内容简介

SYNOPSYS™是世界上最强大的镜头设计软件之一。其功能独特，凭借强大 的 PSD 算法，SYNOPSYS™可以在几分钟内完成其他程序需要一个多小时才能 完成的工作，此软件内含人工智能功能，既可以快速找到初始结构，又可以积累 设计经验，通过蒙特卡罗验证和制造调整仿真，可以将制造公差调整到指定的易 加工水平。

目录

序 言 　 / 1
第一章 概述 　 / 2
1.1 导论 　 / 2
1.1.1 为什么要进行光学设计？ 　 / 2
1.1.2 课程类型 　 / 2
1.1.3 获得的技能 　 / 2
1.2 准备工作 　 / 4
1.2.1 比较说明 　 / 4
1.2.2 像差和成像 　 / 4
1.2.3 透镜的大小和视场 　 / 5
1.2.4 技术指标 　 / 6
1.3 课后作业 　 / 9
第二章 SYNOPSYS™概述 　 / 10
2.1 SYNOPSYS™简介 　 / 10
2.2 数据输入 　 / 10
2.2.1 在镜头数据编辑器中输入数据 　 / 10
2.2.2 对话框列表 　 / 15
2.3 布局 　 / 16
2.4 一阶光学特性 　 / 21
2.5 分析 　 / 23
2.6 设计跟踪 　 / 23
2.7 SYNOPSYS™玻璃库 　 / 23
2.8 零碎知识点 　 / 27
2.8.1 关于 F 数的更多信息 　 / 27
2.8.2 光线选择 　 / 29
第三章 符号法则和非球面 　 / 30
3.1 概述 　 / 30
3.2 符号法则 　 / 30
3.3 形状因子 　 / 31
3.4 表面矢高 　 / 31
3.5 非球面 　 / 32
3.6 相对于球面的偏离量 　 / 36
3.7 课后作业 　 / 37
第四章 近轴光学 　 / 42
4.1 概述 　 / 42
4.2 近轴光线追迹方程 　 / 42
4.3 透镜的高斯公式 　 / 44
4.4 近轴区透镜的特性 　 / 45
4.5 表面光焦度 　 / 45
4.6 其它重要的光焦度公式 　 / 46
4.6.1 单反射面 　 / 46
4.6.2 二元件系统 　 / 47
4.6.3 薄透镜 　 / 48
4.7 二元件系统的主平面位置 　 / 49
4.8 垂轴放大率 　 / 50
4.9 课后作业 　 / 51
第五章 光阑和光瞳 　 / 52
5.1 概述 　 / 52
5.2 光阑和光瞳 　 / 53
5.3 边缘光线和主光线 　 / 56
5.4 使用近轴光线追迹公式确定内置光阑系统的入瞳和出瞳位置 　 / 57
5.5 光瞳大小和 F 数 　 / 58
5.6 拉格朗日不变量 　 / 59
5.7 课后作业 　 / 60
第六章 玻璃和景观物镜 　 / 62
6.1 概述 　 / 62
6.2 玻璃特性 　 / 62
6.2.1 折射率 　 / 62
6.2.2 色散 　 / 62
6.2.3 如何量化玻璃的色散特性？ 　 / 63
6.2.4 玻璃表 　 / 65
6.2.5 熔化数据 　 / 67
6.2.6 部分色散 　 / 68
6.2.7 实际应用 　 / 69
6.3 光阑移动和像差控制 　 / 70
6.4 史料：威廉 渥拉斯顿 　 / 77
6.5 课后作业 　 / 78
第七章 像差概述 　 / 82
7.1 概述 　 / 82
7.2 评价图 　 / 82
7.2.1 光扇图 　 / 82
7.2.2 点列图 　 / 83
7.3 像差的光线描述 　 / 84
7.3.1 离焦 　 / 84
7.3.2 球差 　 / 86
7.3.3 彗差 　 / 88
7.3.4 像散 　 / 90
7.3.5 场曲和畸变 　 / 91
7.4 波前像差 　 / 93
7.4.1 概述 　 / 93
7.4.2 波前与光学系统的相互关系 　 / 95
7.4.3 波前描述 　 / 95
7.4.4 波前和衍射 　 / 97
