非成像光学系统设计方法与实例 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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苏宙平 著

图书标签:

• 非成像光学
• 光学系统设计
• 自由曲面光学
• 光线追迹
• 照明设计
• 光学工程
• 衍射光学
• 光学建模
• 实例分析
• 光学应用

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111582267

版次：1

商品编码：12259671

品牌：机工出版

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-12-01

用纸：胶版纸

页数：152

编辑推荐

适读人群 ：光学工程、LED照明、太阳能集光技术、激光加工、激光整形的高年级本科生、研究生及相关专业的工程技术人员和科研人员
本书总结了一些典型的非成像光学系统，针对每种非成像光学系统的设计思想、设计方法及设计过程进行了详细的介绍，并给出了设计案例。读者在掌握每种系统设计方法之后，使用相应的算法，只要修改一些参数，就能设计出自己想要的系统，这对读者完成相关的设计将起到有益的帮助。

内容简介

本书详细地介绍了一些典型的非成像系统的光学设计方法及案例，全书共12章，包含LED照明光学设计、太阳能集光系统的光学设计、激光扩束与整形光学系统设计等内容。LED照明光学设计包括了LED窄光束光学系统设计、LED均匀照明的光学系统设计、扩展LED光源的二次光学设计及平面LED阵列和球形LED阵列设计；太阳能集光系统的光学设计包括了用于太阳能聚光的菲涅耳透镜及反射式光学系统设计；激光扩束与整形光学系统设计包括了透镜扩束系统、棱镜扩束系统、自由曲面激光整形系统及微透镜阵列整形系统的设计。本书后介绍了光学仿真软件FRED在非成像光学系统设计中的应用。全书紧紧围绕工程应用中的实际案例，探讨设计思想，介绍设计方法及设计过程。读者可以将本书中的案例，根据自己的设计要求稍微做改动就可以应用，极大地简化了设计过程。

作者简介

苏宙平，男，江南大学副教授。苏宙平分别在中科院上海光机所和中科院长春光机所获得博士和硕士学位；曾经在罗切斯特大学 Hopkins光学设计中心、自由曲面光学中心作Visiting Scientist；在台湾“中央大学”光电系，作访问学者；主要研究方向为成像与非成像光学设计，特别是自由曲面在光学设计中的应用；主持国家自然基金，中央高校基本业务课题等8项，在Opt.Express, J.Photo. Enery, Chin.Opt.Lett.等发表论文25篇左右，申请专利近15项，担任Opt.Express,Appl.Opt.,Chin.Opt.Lett.的审稿人，光学学报Topical Editor(光学设计方向)。

目录

目 录
前言
第1章LED窄光束光学系统设计1
1.1TIR透镜（含双透射自由曲面）设计的基本原理3
1.1.1折射部分自由曲面的设计3
1.1.2反射部分自由曲面的设计7
1.1.3案例设计与分析9
1.2TIR透镜（含单透射自由曲面）设计的基本原理10
1.2.1透射部分的外表面设计10
1.2.2反射部分的反射面设计11
1.2.3案例设计与分析12
参考文献14

第2章实现LED均匀圆形辐照度分布自由曲面光学设计15
2.1实现LED均匀圆形辐照度分布自由曲面透镜设计15
2.1.1实现LED均匀圆形辐照度分布自由曲面透镜设计过程16
2.1.2旋转对称自由曲面透镜设计实例20
2.2实现LED均匀圆形光斑的自由曲面反光杯设计21
2.2.1LED反光杯设计原理21
2.2.2LED反光杯设计过程21
2.2.3LED反光杯设计实例24
参考文献25

第3章实现LED均匀矩形辐照度分布自由曲面光学设计26
3.1用于产生均匀辐照度分布矩形光斑的自由曲面透镜设计26
3.1.1将光源按等光通量进行划分26
3.1.2将目标面按等面积进行划分29
3.1.3自由曲面透镜的构建算法30
3.2非旋转对称的非连续自由曲面透镜设计案例33
参考文献34

