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第1部分 光学系统设计基础2

第1章 光学设计概述2

1.1 现代光学仪器对光学系统设计的要求2

1.1.1 仪器对光学系统性能与质量的要求2

1.1.2 光学系统对使用要求的满足程度2

1.1.3 光学系统设计的经济性3

1.2 光学系统设计概述4

1.2.1 光学系统设计的一般过程和步骤4

1.2.2 光学系统总体设计4

1.2.3 光学系统的具体设计4

第2章 初级像差理论、像差校正与像质评价7

2.1 概述7

2.2 几何像差7

2.2.1 球差（spherical aberration）7

2.2.2 彗差（coma;comatic aberration）9

2.2.3 像散与像场弯曲10

2.2.4 畸变（distortion）12

2.2.5 色差（chromatic aberration）14

2.3 薄透镜的初级像差理论15

2.3.1 薄透镜的初级像差普遍公式15

2.3.2 由薄透镜初级像差普遍公式引出的重要结论17

2.3.3 规化条件下的双胶合透镜组的色差19

2.4 反射光学系统和平面光学系统的像差理论19

2.4.1 平面反射镜的像差19

2.4.2 球面反射镜的像差20

2.4.3 棱镜或平面平行板的像差21

2.4.4 场镜的像差23

2.5 厚透镜初级像差24

2.5.1 厚透镜焦距的求法24

2.5.2 利用弯月形厚透镜消场曲SⅣ24

2.5.3 分析消场曲的弯月形厚透镜的其余像差SⅠ、SⅡ、SⅢ、S1C26

2.5.4 远双分离正负薄透镜组消场曲26

2.5.5 用同心不晕弯月形厚透镜消除球差、彗差及场曲27

2.5.6 用弯月形厚透镜消除轴上点色差27

2.5.7 鼓形透镜（双凸厚透镜）27

2.6 全对称光学部件的像差29

2.7 像差校正和平衡方法31

2.7.1 引言31

2.7.2 像差校正方法31

2.7.3 像差校正的一些设计技巧32

2.8 像差容限与像质评价33

2.8.1 概述33

2.8.2 经典光学系统的像差容限34

2.9 应用光学传递函数校正像差和评价像质35

2.9.1 光学传递函数概述35

2.9.2 光学传函理论实质、基本出发点和物理意义35

2.9.3 用光学传函评价光学系统像质37

第2部分 光学部件与系统设计42

第3章 代数法求解光学部件初始结构42

3.1 概述42

3.2 单片薄透镜初始结构设计计算42

3.3 双胶薄透镜初始结构的设计计算45

3.3.1 双胶薄透镜物在无限远时的P∞、W∞与结构参数的关系45

3.3.2 对P∞、W∞基本关系的分析45

3.4 两组双胶物镜初始结构设计48

3.4.1 选型48

3.4.2 方案选择49

3.5 小气隙双分透镜50

3.5.1 双胶合组变小气隙双分透镜的目的50

3.5.2 小气隙双分透镜能减小高级球差50

3.6 齐明弯月形透镜结构参数求解51

3.6.1 显微物镜齐明弯月前组51

3.6.2 聚透镜第一片齐明透镜52

3.6.3 设计实例53

第4章 典型光学部件设计55

4.1 望远物镜设计55

4.1.1 望远物镜光学特性与结构类型55

4.1.2 双胶合、双分离物镜设计57

4.1.3 摄远物镜设计59

4.2 显微物镜设计61

4.2.1 显微物镜概述61

4.2.2 显微物镜的光学特性61

4.2.3 显微物镜结构基本类型64

4.2.4 显微物镜设计时应校正的像差67

4.2.5 消色差显微物镜设计68

4.2.6 长工作距离平场物镜设计69

4.3 目镜设计73

4.3.1 目镜光学特性与结构类型73

4.3.2 目镜设计要点74

4.3.3 普通目镜设计76

4.3.4 借助价值工程（VE）优化广角目镜设计79

4.3.5 显微摄影光学系统及摄影目镜设计81

4.3.6 显微电视CCD摄录接口的设计84

4.4 照相物镜设计86

4.4.1 照相物镜的光学特性和结构形式86

4.4.2 照相物镜设计的一般方法93

4.4.3 照相机标准镜头设计94

4.4.4 新型三片式照相物镜设计97

4.5 投影物镜设计101

4.5.1 投影物镜光学特性101

4.5.2 结构形式以及对像质的要求102

4.5.3 投影仪物镜设计103

4.5.4 电影放映镜头物镜设计106

第5章 典型光学系统设计107

5.1 概述107

5.2 普通生物显微镜成像光学系统设计107

5.2.1 显微镜成像简述107

5.2.2 显微光学系统的设计方法和要求108

5.2.3 显微光学系统设计的标准化108

5.2.4 显微光学系统设计要点109

5.2.5 设计实例110

5.3 无限远像距光学系统设计117

5.3.1 概述117

5.3.2 无限远像距光学系统设计要点119

5.3.3 设计实例121

5.4 照明光学系统设计123

