21世紀的光學不僅成為信息科學中的信息載體和主角之一，還融合了微電子、自動化、計算機和信息管理等技術(shù)，形成了光機電一體化的綜合性高新技術(shù)；而現(xiàn)當代光學儀器已經(jīng)打破了經(jīng)典光學儀器的傳統(tǒng)概念，是“光、機、電、算”的綜合體，但核心部分仍然是光學系統(tǒng)。
本書系統(tǒng)闡述了光學設(shè)計理論以及光學零部件和系統(tǒng)的設(shè)計方法，并給出大量設(shè)計實例。全書分3部分共9章，內(nèi)容包括：光學設(shè)計概述，光學設(shè)計CAD軟件應用基礎(chǔ)，光學系統(tǒng)像質(zhì)評價方法，光學材料和光學設(shè)計的經(jīng)濟性、工藝性，代數(shù)法求解光學部件初始結(jié)構(gòu)，典型光學部件設(shè)計，經(jīng)典光學系統(tǒng)設(shè)計，其他光學系統(tǒng)設(shè)計以及光學設(shè)計OSLO軟件應用與光學設(shè)計實訓。
本書注重理論與實踐相結(jié)合，融科學性、實用性和可操作性于一體，可作為光學及相關(guān)專業(yè)本科，特別是應用型本科的教材，也可供研究生和有關(guān)工程技術(shù)人員參考。
(責任編輯郵箱：jinacmp@163.com)
本書遵循教指委相關(guān)指導文件和高等院校學生學習規(guī)律編寫而成。踐行四新理念，融入思政元素，注重理論與實踐相結(jié)合。
2 0世紀光學得到了迅猛的發(fā)展。20世紀初最重要的理論發(fā)現(xiàn)是相對論和量子力學，都與光相關(guān)；20世紀60年代激光器的發(fā)明被認為是繼原子能、半導體和計算機之后的又一重大發(fā)明，計算機延伸了人的大腦，而激光延伸了人的感官；20世紀70年代光電子技術(shù)迅速發(fā)展，20世紀80年代出現(xiàn)光纖通信，開始了通信領(lǐng)域的一場革命；20世紀90年代大存儲量光盤的發(fā)展，對光信息的存取產(chǎn)生了重大影響，20世紀90年代光學發(fā)展值得大書特書的是：光纖通信與個人計算機的結(jié)合，形成信息技術(shù)發(fā)展的“互聯(lián)網(wǎng)時代”，從此人類步入信息社會。
當今的現(xiàn)代光學，其內(nèi)容遠不止經(jīng)典光學以望遠鏡、顯微鏡和照相機等為研究對象；現(xiàn)代光學儀器已擴展為光（學）、機（械）、電（子）和計算機的綜合體。但不管怎樣，光學系統(tǒng)仍然是現(xiàn)代光學儀器的核心部分，因為光學系統(tǒng)的質(zhì)量高低直接影響到整體精度。由此看來，熟練掌握光學系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)與技巧，并能獨立地從事光學系統(tǒng)的設(shè)計，對于光學專業(yè)有志于日后成長為現(xiàn)代光學儀器設(shè)計和制造專家的應用型人才來說是十分重要的。讓我們牢記，中國光學工程事業(yè)的奠基人、開拓者和組織者王大珩院士的“詩言志”：“光學老又新，前程端似錦。搞這般專業(yè)很稱心！”他的詩句不僅可轉(zhuǎn)化為同學們的學習動力，而且將激勵著一代又一代光學工作者勇往直前！
本書主要由3部分組成，共9章。第1部分(第1～4章)為光學系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)，主要論述光學設(shè)計方法概述，光學設(shè)計CAD軟件應用基礎(chǔ)，光學系統(tǒng)像質(zhì)評價方法，光學材料和光學設(shè)計的經(jīng)濟性、工藝性；介紹了當今國際流行的Zemax和OSLO兩個光學設(shè)計軟件，為光學系統(tǒng)設(shè)計奠定知識基礎(chǔ)。第2部分（第5～8章）為光學系統(tǒng)（部件）設(shè)計，是本書的重點，主要內(nèi)容為：代數(shù)法求解光學部件初始結(jié)構(gòu)、典型光學部件設(shè)計、經(jīng)典光學系統(tǒng)設(shè)計和其他光學系統(tǒng)設(shè)計。這部分除了重點闡述典型光學部件設(shè)計和經(jīng)典光學系統(tǒng)設(shè)計之外，也對現(xiàn)代光學系統(tǒng)的前沿和熱門課題做了適當?shù)慕榻B；很多內(nèi)容是作者親歷的科研成果，通過對成功的設(shè)計實例做重點論述，凝練出本書的特色——融科學性、實用性和可操作性于一體。值得指出，這些設(shè)計實例不僅有相當好的示范性，同時還讓讀者領(lǐng)略到物化于案例中的設(shè)計方法。第3部分(第9章)是基于光學設(shè)計OSLO軟件教學版應用的設(shè)計實訓，為教與學提供一個“學練結(jié)合”的實訓平臺，對應用型人才的工程實踐能力的培養(yǎng)和工程素質(zhì)的養(yǎng)成大有裨益；這部分體現(xiàn)了本書的另一個鮮明的特色——為教學提供了一個“準”實踐應用的“學練結(jié)合”模式。
