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镜头光学设计宝典结合Zemax实例分析（中文版）.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：10.16M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第一章、第二章
    第三章
    3.1简介
    3.2符号规则
    3.3形状参数（shape factor）
    3.4面凹陷
    3.5非球面
    3.6球面偏移
    3.7 作业
    3.7.1单镜
    第四章
    4.1介绍
    4.2近轴光线方程
    4.3高斯公式
    4.4近轴系统的透镜是怎样的
    4.5弯曲能力
    4.6其它重要面的弯曲能力表述
    4.7二元系统的主面位置
    4.8放大率
    4.9作业
    ZEMAX初学宝典0
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    公公认认的的光光学学设设计计宝宝典典 结 合 ZEMAX 实 例 n Joseph M. Geary 著 n 赵存华 译 特点： † 以 ZEMAX 软件为实例 † 理论讲解与软件操作相结合 † 以讲座的形式写作全书 † 以照相镜头的发展历史贯穿全书 † 深入浅出有深度易理解 † 从初学到精通光学设计者皆宜
    该书是 Joseph M. Geary 即将退休之作，集其毕生科研实 践之精华，Geary 是美国 Alabama 大学著名的光学研究中心 的教授，SPIE 的 Fellow，从事镜头设计四十余年，有着丰富 的镜头设计经验，阅读该书就是您与大师对话，亲身聆听教诲 的机会。
    前言 前言 本书来自于Huntsville 市Alabama 大学应用光学研究中心光学工程专业博士生 的学位课。虽然有很多设计各种镜头方面的专著和论文集，但在教这门课开始的 时候，令我十分沮丧和失望的是，我无法找到一本好的镜头设计方面的教材。还 没有人针对学生学习（或教师）思路来编写教材，因此希望本书在镜头设计教学 方法上迈出一步。它就像我最初打算的一样，现代镜头设计教材不可能完全脱离 可利用的商业光学设计软件，因此考虑几个原因（如界面友好和高性价比等），作 者选择了 ZEMAX。 本书不是传统意义上的教科书，它是形式化地体现了我演讲的内容，包括作 业和考试。本教材设计为一学期课时，38 讲，每讲 55 分钟。所讲的知识为研究生 一年级的水平，并尽力为镜头设计最初级教程而写，同时也可作为手册子或工程 设计参考。它基本的要求是：熟练掌握大学所学的几何光学（附录 A）知识，数 学上的代数、三角、几何和微积分等。尽管本教材是为镜头设计者所写，但它所 提供的光学工程的一般知识可作为一个重要的工具或技巧而应用于其它专业技术 中。 虽然本书以演讲的格式而作，并以适合课堂使用为特点，但是其根本上是为 自学者而设计。充分考虑到使用者的三种不同情况。显然其最大的受益者为能获 得 ZEMAX（及其随机手册）软件的读者；同时作者也提供（特别在附录 C 和 E 的帮助下）了足够的知识允许读者使用其它光学设计软件（如 Code-V，SYNOPSIS 或高级 OSLO 等）复算实例和做作业；最后对于无法使用流行光学设计软件的读 者，可以大量学习或分析，通过公式手算或做薄透镜进入软件设计前的计算工作， 有所裨益。 除了一些个别情况之外，该教材的主干是照相镜头，几乎沿着其历史的演变 过程来展开。从沃拉斯顿取景镜到复消色差远摄物镜，一共有十个待解决的照相 镜头问题需要解决。沿此思路，我们考察了诸如快速消畸变方法和库克三片镜法 （Cooke Triplet）等。其设计方法包括：镜头弯曲、光阑位移、对称、分裂光学元 件、校正色差、像差平衡、场曲平化、非球面和优化函数的正确使用及构造等。 尽管 ZEMAX 作为本教材整体中的一部分，但在书中并没有盲目使用它。在每一 个 ZEMAX 作业中，设计前薄透镜系统的手动计算提供了一个初始结构。近轴光 线追迹、计算元件的光焦度和计算像差，贯穿了本教材的始终。因此，所有的设 ·1·
    计实例都有理论的强有力支持。 前言 决定设计质量评估的分析工具也同样重要，其评估方法在本教材中也作了介 绍。ZEMAX 及其附带软件具有很强大的光学评估分析能力的传统，能提供使用 者丰富的数字和图形（如轴向色光和光线展开图、点列图和 MTF 等）分析结果。 本教材使学生彻底理解这些数字来自于哪里和这些图形代表什么意义。对这些数 字和图形的理解来自于手动计算和 ZEMAX 软件计算相结合的 26 个作业。本教材 让学生在第一周就使用 ZEMAX，并且以后每一周都有所深入。作业的材料大约 每三次演讲侧重于一个特殊的设计方法，并提供了 ZEMAX 作业的背景知识。 我谨以此书献给 Roland 教授和 Bob Shannon 教授，他们是我在光学科学研究 中心的良师益友。此外还要献给 Rudolph Kingslake 教授。我感谢他们在我完成此 书过程中所给予的鼓励及指导。 