基於 Zemax 的應用光學教程

目錄 
1章幾何光學基本定律與成像基本概念1 
1.1 幾何光學的基本概念1 
1.1.1 幾何光學中的光源與光束1 
1.1.2 幾何光學的基本定律2 
1.1.3 費馬原理4 
1.2 光學系統及成像的基本概念7 
1.3 Zema的界面簡介與光學建模方式9 
1.3.1 Zema的界面簡介9 
1.3.2 Zema光學建模與基本計算流程11 
思考題12 
計算與證明題12 
2章共軸球面系統的成像理論13 
2.1 幾何光學中的符號規則13 
2.1.1 線段14 
2.1.2 角度14 
2.1.3 符號規則的意義15 
2.1.4 符號的標註15 
2.2 單折球面成像15 
2.2.1 實際光線單折球面的光路計算15 
2.2.2 近軸區域單折球面光路計算18 
2.2.3 近軸區域單折球面成像規律19 
2.2.4 細光束大視場入情況與場曲23 
2.3 共軸球面系統成像25 
2.3.1 共軸球面系統近軸區域的轉面過渡公式26 
2.3.2 共軸球面系統近軸像面位置計算27 
2.4 單個反球面的成像29 
2.5 Zema中的像差評價與鏡面參數設置31 
2.5.1 Spot Diagram與Ray Aberration簡介31 
2.5.2 純離焦35 
2.5.3 純球差37 
2.5.4 球差和離焦39 
2.5.5 自動優化設計概念初步40 
思考題43 
計算與證明題43 
3章理想光學系統45 
3.1 理想光學系統的基本理論45 
3.2 理想光學系統的基點、基面46 
3.2.1 焦點、焦面與焦距47 
3.2.2 主面與主點48 
3.2.3 節點49 
3.3 理想光學系統的物像解析關係49 
3.3.1 物像位置計算49 
3.3.2 放大率及相互關係51 
3.4 理想光學系統的圖解法54 
3.5 理想光學系統的組合58 
3.5.1 雙光組光學系統59 
3.5.2 多光組光學系統正切計算法61 
3.6 透鏡63 
3.6.1 單折球面的基點、基面與焦距63 
3.6.2 透鏡的基點與焦距64 
3.6.3 薄透鏡與薄透鏡組70 
3.7 單透鏡與雙透鏡的Zema設計實例72 
3.7.1 單透鏡Zema設計實例72 
3.7.2 雙膠合透鏡Zema設計實例77 
計算題81 
4章平面系統84 
4.1 平面折與平行平板玻璃成像性質84 
4.1.1 平行平板的成像性質84 
4.1.2 平行平板的等效空氣層的概念86 
4.2 平面反鏡88 
4.2.1 平面反鏡的成像特性89 
4.2.2 平面反鏡的旋轉效應90 
4.2.3 兩面角鏡的成像特性91 
4.3 反棱鏡92 
4.3.1 反棱鏡的基本概念92 
4.3.2 反棱鏡系統的物像坐標變換規律94 
4.3.3 反棱鏡的展開與結構尺寸計算95 
4.4 折棱鏡和楔鏡99 
4.4.1 折棱鏡99 
4.4.2 楔鏡100 
4.5 Zema中的坐標斷點102 
4.5.1 Zema中的坐標系102 
4.5.2 坐標變換103 
4.5.3 Zema中的坐標斷點設置104 
4.6 光學系統中具有反鏡或者平行平板的Zema仿真分析106 
4.7 具有反鏡的光學系統Zema設計方法實例——牛頓望遠鏡109 
4.8 具有阿米西（Amici）屋脊棱鏡與五棱鏡組合的光學系統Zema設計實例112 
思考題115 
計算題116 
5章光學系統的光束限制118 
5.1 光學系統中的孔徑光闌、入光瞳與出光瞳118 
5.1.1 孔徑光闌的判斷119 
5.1.2 入光瞳與出光瞳121 
5.2 視場光闌、窗與漸暈124 
5.2.1 視場光闌124 
