非成像光学设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

内容简介

　　《非成像光学设计》较为系统地介绍非成像光学理论与设计方法，共5章。第一章介绍几何光学的基本理论，接着简单介绍成像光学理论，然后介绍非成像光学的发展历史、现状、基本理论以及设计方法。第2章介绍构建光学表面所需的曲线和曲面理论，包括微分几何的基础理论及NURBS曲线和曲面构造方法。第3章介绍非成像光学的基本概念和基础理论，主要包括光展、光展守恒原理、流线、哈密顿光学和边光原理等内容。第4章介绍较为传统的非成像光学设计方法，包括CPC方法、菲涅尔透镜、流矢法、同步多表面法等。第5章重点介绍基于自由曲面的非成像光学设计法，主要包括Monge-Ampere方程法、网格映射曲面构造法、二次曲面包络法和混合方法等。
　　《非成像光学设计》可作为照明工程、光学工程和太阳能(光伏)等专业的光学设计课程的本科生或研究生教材，也可作为相关领域从事科研、工程设计的广大科技工作者的参考书。

内页插图

目录

前言
第1章 概论
1．1 几何光学
1．1．1 基本原理
1．1．2 基本定律
1．1．3 光迹方程
1．1．4 成像光学
1．2 非成像光学
1．2．1 非成像光学的发展
1．2．2 非成像光学系统
1．2．3 非成像光学理论框架
1．2．4 非成像光学设计方法
1．3 数学工具与光学软件

第2章 曲线与曲面的基本理论
2．1 曲线
2．1．1 参数化曲线
2．1．2 曲率与Frenet．标架
2．1．3 曲线的挠率和Frenet公式
2．2 曲面
2．2．1 参数化曲面
2．2．2 切平面、法矢量与自然标架
2．2．3 曲面的基本形式
2．2．4 曲面的曲率
2．2．5 曲面论的基本方程
2．3 NURBS曲线和曲面
2．3．1 NURBS曲线
2．3．2 NURBS曲面

第3章 非成像光学理论基础
3．1 光展理论
3．1．1 光展
3．1．2 光展守恒原理
3．1．3 光展的其他表达
3．2 哈密顿光学
3．2．1 费马原理
3．2．2 一般情形的拉格朗日量和哈密顿量
3．2．3 几何光学的拉格朗日量和哈密顿量
3．2．4 哈密顿量的另一种形式
3．2．5 哈密顿方程的坐标系变换
3．3 边光原理
3．3．1 边光定义
3．3．2 边光原理
3．3．3 两个例子

第4章 非成像光学设计方法
4．1 CPC设计
4．1．1 简介
4．1．2 集光率
4．1．3 最大集光能力
4．2 菲涅尔配光设计
4．2．1 菲涅尔透镜简介
4．2．2 几何光学原理
4．2．3 菲涅尔透镜设计
4．2．4 菲涅尔透镜阵列的设计
4．3 流矢设计方法
4．3．1 简介
4．3．2 流矢的定义
4．3．3 基于边缘光线的流矢计算
4．3．4 流矢和光展
4．3．5 圆盘状光源的流矢
4．3．6 集光器的流矢设计方法
4．4 同步多表面设计法
4．4．1 SMS简介
4．4．2 SMS光学结构
4．4．3 LED准直器设计
4．4．4 SMS设计方法

第5章 基于自由曲面的配光设计方法
5．1 简介
5．1．1 问题解析
5．1．2 背景应用
5．1．3 现有基础
5．1．4 本章安排
5．2 Monge-Ampere方程自由曲面设计方法
5．2．1 Monge-Ampere方程数学推导
5．2．2 设计案例
5．3 网格映射曲面构造法
5．3．1 ODE方法及其优化方法
5．3．2 PDE方法
5．3．3 配焦椭流线法与优化
5．3．4 配焦椭流面法与优化
5．4 二次曲面包络法
5．4．1 SP方法
5．4．2 SE方法
5．4．3 SO方法
5．4．4 案例实现
5．5 混合设计方法
5．5．1 思路与方法
5．5．2 两个案例
参考文献

