光學系統(tǒng)設計——理論、仿真與系統(tǒng)檢測
定 價：69 元
叢書名：普通高等教育電子信息類專業(yè)系列教材
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- 作者：張磊
- 出版時間：2025/8/1
- ISBN：9787302694106
- 出 版 社：清華大學出版社
- 中圖法分類：TH740.2
- 頁碼：
- 紙張：膠版紙
- 版次：
- 開本：16開
《光學系統(tǒng)設計——理論、仿真與系統(tǒng)檢測》從光學設計的目標出發(fā)，介紹了光學設計的具體方法、工具(輔助設計軟件)、設計思路、實踐案例(常見光學系統(tǒng)和前沿光學系統(tǒng)的設計案例)和實際光學系統(tǒng)的評測方法等全鏈條知識體系。全書共分為3部分。優(yōu)質(zhì)部分為光學設計的理論、工具與基礎方法(第1章~第4章)：介紹了光學設計目標、光學設計理論與方法基礎(像差及其控制)、以Zemax為代表的計算機輔助設計工具的使用及利用Zemax軟件控制像差的實操方法;第二部分為典型光學系統(tǒng)設計理念與Zemax設計實踐(第5章~第11章)：介紹了望遠系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)、攝影系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、變焦結構、干涉儀、高斯光學系統(tǒng)和其他非成像光學系統(tǒng)的設計思路與設計案例；第三部分為實際光學系統(tǒng)與光學表面檢測技術介紹(第12章~第14章)：介紹了成像光學系統(tǒng)、激光光學系統(tǒng)及各類光學元件表面的檢測技術理論與方法，形成了光學設計工作的閉環(huán)。為便于讀者高效學習，快速掌握光學設計基礎理論與實踐案例，《光學系統(tǒng)設計——理論、仿真與系統(tǒng)檢測》作者精心制作了完整的教學課件、53個Zemax設計案例文件以及豐富的配套設計視頻教程�！豆鈱W系統(tǒng)設計——理論、仿真與系統(tǒng)檢測》適合作為高等院校光電信息科學與工程相關專業(yè)高年級本科生、研究生的教材，同時可供光學設計人員、廣大科技工作者和研究人員自學參考。
《光學系統(tǒng)設計——理論、仿真與系統(tǒng)檢測》從像差理論和像質(zhì)評價手段出發(fā)，描述各類典型光學元件與系統(tǒng)的設計原理以及依托軟件的自動設計方法等內(nèi)容，其既是一門應用性極強的課程，也是一門相對獨立的技術手段，在本科學習階段與“光學”“工程光學”等課程緊密關聯(lián)，是光電信息類專業(yè)學生的重要知識組成部分和全周期工程教育的重要環(huán)節(jié)�！豆鈱W系統(tǒng)設計——理論、仿真與系統(tǒng)檢測》以經(jīng)濟社會發(fā)展與行業(yè)需求為導向，充分對焦“以學生為中心，產(chǎn)出為導向”的新工科教育理念，致力于打造理論與實踐一體化、認知與創(chuàng)造一體化的新工科教材。重塑經(jīng)典，循序漸進順應學習特點，摒棄了關于傳統(tǒng)光學系統(tǒng)初始結構計算的大量復雜公式，以培養(yǎng)學習自信為出發(fā)點，使得讀者在學習過程中主動探索光學系統(tǒng)初始結構的計算過程。體系完備，圖例豐富增添了實際光學系統(tǒng)與光學表面的加工檢測技術內(nèi)容，注重設計與加工檢測的銜接，建立了光學設計-加工-檢測的全鏈條知識體系。編寫結構中體現(xiàn)學習的過程性，提供豐富細膩的，方便理解，適應不同興趣、知識層次的學習需求。關注前沿，落腳實踐注重幾何光學、物理光學、信息光學知識的交叉融合，體現(xiàn)學科價值，并反映部分近期研究成果。提供了大量設計實踐案例操作視頻，案例編寫貼近經(jīng)濟社會發(fā)展需求，關注國家發(fā)展戰(zhàn)略。資源豐富，易教易學提供了微課視頻、教學課件、教學大綱、習題答案等教學資源，方便教學和自學。