感谢约翰·狄默克博士，应用光学中心和光学工程课程 指导委员会主任。他 对发展镜头设计教材慷慨解囊，这正是本书赖以存在的基础。同时，我还感谢审 阅本书手稿的人员，他们按字母顺序排列为：Richard Buchroeder 博士、Qian Gong 博士（Swales 空间部）、John Loomis 博士（Dayton 研究所）、Malcolm MacFarlane 博士（Goodrich）、Ken Pitalo 先生（Alabama 大学）、Pat Reardon 博士（Alabama 大学）、Babak Saif 博士（空间望远镜研究所）、Jose Sasian 博士（Arizona 大学）、 Lynn Seppala 博士（Lawrence Livermore 国家实验室）、Bob Shannon 博士（Arizona 大学）、Greg Smith 博士、Phil Stahl 博士（Marshall 空间飞行器中心）、Harold Suiter 博士、Bill Swantner 博士（BSC 光学部）和 Mary Turner 博士（Focus 软件公司）。 这些专家的意见和建议极大地提高了本书的质量。最后，我感谢我的女儿 Jennifer， 她为本书进行了极具美感的设计。 关于 ZEMAX 的声明：本书使用的是 ZEMAX SE 6.0-7.2 版。我已经发现，不 同的版本在作了一次优化之后，透镜数据编辑器和优化函数里操作数的值会有轻 微的差别，这种差别小到可以忽略不计。在我提供的很多 ZEMAX 设计实例中， 优化后的数字值被明确地指出来或列成表格。使用其它版本的读者，对于优化后 的数值与我所得数值精度如有不同，没有关系，它们的值肯定相当的接近。 作者经验：我发现在教授本课程中，数字投影仪必不可少，所以强烈建议教 师使用数字投影仪。它不仅可以回顾作业，而且能够实时演示 ZEMAX 特性，图 解设计方法。 ·2·
    前言 Joseph M. Geary 应用光学中心 Alabama 大学，Huntsville 2002-10-15 ·3·
    目录 目录 前言 第一章 概述…………………………………………………………………………….1 1.1 概述………………………………………………………………………………….1 1.1.1 什么是镜头设计…………………………………………………………… .1 1.1.2 本教程适合的读者………………………………………………………… .1 1.1.3 学完本教程应获得的知识………………………………………………… .1 1.2 设置阶段…………………………………………………………………………….1 1.2.1 一个例子…………………………………………………………………… .1 1.2.2 像差和成像………………………………………………………………… .3 1.2.3 透镜尺寸和全视场………………………………………………………… ..4 1.2.4 镜头规格参数……………………………………………………………… ..5 1.3 作业………………………………………………………………………………….8 第二章 ZEMAX ……………………………………………………………………....10 2.1 ZEMAX 概述………………………………………………………………………10 2.2 数据输入…………………………………………………………………………..10 2.2.1 在镜头数据编辑器中插入数据描述………………………………………10 2.2.2 对话框……………………………………………………………………...11 2.3 轮廓图………………………………………………………………………… ...15 2.4 一阶光学特性……………………………………………………………………..15 2.5 分析………………………………………………………………………………..15 2.6 保持经常的存盘…………………………………………………………………..17 2.7 ZEMAX 玻璃库…………………………………………………………………17 2.8 零碎………………………………………………………………………………...18 2.8.1 f-数 详解…………………………………………………………………….18 2.8.2 选择光线………………………………………………………………… ...20 第三章 约定和非球面………………………………………………………………..21 3.1 概述………………………………………………………………………………..21 ·1·