本書編寫團隊的成員有：桂林電子科技大學蕭澤新（編寫第1、5、6章，第7章7.1節(jié)，第9章部分，并負責統(tǒng)稿）、北京理工大學李林（編寫第8章，第3章部分，并輔助統(tǒng)稿）、天津大學謝洪波（編寫第4章）、北京理工大學黃一帆（編寫第2章2.1、2.2節(jié)）、云南北方光學電子集團有限公司（原云南光學儀器廠、298廠）鄭�？担ň帉懙�7章7.2節(jié)）、江蘇大學姚洪兵（編寫第3章部分）和廣西師范大學蕭華鵬（編寫第2章2.3節(jié)，第9章部分）。本書由蕭澤新任主編，黃一帆、謝洪波和李林任副主編。
感謝珠海市環(huán)保局韋洋工程師為本書提供的相關(guān)標準，感謝桂林電子科技大學梁晴晴（研究生）和梁運玲（本科生）為書稿錄入和插圖繪制所做的大量工作。
雖然參加編寫的團隊中有多年從事光學工程事業(yè)的科教工作者和資深的專業(yè)工程技術(shù)人員，但為光學應用型人才編寫教材尚屬嘗試，加上編者水平有限，本書可能存在缺點和錯誤，希望讀者批評指正。
編者
高等院校教師
前言
第1部分光學系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)
第1章光學設(shè)計概述1
1.1光學系統(tǒng)、光學部件1
1.2現(xiàn)代光學儀器對光學系統(tǒng)設(shè)計的要求1
1.2.1儀器對光學系統(tǒng)性能與質(zhì)量的
要求2
1.2.2光學系統(tǒng)對使用要求的滿足程度2
1.2.3光學系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟性3
1.3光學系統(tǒng)（部件）設(shè)計方法概述3
1.3.1光學系統(tǒng)設(shè)計的一般過程和步驟3
1.3.2光學系統(tǒng)總體設(shè)計4
1.3.3光學系統(tǒng)的具體設(shè)計4
1.4現(xiàn)代光學設(shè)計一般流程和光學自動設(shè)計
原理5
1.4.1現(xiàn)代光學設(shè)計的一般流程5
1.4.2光學自動設(shè)計原理6
1.5現(xiàn)代光學設(shè)計方法的哲學思辨11
第2章光學設(shè)計CAD軟件應用
基礎(chǔ)13
2.1光學設(shè)計科技進步與常用光學設(shè)計
CAD軟件13
2.1.1光學設(shè)計CAD軟件的發(fā)展歷史13
2.1.2幾種代表性光學設(shè)計CAD軟件
簡介14
2.2光學設(shè)計軟件Zemax OpticStudio應用
基礎(chǔ)14
2.2.1概述14
2.2.2Zemax OpticStudio的用戶界面16
2.2.3Zemax OpticStudio基本操作22
2.2.4應用實例34
2.3光學設(shè)計軟件OSLO應用入門39
2.3.1概述39
2.3.2OSLO LT6.1用戶界面40
第3章光學系統(tǒng)像質(zhì)評價方法54
3.1概述54
3.2光學系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和
特性參數(shù)54
3.3幾何像差的定義及其計算58
3.4垂軸像差的定義及其計算63
3.5幾何像差及垂軸像差的圖形輸出65
3.6用波像差、瑞利準則和中心、亮斑
所占能量評價成像質(zhì)量69
3.6.1波像差69
3.6.2瑞利準則70
3.6.3波像差、瑞利準則和中心亮斑
所占能量70
3.7光學傳遞函數(shù)71
3.8點列圖77
3.9包圍圓能量78
3.10薄透鏡系統(tǒng)的初級像差理論78
3.10.1初級像差公式79
3.10.2薄透鏡初級像差公式80
3.10.3薄透鏡初級像差性質(zhì)82
習題85
第4章光學材料和光學設(shè)計的經(jīng)濟性、
工藝性86
4.1光學材料簡介86
4.1.1無色光學玻璃86
4.1.2光學塑料90
4.1.3光學晶體91
4.1.4反射鏡材料92
4.2光學設(shè)計的經(jīng)濟性93
4.3光學設(shè)計的工藝性94
4.3.1光學設(shè)計軟件設(shè)計結(jié)果的后續(xù)
工作94
4.3.2光學零件與光學冷加工工藝適
配性96
習題97第2部分光學系統(tǒng)（部件）設(shè)計
目錄第5章代數(shù)法求解光學部件初始
結(jié)構(gòu)98
5.1概述98
5.2單片薄透鏡初始結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算98
5.2.1基于pW法的單片薄透鏡的
結(jié)構(gòu)設(shè)計計算98
5.2.2單片透鏡初始結(jié)構(gòu)的簡易設(shè)計103
