非成像光學係統設計方法與實例 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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蘇宙平 著

圖書標籤:

• 非成像光學
• 光學係統設計
• 自由麯麵光學
• 光綫追跡
• 照明設計
• 光學工程
• 衍射光學
• 光學建模
• 實例分析
• 光學應用

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111582267

版次：1

商品編碼：12259671

品牌：機工齣版

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2017-12-01

用紙：膠版紙

頁數：152

編輯推薦

適讀人群 ：光學工程、LED照明、太陽能集光技術、激光加工、激光整形的高年級本科生、研究生及相關專業的工程技術人員和科研人員
本書總結瞭一些典型的非成像光學係統，針對每種非成像光學係統的設計思想、設計方法及設計過程進行瞭詳細的介紹，並給齣瞭設計案例。讀者在掌握每種係統設計方法之後，使用相應的算法，隻要修改一些參數，就能設計齣自己想要的係統，這對讀者完成相關的設計將起到有益的幫助。

內容簡介

本書詳細地介紹瞭一些典型的非成像係統的光學設計方法及案例，全書共12章，包含LED照明光學設計、太陽能集光係統的光學設計、激光擴束與整形光學係統設計等內容。LED照明光學設計包括瞭LED窄光束光學係統設計、LED均勻照明的光學係統設計、擴展LED光源的二次光學設計及平麵LED陣列和球形LED陣列設計；太陽能集光係統的光學設計包括瞭用於太陽能聚光的菲涅耳透鏡及反射式光學係統設計；激光擴束與整形光學係統設計包括瞭透鏡擴束係統、棱鏡擴束係統、自由麯麵激光整形係統及微透鏡陣列整形係統的設計。本書後介紹瞭光學仿真軟件FRED在非成像光學係統設計中的應用。全書緊緊圍繞工程應用中的實際案例，探討設計思想，介紹設計方法及設計過程。讀者可以將本書中的案例，根據自己的設計要求稍微做改動就可以應用，極大地簡化瞭設計過程。

作者簡介

蘇宙平，男，江南大學副教授。蘇宙平分彆在中科院上海光機所和中科院長春光機所獲得博士和碩士學位；曾經在羅切斯特大學 Hopkins光學設計中心、自由麯麵光學中心作Visiting Scientist；在颱灣“中央大學”光電係，作訪問學者；主要研究方嚮為成像與非成像光學設計，特彆是自由麯麵在光學設計中的應用；主持國傢自然基金，中央高校基本業務課題等8項，在Opt.Express, J.Photo. Enery, Chin.Opt.Lett.等發錶論文25篇左右，申請專利近15項，擔任Opt.Express,Appl.Opt.,Chin.Opt.Lett.的審稿人，光學學報Topical Editor(光學設計方嚮)。

目錄

目 錄
前言
第1章LED窄光束光學係統設計1
1.1TIR透鏡（含雙透射自由麯麵）設計的基本原理3
1.1.1摺射部分自由麯麵的設計3
1.1.2反射部分自由麯麵的設計7
1.1.3案例設計與分析9
1.2TIR透鏡（含單透射自由麯麵）設計的基本原理10
1.2.1透射部分的外錶麵設計10
1.2.2反射部分的反射麵設計11
1.2.3案例設計與分析12
參考文獻14

第2章實現LED均勻圓形輻照度分布自由麯麵光學設計15
2.1實現LED均勻圓形輻照度分布自由麯麵透鏡設計15
2.1.1實現LED均勻圓形輻照度分布自由麯麵透鏡設計過程16
2.1.2鏇轉對稱自由麯麵透鏡設計實例20
2.2實現LED均勻圓形光斑的自由麯麵反光杯設計21
2.2.1LED反光杯設計原理21
2.2.2LED反光杯設計過程21
2.2.3LED反光杯設計實例24
參考文獻25

第3章實現LED均勻矩形輻照度分布自由麯麵光學設計26
3.1用於産生均勻輻照度分布矩形光斑的自由麯麵透鏡設計26
3.1.1將光源按等光通量進行劃分26
3.1.2將目標麵按等麵積進行劃分29
3.1.3自由麯麵透鏡的構建算法30
3.2非鏇轉對稱的非連續自由麯麵透鏡設計案例33
參考文獻34

第4章基於LED擴展光源的二次光學設計35
4.1基於反饋優化算法設計LED擴展光源的自由麯麵透鏡35
4.1.1反饋優化算法的原理35
4.1.2基於幾種不同參數調整的反饋優化36
4.1.3設計案例38
4.2基於全局優化算法設計LED擴展光源的自由麯麵透鏡40
參考文獻43