前言
一、 為什么要寫這本書
從高精尖領域精密光學儀器(如光刻機)，到醫(yī)用領域的各類光學窺鏡，再到民用領域的手機攝像頭和監(jiān)控鏡頭，無一不凸顯了光學設計在國民經(jīng)濟各個行業(yè)領域的重要地位。與之形成鮮明對比的是，具有獨立光學設計能力的人才相對較少，國內(nèi)中小型企業(yè)、高校與科研院所的光學設計人才相對稀缺。從范圍來看，對于光電類專業(yè)畢業(yè)生最為匹配的工作崗位為光學工程師或光學設計工程師崗位，其中大部分崗位要求畢業(yè)生掌握一門光學設計軟件。
光學設計類課程從像差理論和像質(zhì)評價手段出發(fā)，描述各類典型光學元件與系統(tǒng)的設計原理及依托軟件的自動設計方法等內(nèi)容，其既是一門應用性極強的課程，也是一種相對獨立的技術手段，在本科學習階段與“光學”“工程光學”等課程緊密關聯(lián)，是光電信息類專業(yè)學生的重要知識組成部分和全周期工程教育的重要環(huán)節(jié)。
書不一定非要寫得深奧和高大全，但要讓初學者有興趣學下去，學習過程中獲得滿足感，且可以適應不同興趣、知識需要、學習層次的學習需求。本書以經(jīng)濟社會發(fā)展與行業(yè)需求為導向，充分對焦“以學生為中心，產(chǎn)出為導向”的新工科教育理念，致力于打造理論與實踐一體化、認知與創(chuàng)造一體化的新工科教材。
二、 本書特色
(1) 本書重塑了傳統(tǒng)光學設計教材內(nèi)容，建立了循序漸進的全鏈條知識體系。一方面順應學習特點，摒棄了關于傳統(tǒng)光學系統(tǒng)初始結構計算的大量復雜公式，以培養(yǎng)學習自信為出發(fā)點，使讀者在學習過程中主動探索光學系統(tǒng)初始結構的計算過程。另一方面增添了實際光學系統(tǒng)與光學表面的加工檢測技術內(nèi)容，注重設計與加工檢測的銜接，建立了光學設計—加工—檢測的全鏈條知識體系。本書在編寫結構中體現(xiàn)了學習的過程性，提供了豐富細膩的圖形內(nèi)容，方便理解，以適應不同興趣、知識層次的學習需求。
(2) 本書以實踐運用為落腳點，以經(jīng)濟社會發(fā)展和國家戰(zhàn)略需求為導向。一方面，注重幾何光學、物理光學、信息光學知識的交叉融合，體現(xiàn)學科價值，并反映部分近期研究成果。另一方面部分實踐案例的編寫聽取了企業(yè)的寶貴建議，貼近經(jīng)濟社會發(fā)展需求，如智慧交通監(jiān)控鏡頭設計、線上會議鏡頭設計等； 同時，內(nèi)容編寫關注國家發(fā)展戰(zhàn)略，如光刻物鏡設計、星地激光通信系統(tǒng)設計等。
(3) 本書堅持價值引領。在專業(yè)教育中有機融入了黨的二十大精神，在章節(jié)內(nèi)容對應的拓展閱讀中融入了新質(zhì)生產(chǎn)力思考、自主創(chuàng)新之路、向老一輩科學家致敬、科學思維鍛煉、學史明理與學史力行、人類的科學堅持、家國情懷養(yǎng)成、科技的民生落腳點、技術向善的大愿景、大國重器的自豪感、共產(chǎn)黨人的愛國堅持等，實現(xiàn)培根鑄魂、啟智增慧。
