21世纪的光学不仅成为信息科学中的信息载体和主角之一，而且融合了微电子、自动化、计算机和信息管理等技术，形成了光机电一体化的综合性高新技术。本书系统阐述了光学设计理论以及光学部件和系统的设计方法，并给出了大量的设计实例。全书共分4部分10章，内容包括：光学设计概述，初级像差理论、像差校正与像质评价，代数法求解光学部件初始结构，典型光学部件设计，典型光学系统设计，变焦距（变倍）光学系统设计，激光光学系统设计，光纤光学系统设计，光学设计CAD软件应用基础，以及光学零件与光学制图。在第3版中，嵌入了作者近几年最新科研成果的设计实例，删除了一些不太常用的光学设计内容，并采用了最新版光学设计软件。

序 　　随着人类进入21世纪，光电信息产业和机械制造产业得到了迅猛的发展。在这两种产业和相关行业中，工程光学占据了十分重要的地位。工程光学设计的理论与方法已成为相关科技工作者知识结构中的重要组成部分。 　　在本书中，作者根据自己多年从事工程光学设计的经验与体会，阐述了工程光学设计者必备的像差理论、各种类型光学系统的设计方法、评价标准，给出了大量的设计实例，其中大部分实例出自作者的科研成果与实践，体现了作者的探索与创新。本书融科学性、实用性和可操作性为一体，特别推介了国外著名通用工程光学设计软件OSLO LT54（教学版）（本书第2版和第3版中已更新为OSLO LT6.1——编辑注），介绍了该软件的使用方法，这些都给读者的学习创造了有利的条件。可以相信，本书的出版，一定会使光学专业和非光学专业从事相关工作的科技工作者、工程技术人员得到益处，并以他们的创造性劳动推动我国光学事业和产业的发展。 　　近20年来，作者多次来清华大学和北京理工大学进行进修或合作，他勤奋好学、尊师敬业，给清华大学精仪系、继续教育学院和北京理工大学留下了深刻的印象。 　　特祝贺本书的出版，是以为序。 　　 　　 　　 中国工程院院士 　　 世界光学委员会（ICO）副主席 　　 清华大学机械工程学院教授 　　 2002年12月 　　 第3版前言 　　 　　去年底，出版社告知我《工程光学设计》第2版已无存书，希望再版，以适应读者（特别是高校师生）的需求；鉴于作者近年仍然活跃在光学工程教学科研的第一线，有不少成果值得总结并介绍给读者，促成了再次改版之举。 　　《工程光学设计》第3版除保留第2版主要内容之外，有不少增删的地方，主要有： 　　1. 整合并扩充第2版2.8节和2.9节内容，改为第3版2.8节“光学系统像质评价”。 　　2. 在第3章增加两小节，即“3.2.2 单片透镜初始结构的简易设计”和“3.3.3 基于Shannon法的双胶合透镜的设计计算”。 　　3. 结合近年来的科研成果，对第4章和第5章做了较大的拓展： 　　（1）基于作者在新型平场复消色差显微物镜的创新成果，撰写了“4.2.7 复消色差光路追迹机理及平场复消色差物镜设计”和“4.2.8 平场半复消色差物镜设计”两小节。热切希望广大读者，特别是企业界的工程技术人员学习、消化和运用它，而后再创新；让“中国创造”的高性能显微物镜能立于世界之林！ 　　（2）近年来，CCD（含CMOS）图像传感器越来越多地进入我们的生产和生活。作者有幸从事过方方面面的CCD图像传感器镜头的设计、制造和应用，积累了不少经验，其中有些是基于传统结构的创新；这在新增的三节“4.6 CCD图像传感器成像物镜设计”、“5.6 机器视觉图像采集系统设计”和“5.7 二次平行光路望远光电成像系统的设计”中有所体现。 　　（3）远心物镜是计量检测必不可少的装备，而远心光路设计资料鲜见于文献。为此，作者创新性地把一维优化技术用于远心物镜的简易设计中。相关内容见“4.7 远心物镜设计”，并给出设计实例。 　　4. 增加大变倍比连续变倍显微物镜的设计实例（见6.3.5节）。 　　5. 删去第2版中不合时宜和使用相对狭窄领域的内容。主要有4.4.4节“新型三片式照相物镜设计”和8.4节“光天线-光纤耦合系统设计”。改版时还对第2版个别小节做了顺序变动，在此不一一列举。 　　