第4章基于LED扩展光源的二次光学设计35
4.1基于反馈优化算法设计LED扩展光源的自由曲面透镜35
4.1.1反馈优化算法的原理35
4.1.2基于几种不同参数调整的反馈优化36
4.1.3设计案例38
4.2基于全局优化算法设计LED扩展光源的自由曲面透镜40
参考文献43

第5章平面LED阵列辐照度均匀化技术44
5.1平面LED阵列的优化设计与集成技术44
5.1.1LED阵列设计理论44
5.1.2模拟退火算法设计46
5.1.3平面LED阵列设计案例47
5.2大颗数LED阵列的设计59
5.2.1基本LED阵列模块的形成60
5.2.2大颗数LED阵列的形成方法61
参考文献62

第6章球形LED阵列辐照度均匀化技术64
6.1球形LED阵列设计理论64
6.2遗传算法设计66
6.3对称分布的球形LED阵列照明平面目标面67
6.4非对称分布的球形LED阵列照明球形目标面70
参考文献73

第7 章用于太阳能聚光的菲涅耳透镜设计74
7.1用于太阳能集光的菲涅耳透镜设计原理74
7.1.1等分入射到菲涅耳透镜上的光能75
7.1.2菲涅耳面的设计原理与方法77
7.1.3菲涅耳透镜设计案例79
7.2用于太阳能集光的菲涅耳透镜设计中的其他问题81
参考文献82

第8章基于反射式的太阳能集光系统的设计83
8.1复合抛物面反射器优化设计方法83
8.2实现辐照度均匀分布的双反射太阳能集光系统设计86
参考文献89

第9章激光扩束系统的光学设计90
9.1棱镜扩束系统的光学设计90
9.1.1影响单棱镜扩束的因素90
9.1.2多棱镜扩束系统中相邻棱镜的位置关系确定93
9.1.3棱镜扩束系统设计案例94
9.2透镜扩束系统的光学设计95
9.2.1折射式扩束系统设计案例96
9.2.2反射式扩束系统设计案例98
9.2.3柱透镜扩束设计案例102
参考文献102

第10章自由曲面激光光束整形系统设计103
10.1用于准直激光光束整形的自由曲面透镜设计104
10.1.1旋转对称自由曲面整形透镜设计104
10.1.2非旋转对称自由曲面整形透镜设计107
10.2用于发散激光光束整形的自由曲面透镜设计110
10.3用于同时控制波前与辐照度均匀度的双自由曲面透镜115
10.3.1旋转对称的双自由曲面透镜设计115
10.3.2旋转对称的双自由曲面透镜设计案例118
参考文献119

第11章基于微透镜阵列的激光光束整形120
11.1基于微透镜阵列的激光光束整形原理120
11.2基于微透镜阵列的旋转对称激光光束整形光学系统设计120
11.3基于微透镜阵列的非旋转对称激光光束整形光学系统设计124
11.3.1基于柱透镜阵列的一维光束整形125
11.3.2基于柱透镜阵列的二维光束整形127
参考文献130

第12章基于FRED非成像光学设计案例131
12.1FRED功能与应用领域介绍131
12.2基于FRED的单反相机的鬼像与杂散光分析133
12.2.1导入光机系统模型133
12.2.2杂散光计算与分析的主要过程133
12.2.3总结144
12.3基于FRED优化导光管实现预定的辐照度分布144
12.4基于FRED最大激光能量密度位置计算及可视化147
12.4.1聚焦TEM00模式的能量密度可视化147
12.4.2聚焦的“非高斯”能量密度可视化148
参考文献152

