21世紀(jì)的光學(xué)不僅成為信息科學(xué)中的信息載體和主角之一，還融合了微電子、自動化、計(jì)算機(jī)和信息管理等技術(shù)，形成了光機(jī)電一體化的綜合性高新技術(shù)；而現(xiàn)當(dāng)代光學(xué)儀器已經(jīng)打破了經(jīng)典光學(xué)儀器的傳統(tǒng)概念，是“光、機(jī)、電、算”的綜合體，但核心部分仍然是光學(xué)系統(tǒng)。
本書系統(tǒng)闡述了光學(xué)設(shè)計(jì)理論以及光學(xué)零部件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并給出大量設(shè)計(jì)實(shí)例。全書分3部分共9章，內(nèi)容包括：光學(xué)設(shè)計(jì)概述，光學(xué)設(shè)計(jì)CAD軟件應(yīng)用基礎(chǔ)，光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)方法，光學(xué)材料和光學(xué)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、工藝性，代數(shù)法求解光學(xué)部件初始結(jié)構(gòu)，典型光學(xué)部件設(shè)計(jì)，經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其他光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及光學(xué)設(shè)計(jì)OSLO軟件應(yīng)用與光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)。
本書注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，融科學(xué)性、實(shí)用性和可操作性于一體，可作為光學(xué)及相關(guān)專業(yè)本科，特別是應(yīng)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(zé)任編輯郵箱：jinacmp@163.com)

本書遵循教指委相關(guān)指導(dǎo)文件和高等院校學(xué)生學(xué)習(xí)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(shí)踐相結(jié)合。

2 0世紀(jì)光學(xué)得到了迅猛的發(fā)展。20世紀(jì)初最重要的理論發(fā)現(xiàn)是相對論和量子力學(xué)，都與光相關(guān)；20世紀(jì)60年代激光器的發(fā)明被認(rèn)為是繼原子能、半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)之后的又一重大發(fā)明，計(jì)算機(jī)延伸了人的大腦，而激光延伸了人的感官；20世紀(jì)70年代光電子技術(shù)迅速發(fā)展，20世紀(jì)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(jì)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(jì)90年代光學(xué)發(fā)展值得大書特書的是：光纖通信與個人計(jì)算機(jī)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(dāng)今的現(xiàn)代光學(xué)，其內(nèi)容遠(yuǎn)不止經(jīng)典光學(xué)以望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡和照相機(jī)等為研究對象；現(xiàn)代光學(xué)儀器已擴(kuò)展為光（學(xué)）、機(jī)（械）、電（子）和計(jì)算機(jī)的綜合體。但不管怎樣，光學(xué)系統(tǒng)仍然是現(xiàn)代光學(xué)儀器的核心部分，因?yàn)楣鈱W(xué)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(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)與技巧，并能獨(dú)立地從事光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對于光學(xué)專業(yè)有志于日后成長為現(xiàn)代光學(xué)儀器設(shè)計(jì)和制造專家的應(yīng)用型人才來說是十分重要的。讓我們牢記，中國光學(xué)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(xué)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(xué)們的學(xué)習(xí)動力，而且將激勵著一代又一代光學(xué)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，主要論述光學(xué)設(shè)計(jì)方法概述，光學(xué)設(shè)計(jì)CAD軟件應(yīng)用基礎(chǔ)，光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)方法，光學(xué)材料和光學(xué)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、工藝性；介紹了當(dāng)今國際流行的Zemax和OSLO兩個光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定知識基礎(chǔ)。第2部分（第5～8章）為光學(xué)系統(tǒng)（部件）設(shè)計(jì)，是本書的重點(diǎn)，主要內(nèi)容為：代數(shù)法求解光學(xué)部件初始結(jié)構(gòu)、典型光學(xué)部件設(shè)計(jì)、經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和其他光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這部分除了重點(diǎn)闡述典型光學(xué)部件設(shè)計(jì)和經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之外，也對現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的前沿和熱門課題做了適當(dāng)?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(jì)實(shí)例做重點(diǎn)論述，凝練出本書的特色——融科學(xué)性、實(shí)用性和可操作性于一體。值得指出，這些設(shè)計(jì)實(shí)例不僅有相當(dāng)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(jì)方法。第3部分(第9章)是基于光學(xué)設(shè)計(jì)OSLO軟件教學(xué)版應(yīng)用的設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)，為教與學(xué)提供一個“學(xué)練結(jié)合”的實(shí)訓(xùn)平臺，對應(yīng)用型人才的工程實(shí)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(xué)提供了一個“準(zhǔn)”實(shí)踐應(yīng)用的“學(xué)練結(jié)合”模式。