前言/序言

《光影的奥秘：可见光成像与视觉艺术的科学基础》 一、 引言：窥探物质世界的视觉之窗 人类感知世界，约有八成信息源自视觉。我们得以欣赏落日余晖的绚烂，分辨花草树木的纹理，理解文字符号的含义，甚至捕捉转瞬即逝的运动轨迹，这一切都离不开“成像”这一奇妙的光学过程。从最简单的针孔相机到复杂的显微镜、望远镜，再到我们赖以生存的眼睛本身，成像光学的设计与应用，无时无刻不在重塑我们对世界的认知，构建着我们所见所感的现实。 本书《光影的奥秘：可见光成像与视觉艺术的科学基础》并非聚焦于光线如何被“捕获”后形成特定图像，也非探讨如何通过反射、折射等手段使光线避开目标物体，而是深入探索光线如何被引导、塑造，最终在特定区域汇聚或形成特定空间分布，从而实现对外界环境信息的“捕捉”与“识别”。我们将一同踏上一段揭示光线传播本质，理解成像系统构造原理，并将其巧妙应用于现实世界的旅程。本书旨在为读者提供一个坚实的理论框架，理解从基础光学定律到复杂成像系统的演进，并体会光学设计在提升视觉质量、拓展感知边界方面所扮演的关键角色。 二、 第一篇：光线的语言——基础光学原理的精细描摹 在理解复杂的成像系统之前，我们必须先掌握构成这一切的基础——光线及其传播的规律。本篇将如同雕塑家对待璞玉一般，细致地打磨读者对以下核心概念的理解： 1. 光的本质与传播：波动与粒子的双重奏 我们将从光的粒子性和波动性这一核心概念入手。深入剖析光子模型如何解释光电效应等现象，同时阐述光的衍射、干涉等波动特性。理解这两者的融合，是理解光线如何在介质中传播，如何与物质发生相互作用的基础。我们将通过经典的杨氏双缝干涉实验、菲涅尔衍射等案例，直观地展现光的波动本质，以及这些特性在成像过程中如何影响图像的清晰度和细节。 2. 反射与折射：光线的几何轨迹 反射定律和折射定律是成像光学设计中最基础也最核心的几何光学原理。我们将详细解析光线在不同介质界面发生反射和折射时的路径变化，并引入折射率的概念，解释光线在不同介质中传播速度的差异如何导致其方向的偏折。我们将通过平面镜、球面镜（凹面镜、凸面镜）的成像原理，阐述反射成像的基本模型。随后，重点讲解透镜（凸透镜、凹透镜）的成像规律，包括焦距、物距、像距之间的关系，以及如何利用透镜组合实现放大、缩小、成像等多种功能。我们将深入分析像的虚实、正倒、大小等性质，为后续理解复杂成像系统奠定坚实的几何基础。 3. 色散与色差：色彩的由来与挑战 自然界的多彩世界离不开光的色散现象。我们将解析白光经过三棱镜时为何会分解成七色光，介绍不同颜色的光具有不同波长，以及在介质中传播速度的差异。在此基础上，我们将深入探讨色差问题。无论是反射还是折射，不同波长的光线在同一介质中折射（或反射）的角度略有不同，这会导致同一物点产生的彩色像不能精确地汇聚于一点，从而在图像中产生彩色的边缘模糊。我们将区分轴上色差和轴外色差，并初步介绍校正色差的策略，例如使用不同材料制成的复合透镜。 4. 衍射与干涉：超越几何光学的限制 当光线遇到障碍物或通过狭缝时，会表现出衍射现象，即光线会弯曲并传播到几何光学的阴影区域。当我们研究成像系统的分辨率时，衍射效应就变得尤为重要。瑞利判据（Rayleigh Criterion）将作为核心内容，解释两个靠近的点光源成像时，由于衍射导致的衍射斑，何时会被视为可分辨的。我们将通过夫琅禾费衍射的例子，说明孔径大小、光波长对衍射图像的影响。干涉现象则是在特定条件下，两束或多束光线叠加后，能量重新分布的现象。虽然在直接成像过程中，由人眼感知的干涉不那么显而易见，但理解干涉原理对于理解一些高级光学元件（如光栅、相控阵列）以及某些成像技术（如全息术）至关重要。 三、 第二篇：成像系统的构建——透镜与反射镜的艺术 掌握了基础的光学原理，我们便可以开始着手构建具体的成像系统。本篇将聚焦于实现成像的各类光学元件及其组合，揭示它们在塑造光线、形成图像过程中的关键作用。 1. 单一透镜成像：从放大镜到投影仪 我们将从最简单的成像元件——单一透镜开始。分析凸透镜作为放大镜，如何放大近距离物体的虚像，以及其适用范围。进而探讨凸透镜作为成像透镜，在不同物距下形成的实像与虚像的性质，如照相机镜头、显微镜物镜等。同时，我们也会分析凹透镜的成像特性，其主要作用是发散光线，常与其他透镜组合使用以校正像差或改变焦距。我们将深入理解焦距、光圈、景深等概念，这些都是评价和设计单一透镜成像系统性能的关键参数。 2. 透镜组与消像差设计：追求完美视界 现实中的成像系统往往需要由多个透镜组合而成，以实现更复杂的功能，例如高倍率放大、宽视场成像，以及最重要的——校正像差。我们将详细介绍常见的透镜组合，如显微镜的目镜和物镜组合，望远镜的伽利略式和开普勒式，以及照相机镜头中的各种复消色差、大口径镜头设计。重点将放在“消像差”的设计哲学上。