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第1章 光学系统像质评价1

1.1 概述1

1.2 光学系统的坐标系统和基本参数2

1.2.1 坐标系统和基本量的符号及符号规则2

1.2.2 共轴光学系统的结构参数3

1.2.3 光学系统的特性参数5

1.3 几何像差的定义及其计算9

1.3.1 光学系统的色差10

1.3.2 轴上像点的单色像差11

1.3.3 轴外像点的单色像差13

1.3.4 高级像差17

1.4 垂轴像差的概念及其计算19

1.5 几何像差计算程序的输入数据与输出数据21

1.5.1 基本输入数据21

1.5.2 基本输出数据22

1.6 几何像差曲线及垂轴像差曲线27

1.6.1 轴上点的球差和轴向色差曲线27

1.6.2 正弦差曲线27

1.6.3 畸变和垂轴色差曲线28

1.6.4 像散曲线28

1.6.5 轴外点子午球差和子午彗差曲线29

1.6.6 子午垂轴像差曲线31

1.6.7 弧矢垂轴像差曲线33

1.7 典型光学系统的像差公差35

1.7.1 望远物镜的像差公差36

1.7.2 望远系统的像差公差36

1.7.3 显微物镜的像差公差37

1.7.4 照相物镜的像差公差37

1.8 光线追迹子程序及其流程图38

第2章 光学传递函数计算47

2.1 概述47

2.2 光学传递函数的基本概念和基本公式48

2.2.1 线性和空间不变性49

2.2.2 空间不变线性系统的成像性质50

2.2.3 光学传递函数51

2.2.4 用光学传递函数表示实际光学系统的成像质量54

2.2.5 白光光学传递函数的计算54

2.3 两次傅里叶变换光学传递函数的计算57

2.3.1 利用样条函数插值法计算波像差59

2.3.2 确定束截面通光域65

2.3.3 利用快速傅里叶变换法计算光学传递函数66

2.4 自相关法光学传递函数的计算71

2.4.1 计算实际出瞳的形状72

2.4.2 计算波像差函数73

2.4.3 在出瞳规化成单位圆时的光学传递函数计算公式74

2.4.4 积分方法77

2.4.5 程序流程图78

第3章 光学像差自动校正程序及自动设计问题79

3.1 概述79

3.2 多元函数的极值理论81

3.3 光学自动设计的数学模型84

3.3.1 用像差计算法求像差对结构参数的差商88

3.3.2 建立像差线性方程组89

3.3.3 求解像差线性方程组89

3.3.4 按一定的步长修改光学系统90

3.3.5 判断结束条件90

3.4 阻尼最小二乘法光学自动设计原理90

3.4.1 最小二乘法91

3.4.2 阻尼最小二乘法92

3.4.3 阻尼最小二乘法光学自动设计程序评价函数的构成93

3.4.4 阻尼最小二乘法光学自动设计程序阻尼因子的选择100

3.4.5 阻尼最小二乘法光学自动设计程序边界条件的确定105

3.4.6 阻尼最小二乘法光学自动设计程序的特点108

3.5 适应法光学自动设计原理112

3.5.1 适应法光学自动设计的数学原理112

3.5.2 适应法光学自动设计程序的像差参数、约束条件和边界条件114

3.5.3 适应法光学自动设计程序像差方程组的建立和求解118

3.5.4 适应法光学自动设计程序的线性检查、步长控制和边界条件确定127

3.5.5 适应法光学自动设计程序的像差校正与适应过程129

3.6 光学自动设计的全局优化137

3.6.1 模拟退火法138

3.6.2 随机抽样法140

3.6.3 区间穷举法141

3.6.4 逃逸函数法142

3.6.5 人工神经网络技术144

3.7 光学自动设计实例150

3.7.1 合用阻尼最小二乘法光学自动设计程序设计成像物镜150

3.7.2 使用适应法光学自动设计程序设计双胶合望远物镜154

第4章 变焦距系统设计158

4.1 引言158

4.2 变焦距系统的构成与分类158

4.2.1 用双透镜组构成变倍组163

4.2.2 由负前固定组和正变倍组构成的低倍变焦距系统165

4.2.3 由前固定组、负变倍组、负补偿组和后固定组构成的变焦距系统165

4.2.4 由前固定组、负变倍组和正补偿组构成的变焦距系统167

4.2.5 由前固定组、负变倍组和正变倍组构成的变焦距系统167

4.3 变焦距系统设计实例169

4.3.1 确定结构型式和高斯光学计算169

4.3.2 像差校正174

4.4 变焦距系统程序的使用175

4.4.1 变焦距系统像差计算程序175

4.4.2 变焦距系统适应法自动设计程序176

第5章 光学系统的公差分析与计算178

5.1 概述178

5.2 光学系统的公差设计中的评价函数179

5.3 公差分析中的概率关系185

5.3.1 线性概率误差的基本公式185

5.3.2 加工工艺平衡权因子的确定188

5.4 公差设计中的随机模拟检验194

5.4.1 蒙特卡洛方法的基本思路194

5.4.2 调整装配过程的模拟197

5.5 公差设计中的偏心光路追迹201

5.5.1 空间面倾斜和顶点偏心的坐标变换法202

5.5.2 顶点偏心的坐标变换205

5.5.3 偏心球面光路追迹207

第6章 环境温度分析与无热设计214

6.1 概述214

6.2 均匀温度变化对光学系统成像质量的影响217

6.2.1 单个透镜的温度效应217

6.2.2 空气折射率温度效应分析218

6.2.3 透镜组合的温度效应222

6.3 径向梯度温度对光学系统成像质量的影响222

6.3.1 光学系统中的径向温度分布222

6.3.2 径向温度梯度对光学系统像质的影响226

6.4 光学系统的无热设计229

6.4.1 均匀温度变化下的无热设计230

6.4.2 径向温度梯度分布下的无热设计233

6.5 热效应分析的光学设计软件237

6.5.1 软件的主要功能238

6.5.2 非均匀介质中的光线追迹240

6.5.3 温度分布函数的拟合242

6.5.4 径向温度梯度分布介质中的光线轨迹242

6.5.5 径向温度梯度分布中的透镜面形的拟合245

第7章 其它计算机辅助设计程序250

7.1 玻璃数据库程序250

7.2 出图计算程序253

7.3 半径和厚度标准化程序260

第8章 典型光学系统的设计方法264

8.1 薄透镜系统的初级像差理论264

8.2 望远物镜的设计方法267

8.3 目镜的设计方法及物镜与目镜的像差补偿271

8.4 显微物镜的设计方法278

8.5 照相物镜的设计方法282

参考文献287