本書編寫團(tuán)隊(duì)的成員有：桂林電子科技大學(xué)蕭澤新（編寫第1、5、6章，第7章7.1節(jié)，第9章部分，并負(fù)責(zé)統(tǒng)稿）、北京理工大學(xué)李林（編寫第8章，第3章部分，并輔助統(tǒng)稿）、天津大學(xué)謝洪波（編寫第4章）、北京理工大學(xué)黃一帆（編寫第2章2.1、2.2節(jié)）、云南北方光學(xué)電子集團(tuán)有限公司（原云南光學(xué)儀器廠、298廠）鄭�？担ň帉懙�7章7.2節(jié)）、江蘇大學(xué)姚洪兵（編寫第3章部分）和廣西師范大學(xué)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(biāo)準(zhǔn)，感謝桂林電子科技大學(xué)梁晴晴（研究生）和梁運(yùn)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(tuán)隊(duì)中有多年從事光學(xué)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(xué)應(yīng)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(diǎn)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
第1章光學(xué)設(shè)計(jì)概述1
1.1光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)部件1
1.2現(xiàn)代光學(xué)儀器對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求1
1.2.1儀器對光學(xué)系統(tǒng)性能與質(zhì)量的
要求2
1.2.2光學(xué)系統(tǒng)對使用要求的滿足程度2
1.2.3光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性3
1.3光學(xué)系統(tǒng)（部件）設(shè)計(jì)方法概述3
1.3.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過程和步驟3
1.3.2光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4
1.3.3光學(xué)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)4
1.4現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)一般流程和光學(xué)自動設(shè)計(jì)
原理5
1.4.1現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)的一般流程5
1.4.2光學(xué)自動設(shè)計(jì)原理6
1.5現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)方法的哲學(xué)思辨11
第2章光學(xué)設(shè)計(jì)CAD軟件應(yīng)用
基礎(chǔ)13
2.1光學(xué)設(shè)計(jì)科技進(jìn)步與常用光學(xué)設(shè)計(jì)
CAD軟件13
2.1.1光學(xué)設(shè)計(jì)CAD軟件的發(fā)展歷史13
2.1.2幾種代表性光學(xué)設(shè)計(jì)CAD軟件
簡介14
2.2光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax OpticStudio應(yīng)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(yīng)用實(shí)例34
2.3光學(xué)設(shè)計(jì)軟件OSLO應(yīng)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(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)方法54
3.1概述54
3.2光學(xué)系統(tǒng)的坐標(biāo)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(jì)算58
3.4垂軸像差的定義及其計(jì)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(zhǔn)則和中心、亮斑
所占能量評價(jià)成像質(zhì)量69
3.6.1波像差69
3.6.2瑞利準(zhǔn)則70
3.6.3波像差、瑞利準(zhǔn)則和中心亮斑
所占能量70
3.7光學(xué)傳遞函數(shù)71
3.8點(diǎn)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(xí)題85
第4章光學(xué)材料和光學(xué)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、
工藝性86
4.1光學(xué)材料簡介86
4.1.1無色光學(xué)玻璃86
4.1.2光學(xué)塑料90
4.1.3光學(xué)晶體91
4.1.4反射鏡材料92
4.2光學(xué)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性93
4.3光學(xué)設(shè)計(jì)的工藝性94
4.3.1光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)結(jié)果的后續(xù)
工作94
4.3.2光學(xué)零件與光學(xué)冷加工工藝適
配性96
習(xí)題97第2部分光學(xué)系統(tǒng)（部件）設(shè)計(jì)
