，还是对精密仪器制造、科学探索怀有热情的技术爱好者，都将从中受益匪浅。我们希望通过这本书，能够帮助您更好地理解光，驾驭光，并最终用光创造出更多令人惊叹的可能。

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