    目录 3.2 符号规则…………………………………………………………………………..21 3.3 形状因子…………………………………………………………………………..21 3.4 矢高………………………………………………………………………………..23 3.5 非球面……………………………………………………………………………..23 3.6 非球面偏离球面的大小…………………………………………………………..27 3.7 作业………………………………………………………………………………..29 3.7.1 单透镜…………………………………………………………………… ...29 第四章 近轴光学……………………………………………………………………...32 4.1 概述………………………………………………………………………………..32 4.2 近轴光线追迹方程………………………………………………………………..32 4.3 高斯公式…………………………………………………………………………..34 4.4 在 PRTE 世界里透镜能作何近似…………………………………………………34 4.5 光学面的光焦度…………………………………………………………………...35 4.6 其它重要的光焦度表达式………………………………………………………..36 4.6.1 单反射面………………………………………………………………… ...36 4.6.2 两元系统………………………………………………………………… ...37 4.6.3 薄透镜…………………………………………………………………… ...38 4.7 两元系统的主面位置……………………………………………………………..39 4.8 放大率……………………………………………………………………………..40 4.9 作业………………………………………………………………………………..41 第五章 光栏和孔径…………………………………………………………………...42 5.1 概述………………………………………………………………………………..42 5.2 光栏和孔径………………………………………………………………………..42 5.3 边缘光线和主光线………………………………………………………………..45 5.4 用 PRTE 确定内置光栏的入瞳和出瞳…………………………………………46 5.5 入瞳尺寸和 f-数…………………………………………………………………..47 5.6 拉格朗日不变量…………………………………………………………………..48 5.7 作业………………………………………………………………………………..49 第六章 玻璃和风景物镜……………………………………………………………..50 ·2·
    目录 6.1 概述………………………………………………………………………………..50 6.2 玻璃特性…………………………………………………………………………..50 6.2.1 折射率…………………………………………………………………… ...50 6.2.2 色散……………………………………………………………………… ...50 6.2.3 怎样量化玻璃的色散特性……………………………………………… ...50 6.2.4 玻璃图…………………………………………………………………… ...56 6.2.5 玻璃生产数据……………………………………………………………… 56 6.2.6 部分色散………………………………………………………………… ...56 6.2.7 实际考虑………………………………………………………………… ...56 6.3 光栏位移与像差控制……………………………………………………………..57 6.4 渥拉斯顿后风景物镜……………………………………………………………..60 6.5 历史的记忆: William Wollaston…………………………………………………...61 6.6 作业………………………………………………………………………………..62 第七章 像差概述……………………………………………………………………...64 7.1 概述………………………………………………………………………………..64 7.2 评价图……………………………………………………………………………..64 7.2.1 光线扇形图……………………………………………………………… ...64 7.2.2 点列图…………………………………………………………………… ...65 7.3 像差的光线描述…………………………………………………………………..66 7.3.1 离焦……………………………………………………………………… ...69 7.3.2 球差……………………………………………………………………… ...69 7.3.3 彗差……………………………………………………………………… ...71 7.3.4 像散……………………………………………………………………… ...72 7.3.5 场曲和畸变……………………………………………………………… ...74 7.4 波像差……………………………………………………………………………..76 7.4.1 波像差描述……………………………………………………………… ...76 7.4.2 波前与光学系统相交…………………………………………………… ...77 7.4.3 波前描述………………………………………………………………… ...79 7.4.4 波前和衍射……………………………………………………………… ...81 ·3·
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