7.5 像平面和出瞳像差的联系 　 / 98
7.6 阿贝正弦条件 　 / 98
第 8 章 求解和评价函数 　 / 99
8.1 概述 　 / 99
8.2 厚度的 YMT 求解 　 / 99
8.3 半径的 UMC 求解 　 / 100
8.4 光线网格 　 / 100
8.5 评价函数 　 / 100
8.6 点列图均方根(RMS)半径 　 / 102
8.7 RMS 图 　 / 103
第 9 章 透镜分裂 　 / 108
9.1 概述 　 / 108
9.2 透镜分裂 　 / 108
9.2.1 单透镜 　 / 108
9.2.2 双分离元件 　 / 111
9.2.3 三片式透镜 　 / 111
9.3 微型光刻技术和透镜分离 　 / 114
9.4 斐索干涉仪 　 / 115
9.5 课后作业 　 / 117
第 10 章 球差 　 / 124
10.1 概述 　 / 124
10.2 对 Wijk 的探索 　 / 125
10.3 例子：通过近轴光线追迹求 W040 　 / 127
10.4 薄透镜形式的 W040 　 / 129
10.5 例子：通过薄透镜计算 W040 　 / 130
10.6 离轴像差系数 　 / 130
10.7 W040 的推导 　 / 130
10.8 课后作业 　 / 135
第 11 章 透镜弯曲和像差平衡 　 / 136
11.1 概述 　 / 136
11.2 薄透镜形式 　 / 136
11.3 薄透镜弯曲 　 / 137
11.4 焦点位移 　 / 138
11.5 W020 和 Wd 的区别 　 / 139
11.6 像差平衡：球差和离焦 　 / 141
11.7 最小弥散斑原理 　 / 142
11.8 W040 和 SA3 的联系 　 / 143
11.9 球差的例子 　 / 144
11.10 薄透镜形式的推导 　 / 145
11.11 课后作业 　 / 148
第 12 章 对称和周视透镜 　 / 150
12.1 概述 　 / 150
12.2 初始半径的确定 　 / 150
12.3 在 SYNOPSYS 中输入初始结构 　 / 151
12.4 无穷远处的物面 　 / 154
12.5 平场 　 / 157
12.6 与后景观物镜的比较. 　 / 159
12.7 对称性的破坏 　 / 161
12.8 史料：卡尔·斯坦海尔 　 / 164
12.9 课后作业 　 / 164
第十三章 彗差和像散 　 / 166
13.1 概述 　 / 166
13.2 横向球差：SA3 　 / 169
13.3 轴外像差计算 　 / 170
13.3.1 由赛德尔求彗差（W131） 　 / 171
13.3.2 薄透镜的彗差（W131）计算公式： 　 / 172
13.3.3 由赛德尔求像散 　 / 172
13.3.4 薄透镜的像散（W222）表达式 　 / 173
13.4 彗差和透镜弯曲 　 / 174
13.5 彗差和像散对应的 F 数和视场 　 / 174
13.6 作业 　 / 176
第十四章 场曲和平像场校正器 　 / 177
14.1 概述 　 / 177
14.2 匹兹万场曲 　 / 177
14.3 匹兹万波前差 　 / 179
14.4 匹兹万像差系数和匹兹万和 　 / 179
14.5 简单计算实例 　 / 180
14.6 匹兹万半径 　 / 181
14.7 平像场器的基本原理 　 / 183
14.8 课后作业 　 / 184
第十五章 畸变 　 / 186
15.1 概述 　 / 186
15.2 波前倾斜 　 / 186
15.3 畸变 　 / 188
15.4 例子 　 / 192
15.5 讨论 　 / 194
第十六章 位置色差和消色差透镜 　 / 195
16.1 概述 　 / 195
16.2 初级位置色差 　 / 195
16.3 CL 的推导 　 / 197
16.4 色差的波像差 Wax 　 / 197