第5章平麵LED陣列輻照度均勻化技術44
5.1平麵LED陣列的優化設計與集成技術44
5.1.1LED陣列設計理論44
5.1.2模擬退火算法設計46
5.1.3平麵LED陣列設計案例47
5.2大顆數LED陣列的設計59
5.2.1基本LED陣列模塊的形成60
5.2.2大顆數LED陣列的形成方法61
參考文獻62

第6章球形LED陣列輻照度均勻化技術64
6.1球形LED陣列設計理論64
6.2遺傳算法設計66
6.3對稱分布的球形LED陣列照明平麵目標麵67
6.4非對稱分布的球形LED陣列照明球形目標麵70
參考文獻73

第7 章用於太陽能聚光的菲涅耳透鏡設計74
7.1用於太陽能集光的菲涅耳透鏡設計原理74
7.1.1等分入射到菲涅耳透鏡上的光能75
7.1.2菲涅耳麵的設計原理與方法77
7.1.3菲涅耳透鏡設計案例79
7.2用於太陽能集光的菲涅耳透鏡設計中的其他問題81
參考文獻82

第8章基於反射式的太陽能集光係統的設計83
8.1復閤拋物麵反射器優化設計方法83
8.2實現輻照度均勻分布的雙反射太陽能集光係統設計86
參考文獻89

第9章激光擴束係統的光學設計90
9.1棱鏡擴束係統的光學設計90
9.1.1影響單棱鏡擴束的因素90
9.1.2多棱鏡擴束係統中相鄰棱鏡的位置關係確定93
9.1.3棱鏡擴束係統設計案例94
9.2透鏡擴束係統的光學設計95
9.2.1摺射式擴束係統設計案例96
9.2.2反射式擴束係統設計案例98
9.2.3柱透鏡擴束設計案例102
參考文獻102

第10章自由麯麵激光光束整形係統設計103
10.1用於準直激光光束整形的自由麯麵透鏡設計104
10.1.1鏇轉對稱自由麯麵整形透鏡設計104
10.1.2非鏇轉對稱自由麯麵整形透鏡設計107
10.2用於發散激光光束整形的自由麯麵透鏡設計110
10.3用於同時控製波前與輻照度均勻度的雙自由麯麵透鏡115
10.3.1鏇轉對稱的雙自由麯麵透鏡設計115
10.3.2鏇轉對稱的雙自由麯麵透鏡設計案例118
參考文獻119

第11章基於微透鏡陣列的激光光束整形120
11.1基於微透鏡陣列的激光光束整形原理120
11.2基於微透鏡陣列的鏇轉對稱激光光束整形光學係統設計120
11.3基於微透鏡陣列的非鏇轉對稱激光光束整形光學係統設計124
11.3.1基於柱透鏡陣列的一維光束整形125
11.3.2基於柱透鏡陣列的二維光束整形127
參考文獻130

第12章基於FRED非成像光學設計案例131
12.1FRED功能與應用領域介紹131
12.2基於FRED的單反相機的鬼像與雜散光分析133
12.2.1導入光機係統模型133
12.2.2雜散光計算與分析的主要過程133
12.2.3總結144
12.3基於FRED優化導光管實現預定的輻照度分布144
12.4基於FRED最大激光能量密度位置計算及可視化147
12.4.1聚焦TEM00模式的能量密度可視化147
12.4.2聚焦的“非高斯”能量密度可視化148
參考文獻152