5.2.2 入窗與出窗125 
5.2.3 漸暈126 
5.3 光學系統的景深131 
5.4 Zema中光束限制的設計方法——單透鏡光束限制的設計與分析135 
5.5 Zema中漸暈的設計方法140 
5.6 Zema的多重結構設計——反式掃描系統設計146 
計算題149 
6章光度學基礎151 
6.1 光能和光度學的基本概念151 
6.1.1 立體角的概念151 
6.1.2 輻通量、光譜光視效率與光通量153 
6.1.3 光亮度、發光強度、光出度和光照度155 
6.1.4 光學系統中光亮度和光通量的傳遞159 
6.2 光學系統中的光能損失分析與計算161 
6.2.1 光學系統中的光能損失分析162 
6.2.2 光學系統的透過率計算164 
6.3 Zema中相對照度、鍍膜簡介及序列/非序列混合模型與照明設計實例164 
6.3.1 相對照度164 
6.3.2 鍍膜165 
6.3.3 利用序列與非序列混合模型設計一個LED（點光源）的照明系統167 
計算題173 
7章像差理論174 
7.1 單色像差174 
7.1.1 軸上點與軸外點像差174 
7.1.2 正弦差與彗差177 
7.1.3 像散180 
7.1.4 場曲181 
7.1.5 畸變183 
7.2 色差184 
7.2.1 位置色差184 
7.2.2 放大率色差184 
7.3 Zema中的像差模擬與分析185 
7.3.1 球差185 
7.3.2 彗差187 
7.3.3 像散189 
7.3.4 場曲189 
7.3.5 畸變191 
7.3.6 色差192 
8章實際光學系統196 
8.1 人眼光學系統與視光學196 
8.1.1 人眼的構造196 
8.1.2 人眼的主要特性197 
8.1.3 雙眼立體視覺201 
8.2 放大鏡202 
8.2.1 目視光學儀器的工作原理203 
8.2.2 放大鏡的視覺放大率203 
8.2.3 放大鏡光束限制204 
8.3 望遠鏡205 
8.3.1 望遠鏡的歷史發展背景205 
8.3.2 望遠鏡的基本類型與工作原理206 
8.3.3 望遠鏡的技術指標207 
8.4 顯微鏡209 
8.4.1 顯微鏡的歷史發展背景209 
8.4.2 顯微鏡的基本工作原理與技術指標210 
8.4.3 顯微鏡的光束限制211 
8.4.4 顯微鏡的分辨力與有效放大率212 
8.5 照相機與投影儀216 
8.5.1 照相機的歷史發展背景216 
8.5.2 照相機的基本工作原理與性能參數216 
8.5.3 投影儀的歷史發展背景220 
8.5.4 投影儀的基本工作原理與性能參數220 
8.6 光學成像系統的像質評價簡介222 
8.7 光學傳遞函數、人眼模型和虛擬現實應用223 
8.7.1 光學傳遞函數像質評價基本概念223 
8.7.2 人眼的Zema模型和在虛擬現實（VR）中的應用225 
思考題230 
計算題231 
9章Zema中的優化、公差與若干設計案例233 
9.1 Zema優化方法簡介233 
9.1.1 優化方法概述233 
9.1.2 光學系統數學建模234 
9.1.3 Zema中評價函數的定義236 
9.1.4 Zema作符的定義237 
9.1.5 默認評價函數238 
9.2 Zema公差分析簡介239 
9.3 若干光學系統設計實例242 
9.3.1 優化設計雙透鏡光纖對接耦合系統243 
9.3.2 優化非球面鏡實現半導體激光器與單模光纖的高效耦合255 
9.3.3 基於偏振元件的光環形器設計264 
9.3.4 庫克三片式成像鏡頭設計272 
9.3.5 蘋果手機鏡頭剖析279 
思考與練習題292 
參考文獻294