現代應用光學

第1章 現代應用光學基礎理論概述 1
1.1 概述 1
1.1.1 本書的背景 1
1.1.2 本書的內容安排 1
1.2 光學系統設計中常用的光學材料特征參數 2
1.2.1 光學材料的光學參量 2
1.2.2 熱系數及溫度變化效應的消除 4
1.2.3 其他玻璃數據 4
1.3 新型光學材料 5
1.3.1 新型光學材料概述 5
1.3.2 光學材料發展概況 6
1.4 液晶材料及液晶顯示器 12
1.4.1 液晶材料及其分類 12
1.4.2 常用液晶顯示器件的基本結構和工作原理 16
1.4.3 STN-LCD技術 27
1.4.4 液晶光閥技術 32
1.4.5 硅上液晶（LCoS）反射式顯示器 36
1.4.6 光計算用SLM 38
1.5 電光源和光電探測器 38
1.5.1 電光源 38
1.5.2 激光器 41
1.5.3 光電導探測器 48
1.5.4 光伏探測器 49
1.5.5 位敏探測器 53
1.5.6 陣列型光電探測器 56
1.6 波像差像質評價基礎知識 59
1.6.1 光學系統像差的坐標及符號規則 59
1.6.2 無像差成像概念和完善鏡頭聚焦衍射模式 60
參考文獻 63

第2章 光學非球面的應用 67
2.1 概述 67
2.2 非球面曲面方程 67
2.2.1 旋轉對稱的非球面方程 67
2.2.2 圓錐曲線的意義 68
2.2.3 其他常見非球面方程 70
2.2.4 非球面的法線和曲率 71
2.3 非球面的初級像差 71
2.3.1 波像差及其與垂軸像差的關系 71
2.3.2 非球面的初級像差 73
2.3.3 折射錐面軸上物點波像差 75
2.3.4 折射錐面軸外物點波像差 76
2.4 微振（perturbed）光學系統的初級像差計算 77
2.4.1 偏心（decentered）光學面 78
2.4.2 光學面的傾斜 80
2.4.3 間隔失調（despace）面 81
2.5 兩鏡系統的理論基礎 82
2.5.1 兩鏡系統的基本結構形式 82
2.5.2 單色像差的表示式 82
2.5.3 消像差條件式 84
2.5.4 常用的兩鏡系統 85
2.6 二次圓錐曲面及其衍生高次項曲面 86
2.6.1 消球差的等光程折射非球面 86
2.6.2 經典卡塞格林系統 87
2.6.3 格里高里系統 88
2.6.4 只消球差的其他特種情況 88
2.6.5 R-C（Ritchey-Chrétien）系統及馬克蘇托夫系統 89
2.6.6 等暈系統的特殊情況 90
2.6.7 庫特（Cuder）系統及同心系統 91
2.6.8 史瓦希爾德（Schwarzschield）系統 92
2.6.9 一個消四種初級像差 的系統 93
2.6.10 無焦系統 93
2.7 兩鏡系統的具體設計過程 93
2.7.1 R-C系統的設計 93
2.7.2 格里高里系統與卡塞格林系統 94
2.8 施密特光學系統設計 95
2.8.1 施密特光學系統的初級像差 95
2.8.2 施密特校正器的精確計算法 98
2.9 三反射鏡系統設計示例 99
2.9.1 設計原則 99
2.9.2 設計過程分析 100
2.9.3 設計示例 101
參考文獻 103

第3章 衍射光學元件 105
3.1 概述 105
3.1.1 菲涅耳圓孔衍射——菲涅耳波帶法 106
3.1.2 菲涅耳圓孔衍射的特點 108
3.1.3 菲涅耳圓屏衍射 109
3.2 波帶片 110
3.2.1 菲涅耳波帶片 110
3.2.2 相位型菲涅耳波帶片 112
3.2.3 條形或方形波帶片 113
3.3 衍射光學器件衍射效率 113
3.3.1 鋸齒形一維相位光柵的衍射效率 113
3.3.2 台階狀（二元光學）相位光柵的衍射效率及其計算 114
3.4 通過衍射面的光線光路計算 115
3.5 衍射光學系統初級像差 118
3.5.1 衍射光學透鏡的單色初級像差特性 118
3.5.2 折衍混合成像系統中衍射結構的高折射率模型及PWC描述 121
3.5.3 P∞、W∞、C與折衍混合單透鏡結構的函數關系 122
3.6 折衍光學透鏡的色散性質及色差的校正 123
3.6.1 折衍光學透鏡的等效阿貝數ν 123
3.6.2 用DOL實現消色差 124
3.6.3 折衍光學透鏡的部分色散及二級光譜的校正 125
3.7 衍射透鏡的熱變形特性 127
3.7.1 光熱膨脹系數 127
3.7.2 消熱變形光學系統的設計 129
3.7.3 折衍混合系統消熱差系統設計示例 130
3.8 衍射面的相位分布函數 132
3.8.1 用於平衡像差的衍射面的相位分布函數 132
3.8.2 用於平衡熱像差的衍射面的相位分布函數 133
3.9 多層衍射光學元件（multi-layer diffractive optical elements） 133
3.9.1 多層衍射光學元件的理論分析 134
3.9.2 多層衍射光學元件的結構 134
3.9.3 多層衍射光學元件材料的選擇 134
3.9.4 多層衍射光學元件的衍射效率 135
3.9.5 多層衍射光學元件在成像光學系統中的應用舉例 136
3.10 諧衍射透鏡（HDL）及其成像特點 137
3.10.1 諧衍射透鏡 137
3.10.2 諧衍射透鏡的特點 137
3.10.3 單片諧衍射透鏡成像 138
3.10.4 諧衍射/折射太赫茲多波段成像系統設計示例 139
3.11 衍射光學軸錐鏡（簡稱衍射軸錐鏡） 143
3.11.1 衍射軸錐鏡 143
3.11.2 設計原理和方法 144
參考文獻 150