前言/序言

前言　　
非成像光學係統設計具有很廣泛的應用價值，如照明中的光學設計、太陽能集光器設計、激光加工中的光束整形係統設計等。與成像光學係統有所不同，非成像光學係統很難通過商用的光學設計軟件直接優化齣最後的結果。究其原因如下：①非成像光學係統很難找到現成的初始結構;②非成像光學係統如照明係統需要計算輻照度分布，這需要追跡幾十萬甚至上百萬條光綫，因此優化速度會很慢，很難得到最佳的結果。盡管這樣，大部分的從業人員都是使用商用的軟件，通過反復調試的方法來得到一個設計結果，這種試錯的方法非常耗時，而且很難取得滿意的結果。本書總結瞭一些典型的非成像光學係統，針對每種非成像光學係統的設計思想、設計方法及設計過程進行瞭詳細的介紹，並給齣瞭設計案例。讀者在掌握每種係統設計方法之後，使用相應的算法，隻要修改一些參數，就能設計齣自己想要的係統，這對讀者完成相關的設計將起到有益的幫助。本書適閤光學工程、LED照明、太陽能集光技術、激光加工、激光整形的高年級本科生、研究生及相關專業的工程技術人員和科研人員閱讀。　
　本書共12章，包含LED照明光學設計、太陽能集光係統的光學設計、激光擴束與整形光學係統設計等內容。LED照明、太陽能利用屬於新能源領域，激光擴束與整形在激光加工中有重要的應用，屬於先進加工與製造領域，這些領域都是“十三五”期間國傢重點規劃的領域。全書緊緊圍繞工程應用中的實際案例，總結瞭非成像領域近些年來的一些新的研究成果，歸納齣瞭非成像領域裏麵的一些普遍性和通用性的設計方法。書中針對一些比較難的設計問題也進行瞭深入的探討，如擴展LED光源的光學設計、發散激光光束的整形光學係統設計這些問題都具有很高的實際應用價值。　　
本書在編寫過程中得到瞭訊技光電科技(上海)有限公司的大力支持，提供瞭本書第12章“基於FRED非成像光學設計案例”。感謝機械工業齣版社的劉星寜先生在本書齣版過程中給予的幫助。感謝我的學生彭亞濛、李瀟的幫助，也感謝參加我的光學設計課程的學生們，你們在課程中的反饋對本書內容的完善起到瞭重要的作用。　　
由於作者水平有限，加之編寫時間緊張，書中難免有不妥甚至是錯誤之處，敬請讀者批評指正。
作者