5.3雙膠合薄透鏡初始結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算104
5.3.1雙膠合薄透鏡物在無限遠時
的p∞、W∞與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系104
5.3.2對p∞、W∞基本關(guān)系的分析105
5.4兩組雙膠合透鏡初始結(jié)構(gòu)設(shè)計110
5.4.1選型110
5.4.2方案選擇110
5.5小氣隙雙分離透鏡111
5.5.1雙膠合組變小氣隙雙分離透鏡
的目的111
5.5.2小氣隙雙分離透鏡能減小高級
球差111
5.6齊明彎月透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)求解112
5.6.1顯微物鏡齊明彎月前組初始結(jié)構(gòu)
設(shè)計112
5.6.2聚光鏡第1片齊明透鏡初始結(jié)構(gòu)
設(shè)計114
習題115
第6章典型光學部件設(shè)計116
6.1望遠物鏡設(shè)計116
6.1.1望遠物鏡光學特性與結(jié)構(gòu)類型116
6.1.2設(shè)計實例:雙膠合、雙分離物鏡
設(shè)計118
6.2顯微物鏡設(shè)計119
6.2.1顯微物鏡光學特性與結(jié)構(gòu)類型119
6.2.2設(shè)計實例：生物顯微鏡25×消色
差物鏡設(shè)計126
6.2.3設(shè)計實例：16×無限遠像距長工作
距離平場消色差物鏡設(shè)計127
6.2.4設(shè)計實例:生物顯微鏡多功能光
電質(zhì)檢儀遠心物鏡設(shè)計131
6.3目鏡設(shè)計135
6.3.1目鏡光學特性與結(jié)構(gòu)類型135
6.3.2設(shè)計實例：用試驗法設(shè)計的系列
目鏡137
6.4照相物鏡設(shè)計137
6.4.1照相物鏡的光學特性和結(jié)構(gòu)
形式137
6.4.2設(shè)計實例：傳統(tǒng)照相機標準鏡頭
設(shè)計144
6.5投影物鏡設(shè)計147
6.5.1投影物鏡光學特性147
6.5.2投影物鏡結(jié)構(gòu)形式與對像質(zhì)的
要求148
6.5.3投影儀物鏡設(shè)計149
6.5.4設(shè)計實例：投影儀10×物鏡
設(shè)計150
6.6CCD圖像傳感器成像物鏡設(shè)計151
6.6.1CCD成像物鏡的光學性能和
設(shè)計要點151
6.6.2設(shè)計實例：顯微電視CCD攝錄
接口的設(shè)計152
6.6.3設(shè)計實例：高清CCTV成像物鏡
設(shè)計154
習題162
第7章經(jīng)典光學系統(tǒng)設(shè)計163
7.1顯微鏡光學系統(tǒng)設(shè)計163
7.1.1顯微鏡光學系統(tǒng)設(shè)計方法163
7.1.2設(shè)計實例：普通生物顯微鏡成像
光學系統(tǒng)設(shè)計166
7.1.3設(shè)計實例：特種顯微鏡無限遠像
距光學系統(tǒng)設(shè)計172
7.2望遠光學系統(tǒng)設(shè)計175
7.2.1望遠系統(tǒng)成像原理176
7.2.2望遠系統(tǒng)的主要光學性能及其
確定176
7.2.3伽利略望遠系統(tǒng)和開普勒望遠
系統(tǒng)179
7.2.4設(shè)計實例：雙筒手持式望遠鏡
設(shè)計182
習題191
第8章其他光學系統(tǒng)設(shè)計192
8.1變焦距光學系統(tǒng)設(shè)計192
8.1.1概述192
8.1.2變焦距光學系統(tǒng)的分類及其
特點193
8.1.3變焦距物鏡的高斯光學200
8.1.4設(shè)計實例：變焦距物鏡高斯光學
設(shè)計201
8.1.5變焦距光學系統(tǒng)設(shè)計205
8.2遠心光學系統(tǒng)設(shè)計206
8.2.1遠心光學系統(tǒng)的概念206
8.2.2遠心鏡頭簡易設(shè)計——光闌位置
的一維優(yōu)化207
8.2.3雙遠心鏡頭設(shè)計208
8.3激光掃描系統(tǒng)和fθ鏡頭設(shè)計210
8.3.1激光掃描系統(tǒng)210
8.3.2fθ鏡頭設(shè)計211
8.4非成像光學系統(tǒng)設(shè)計213
8.4.1概述213
8.4.2照明光學系統(tǒng)基本組成213
8.4.3照明光學系統(tǒng)設(shè)計215
8.4.4均勻照明的實現(xiàn)218
8.5非球面設(shè)計221
8.5.1非球面的表示方法221
8.5.2非球面的特性223
8.5.3反射二次非球
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