Fundamental Optical Design

### 基础光学设计概览 #### 一、引言 《基础光学设计》（*Fundamental Optical Design*）是一本由SPIE出版的重要参考书目，作者为迈克尔·J·基德格（Michael J. Kidger）。本书旨在提供关于几何光学的基本原理及其在光学系统设计中的应用指南，内容涵盖了从光线传播的基础理论到实际光学系统设计所需的技术细节。 #### 二、几何光学基础 ##### 2.1 坐标系与符号约定 在进行任何光学设计之前，建立一个统一的坐标系是至关重要的。书中详细介绍了用于描述光学系统的坐标系以及符号约定，这为后续章节中的计算和分析奠定了基础。 ##### 2.2 光线的直线传播 这一部分阐述了光线在无介质变化情况下的直线传播特性。了解这一基本现象对于理解光线如何在不同介质之间传播至关重要。 ##### 2.3 斯涅尔定律 斯涅尔定律描述了光线在两种不同介质界面处的折射规律。书中不仅给出了斯涅尔定律的数学表达式，还解释了其物理意义及其在实际应用中的重要性。 ##### 2.4 费马原理 费马原理是一种基于最小时间路径来预测光线路径的方法。该原理在解释光的折射、反射等现象时非常有用，并且为后续的光学设计提供了理论支持。 ##### 2.5 马吕斯-杜平定理 这一定理将光线和波前的概念联系起来，通过讨论光线和波前之间的关系，为理解光学系统的行为提供了新的视角。 #### 三、孔径和瞳孔 ##### 3.1 边缘光线与主光线 边缘光线是指经过透镜最外缘的光线，而主光线则是在轴上的光线。了解这两种光线有助于分析光线如何穿过光学元件，并对其成像质量产生影响。 ##### 3.2 入口和出口瞳孔 入口瞳孔定义了进入光学系统的光束宽度，而出口瞳孔则决定了从系统出来的光束宽度。这两者对于控制光束大小和位置至关重要。 ##### 3.3 视场限制器 视场限制器（或称为视场停）用于限制光学系统的视场角度，确保只有来自特定区域的光线能够通过系统，这对于减少杂散光和提高图像质量非常有帮助。 #### 四、表面形状 书中详细介绍了各种光学表面的性质及其在光学设计中的应用。 ##### 4.1 球面 球面是最常见的光学表面之一，其曲率半径决定了光学元件的焦距和成像特性。 ##### 4.2 旋转抛物面、椭球面和双曲面 这些曲面具有特殊的光学特性，可以用来实现特定的功能，如聚焦平行光束到一点（抛物面）或实现特殊的放大效果（椭球面和双曲面）。 ##### 4.3 扁椭球面 扁椭球面在某些特殊光学系统设计中被用作重要的光学元件。 ##### 4.4 双曲面 双曲面因其独特的形状，在特定类型的光学系统中具有重要作用。 ##### 4.5 轴锥面 轴锥面通常用于产生非圆形的光斑或特殊形状的光束。 #### 五、近轴光学 近轴光学是光学设计中最常用的概念之一，它假设光线接近光轴传播，从而简化了光线追踪的过程。 ##### 5.1 近轴光线 近轴光线的概念允许我们忽略高阶效应，只关注光线在近轴区域的行为。 ##### 5.2 主点与节点 主点和节点是近轴光学中两个重要的概念，它们定义了光线如何通过光学系统并保持其方向不变。 ##### 5.3 单个表面的近轴特性 这部分详细介绍了单个光学表面在近轴条件下的行为特征。 ##### 5.4 近轴光线追踪 近轴光线追踪是一种简化的方法，用于预测光线通过光学系统后的路径和位置。 ##### 5.5 拉格朗日不变量 拉格朗日不变量是近轴光学中一个重要的概念，它描述了系统前后光束截面大小与位置的关系。 #### 六、牛顿共轭 牛顿共轭关系描述了两个共轭平面之间的关系，这种关系在设计光学系统时非常重要，因为它可以帮助确定最佳的光学配置以获得清晰的图像。 《基础光学设计》这本书全面而深入地介绍了光学设计的基本原理和技术，对于想要深入了解几何光学及其在现代光学系统设计中应用的专业人士来说，是一本不可或缺的参考资料。