前言/序言

前言　　
非成像光学系统设计具有很广泛的应用价值，如照明中的光学设计、太阳能集光器设计、激光加工中的光束整形系统设计等。与成像光学系统有所不同，非成像光学系统很难通过商用的光学设计软件直接优化出最后的结果。究其原因如下：①非成像光学系统很难找到现成的初始结构;②非成像光学系统如照明系统需要计算辐照度分布，这需要追迹几十万甚至上百万条光线，因此优化速度会很慢，很难得到最佳的结果。尽管这样，大部分的从业人员都是使用商用的软件，通过反复调试的方法来得到一个设计结果，这种试错的方法非常耗时，而且很难取得满意的结果。本书总结了一些典型的非成像光学系统，针对每种非成像光学系统的设计思想、设计方法及设计过程进行了详细的介绍，并给出了设计案例。读者在掌握每种系统设计方法之后，使用相应的算法，只要修改一些参数，就能设计出自己想要的系统，这对读者完成相关的设计将起到有益的帮助。本书适合光学工程、LED照明、太阳能集光技术、激光加工、激光整形的高年级本科生、研究生及相关专业的工程技术人员和科研人员阅读。　
　本书共12章，包含LED照明光学设计、太阳能集光系统的光学设计、激光扩束与整形光学系统设计等内容。LED照明、太阳能利用属于新能源领域，激光扩束与整形在激光加工中有重要的应用，属于先进加工与制造领域，这些领域都是“十三五”期间国家重点规划的领域。全书紧紧围绕工程应用中的实际案例，总结了非成像领域近些年来的一些新的研究成果，归纳出了非成像领域里面的一些普遍性和通用性的设计方法。书中针对一些比较难的设计问题也进行了深入的探讨，如扩展LED光源的光学设计、发散激光光束的整形光学系统设计这些问题都具有很高的实际应用价值。　　
本书在编写过程中得到了讯技光电科技(上海)有限公司的大力支持，提供了本书第12章“基于FRED非成像光学设计案例”。感谢机械工业出版社的刘星宁先生在本书出版过程中给予的帮助。感谢我的学生彭亚蒙、李潇的帮助，也感谢参加我的光学设计课程的学生们，你们在课程中的反馈对本书内容的完善起到了重要的作用。　　
由于作者水平有限，加之编写时间紧张，书中难免有不妥甚至是错误之处，敬请读者批评指正。
作者