5.4.1 概述123

5.4.2 照明系统及其分类125

5.4.3 照明系统外形尺寸计算128

5.4.4 聚光镜光学设计130

5.4.5 环形透镜暗场落射照明系统设计135

5.4.6 照明系统设计中的几个问题139

5.5 医用光学仪器光学系统设计144

5.5.1 眼底电视光学系统设计144

5.5.2 基于窄带滤光片的生化分析仪光学系统设计148

第6章 变焦距（变倍）光学系统设计154

6.1 变焦距（变倍）光学系统原理154

6.2 变焦距物镜155

6.3 连续变倍显微光学系统设计157

6.3.1 连续变倍显微光学系统的类型157

6.3.2 典型的连续变倍显微镜158

6.3.3 连续变倍体视显微物镜的设计160

6.3.4 设计实例163

第3部分 现代光学系统设计168

第7章 激光光学系统设计168

7.1 激光光学系统设计基础168

7.1.1 概述168

7.1.2 设计基础知识168

7.1.3 激光光学系统的外形尺寸计算171

7.1.4 通光孔径的选择172

7.1.5 聚焦高斯光束的焦点位移174

7.1.6 设计注意事项174

7.2 高斯光束会聚系统设计175

7.2.1 激光聚光光学系统设计思想与实例175

7.2.2 李斯特显微物镜激光会聚系统176

7.3 高斯光束准直扩束系统设计177

7.3.1 激光准直扩束系统设计177

7.3.2 半导体激光器准直系统设计180

第8章 光纤光学系统设计182

8.1 半导体激光器与光纤直接耦合设计182

8.1.1 概述182

8.1.2 直接耦合光纤端面结构形式及其效率183

8.1.3 尖锥端光纤耦合理论模型184

8.2 微光学元件扩束耦合系统设计186

8.3 光纤-透镜耦合激光会聚系统设计191

8.4 光天线-光纤耦合系统设计193

8.4.1 自由空间光通信接收系统前端概述193

8.4.2 对光天线设计的要求与设计理念193

8.4.3 光天线设计194

8.4.4 设计实例197

第4部分 光学设计实务200

第9章 光学设计CAD软件应用基础200

9.1 国内外光学CAD软件概述200

9.1.1 光学设计CAD软件的发展历史200

9.1.2 几种有代表性的光学CAD软件简介200

9.2 OSLO简介201

9.2.1 OSLO的版本201

9.2.2 OSLO的基本概念202

9.3 OSLO LT6.1用户界面202

9.3.1 主窗口203

9.3.2 工具条203

9.3.3 面数据编辑表205

9.3.4 图形窗口209

9.3.5 文本窗口210

9.3.6 文件（File）菜单211

9.3.7 透镜（Lens）菜单212

9.3.8 评价（Evaluate）菜单213

9.3.9 优化（Optimize）菜单214

9.3.10 公差（Tolerance）菜单214

9.3.11 光源（Source）菜单214

9.3.12 工具（Tools）菜单215

9.3.13 窗口（Window）菜单216

9.3.14 帮助（Help）菜单216

9.4 OSLO LT6.1基本操作216

9.4.1 OSLO的参数输入操作规定217

9.4.2 建立无限远共轭距镜头文件217

9.4.3 建立有限远共轭距透镜文件220

9.4.4 像质评价221

9.4.5 优化223

9.5 OSLO LT6.1应用实例226

9.5.1 25×消色差显微物镜设计226

9.5.2 15×广角目镜设计227

9.5.3 松纳型照相物镜设计229

9.5.4 5×激光扩束准直镜设计230

第10章 光学零件与光学制图231

10.1 光学材料231

10.1.1 光学材料简介231

10.1.2 光学玻璃231

10.1.3 激光技术用的光学材料232

10.1.4 红外、紫外光学材料234

10.1.5 光学薄膜236

10.1.6 光学塑料236

10.2 光学制图（GB 13323-91）标准的主要内容238

10.2.1 一般规定238

10.2.2 图样要求240

10.3 对光学零件材料的要求246

10.4 对光学零件的加工要求247

10.4.1 光学零件的表面误差247

10.4.2 光学零件外径及配合公差的给定249

10.4.3 光学零件的中心厚度及边缘最小厚度250

10.4.4 光学零件的厚度公差250

10.4.5 光学零件的倒角（GB 1204-75）251

10.4.6 透镜中心误差（GB7242-87）252

10.4.7 光楔252

10.4.8 光学零件镀膜分类、符号及标注（JB/T 6179-92）253

附录A 无色光学玻璃（GB 903—87）254

附录B 中、德玻璃牌号对照表257

附录C 单薄透镜参数表259

附录D 冕牌透镜在前的玻璃组合261

附录E 火石透镜在前的玻璃组合262

附录F 双胶合透镜P0,Q0表263

参考文献268