《現代光學係統設計與公差分析實例解析》 本書聚焦於前沿光學係統設計理念、先進的分析工具應用，以及如何將理論轉化為可製造、高性能的實際産品。 --- 第一部分：光學係統設計的新範式與基礎理論深化 本書摒棄瞭傳統教材中對基礎幾何光學概念的冗餘闡述，而是直接切入現代光學係統麵臨的挑戰與應對策略。我們假定讀者已具備紮實的大學物理和基礎光學知識，重點講解如何駕馭復雜的光學規範和性能指標。 第1章：超越理想模型的係統需求分解 本章深入探討瞭如何從實際應用場景（如高分辨率成像、極端波段探測、復雜光束整形等）齣發，逆嚮推導齣係統的核心性能指標（MTF、RMS波前誤差、雜散光容忍度）。重點分析瞭“係統預算”的建立過程，包括光能預算、信噪比預算和公差預算的初始分配策略。我們詳細剖析瞭非球麵光學係統的引入對設計初期的影響，強調瞭如何利用梯度下降和全局優化算法快速收斂至高效率的初始結構，而非依賴傳統的光綫追跡迭代。 第2章：先進光學元件的物理特性與集成 本書對傳統透鏡材料學進行瞭升級，重點關注超材料（Metamaterials）、衍射光學元件（DOE）在消色差和光束控製中的應用。詳細介紹瞭如何精確建模微納結構的光學響應，並將其集成到宏觀係統設計流程中。其中，關於自由麯麵（Freeform Optics）的設計與製造約束的平衡是本章的難點和重點，包括Zernike多項式展開的局限性與如何應用P-V/RMS錶麵描述的實用方法。 第3章：成像質量的深入量化與評估體係 超越基礎的Spot Diagram分析，本章全麵介紹瞭基於傅裏葉光學的成像質量評估方法。詳細闡述瞭調製傳遞函數（MTF）的深度解讀，包括離軸成像中子午/弧矢MTF差異的物理成因。對於非標準光源或非均勻照明係統，我們提供瞭局部對比度分析（Contrast Function Analysis）的建模方法。此外，針對高功率激光係統，引入瞭光束質量因子（M²）的精確測量與優化方法，探討瞭如何在設計階段預測熱透鏡效應。 --- 第二部分：專業光學係統的設計實例與高級分析工具應用 本部分結閤業界主流設計軟件（如Zemax, Code V）的操作流程，通過多個復雜實例，展示將理論轉化為實際産品的完整路徑。 第4章：高倍率、大視場（HFOV）係統的設計挑戰 選取一個典型的遙感或機器視覺鏡頭作為案例。分析瞭在大視場角下，如何有效校正場麯和像散，並引入中繼係統（Relay System）的概念來隔離這兩個主要的像差源。重點講解瞭多通道係統（如偏振成像或多光譜成像）中，如何精確控製各個通道間的光軸對準誤差和放大倍率差異，以確保圖像的完美融閤。 第5章：極紫外（EUV）與遠紅外（LWIR）係統設計 針對極端波段，本書討論瞭材料選擇的極端限製。在EUV部分，重點講解反射光學係統的設計，包括離軸三反射鏡（Three-Mirror Anastigmat, TMA）的優化流程，以及如何設計高精度多層膜以實現所需的反射率和帶寬。在LWIR部分，側重於熱管理和襯度分析，如何利用低膨脹材料並設計閤適的遮光罩（Baffles）來最小化係統自身的背景輻射。 第6章：雜散光控製與係統遮光設計 雜散光是決定高對比度係統（如天文望遠鏡或醫療內窺鏡）性能的關鍵瓶頸。本章係統地介紹瞭雜散光抑製的“三闆斧”： 1. 遮光罩（Baffle）的優化設計： 采用濛特卡洛光綫追蹤模擬，精確計算不同遮光罩陣列對特定入射角的抑製效率。 2. 錶麵處理技術： 深入分析瞭各種吸光塗層（如Vantablack類材料的替代品）的有效性和環境穩定性。 3. 像麵照度均勻性分析： 識彆並消除由元件邊緣反射或非均勻透射引起的“鬼影”現象。 --- 第三部分：從設計到製造的轉化：公差分析與係統集成 任何優秀的設計都必須能夠被實際製造齣來並穩定工作。本部分是本書的實踐核心。 第7章：統計學公差分析（Tolerancing）的現代方法 本書強調使用基於靈敏度分析的自適應公差分配，而非傳統的“一刀切”方法。詳細介紹瞭濛特卡洛模擬在確定關鍵元件（如麯率半徑、元件間距）的製造公差範圍時的具體應用步驟。我們提供瞭如何根據可製造性指數（Manufacturability Index, MI）來調整公差，平衡性能與製造成本的實用模型。 第8章：元件裝配與係統對準的誤差預算 本章專門處理裝配誤差。區分瞭形位公差（Geometric Tolerance）與光學公差（Optical Tolerance）的相互影響。重點講解瞭如何利用敏感度矩陣來指導光學裝配序列的製定。對於復雜的序列成像係統，介紹瞭三維公差分析（3D Tolerance Analysis）中如何考慮元件的傾斜（Tip/Tilt）和平移（Decenter），並設計高效的光學對準標定（Alignment Targets）流程。 第9章：係統集成與地麵測試驗證 在係統完成製造後，本章指導讀者如何進行全麵的性能驗證。詳細闡述瞭波前傳感器（Shack-Hartmann, Phase Retrieval）在實際係統中的應用，以及如何利用雙通道/多通道係統的波像差補償技術（如使用移相器或可重構自由麯麵）來彌補製造和裝配引入的誤差，最終實現係統性能的“收斂”。 --- 本書麵嚮對象： 光學工程、精密儀器、光電技術等領域的工程師、研發人員，以及希望深入掌握現代光學係統集成與製造優化的高級學生。本書旨在彌閤理論光學設計與工程實踐之間的鴻溝，提供一套可操作、高效率的設計與分析流程。

評分☆☆☆☆☆

讀這本書之前，我對光學領域的認識主要停留在成像原理，比如相機鏡頭是如何聚焦形成清晰圖像的。然而，“非成像光學”這個概念卻完全顛覆瞭我的固有認知，它似乎指嚮瞭另一個截然不同的方嚮。我很好奇，究竟什麼樣的光學係統不需要成像，但又具有重要的應用價值？這讓我聯想到許多生活中的場景，比如路燈的設計，如何讓光綫均勻地照亮地麵，而不是産生刺眼的眩光；又或者太陽能電池闆，如何最大限度地收集太陽光能量。這本書的名字讓我對這些問題的解決之道充滿瞭期待。我希望它能提供一些新穎的思路和方法，讓我能夠跳齣傳統的思維框架，去思考光綫在其他方麵的應用。也許，它能讓我瞭解到，光學不僅僅是為瞭“看見”，更是為瞭“影響”和“改變”。這本書的價值，我想就體現在它能否打破我們對光學領域的刻闆印象，展現其更廣闊、更具創造性的天地。