配 套 資 源
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三、 讀者對象
對光學設計和光學系統(tǒng)檢測感興趣的讀者；
光電信息科學與工程相關專業(yè)的高年級本科生、研究生；
企業(yè)光學設計和檢測人員，與光學系統(tǒng)相關的科技工作者、研究人員和工程技術人員。
四、 致謝
限于編者的水平和經(jīng)驗，疏漏之處在所難免，敬請讀者批評指正。
編者2025年5月
目錄
配套資源
第1章光學設計目標
1．1光學成像的本質(zhì)
1．1．1理想成像
1．1．2小孔成像
1．2成像光線追跡的啟示
1．2．1光學系統(tǒng)基本概念
1．2．2光線追跡結論： 像差
習題
第2章光學像差與光學系統(tǒng)評價
2．1幾何像差
2．1．1球差
2．1．2彗差
2．1．3像散
2．1．4場曲
2．1．5畸變
2．1．6復色像差
2．1．7幾何像差計算
2．2波像差
2．2．1波像差的定義
2．2．2波像差的澤尼克多項式描述
2．3設計階段的光學系統(tǒng)評價方法
2．3．1幾何光學評價方法
2．3．2物理光學評價方法
2．3．3信息光學評價方法
習題
第3章光學設計軟件Zemax輔助設計
視頻講解： 51分鐘，8集
3．1Zemax界面與參數(shù)簡介
3．1．1用戶界面
3．1．2光學系統(tǒng)基本參數(shù)設定
3．2Zemax坐標定義與變換
3．3Zemax光學系統(tǒng)像質(zhì)評價
3．4Zemax優(yōu)化設計
3．4．1優(yōu)化函數(shù)定義
3．4．2優(yōu)化操作流程
3．4．3單透鏡優(yōu)化實操
3．4．4優(yōu)化變量的solve類型
3．5Zemax輔助光學設計總體思路
習題
第4章Zemax像差矯正設計基礎
視頻講解： 72分鐘，4集
4．1軸上球差矯正
4．1．1縮小相對口徑
4．1．2曲率匹配
4．1．3多透鏡分裂光焦度
4．1．4非球面
4．1．5齊明透鏡
4．2軸外視場相關像差矯正
4．2．1彗差矯正
4．2．2像散矯正
4．2．3場曲矯正
4．2．4畸變矯正
4．3色差矯正
4．3．1色散與玻璃譜系
4．3．2消色差思路
4．3．3二級光譜
習題
第5章望遠系統(tǒng)設計
視頻講解： 20分鐘，2集
5．1望遠鏡基本原理與參數(shù)指標
5．1．1望遠鏡原理性結構
5．1．2望遠鏡“望遠”的本質(zhì)
5．1．3望遠鏡的分辨率與放大率要求
5．1．4望遠鏡窗瞳關系
5．2折射式望遠鏡設計
5．2．1物鏡設計
5．2．2目鏡設計
5．2．3折射式望遠鏡總體設計
5．3反射式望遠鏡設計
5．3．1色差與分辨率矛盾的解決
5．3．2反射式望遠物鏡設計
5．3．3折反混合式望遠鏡設計
習題
第6章顯微系統(tǒng)設計
視頻講解： 9分鐘，1集
6．1放大鏡與顯微鏡原理
6．2顯微鏡設計參數(shù)要求
6．3顯微物鏡的分類與標識
6．3．1顯微物鏡分類
6．3．2顯微物鏡參數(shù)標識
6．4顯微物鏡的典型結構設計
6．4．1顯微物鏡基本結構
6．4．2顯微物鏡Zemax設計實例
習題
第7章攝影物鏡設計
視頻講解： 50分鐘，5集
7．1標準攝影物鏡設計
7．1．1庫克三片式物鏡
7．1．2天塞物鏡
7．1．3雙高斯物鏡
7．1．4系統(tǒng)縮放設計
7．2攝遠物鏡與廣角物鏡設計
7．2．1攝遠物鏡
7．2．2反攝遠物鏡
7．2．3廣角物鏡
7．2．4魚眼鏡頭與全景成像鏡頭