《现代光学系统设计与公差分析实例解析》 本书聚焦于前沿光学系统设计理念、先进的分析工具应用，以及如何将理论转化为可制造、高性能的实际产品。 --- 第一部分：光学系统设计的新范式与基础理论深化 本书摒弃了传统教材中对基础几何光学概念的冗余阐述，而是直接切入现代光学系统面临的挑战与应对策略。我们假定读者已具备扎实的大学物理和基础光学知识，重点讲解如何驾驭复杂的光学规范和性能指标。 第1章：超越理想模型的系统需求分解 本章深入探讨了如何从实际应用场景（如高分辨率成像、极端波段探测、复杂光束整形等）出发，逆向推导出系统的核心性能指标（MTF、RMS波前误差、杂散光容忍度）。重点分析了“系统预算”的建立过程，包括光能预算、信噪比预算和公差预算的初始分配策略。我们详细剖析了非球面光学系统的引入对设计初期的影响，强调了如何利用梯度下降和全局优化算法快速收敛至高效率的初始结构，而非依赖传统的光线追迹迭代。 第2章：先进光学元件的物理特性与集成 本书对传统透镜材料学进行了升级，重点关注超材料（Metamaterials）、衍射光学元件（DOE）在消色差和光束控制中的应用。详细介绍了如何精确建模微纳结构的光学响应，并将其集成到宏观系统设计流程中。其中，关于自由曲面（Freeform Optics）的设计与制造约束的平衡是本章的难点和重点，包括Zernike多项式展开的局限性与如何应用P-V/RMS表面描述的实用方法。 第3章：成像质量的深入量化与评估体系 超越基础的Spot Diagram分析，本章全面介绍了基于傅里叶光学的成像质量评估方法。详细阐述了调制传递函数（MTF）的深度解读，包括离轴成像中子午/弧矢MTF差异的物理成因。对于非标准光源或非均匀照明系统，我们提供了局部对比度分析（Contrast Function Analysis）的建模方法。此外，针对高功率激光系统，引入了光束质量因子（M²）的精确测量与优化方法，探讨了如何在设计阶段预测热透镜效应。 --- 第二部分：专业光学系统的设计实例与高级分析工具应用 本部分结合业界主流设计软件（如Zemax, Code V）的操作流程，通过多个复杂实例，展示将理论转化为实际产品的完整路径。 第4章：高倍率、大视场（HFOV）系统的设计挑战 选取一个典型的遥感或机器视觉镜头作为案例。分析了在大视场角下，如何有效校正场曲和像散，并引入中继系统（Relay System）的概念来隔离这两个主要的像差源。重点讲解了多通道系统（如偏振成像或多光谱成像）中，如何精确控制各个通道间的光轴对准误差和放大倍率差异，以确保图像的完美融合。 第5章：极紫外（EUV）与远红外（LWIR）系统设计 针对极端波段，本书讨论了材料选择的极端限制。在EUV部分，重点讲解反射光学系统的设计，包括离轴三反射镜（Three-Mirror Anastigmat, TMA）的优化流程，以及如何设计高精度多层膜以实现所需的反射率和带宽。在LWIR部分，侧重于热管理和衬度分析，如何利用低膨胀材料并设计合适的遮光罩（Baffles）来最小化系统自身的背景辐射。 第6章：杂散光控制与系统遮光设计 杂散光是决定高对比度系统（如天文望远镜或医疗内窥镜）性能的关键瓶颈。本章系统地介绍了杂散光抑制的“三板斧”： 1. 遮光罩（Baffle）的优化设计： 采用蒙特卡洛光线追踪模拟，精确计算不同遮光罩阵列对特定入射角的抑制效率。 2. 表面处理技术： 深入分析了各种吸光涂层（如Vantablack类材料的替代品）的有效性和环境稳定性。 3. 像面照度均匀性分析： 识别并消除由元件边缘反射或非均匀透射引起的“鬼影”现象。 --- 第三部分：从设计到制造的转化：公差分析与系统集成 任何优秀的设计都必须能够被实际制造出来并稳定工作。本部分是本书的实践核心。 第7章：统计学公差分析（Tolerancing）的现代方法 本书强调使用基于灵敏度分析的自适应公差分配，而非传统的“一刀切”方法。详细介绍了蒙特卡洛模拟在确定关键元件（如曲率半径、元件间距）的制造公差范围时的具体应用步骤。我们提供了如何根据可制造性指数（Manufacturability Index, MI）来调整公差，平衡性能与制造成本的实用模型。 第8章：元件装配与系统对准的误差预算 本章专门处理装配误差。区分了形位公差（Geometric Tolerance）与光学公差（Optical Tolerance）的相互影响。重点讲解了如何利用敏感度矩阵来指导光学装配序列的制定。对于复杂的序列成像系统，介绍了三维公差分析（3D Tolerance Analysis）中如何考虑元件的倾斜（Tip/Tilt）和平移（Decenter），并设计高效的光学对准标定（Alignment Targets）流程。 第9章：系统集成与地面测试验证 在系统完成制造后，本章指导读者如何进行全面的性能验证。详细阐述了波前传感器（Shack-Hartmann, Phase Retrieval）在实际系统中的应用，以及如何利用双通道/多通道系统的波像差补偿技术（如使用移相器或可重构自由曲面）来弥补制造和装配引入的误差，最终实现系统性能的“收敛”。 --- 本书面向对象： 光学工程、精密仪器、光电技术等领域的工程师、研发人员，以及希望深入掌握现代光学系统集成与制造优化的高级学生。本书旨在弥合理论光学设计与工程实践之间的鸿沟，提供一套可操作、高效率的设计与分析流程。

评分☆☆☆☆☆

读这本书之前，我对光学领域的认识主要停留在成像原理，比如相机镜头是如何聚焦形成清晰图像的。然而，“非成像光学”这个概念却完全颠覆了我的固有认知，它似乎指向了另一个截然不同的方向。我很好奇，究竟什么样的光学系统不需要成像，但又具有重要的应用价值？这让我联想到许多生活中的场景，比如路灯的设计，如何让光线均匀地照亮地面，而不是产生刺眼的眩光；又或者太阳能电池板，如何最大限度地收集太阳光能量。这本书的名字让我对这些问题的解决之道充满了期待。我希望它能提供一些新颖的思路和方法，让我能够跳出传统的思维框架，去思考光线在其他方面的应用。也许，它能让我了解到，光学不仅仅是为了“看见”，更是为了“影响”和“改变”。这本书的价值，我想就体现在它能否打破我们对光学领域的刻板印象，展现其更广阔、更具创造性的天地。

