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出版者:SPIE-International Society for Optical Engine

作者:Warren J. Smith

出品人:

页数:572

译者:

出版时间:2000-8

价格:USD 80.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780819438386

丛书系列:

图书标签:

• 光学工程
• 现代光学
• 光學
• 工程学
• 物理学
• CD-ROM
• 光学设计
• 光电技术
• 应用光学
• 光学仪器

光学工程领域权威著作：聚焦前沿技术与实践应用 书名：Advanced Optical Systems Design and Analysis 内容简介： 本书深入探讨了现代光学系统设计与分析的前沿领域，旨在为光学工程师、研究人员以及高年级本科生提供一个全面、深入且极具实践指导意义的知识框架。本书摒弃了基础光学概念的冗余叙述，直接切入当代光学工程中最为关键和复杂的议题，聚焦于如何构建、优化和评估高性能的光学系统，尤其侧重于对非球面、自由曲面技术以及先进传感器的集成应用。 第一部分：高性能光学系统设计基础与建模 本部分奠定了高级光学系统设计所需的理论基石，并引入了现代设计方法论。 第一章：现代成像理论的再审视与误差分析 本章首先回顾了波动光学在成像过程中的核心作用，重点讨论了基于傅里叶光学、角谱传播以及有限波束方法的精确光场传输模型。随后，详细阐述了系统误差预算的构建方法，包括公差分析（Tolerance Analysis）的蒙特卡洛模拟与敏感度分析，以及如何有效地识别并量化由制造缺陷、装配误差和环境因素引起的光学性能下降。我们对比了传统的RMS波前误差与实际成像质量指标（如MTF和Strehl比）之间的映射关系，并提出了多目标优化下的稳健设计策略。 第二章：非球面与自由曲面光学设计 这是本书的核心章节之一。随着对系统轻量化、高性能化需求的增加，非球面和自由曲面已成为高端光学系统的标配。本章详细介绍了描述这些复杂表面的数学工具，如Zernike多项式、标准偶次非球面方程的扩展形式，以及广义的离散余弦变换（DCT）基函数在描述自由曲面时的应用。内容涵盖了如何从初始点列图或光线追迹结果出发，通过优化算法（如梯度下降法、模拟退火法和遗传算法）高效地生成具有特定像差校正能力的自由曲面。特别关注了如何处理自由曲面的制造约束（如最大斜率限制和曲率变化率限制）。 第三章：先进光学系统集成与公差化 本章将理论设计转化为可制造的产品。深入讨论了光学系统集成的关键环节，包括光学元件的固定技术（如三点支撑、环形支撑）、热学管理对光学性能的影响（热光效应建模）以及机械结构对光学系统的约束。公差化设计部分将工程实践与理论计算紧密结合，详细讲解了敏感度权重分配、关键参数的裕度确定，以及如何利用现代CAD/CAE工具（如有限元分析FEA）与光学设计软件的集成流程，实现设计到制造的无缝衔接。 第二部分：前沿光学系统应用与技术 本部分聚焦于当前光学工程中最具挑战性和发展潜力的应用领域。 第四章：高分辨率与大视场成像系统 本章针对遥感、机器视觉和高动态范围（HDR）成像的需求，探讨了如何设计具有超大视场角（FoV）和高角分辨率的光学系统。内容包括了对畸变（Distortion）的严格控制，以及使用折射-衍射混合元件（Refractive-Diffractive Hybrid Elements）来校正传统透镜组难以克服的色差和场曲。重点分析了微纳光学（Meta-optics）在实现超薄、超轻量级广角物镜中的新兴作用。 第五章：先进光谱与偏振光学系统 现代科学研究和工业检测越来越依赖于对光信息中光谱和偏振态的精确测量。本章详细介绍了基于AOTF（声光可调谐滤波器）、FP（法布里-珀罗干涉仪）以及echelle光栅的超高光谱分辨率系统的设计原理。在偏振部分，深入探讨了利用液晶空间光调制器（LCoS）和具有定制退偏特性的材料来实现快速、全孔径偏振成像技术，并讨论了在偏振敏感系统中的偏振态保持（PSP）设计挑战。 第六章：光电集成与传感器接口技术 本章关注光学系统与光电探测器之间的匹配问题。讨论了不同探测器阵列（如CMOS、CCD、InGaAs）的像素尺寸、量子效率（QE）曲线对系统MTF和信噪比（SNR）的影响。重点研究了如何通过像面光瞳设计、微透镜阵列（MLA）技术和光子导引结构（Light-trapping structures）来最大化光子收集效率，特别是针对低光照环境下的系统性能提升策略。此外，还探讨了集成波导和光子集成电路（PICs）在传感器前端的初步应用。 第七章：计算光学与图像重建 计算光学是当代光学设计的颠覆性力量。本章介绍了如何利用计算方法弥补传统光学设计上的不足。详细阐述了相位恢复算法（如Gerchberg-Saxton算法的变体）在波前整形中的应用。重点讨论了基于深度学习的盲反卷积和超分辨率重建技术，这些技术能够从低质量或受限采样的原始数据中，恢复出高保真度的图像信息。内容包括了构建定制化的深度神经网络架构，用于解决特定光学系统中的非线性成像问题。 总结与展望 本书的最终目标是培养读者从物理原理到工程实现的全面能力。通过大量的案例分析和理论推导，读者将掌握设计和评估下一代高精度、多功能光学系统的核心技能，为应对未来光电子技术和精密测量的挑战做好准备。本书强调了跨学科知识的融合，特别是光学、材料科学、机械工程和先进计算技术的协同作用，是光学专业人员不可或缺的参考手册。

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