此外，本书所涉及的各种概念、术语、定义符号等均依据当今执行的国家、行业等有关标准，体现了改版与时俱进的时效性特点。同时，为便于教学之需，第3版制作了电子教学课件（PPT文档），任课教师在提供有关信息后可向本书作者（13117731868@163.com）或责任编辑（zhangls@phei.com.cn）索取。 　　本书第2版出版后，获得2006—2008年广西高校优秀教材二等奖，这次第3版（选题）又被电子工业出版社列为“十二五”规划教材。这些体现了读者、教育行政管理部门和出版社对拙作的厚爱，同时鞭策作者精益求精，做好改版工作。 　　在本书第3版即将出版之际，我特别怀念我的恩师、我国著名工程光学专家、清华大学教授王民强先生，可以说，没有他的鼓励与支持就没有拙作的出版。尽管他辞世已3年余，但改版中的新型平场复消色差显微物镜设计部分仍然流淌着他生前的心血。 　　博士后高兴宇，硕士生蔡琳、李明枫、刘照军、华江、曾赤良、陈纲为资料收集、插图制作和书稿录入做了大量工作，特此致谢。 　　第3版力求传承第2版之长，改第2版之不足；在改版过程中，作者对一些印刷和书写方面的错漏地方做了勘误与更正。尽管如此，由于作者水平有限，书中缺点、错误仍在所难免，恳请新老读者批评指正。 　　联系方式： 13117731868@163.com；gild@guet.edu.cn 　　 　　 萧泽新 　　 于桂林电子科技大学 　　 2014年1月 第2版前言 　　 　　《工程光学设计》出版至今已4年多了，成书后收到不少企业界、学术界、高校师生读者来信，也经常看到专业网站网友们的评论，加上自己为研究生、本科生授课的使用实践……正是这些关于拙作方方面面的事情转化为改版的动力，并促成今日改版之举。 　　第2版除保留初版主要内容之外，在下述方面有所变动： 　　1．原“第9章 光学设计CAD软件应用基础”，使用的光学设计软件为OSLO LT54（教学版），不少读者批评说版本低。第2版第9章名称不变，使用光学设计软件为OSLO LT6.1（教学版，能在网上下载）。通过学习第9章，给学习和使用目前国内外流行的光学设计软件OSLO 6.1～6.3版本打下坚实的基础。 　　2．鉴于近年来一些工业用的光电仪器有很大的需求，如体视显微镜需求猛增，投影仪市场也日渐见旺，为此第2版增加了连续变倍体视显微物镜设计、投影仪物镜设计、松纳型照相机标准镜头设计等方面的内容，均给出设计实例。 　　3．把作者近3年来取得的部分科研成果充实到各相应的章节之中，主要有：①环形透镜暗场落射照明系统设计；②眼底电视光学系统设计；③基于窄带滤波片的生化分析仪光学系统设计等。 　　4．原版中删去的内容主要有“§5.5 特殊照明系统设计”（含§5.5.1和§5.5.2）、“§6.3.3 变倍目镜设计”和“§6.3.4 设计实例”等4小节的内容。此外，还对第4～6章中个别小节的顺序作了调整。 　　特别感谢我的老师、我国著名工程光学专家、清华大学教授王民强对本书改版的鼓励与支持。博士生高兴宇，硕士生贾晓艳、孙政为资料收集、插图制作和书稿录入做了大量的工作，特此致谢！ 　　正值改版之际，作者力求传承初版之长、改初版之不足，顺便修正初版中的文字、图表录入错误，以不负读者之厚望。尽管如此，由于作者水平有限，书中缺点、错误难免，恳请新老读者批评指正。 　　E-mail: gjd@guet.edu.cn 　　 作 者 　　 于桂林电子科技大学 　　 2007年8月 第1版前言 　　现代科技的发展，使古老的光学在20世纪末焕发出青春。沐浴着21世纪的曙光，光学不仅成为信息科学中的信息载体和主角之一，而且融合了微电子、自动化、计算机和信息管理等技术，形成了光机电一体化的综合性高新技术。光机电一体化已开始成为现代制造业的基础和核心，是当今信息业与制造业的最佳结合点和发展方向。发展以光机电一体化为基础的现代制造业将对经济的发展产生巨大的支持、拉动和提升作用。 　　光学科技和光机电一体化高新技术产业的发展呼唤着大量高素质的复合型人才。