7．3遠心物鏡設計
7．3．1遠心物鏡基本結構
7．3．2遠心物鏡設計案例
7．4攝影物鏡應用設計案例
7．4．1鏡頭選型與設計
7．4．2工業(yè)相機選型
7．4．3交通監(jiān)控鏡頭設計案例
7．4．4線上會議鏡頭設計案例
習題
第8章投影物鏡與光刻投影物鏡設計
8．1投影物鏡原理與設計
8．1．1投影物鏡原理
8．1．2投影物鏡設計案例
8．2紫外光刻投影物鏡原理與設計
8．2．1半導體制造工藝與光刻機簡介
8．2．2光刻投影物鏡基本性質(zhì)
8．2．3光刻投影物鏡設計
習題
第9章光學系統(tǒng)多重結構設計
視頻講解： 26分鐘，3集
9．1Zemax多重結構設計介紹
9．1．1多重結構光學系統(tǒng)介紹
9．1．2多重結構編輯器
9．2變焦系統(tǒng)及其多重結構設計
9．2．1變焦系統(tǒng)原理
9．2．2變焦系統(tǒng)的參數(shù)計算
9．2．3變焦系統(tǒng)Zemax設計示例分析
9．3激光干涉儀及其多重結構設計
9．3．1激光干涉儀基礎結構
9．3．2干涉儀Zemax仿真設計
習題
第10章高斯(激光)光學設計
視頻講解： 8分鐘，1集
10．1高斯光束傳播特性仿真
10．1．1高斯光束自由空間傳播特性
10．1．2高斯光束透鏡變換特性
10．1．3Zemax高斯光束定義
10．2高斯光束聚焦與準直
10．2．1高斯光束聚焦
10．2．2高斯光束準直
10．2．3高斯光束準直擴束
10．2．4星地激光通信地面?zhèn)鬏斈M驗證系統(tǒng)設計
10．3FTheta 掃描物鏡設計
10．3．1FTheta 掃描物鏡設計原理
10．3．2FTheta 掃描物鏡設計實例
習題
第11章非成像光學系統(tǒng)與Zemax非序列模式
視頻講解： 24分鐘，3集
11．1序列模式中的非成像光學案例
11．1．1顯微照明結構設計
11．1．2光譜儀結構設計
11．2Zemax非序列模式
11．2．1非序列模式簡介
11．2．2非序列模式光源
11．2．3非序列模式探測器與光線追跡
11．3Zemax非序列模式中的非成像光學案例
11．3．1非序列模式干涉儀結構設計
11．3．2微透鏡陣列勻光設計
11．3．3氣體吸收池設計
習題
第12章實際成像系統(tǒng)質(zhì)量評價
12．1星點檢驗
12．2MTF測試
12．3分辨率檢驗
12．4相機成像模型與畸變
12．4．1相機成像模型
12．4．2相機標定
習題
第13章激光光學系統(tǒng)波前檢測
視頻講解： 13分鐘，2集
13．1波前直接檢測法
13．1．1基于波前傳感器的波前斜率檢測
13．1．2基于焦面強度的波前像差反演
13．1．3深度學習在波前恢復中的應用
13．2參考光干涉方法
13．2．1干涉檢測原理與結構
13．2．2干涉圖相位解調(diào)方法： 移相法
13．2．3干涉圖相位解調(diào)方法： 傅里葉變換法
13．2．4相位解包裹
13．3載波和離焦相位處理
13．4自參考干涉法： 剪切干涉儀
13．4．1平行平板橫向剪切干涉儀
13．4．2環(huán)形徑向剪切干涉儀
習題
第14章光學表面檢測
視頻講解： 3分鐘，1集
14．1光學表面加工與面形誤差
14．1．1光學表面加工方法
14．1．2光學表面面形誤差
14．2平面與球面光學元件檢測
14．2．1傳統(tǒng)檢測法
14．2．2干涉測量法
14．2．3干涉檢測的參考路誤差處理
14．3非球面光學元件表面檢測
14．3．1零位檢測
14．3．2非零位檢測
14．3．3子孔徑拼接法
習題
參考文獻
書單推薦