16.5 消色差透镜 　 / 200
16.5.1 约束条件 　 / 200
16.5.2 消色差透镜的光焦度 　 / 200
16.5.3 消色差透镜的例子 　 / 201
16.6 课后作业 　 / 202
第十七章 消色差透镜的弯曲 　 / 205
17.1 概述 　 / 205
17.2 SYNOPSYS™中的消色差 　 / 205
17.3 弯曲消色差透镜和赛德尔球差 　 / 207
17.4 高阶球差 　 / 209
17.5 色球差 　 / 210
17.6 弯曲消色差透镜和彗差及像散 　 / 213
17.7 齐明镜（不晕镜） 　 / 214
17.8 倍率色差 　 / 216
第十八章 二级光谱 　 / 218
18.1 概述 　 / 218
18.2 部分色散 　 / 218
18.3 消色差透镜的二级光谱 　 / 221
18.4 SYNOPSYS™消二级光谱 　 / 224
18.5 什么时候二级光谱不能忽略？ 　 / 224
18.6 平场消色差 　 / 226
18.7 课后作业 　 / 227
第十九章 分离消色差透镜和法式景观物镜 　 / 228
19.1 概述 　 / 228
19.2 分离的消色差薄透镜 　 / 228
19.2.1 色散约束条件 　 / 228
19.2.2 确定元件的光焦度 　 / 229
19.2.3 同种玻璃的消色差透镜 　 / 231
19.3 复消色差透镜约束条件 　 / 232
19.3.1 部分初级轴向色差 　 / 232
19.3.2 双透镜和三片式透镜的部分初级色差 　 / 234
19.4 色差校正和点列尺寸 　 / 234
19.5 谢瓦利埃物镜 　 / 234
19.6 课后作业 　 / 236
第二十章 期中测试 　 / 239
20.1 概述 　 / 239
20.2 显微镜 　 / 239
20.3 设计概述和提示 　 / 241
20.3.1 第一部分：薄镜头预设计 　 / 242
20.3.2 第二部分：SYNOPSYS™设计优化 　 / 242
20.4 期中测试 　 / 243
20.5 还要做什么 　 / 245
第二十一章 复消色差透镜 　 / 246
21.1 概述 　 / 246
21.2 复消色差约束条件 　 / 246
21.3 复消色差透镜光焦度 　 / 247
21.4 计算例子 　 / 248
21.5 SYNOPSYS 优化 　 / 250
21.6 复消色差透镜的实例 　 / 253
第二十二章 目镜设计 　 / 262
22.1 概述 　 / 262
22.2 目镜的一阶属性 　 / 262
22.3 SYNOPSYS 输入 　 / 264
22.4 场镜 　 / 266
22.5 冉斯登目镜和凯涅尔目镜 　 / 269
22.6 冉斯登目镜和眼睛模型 　 / 270
22.7 使用 SYNOPSYS™设计冉斯登目镜 　 / 271
第二十三章 场镜和光学窗口 　 / 274
23.1 概述 　 / 274
23.2 转镜系统中的场镜 　 / 274
23.3 光学窗口 　 / 276
23.4 理想光学窗口产生的像差 　 / 277
23.4.1 离焦 　 / 277
23.4.2 球差 　 / 280
23.4.3 窗口赛德尔系数的简单公式 　 / 282
23.5 在 SYNOPSYS™中倾斜窗口 　 / 283
23.6 对位置色差的影响 　 / 284
23.7 课后作业 　 / 285
第二十四章 反射镜和校正板 　 / 286
24.1 概述 　 / 286
24.2 抛物面反射镜 　 / 286
24.3 像差比较 　 / 287
24.4 透镜的非球面校正 　 / 288
24.5 球面镜校正板 　 / 289
24.5.1 定性描述 　 / 289
24.5.2 定量描述 　 / 290
24.5.3 SYNOPSYS 中的施密特板 　 / 291
