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第一章 光学系统设计基础1

1.1 几何光学的基本定律1

1.1.1 基本概念1

1.1.2 几何光学的基本定律2

1.1.3 费马原理和马吕斯定律5

1.1.4 光学成像的基本概念6

1.2 共轴球面系统成像的几何理论8

1.2.1 几何光学的符号规则8

1.2.2 单个球面折射的光路计算公式8

1.2.3 球面的近轴成像10

1.2.4 共轴球面系统和球面反射镜12

1.3 理想光学系统成像的几何理论14

1.3.1 理想光学系统的基点和基面14

1.3.2 理想光学系统的物像位置关系17

1.3.3 理想光学系统的放大率18

1.3.4 光学系统的光焦度20

1.4 光学系统的组合20

1.4.1 两个光组的组合21

1.4.2 共轴多光组的组合24

1.4.3 透镜与薄透镜28

1.5 近轴光学中的矩阵方法35

1.5.1 近轴光线的矩阵表示35

1.5.2 单个折射面的物像矩阵36

1.5.3 用高斯常数表示的基点位置和焦距37

1.5.4 薄透镜系统的矩阵运算38

1.6 平面镜棱镜系统的成像特性41

1.6.1 平面反射镜41

1.6.2 平面折射42

1.6.3 反射棱镜45

1.7 光学系统中的光阑55

1.7.1 孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳55

1.7.2 视场光阑、入射窗和出射窗57

1.7.3 渐晕58

1.7.4 消杂光光阑58

1.8 望远系统的外形尺寸计算59

习题63

第二章 光学系统的像差及光线的光路计算65

2.1 光线的光路计算65

2.1.1 近轴子午光线的光路计算66

2.1.2 非近轴子午光线的光路计算70

2.1.3 轴外点主光线细光束的光路计算75

2.2 非球面子午光线的光路计算78

2.2.1 非球面曲面方程表达式78

2.2.2 非球面子午面内近轴光线的光路计算79

2.2.3 轴对称二次曲面近轴光线的光路计算80

2.3 轴上点球差84

2.3.1 球差的定义及量度84

2.3.2 初级球差表达式及计算85

2.3.3 高级球差的计算86

2.3.4 折射球面的齐明点及其应用88

2.4 正弦差与慧差89

2.4.1 等晕条件、正弦条件89

2.4.2 正弦差的定义及量度90

2.4.3 慧差的定义及量度91

2.4.4 初级正弦差、初级慧差的表达式93

2.5 像散与像面弯曲（场曲）94

2.5.1 像散的定义与量度94

2.5.2 像面弯曲的定义及量度96

2.5.3 初级场曲与初级像散的表达式97

2.6 畸变100

2.6.1 畸变的定义及量度100

2.6.2 初级畸变的表达式102

2.7 色差102

2.7.1 光学材料的色散及其有关物理量103

2.7.2 光学系统消像差谱线的选择103

2.7.3 位置色差的定义和量度104

2.7.4 倍率色差的定义和量度105

2.7.5 初级色差的表达式107

2.7.6 薄透镜系统的初级色差及具体应用109

2.8 像差综述及应用115

2.8.1 光学系统对像差校正的要求115

2.8.2 光学系统初级像差表达式及其与视场和孔径的关系116

2.8.3 光学系统子午像差特性曲线118

2.8.4 波像差120

2.8.5 光学系统的像差容限121

习题122

第三章 红外光学系统物镜的设计124

3.1 红外光学系统的概述124

3.1.1 典型红外系统的构成124

3.1.2 红外光学系统的功用和特点125

3.1.3 红外光学系统的性能参数及设计原则126

3.2 折射式物镜——单透镜130

3.2.1 薄透镜的初级球差与结构参数的关系130

3.2.2 物体位于无限远时初级像差的表达式132

3.2.3 物体在有限远时的初级像差表达式135

3.2.4 几种特殊形状的单薄透镜初级像差表达式136

3.2.5 红外物镜——单薄透镜的应用实例138

3.2.6 单薄透镜中心厚度的确定141

3.3 折射式物镜——复合透镜142