評分☆☆☆☆☆

我對書中“設計方法”這幾個字充滿瞭好奇，因為我一直認為，好的設計是藝術與科學的完美結閤。非成像光學，這個我之前接觸不多的領域，讓我覺得它充滿瞭未知與可能性。我猜想，這本書可能不僅僅是介紹一些光學原理，更重要的是它會分享一套係統性的設計思路和流程。我希望能夠從中學習到如何定義光學係統的目標，如何選擇閤適的光學元件，以及如何通過迭代優化來達到最佳的設計效果。書中是否會介紹一些常用的設計軟件和仿真工具，或者提供一些實用的設計技巧和經驗？我尤其期待“實例”部分，如果能看到一些實際的設計案例，從需求分析到最終實現，一步步地展示非成像光學係統的設計過程，那將是非常有價值的。這本書，我想，或許能教會我如何用更具創造性和係統性的方式去解決光綫設計的問題，從而在我的工作或學習中帶來新的啓發。

評分☆☆☆☆☆

我是一名對前沿科技充滿熱情的技術愛好者，經常會關注一些與日常生活息息相關的科技進步。最近，我對如何提升能源利用效率和改善生活照明質量這兩個話題産生瞭濃厚的興趣。非成像光學，這個聽起來有些“冷門”的領域，卻似乎與這兩個熱門話題有著韆絲萬縷的聯係。我猜想，這本書或許會介紹一些巧妙的光學設計，能夠讓太陽能收集裝置的光電轉化效率更高，或者讓LED照明設備的光綫分布更閤理，從而減少能源浪費，提升用戶體驗。我非常期待書中能夠分享一些具體的案例，比如在智能傢居、新能源汽車，甚至是醫療設備等領域的應用。如果這本書能讓我瞭解到，那些看似微不足道的“光”學設計，竟然能夠對我們生活的品質産生如此大的影響，那我將感到非常滿足。希望這本書的“實例”部分，能夠充分展現非成像光學技術的實用性和前瞻性。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計著實令人眼前一亮，那種深邃的藍色調，搭配上抽象的光綫圖形，瞬間就吸引瞭我的目光。我一直對物理學中的一些分支領域抱有濃厚的興趣，特彆是那些能夠將理論知識轉化為實際應用的學科。非成像光學，這個名字本身就帶著一種神秘而又充滿挑戰的意味，讓我對它所能揭示的世界充滿瞭好奇。拿到這本書後，我迫不及待地翻閱起來，希望能在其中找到關於如何設計齣高效、巧妙的光學係統的綫索。我期待它能帶領我進入一個全新的領域，瞭解那些我們肉眼看不見，但卻深刻影響著我們生活的“光”的奧秘。書中的插圖和圖錶，希望也能如同封麵一般，簡潔而又信息量豐富，能夠直觀地解釋那些抽象的概念。作為一個普通讀者，我希望這本書能夠深入淺齣，用通俗易懂的語言來闡述復雜的原理，而不是讓我望而卻步。畢竟，科學的魅力在於其普適性，能夠被更多人理解和欣賞。

評分☆☆☆☆☆

作為一個有一定光學基礎的在校學生，我對“非成像光學”這個概念的齣現感到非常興奮。成像光學是光學課程的基礎，但往往局限於如何清晰地再現物體，對於其他的光綫操控和能量轉化方麵，我們接觸得相對較少。而“非成像光學”這個術語，讓我聯想到瞭很多與我目前學習內容不同，但同樣具有重要研究價值的方嚮。我好奇這本書是否會深入探討一些更高級的光學理論，例如光度的概念、輻射傳輸方程的應用，以及如何通過特定的光學元件（如自由麯麵透鏡、漫射闆等）來實現復雜的光綫控製。我希望這本書能提供一些關於設計流程和仿真工具的指導，幫助我理解如何將理論轉化為實際的設計方案。同時，我對書中可能提及的優化算法和評價指標也充滿興趣，這對於我未來在光學設計領域的深入研究將大有裨益。

評分☆☆☆☆☆

參考書，寫得較淺。

評分☆☆☆☆☆

非常好，很滿意的一次網購！

評分☆☆☆☆☆

專業書籍,看得不是很懂,想學點入門知識,有點單薄

評分☆☆☆☆☆

專業書籍,看得不是很懂,想學點入門知識,有點單薄

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此用戶未填寫評價內容

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此用戶未及時填寫評價內容，係統默認好評！

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專業書籍,看得不是很懂,想學點入門知識,有點單薄

評分☆☆☆☆☆

書挺好的，快遞也快，包裝也很好！