24.6 光谱效应 　 / 295
24.7 应用 　 / 297
24.8 史料：伯恩哈德·施密特 　 / 298
24.9 课后作业 　 / 299
第二十五章 对称消色差透镜与渐晕 　 / 300
25.1 概述 　 / 300
25.2 基本设计方法 　 / 300
25.3 设计方法的应用 　 / 300
25.4 面积加权 RMS 　 / 305
25.5 打破对称 　 / 306
25.6 渐晕 　 / 308
25.7 相对照度 　 / 311
25.8 快速消畸变透镜 　 / 313
25.9 史料：约翰 亨利 达尔迈尔 　 / 313
25.10 课后作业 　 / 314
第二十六章 望远镜 　 / 318
26.1 概述 　 / 318
26.2 望远镜的分类 　 / 318
26.2.1 牛顿式 　 / 318
26.2.2 卡赛格林式 　 / 318
26.2.3 格雷戈里式 　 / 321
26.2.4 施密特望远镜 　 / 321
26.2.5 望远镜中的非球面镜 　 / 321
26.3 设计卡赛格林望远镜 　 / 321
26.3.1 副镜和系统的一阶属性 　 / 322
26.3.2 圆锥常数设计 　 / 324
26.4 SYNOPSYS 设计卡塞格林望远镜 　 / 325
26.5 其他设计考虑 　 / 330
26.5.1 中心遮阑的影响 　 / 330
26.5.2 杂散光和挡板 　 / 332
26.6 史料：G.W.里奇和 H.J.克雷蒂安 　 / 332
26.7 课后作业 　 / 334
第二十七章 离焦、像散、场曲 　 / 335
27.1 概述 　 / 335
27.2 笛卡尔坐标系下像差的波前描述 　 / 335
27.3 波前差的直角坐标形式 　 / 336
27.4 光瞳中的离焦、像散和匹兹万场曲 　 / 336
27.5 与像空间的关系 　 / 338
27.5.1 沿主光线的像焦点 　 / 339
27.5.2 例子 　 / 339
27.5.3 子午与弧矢像面的偏离 　 / 340
27.5.4 焦平面像的大小 　 / 342
27.6 SYNOPSYS™中像差分析 　 / 343
27.7 ܋ th܃ ̵ 的基本原理 　 / 345
27.8 课后作业 　 / 347
第二十八章 塞洛尔透镜 　 / 348
28.1 概述 　 / 348
28.2 一般形式的光焦度公式 　 / 348
28.3 塞洛尔透镜的约束条件 　 / 349
28.4 塞洛尔公式推导 　 / 350
28.5 塞洛尔后透镜组的光焦度 　 / 351
28.6 塞洛尔镜头的 SYNOPSYS™设计 　 / 352
28.7 史料：埃米 · 冯 · 霍格 　 / 357
28.8 课后作业 　 / 358
第二十九章 科丁顿方程组 　 / 359
29.1 概述 　 / 359
29.2 科丁顿 　 / 359
29.3 倾斜光焦度 　 / 360
29.4 科丁顿方程组 　 / 361
29.5 薄透镜例子 　 / 362
29.6 薄透镜的ȟ ܔ ̵ 表达式 　 / 363
29.7 镜面的科丁顿方程组 　 / 364
29.8 比较镜面的ȟ ܔ ̵ 与઼ 　 / 365
29.9 SYNOPSYS™中的场曲图 　 / 365
29.10 复曲率面 　 / 368
29.11 像差发生器 　 / 368
29.12 课后作业 　 / 370
第三十章 三片式透镜和像面紧凑度 　 / 372
30.1 概述 　 / 372
30.2 三片式透镜设计原理 　 / 372
30.3 三片式透镜设计概要 　 / 373
30.4 史料：H.丹尼斯·泰勒 　 / 374
30.5 一种重要的三片式透镜变体 　 / 375
30.6 像质 I 　 / 376
30.6.1 单位圆的平均体积 　 / 376
30.6.2 紧凑成像 　 / 376