我们将系统地讲解常见的几种像差，包括： 球差 (Spherical Aberration): 不同孔径处的光线聚焦位置不同，导致图像边缘模糊。 彗差 (Coma Aberration): 轴外点成像时，像成彗星状拖尾。 像散 (Astigmatism): 不同方向的光线聚焦于不同位置，导致水平和垂直方向的图像不清晰。 场曲 (Field Curvature): 像面不是平面，导致图像中心和边缘的清晰度不同。 畸变 (Distortion): 图像的几何形状发生变化，如桶形畸变和枕形畸变。 我们将介绍利用不同曲率、不同材料（折射率和阿贝数不同）的透镜组合，如何巧妙地补偿这些像差，从而获得更高质量、更逼真的成像效果。 3. 反射式成像系统：巨型望远镜的星辰之眼 除了透镜，反射镜也是重要的成像元件。我们将重点介绍反射式成像系统，特别是牛顿式和卡塞格林式望远镜。分析主反射镜和副反射镜的作用，以及它们如何将远方的星光汇聚。我们将探讨反射式系统的优势，例如消除了折射式系统常见的色差问题，以及能够制造更大口径的反射镜，从而提高集光能力和分辨率。巨型天文望远镜的设计，正是充分利用了反射光学原理的巨大潜力。 4. 杂散光与滤光：纯净图像的守护者 在成像过程中，除了目标光线，还会存在各种非目标光线，它们可能来自镜面反射、透镜表面反射、元件内部散射等，这些被称为杂散光。杂散光会降低图像的对比度和信噪比，使图像模糊不清。我们将探讨杂散光的来源，并介绍在光学设计中抑制杂散光的方法，例如增加遮光罩、使用绒面、优化元件表面镀膜等。此外，滤光技术也是成像系统中不可或缺的一环。我们将介绍不同类型的滤光片（如窄带滤光片、长通滤光片、短通滤光片）如何选择性地允许特定波长的光通过，从而在科学观测、医疗成像等领域实现对特定信息的增强和提取。 四、 第三篇：成像的应用与展望——光影塑造的现实世界 成像光学的设计并非仅仅是理论的堆砌，而是为了服务于人类更广泛的认知与应用。本篇将带领读者领略成像光学在各个领域的实际应用，并展望其未来的发展趋势。 1. 视觉艺术与摄影：定格瞬间，记录永恒 从艺术家手中的画笔到摄影师的镜头，成像光学是视觉艺术创作的基石。我们将探讨相机镜头的设计如何影响照片的视角、景深、透视感，以及如何通过选择不同的镜头（广角、长焦、微距）来表达不同的艺术构图和情感。我们将分析人眼的光学成像原理，以及为何我们能感知到丰富多彩的视觉世界。理解成像光学，有助于我们更深刻地理解摄影作品的魅力，以及如何更好地运用光线和镜头来表达自己的想法。 2. 科学探索的利器：显微与遥感 成像光学在科学研究中扮演着至关重要的角色。显微镜将微观世界的细节展现在我们眼前，让我们得以窥探细胞的结构、物质的分子排列。我们将介绍不同类型的显微镜（光学显微镜、共聚焦显微镜）的成像原理，以及它们在生物学、材料科学等领域的重要贡献。望远镜则将遥远的星系、行星拉近，拓展了我们对宇宙的认知边界。遥感技术则通过成像系统从高处（如卫星、飞机）获取地表信息，在环境监测、资源勘探、灾害预警等方面发挥着不可替代的作用。 3. 医疗诊断与工业检测：精准丈量，守护健康 在医疗领域，成像技术是疾病诊断的重要手段。X射线成像、CT扫描、核磁共振成像（MRI）、内窥镜检查等，都离不开精密的光学或电磁学成像设计。我们将简要介绍这些技术的成像原理，以及它们如何帮助医生早期发现和诊断疾病。在工业生产中，成像技术被广泛应用于产品质量检测、自动化生产线上的视觉识别等。机器视觉系统能够高速、准确地检测产品缺陷，提高生产效率和产品质量。 4. 未来发展趋势：从可见光到多光谱，从二维到三维 随着科技的不断进步，成像光学正朝着更广阔的领域拓展。我们将展望未来的发展趋势，例如： 多光谱与高光谱成像： 突破可见光限制，捕捉物体在不同波段（如红外、紫外）的光谱信息，实现更精细的物质识别与分析。 三维成像技术： 立体成像、全息成像、结构光扫描等技术，将为我们带来更具沉浸感和真实感的视觉体验，并在虚拟现实、机器人导航等领域发挥重要作用。 先进光学元件与材料： 超材料（Metamaterials）、自由曲面光学（Freeform Optics）等新兴技术，将可能颠覆传统的透镜设计理念，实现更紧凑、更高效的成像系统。 人工智能与成像的融合： 深度学习等人工智能技术将与成像系统深度结合，用于图像增强、特征提取、目标识别等，进一步提升成像系统的智能化水平。 五、 结语：光影交织的无限可能 《光影的奥秘：可见光成像与视觉艺术的科学基础》所描绘的，是光线如何被理解、被驾驭，最终编织出我们所见的缤纷世界的宏大叙事。从基础的光学原理到复杂的成像系统，再到其在各个领域的广泛应用，我们看到了人类智慧在光学设计领域所取得的辉煌成就。本书旨在激发读者对成像光学的兴趣，理解其内在的科学逻辑，并鼓励大家在未来的学习和工作中，继续探索光影的无限可能，用创新的光学设计，描绘更清晰、更精彩的世界。