目錄第5章代數(shù)法求解光學(xué)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(jì)計(jì)算98
5.2.1基于pW法的單片薄透鏡的
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算98
5.2.2單片透鏡初始結(jié)構(gòu)的簡易設(shè)計(jì)103
5.3雙膠合薄透鏡初始結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算104
5.3.1雙膠合薄透鏡物在無限遠(yuǎn)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(jì)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(jì)112
5.6.2聚光鏡第1片齊明透鏡初始結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)114
習(xí)題115
第6章典型光學(xué)部件設(shè)計(jì)116
6.1望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)116
6.1.1望遠(yuǎn)物鏡光學(xué)特性與結(jié)構(gòu)類型116
6.1.2設(shè)計(jì)實(shí)例:雙膠合、雙分離物鏡
設(shè)計(jì)118
6.2顯微物鏡設(shè)計(jì)119
6.2.1顯微物鏡光學(xué)特性與結(jié)構(gòu)類型119
6.2.2設(shè)計(jì)實(shí)例：生物顯微鏡25×消色
差物鏡設(shè)計(jì)126
6.2.3設(shè)計(jì)實(shí)例：16×無限遠(yuǎn)像距長工作
距離平場消色差物鏡設(shè)計(jì)127
6.2.4設(shè)計(jì)實(shí)例:生物顯微鏡多功能光
電質(zhì)檢儀遠(yuǎn)心物鏡設(shè)計(jì)131
6.3目鏡設(shè)計(jì)135
6.3.1目鏡光學(xué)特性與結(jié)構(gòu)類型135
6.3.2設(shè)計(jì)實(shí)例：用試驗(yàn)法設(shè)計(jì)的系列
目鏡137
6.4照相物鏡設(shè)計(jì)137
6.4.1照相物鏡的光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)
形式137
6.4.2設(shè)計(jì)實(shí)例：傳統(tǒng)照相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭
設(shè)計(jì)144
6.5投影物鏡設(shè)計(jì)147
6.5.1投影物鏡光學(xué)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(jì)149
6.5.4設(shè)計(jì)實(shí)例：投影儀10×物鏡
設(shè)計(jì)150
6.6CCD圖像傳感器成像物鏡設(shè)計(jì)151
6.6.1CCD成像物鏡的光學(xué)性能和
設(shè)計(jì)要點(diǎn)151
6.6.2設(shè)計(jì)實(shí)例：顯微電視CCD攝錄
接口的設(shè)計(jì)152
6.6.3設(shè)計(jì)實(shí)例：高清CCTV成像物鏡
設(shè)計(jì)154
習(xí)題162
第7章經(jīng)典光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)163
7.1顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)163
7.1.1顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法163
7.1.2設(shè)計(jì)實(shí)例：普通生物顯微鏡成像
光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)166
7.1.3設(shè)計(jì)實(shí)例：特種顯微鏡無限遠(yuǎn)像
距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)172
7.2望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)175
7.2.1望遠(yuǎn)系統(tǒng)成像原理176
7.2.2望遠(yuǎn)系統(tǒng)的主要光學(xué)性能及其
確定176
7.2.3伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)和開普勒望遠(yuǎn)
系統(tǒng)179
7.2.4設(shè)計(jì)實(shí)例：雙筒手持式望遠(yuǎn)鏡
設(shè)計(jì)182
習(xí)題191
第8章其他光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)192
8.1變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)192
8.1.1概述192
8.1.2變焦距光學(xué)系統(tǒng)的分類及其
特點(diǎn)193
8.1.3變焦距物鏡的高斯光學(xué)200
8.1.4設(shè)計(jì)實(shí)例：變焦距物鏡高斯光學(xué)
設(shè)計(jì)201
8.1.5變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)205
8.2遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)206
8.2.1遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的概念206
8.2.2遠(yuǎn)心鏡頭簡易設(shè)計(jì)——光闌位置
的一維優(yōu)化207
8.2.3雙遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)208
8.3激光掃描系統(tǒng)和fθ鏡頭設(shè)計(jì)210
8.3.1激光掃描系統(tǒng)210
8.3.2fθ鏡頭設(shè)計(jì)211
8.4非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)213
8.4.1概述213
8.4.2照明光學(xué)系統(tǒng)基本組成213
8.4.3照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)215
8.4.4均勻照明的實(shí)現(xiàn)218
8.5非球面設(shè)計(jì)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