3.3.1 双胶合物镜的初级像差142

3.3.2 双分离物镜的初级像差144

3.3.3 组合式红外物镜及应用实例146

3.4 反射式物镜——单反射镜150

3.4.1 球面反射镜150

3.4.2 非球面反射镜151

3.4.3 轴对称非球面的初级像差153

3.5 反射式物镜——双反射镜系统155

3.5.1 双反射镜系统的概述155

3.5.2 双反射镜系统的设计157

3.5.3 双反射镜系统主次镜面型的确定160

3.5.4 各种类型的双反射镜系统实例介绍163

3.6 折反射式物镜168

3.6.1 施密特系统169

3.6.2 曼金折反射式物镜171

3.6.3 包沃斯－马克苏托夫系统172

习题175

第四章 红外探测器光学系统的设计176

4.1 场镜176

4.1.1 场镜的主要作用176

4.1.2 光学系统中场镜参数的计算177

4.1.3 光学系统中场镜的像差及校正方法179

4.2 光锥181

4.2.1 光锥的种类及其工作原理181

4.2.2 空心圆锥型光锥的设计182

4.2.3 实心圆锥的设计184

4.2.4 场镜与光锥的组合结构185

4.3 浸没透镜187

4.3.1 浸没透镜的成像特点187

4.3.2 浸没透镜的类型及工作原理187

4.3.3 浸没透镜的使用限制190

4.4 整流罩和窗口192

4.4.1 整流罩193

4.4.2 窗口194

4.5 常用光机扫描元件194

4.5.1 光机扫描的分类及特点194

4.5.2 摆动平面反射镜和平面平行平板196

4.5.3 旋转的45°平面反射镜199

4.5.4 旋转的多面体反射棱柱199

4.5.5 旋转的折射棱镜201

4.5.6 旋转折射光楔202

4.5.7 其他类型的扫描元件204

4.5.8 各种扫描图形的产生方法205

习题206

第五章 光学薄膜207

5.1 光学薄膜设计的理论基础207

5.1.1 单色平面电磁波207

5.1.2 平面电磁波在单一界面上的反射和折射211

5.2 光学薄膜特性的理论计算216

5.2.1 单层介质薄膜的反射比216

5.2.2 多层介质薄膜的反射比219

5.3 矢量作图法和有效界面法225

5.3.1 矢量作图法225

5.3.2 有效界面法227

5.4 对称膜系的等效层228

5.4.1 等效光学导纳228

5.4.2 等效层的光谱特性230

5.4.3 周期对称膜系的特征矩阵231

5.5 增透膜233

5.5.1 λ0/4和λ0/2膜系的导纳233

5.5.2 单层增透膜234

5.5.3 双层增透膜236

5.5.4 多层增透膜239

5.5.5 红外增透膜242

5.6 红外带通滤光片244

5.6.1 带通滤光片的光学特性描述244

5.6.2 红外带通滤光片245

5.7 膜厚监控原理 光电极值法248

习题250

第六章 红外光学系统的像质评价252

6.1 导言252

6.2 几个基本概念253

6.2.1 线性成像系统253

6.2.2 空间频率253

6.2.3 对比和调制传递函数253

6.2.4 理想光学系统254

6.2.5 截止频率254

6.2.6 线扩散函数254

6.3 点光源的像和点扩散函数255

6.4 非相干扩展目标的像和基本定理257

6.4.1 非相干扩展目标的像257

6.4.2 基本定理258

6.4.3 复合系统的光学传递函数261

6.5 光学传递函数的计算263

6.6 光学传递函数的测量265

6.6.1 测量原理266

6.6.2 红外光学系统OTF的测量267

6.6.3 用红外MTF测量仪测定红外透镜的焦距268

习题269

第七章 典型红外装置光学系统的设计270

7.1 概述270

7.2 透射式红外测温仪光学系统的设计271

7.3 反射式红外测温仪光学系统的设计275

7.4 红外跟踪系统278

7.5 红外热像仪282

7.5.1 旋转折射棱镜热像仪的光学系统282

7.5.2 多元线列并扫热像仪的光学系统285

7.6 机载多光谱扫描仪的设计287

习题292

附录293

参考文献304