30.6.3 计算例子 　 / 377
30.6.4 数值实例 　 / 378
30.6.5 SYNOPSYS™示例 　 / 378
30.7 ો ܋ 的轴向位置 　 / 379
30.8 倍率色差回顾 　 / 379
30.9 课后作业 　 / 381
第三十一章 斯特列尔比 　 / 382
31.1 概述 　 / 382
31.2 像质 II 　 / 382
31.2.1 斯特列尔比 　 / 382
31.2.2 波前方差 　 / 384
31.2.3 计算实例 　 / 385
31.2.4 数值实例 　 / 386
31.2.5 ો 的轴向位置 　 / 387
31.2.6 SYNOPSYS 中的波前方差 　 / 387
31.3 SYNOPSYS™中的最小弥散斑 　 / 388
31.4 非对称像差的波前方差 　 / 389
31.5 课后作业 　 / 390
第三十二章 轴向强度和焦深 　 / 391
32.1 概述 　 / 391
32.2 像质 III 　 / 391
32.2.1 轴向强度 　 / 391
32.2.2 衍射焦深 　 / 396
32.2.3 几何焦深 　 / 396
32.2.4 分辨率 　 / 399
32.2.5 瑞利准则 　 / 402
32.3 SYNOPSYS 中的斯特列尔比 　 / 402
第三十三章 匹兹万透镜 　 / 405
33.1 概述 　 / 405
33.2 近轴薄透镜的匹兹万设计 　 / 406
33.3 匹兹万镜头的 SYNOPSYS 设计 　 / 408
33.4 史料：约瑟夫 M. 匹兹万 　 / 410
33.5 成像质量 IV 　 / 411
33.6 课后作业 　 / 416
第三十四章 调制传递函数 　 / 417
34.1 概述 　 / 417
34.2 什么是调制 　 / 417
34.3 卷积和傅里叶变换 　 / 418
34.4 光学传递函数 　 / 420
34.5 SYNOPSYS™中的 MTF 　 / 423
34.6 MTF 和对称性 　 / 423
第三十五章 零位校准镜的设计 　 / 426
35.1 概述 　 / 426
35.2 抛物面镜产生的球差 　 / 426
35.3 凹面镜测试系统结构 　 / 427
35.4 零位校准镜测试抛物面镜时的作用 　 / 428
35.5 抛物面镜表面法线的推导 　 / 429
35.6 奥夫纳零位校准镜 　 / 432
35.6.1 初步设计 　 / 432
35.6.2 球差产生器的光焦度 　 / 433
35.6.3 调整透镜的光焦度 　 / 434
35.7 SYNOPSYS™中的零位校准镜 　 / 434
第三十六章 期末测试 　 / 438
36.1 前言 　 / 438
36.2 初级远距镜头 　 / 438
36.2.1 正透镜组的焦距 　 / 438
36.2.2 负透镜组的焦距 　 / 440
36.2.3 示例 　 / 441
36.2.4 远距镜头 SYNOPSYS™优化前的准备 　 / 441
36.3 SYNOPSYS™中的远距镜头 　 / 442
36.4 期末测试 　 / 443
第三十七章 重点归纳 　 / 445
37.1 概述 　 / 445
37.2 近轴透镜 　 / 445
37.3 平面镜倾斜 　 / 445
37.4 直角棱镜 　 / 448
37.5. 透镜准直 　 / 450
37.5.1 透镜偏心 　 / 450
37.5.2 透镜倾斜 　 / 453
37.6 离轴抛物面 　 / 453
37.7 偏心引起的像差 　 / 456
37.8 泽尼克多项式 　 / 458
第三十八章 结束语 　 / 460
38.1 导引 　 / 460
38.2 我们学过什么 　 / 460
38.3 优化公差 　 / 461
38.4 没有涉及的内容 　 / 464
38.5 光学设计软件 　 / 466