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光学设计与成像系统理论 作者： [此处填写作者姓名] 出版社： [此处填写出版社名称] 出版日期： [此处填写出版日期] --- 内容简介 《光学设计与成像系统理论》是一部全面深入探讨现代光学系统设计原理、成像理论及其工程应用的权威著作。本书旨在为光学工程师、物理学家、高级研究人员以及相关专业的高年级本科生和研究生提供一个坚实而系统的知识框架，使其能够驾驭从基础光传播到复杂多镜系统构建的全过程。本书的叙述严谨、逻辑清晰，兼顾理论的深度与实践的可操作性，力求将抽象的光学概念转化为可量化的设计参数。 本书结构上分为三大核心部分：基础光学原理与数学工具、成像系统设计理论、先进光学现象与应用。 第一部分：基础光学原理与数学工具 本部分首先回顾和巩固了经典物理光学和几何光学的基本概念，并引入了现代光学设计中不可或缺的数学分析工具。 第一章：光的传播基础与惠更斯-菲涅耳原理 本章详细阐述了光作为电磁波的基本性质，包括光的产生、传播、吸收与辐射。重点在于波动的描述，引入复振幅和相位概念。深入探讨惠更斯-菲涅耳原理及其在衍射现象中的应用。本章通过对傅里叶光学基础的铺垫，为后续的像差分析和系统优化打下理论基础。 第二章：矩阵光学与光线追迹 矩阵光学作为几何光学的强大代数工具，在本章得到详尽的介绍。系统地推导了反射矩阵、折射矩阵、平移矩阵和焦距矩阵，并将其组合成系统矩阵。通过对 $ABCD$ 矩阵的分析，读者将掌握如何快速计算多镜系统的焦距、节点、主平面位置等关键参数。本章还包含对准直光束和非对称系统的光线追迹方法。 第三章：傅里叶光学与衍射 傅里叶光学是理解成像过程、特别是衍射极限和光瞳函数（Pupil Function）的核心。本章详细讲解了傅里叶变换在光学系统中的应用，包括薄透镜的傅里叶变换性质。重点分析了衍射效应，特别是单缝、圆孔等典型孔径的夫琅禾费衍射。引入了角谱理论，为分析波导和近场传播奠定基础。 第四章：成像的波动理论与调制传递函数（MTF） 本章超越了几何光学的范畴，从波动理论角度审视成像过程。引入了相干成像和非相干成像的概念，并详细推导了光学系统的点扩散函数（PSF）和线扩散函数（LSF）。核心内容是调制传递函数（MTF）的构建和应用，解释了如何用MTF来量化描述系统的空间频率响应，这是现代光学设计评估的黄金标准。 第二部分：成像系统设计理论 本部分聚焦于如何系统地设计满足特定性能要求的成像系统，包括像差的识别、量化与校正。 第五章：几何像差理论：塞德尔五大像差 本章系统地梳理了以几何光线追迹为基础的五大主要像差（球差、彗差、像散、场曲和畸变）。详细讲解了这些像差的产生机制、影响因素（如光瞳位置和场角），并推导了它们与系统参数（如孔径角、视场角、曲率半径）之间的代数表达式。本章强调了通过改变镜面曲率和材料来平衡不同像差的方法。 第六章：高阶像差与波前像差 在精密光学系统中，高阶像差的影响不容忽视。本章引入了基于点阵分析和波前构造的现代像差理论。详细介绍了帕申（Parrish）系数和Zernike多项式在描述复杂波前误差方面的应用。读者将学会如何通过Zernike系数分解和识别实际系统的波前畸变。 第七章：光阑、孔径和视场设计 本章探讨了光阑（Aperture Stop）和孔径光阑（Entrance Pupil）在控制系统亮度、景深和像差中的关键作用。系统地分析了不同系统（如望远镜、显微镜、投影系统）中最佳光阑位置的选择原则。景深和超焦距的概念在本章中结合实际应用进行深入探讨。 第八章：成像系统类型与优化策略 本章对几种主要的成像系统类型进行案例分析，包括折射望远系统（如开普勒、伽利略）、反射式系统（如牛顿、施密特-相机）以及折反射复合系统（如施密特-牛顿）。详细介绍了解析设计（Preliminary Design）的步骤，并引入了基于优化算法（如最小二乘法、梯度下降法）的系统优化流程，包括目标函数（Merit Function）的构建。 第三部分：先进光学现象与工程应用 本部分拓展到现代光学设计中涉及的更前沿和更复杂的领域，为读者提供应对复杂挑战的工具箱。 第九章：色差校正与物镜设计 色差是多色光成像的固有缺陷。本章深入分析了轴向和傍轴色差的产生机理。重点讲解了如何利用不同折射率和色散特性的光学材料（如冕牌玻璃和火石玻璃）来设计消色差（Achromat）和复消色差（Apochromat）物镜组，包括双胶合透镜和三片式设计的具体实施。 第九章：衍射光学元件（DOE）与自由曲面 传统光学设计正越来越多地与衍射光学和自由曲面技术结合。本章介绍了基于菲涅尔波带片原理的衍射元件设计，探讨了其在色散控制和波束整形中的优势。随后，深入讲解了自由曲面（Freeform Surfaces）的概念，展示了如何利用非球面和更复杂的曲面来消除传统球面系统难以校正的像差，极大地提升了系统的紧凑性和性能。 第十章：照明与非成像光学 本章关注如何设计系统以控制光能的分布而非形成清晰图像。内容涵盖LED照明系统中的匀光器设计、集光器（如Luminaires）的原理，以及Lissajous图形的生成。重点介绍了辐射度学（Radiometry）的基础知识，包括光通量、辐照度和立体角的概念，以及如何在照明设计中应用这些工具。 第十一章：现代光学元件制造与公差分析 理论设计必须与制造可行性相结合。本章讨论了先进光学元件的制造技术，包括精密磨抛、镀膜技术及其对系统性能的影响。至关重要的一部分是公差分析（Tolerance Analysis），讲解了如何通过统计方法（如蒙特卡洛模拟）评估元件参数偏差（如曲率半径、厚度、定位误差）对最终成像质量（如MTF下降）的影响，指导设计者设定合理的制造公差。 --- 本书特色 1. 理论与实践的紧密结合： 每章的理论推导后都紧跟着实际的光学系统设计案例或工程考量。 2. 现代分析工具的整合： 强调了Zernike多项式、MTF分析以及优化算法在现代设计流程中的核心地位。 3. 面向前沿： 深入讨论了自由曲面和衍射光学在突破传统限制方面的应用。 4. 严谨的数学基础： 对涉及的物理和数学原理（如偏微分方程、矩阵代数）进行了详尽的阐述，确保读者能深入理解根本机制。 通过研读本书，读者不仅将掌握设计高品质成像系统的能力，更能理解影响光学性能的深层次物理机制，为从事复杂光学仪器、医疗成像设备、高分辨率传感器等领域的工作做好充分准备。
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