评分☆☆☆☆☆

我对书中“设计方法”这几个字充满了好奇，因为我一直认为，好的设计是艺术与科学的完美结合。非成像光学，这个我之前接触不多的领域，让我觉得它充满了未知与可能性。我猜想，这本书可能不仅仅是介绍一些光学原理，更重要的是它会分享一套系统性的设计思路和流程。我希望能够从中学习到如何定义光学系统的目标，如何选择合适的光学元件，以及如何通过迭代优化来达到最佳的设计效果。书中是否会介绍一些常用的设计软件和仿真工具，或者提供一些实用的设计技巧和经验？我尤其期待“实例”部分，如果能看到一些实际的设计案例，从需求分析到最终实现，一步步地展示非成像光学系统的设计过程，那将是非常有价值的。这本书，我想，或许能教会我如何用更具创造性和系统性的方式去解决光线设计的问题，从而在我的工作或学习中带来新的启发。

评分☆☆☆☆☆

作为一个有一定光学基础的在校学生，我对“非成像光学”这个概念的出现感到非常兴奋。成像光学是光学课程的基础，但往往局限于如何清晰地再现物体，对于其他的光线操控和能量转化方面，我们接触得相对较少。而“非成像光学”这个术语，让我联想到了很多与我目前学习内容不同，但同样具有重要研究价值的方向。我好奇这本书是否会深入探讨一些更高级的光学理论，例如光度的概念、辐射传输方程的应用，以及如何通过特定的光学元件（如自由曲面透镜、漫射板等）来实现复杂的光线控制。我希望这本书能提供一些关于设计流程和仿真工具的指导，帮助我理解如何将理论转化为实际的设计方案。同时，我对书中可能提及的优化算法和评价指标也充满兴趣，这对于我未来在光学设计领域的深入研究将大有裨益。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对前沿科技充满热情的技术爱好者，经常会关注一些与日常生活息息相关的科技进步。最近，我对如何提升能源利用效率和改善生活照明质量这两个话题产生了浓厚的兴趣。非成像光学，这个听起来有些“冷门”的领域，却似乎与这两个热门话题有着千丝万缕的联系。我猜想，这本书或许会介绍一些巧妙的光学设计，能够让太阳能收集装置的光电转化效率更高，或者让LED照明设备的光线分布更合理，从而减少能源浪费，提升用户体验。我非常期待书中能够分享一些具体的案例，比如在智能家居、新能源汽车，甚至是医疗设备等领域的应用。如果这本书能让我了解到，那些看似微不足道的“光”学设计，竟然能够对我们生活的品质产生如此大的影响，那我将感到非常满足。希望这本书的“实例”部分，能够充分展现非成像光学技术的实用性和前瞻性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计着实令人眼前一亮，那种深邃的蓝色调，搭配上抽象的光线图形，瞬间就吸引了我的目光。我一直对物理学中的一些分支领域抱有浓厚的兴趣，特别是那些能够将理论知识转化为实际应用的学科。非成像光学，这个名字本身就带着一种神秘而又充满挑战的意味，让我对它所能揭示的世界充满了好奇。拿到这本书后，我迫不及待地翻阅起来，希望能在其中找到关于如何设计出高效、巧妙的光学系统的线索。我期待它能带领我进入一个全新的领域，了解那些我们肉眼看不见，但却深刻影响着我们生活的“光”的奥秘。书中的插图和图表，希望也能如同封面一般，简洁而又信息量丰富，能够直观地解释那些抽象的概念。作为一个普通读者，我希望这本书能够深入浅出，用通俗易懂的语言来阐述复杂的原理，而不是让我望而却步。毕竟，科学的魅力在于其普适性，能够被更多人理解和欣赏。

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参考书，写得较浅。

评分☆☆☆☆☆

书挺好的，快递也快，包装也很好！

评分☆☆☆☆☆

理论不错。。。。。。。。。。。

评分☆☆☆☆☆

专业书籍,看得不是很懂,想学点入门知识,有点单薄

评分☆☆☆☆☆

参考书，写得较浅。

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参考书，写得较浅。

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专业书籍,看得不是很懂,想学点入门知识,有点单薄

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