第4章 非對稱光學系統像差理論 153
4.1 波像差與Zernike多項式概述 153
4.1.1 波前像差理論概述 153
4.1.2 角向、橫向和縱向像差 154
4.1.3 Seidel像差的波前像差表示 155
4.1.4 澤尼克（Zernike）多項式 162
4.1.5 條紋（fringe）Zernike系數 164
4.1.6 波前像差的綜合評價指標 165
4.1.7 色差 167
4.1.8 典型光學元件的像差特性 167
4.2 非對稱旋轉成像光學系統中像差理論 174
4.2.1 重要概念簡介 174
4.2.2 傾斜非球面光學面處理 176
4.2.3 局部坐標系統（LCS）近軸光方法計算單個光學面像差場中心 176
4.2.4 OAR的參數化 179
4.2.5 傾斜和偏心的光學面的定位像差場對稱中心矢量（像差場偏移量的推導） 181
4.2.6 基於實際光線計算單個面的像差場中心 182
4.2.7 失調光學系統的波像差表示式 183
4.2.8 舉例：LCS近軸計算與其實際光線等價計算的比較 185
4.3 近圓光瞳非對稱光學系統三級像差的描述 187
4.3.1 光學系統的像差場為各個面的貢獻之和 187
4.3.2 帶有近圓光瞳的非旋轉對稱光學系統中的三級像差 187
4.3.3 節點像差場 191
4.3.4 波前誤差以及光線的橫向像差 194
4.3.5 非對稱光學系統中的三級畸變 195
4.4 非旋轉對稱光學系統的多節點五級像差：球差 197
4.4.1 非旋轉對稱光學系統像差概述 197
4.4.2 非旋轉對稱光學系統的五級像差 198
4.4.3 五級像差的特征節點行為：球差族包括的各項 199
參考文獻 203

第5章 光學自由曲面的應用 205
5.1 光學自由曲面概述 205
5.2 參數曲線和曲面 206
5.2.1 曲線和曲面的參數表示 206
5.2.2 參數曲線的代數和幾何形式 210
5.3 Bézier曲線與曲面 212
5.3.1 Bézier曲線的數學描述和性質 212
5.3.2 Bézier曲面 215
5.4 B樣條（B-spline）曲線與曲面 217
5.4.1 B樣條曲線的數學描述和性質 217
5.4.2 B樣條曲線的性質 219
5.4.3 B樣條曲面的表示 220
5.5 雙三次均勻B樣條曲面 221
5.5.1 B 樣條曲面 221
5.5.2 雙三次均勻B樣條曲面的矩陣公式 223
5.6 非均勻有理B樣條（NURBS）曲線與曲面 224
5.6.1 NURBS曲線與曲面 224
5.6.2 NURBS曲線的定義 224
5.6.3 NURBS表示 226
5.6.4 非均勻有理B樣條曲面 228
5.7 Coons曲面 229
5.7.1 基本概念 229
5.7.2 雙線性Coons曲面 230
5.7.3 雙三次Coons曲面 231
5.8 自由曲面棱鏡光學系統 232
5.8.1 自由曲面棱鏡概述 232
5.8.2 矢量像差理論及初始結構確定方法 233
5.8.3 自由曲面棱鏡設計 236
5.8.4 用光學設計軟件設計含自由曲面的光學系統 238
參考文獻 239

第6章 共形光學系統 241
6.1 概述 241
6.1.1 共形光學系統的一般要求 241
6.1.2 共形光學系統的主要參量 244
6.1.3 共形光學系統中的像差校正 250
6.1.4 共形光學系統實際應用須考慮的問題 252
6.2 橢球整流罩的幾何特性及消像差條件在共形光學系統中的應用 253
6.2.1 橢球面幾何特性分析 253