培养人才，高校是主要渠道；但不能忽视有志于此道的机电工程师、研究人员甚至理工类大学生、研究生通过自学成为行家里手。本书试图兼顾这两大类的读者群。 　　本书是在光通信、光机电一体化硕士研究生校内用教材的基础上增订而成的，共分4部分（10章）：第1部分光学设计基础；第2部分光学部件和系统设计；第3部分现代光学系统设计；第4部分光学设计实务。本书力求理论联系实际，融科学性、实用性和可操作性于一体，且便于自学。通过本书学习，使具有一定的应用光学知识的读者，在较短的时间内学到光学设计理论，掌握一定的设计方法，借助光学设计CAD软件能完成大多数典型光学部件和系统的设计工作。 　　光学设计的理论并非高不可攀，关键在于入门并在设计中将理论与实践相结合，不断地积累经验，提高是指日可待的。学物理的作者有在光学仪器企业从事技术工作的经历，由此打下了光学设计初步基础；更重要的是作者于20世纪80年代起在清华大学进修、当访问学者期间直到今天，一直有幸得到我国著名工程光学专家王民强教授的谆谆教诲，本书不少资料源于王教授的馈赠。在光学设计方面安连生教授、方仲彦教授曾给予帮助，在此一并致谢！ 　　本书由北京理工大学安连生教授主审。 　　特别感谢中国工程院院士、世界光学委员会（ICO）副主席、清华大学机械工程学院原院长金国藩教授为本书作序。 　　唐焱、张应红老师以及卞飞、李凡、邓仕超、王昆、聂琨、吴文兵、杨帆和萧华鹏等同学为资料翻译、插图制作和书稿录入做了大量的工作，特此致谢。 　　由于作者水平有限，光学设计实践面尚不广，书中缺点、错误难免，恳请批评指正。 　　电子邮件：XZXin@sohu.com 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　作 者 　　 2002年11月于桂林电子工业学院

目 录 第1部分 光学系统设计基础 第1章 光学设计概述 （2） 　　1.1 现代光学仪器对光学系统设计的要求 （2） 1.1.1 仪器对光学系统性能与质量的要求 （2） 1.1.2 光学系统对使用要求的满足程度 （2） 1.1.3 光学系统设计的经济性 （3） 　　1.2 光学系统设计概述 （4） 1.2.1 光学系统设计的一般过程和步骤 （4） 1.2.2 光学系统总体设计 （4） 1.2.3 光学系统的具体设计 （4） 第2章 初级像差理论、像差校正与像质评价 （7） 　　2.1 概述 （7） 　　2.2 几何像差 （7） 2.2.1 球差（spherical aberration） （7） 2.2.2 彗差（coma;comatic aberration） （9） 2.2.3 像散与像场弯曲 （10） 2.2.4 畸变（distortion） （12） 2.2.5 色差（chromatic aberration） （14） 　　2.3 薄透镜的初级像差理论 （16） 2.3.1 薄透镜的初级像差普遍公式 （16） 2.3.2 由薄透镜初级像差普遍公式引出的重要结论 （17） 2.3.3 规化条件下的双胶合透镜组的色差 （19） 　　2.4 反射光学系统和平面光学系统的像差理论 （19） 2.4.1 平面反射镜的像差 （19） 2.4.2 球面反射镜的像差 （20） 2.4.3 棱镜或平面平行板的像差 （21） 2.4.4 场镜的像差 （23） 　　2.5 厚透镜初级像差 （24） 2.5.1 厚透镜焦距的求法 （24） 2.5.2 利用弯月形厚透镜消场曲SⅣ （24） 2.5.3 分析消场曲的弯月形厚透镜的其余像差SI、SII、SIII、S1C （26） 2.5.4 远双分离正负薄透镜组消场曲 （26） 2.5.5 用同心不晕弯月形厚透镜消除球差、彗差及场曲 （27） 2.5.6 用弯月形厚透镜消除轴上点色差 （27） 2.5.7 鼓形透镜（双凸厚透镜） （27） 　　2.6 全对称光学部件的像差 （29） 　　2.7 像差校正和平衡方法 （31） 2.7.1 引言 （31） 2.7.2 像差校正方法 （31） 2.7.3 像差校正的一些设计技巧 （32） 　　2.8 光学系统像质评价 （33） 2.8.1 几何像差公差——像差容限 （34） 2.8.2 波像差、瑞利准则和中心亮斑所占能量 （35） 2.8.3 点列图和能量集中度评价 （36） 2.8.4 分辨率检验和星点检验 （37） 2.8.5 光学传递函数 （39） 第2部分 光学部件与系统设计 第3章 代数法求解光学部件初始结构 （46） 　　3.1 概述 （46） 　　3.2 单片薄透镜初始结构的设计和计算 （46） 3.2.1 基于PW法的单片透镜的结构设计和计算 （46） 3.2.2 单片透镜初始结构的简易设计 （51） 　　3.3 双胶薄透镜初始结构的设计和计算 （52） 3.3.1 双胶薄透镜物在无限远时的P∞、W∞与结构参数的关系 （52） 3.3.2 对P∞、W∞基本关系的分析 （53） 3.3.3 基于Shannon法的双胶合透镜的设计和计算 （58） 　　3.4 两组双胶物镜初始结构的设计 （62） 3.4.1 选型 （62） 3.4.2 方案选择 （62） 　　3.5 小气隙双分透镜 （63） 3.5.1 双胶合组变小气隙双分透镜的目的 （63） 3.5.2 小气隙双分透镜能减小高级球差 （63） 　　3.6 齐明弯月形透镜结构参数求解 （64） 3.6.1 显微物镜齐明弯月前组 （64） 3.6.2 聚透镜第一片齐明透镜 （66） 3.6.3 设计实例：同心不晕透镜初始结构的设计计算 （66） 第4章 典型光学部件设计 （68） 　　4.1 望远物镜设计 （68） 4.1.1 望远物镜光学特性与结构类型 （68） 　　4.1.2 双胶合、双分离物镜设计 （70） 4.1.3 摄远物镜设计 （72） 　　4.2 显微物镜设计 （74） 4.2.1 显微物镜概述 （74） 4.2.2 显微物镜的光学特性 （74） 4.2.3 显微物镜结构的基本类型 （77） 4.2.4 设计显微物镜时应校正的像差 （80） 4.2.5 消色差显微物镜设计 （81） 4.2.6 长工作距离平场显微物镜设计 （82） 4.2.7 复消色差光路追迹机理与平场复消色差显微物镜设计 （86） 4.2.8 平场半复消色差显微物镜设计 （95） 　　4.3 目镜设计 （102） 4.3.1 目镜的光学特性与结构类型 （102） 4.3.2 目镜设计要点 （104） 4.3.3 普通目镜设计 （105） 4.3.4 借助价值工程（VE）优化广角目镜设计 （108） 4.3.5 显微摄影光学系统及摄影目镜设计 （109） 　　4.4 照相物镜设计 （113） 4.4.1 照相物镜的光学特性和结构形式 （113） 4.4.2 照相物镜设计的一般方法 （120） 4.4.3 照相机标准镜头设计 （121） 　　4.5 投影物镜设计 （124） 4.5.1 投影物镜光学特性 （124） 4.5.2 投影物镜结构形式以及对像质的要求 （125） 4.5.3 投影仪物镜设计 （126） 4.5.4 电影放映物镜设计 （128） 　　4.6 CCD图像传感器成像物镜设计 （129） 4.6.1 CCD成像物镜的光学性能和设计要点 （129） 4.6.2 显微电视CCD摄录接口的设计 （130） 4.6.3 高清CCTV成像物镜设计 （131） 　　4.7 远心物镜设计 （139） 4.7.1 远心光学系统概述 （139） 4.7.2 远心物镜的简易设计——光阑位置的一维优化 （140） 4.7.3 设计实例：生物显微镜多功能光电质检仪远心物镜设计 （142） 第5章 典型光学系统设计 （146） 　　5.1 概述 （146） 　　5.2 普通生物显微镜成像光学系统设计 （146） 5.2.1 显微镜成像简述 （146） 5.2.2 显微光学系统的设计方法和要求 （147） 5.2.3 显微光学系统设计的标准化 （147） 5.2.4 显微光学系统设计要点 （148） 5.2.5 设计实例：设计?max?1 600×生物显微镜光学系统 （149） 　　5.3 无限远像距光学系统设计 （156） 5.3.1 概述 （156） 5.3.2 无限远像距光学系统设计要点 （158） 5.3.3 设计实例：设计?max?320×特种显微镜无限远像距光学系统 （160） 　　5.4 照明光学系统设计 （162） 5.4.1 概述 （162） 5.4.2 照明系统及其分类 （164） 5.4.3 照明系统外形尺寸计算 （167） 5.4.4 聚光镜光学设计 （169） 5.4.5 环形透镜暗场落射照明系统设计 （174） 5.4.6 照明系统设计中的几个问题 （178） 　　5.5 医用光学仪器光学系统设计 （183） 5.5.1 眼底电视光学系统设计 （183） 5.5.2 基于窄带滤光片的生化分析仪光学系统设计 （187） 　　5.6 机器视觉图像采集系统设计 （192） 5.6.1 机器视觉系统概述 （192） 5.6.2 机器视觉光电检测原理及光学系统初步设计 （193） 5.6.3 设计实例：大视场高分辨率机器视觉摄录物镜的设计 （195） 　　5.7 二次平行光路望远光电成像系统的设计 （199） 5.7.1 望远二次平行光路系统光学原理 （199） 5.7.2 设计实例：标清望远光电成像系统设计 （202） 第6章 变焦距（变倍）光学系统设计 （205） 　　6.1 变焦距（变倍）光学系统原理 （205） 　　6.2 变焦距物镜 （206） 　　6.3 连续变倍显微光学系统设计 （208） 6.3.1 连续变倍显微光学系统的类型 （208） 6.3.2 典型的连续变倍显微镜 （209） 6.3.3 连续变倍体视显微物镜的设计 （211） 6.3.4 设计实例：连续变倍体视显微镜光学系统的设计 （214） 6.3.5　设计实例：0.47×～4.7×大变倍比连续变倍显微物镜的设计 （217） 第3部分 现代光学系统设计 第7章 激光光学系统设计 （222） 　　7.1 激光光学系统设计基础 （222） 7.1.1 概述 （222） 7.1.2 设计基础知识 （222） 7.1.3 激光光学系统的外形尺寸计算 （225） 7.1.4 通光孔径的选择 （226） 7.1.5 聚焦高斯光束的焦点位移 （228） 7.1.6 设计注意事项 （229） 　　7.2 高斯光束会聚系统设计 （229） 7.2.1 激光聚光光学系统设计思想与实例 （229） 7.2.2 李斯特显微物镜激光会聚系统 （230） 　　7.3 高斯光束准直扩束系统设计 （231） 7.3.1 激光准直扩束系统设计 （231） 7.3.2 半导体激光器准直系统设计 （234） 第8章 光纤光学系统设计 （236） 　　8.1 半导体激光器与光纤直接耦合设计 （236） 8.1.1 概述 （236） 8.1.2 直接耦合光纤端面结构形式及其效率 （237） 8.1.3 尖锥端光纤耦合理论模型 （238） 　　8.2 微光学元件扩束耦合系统设计 （240） 　　8.3 光纤-透镜耦合激光会聚系统设计 （245） 　　8.4 光天线-光纤耦合系统设计 （247） 8.4.1 自由空间光通信接收系统前端概述 （247） 8.4.2 对光天线设计的要求与设计理念 （247） 8.4.3 光天线设计 （248） 8.4.4 设计实例 （251） 第4部分 光学设计实务 第9章 光学设计CAD软件应用基础 （254） 　　9.1 国内外光学CAD软件概述 （254） 9.1.1 光学设计CAD软件的发展历史 （254） 9.1.2 几种有代表性的光学CAD软件简介 （254） 　　9.2 OSLO简介 （255） 9.2.1 OSLO的版本 （255） 9.2.2 OSLO的基本概念 （256） 　　9.3 OSLO LT6.1用户界面 （256） 9.3.1 主窗口 （257） 9.3.2 工具条 （257） 9.3.3 面数据编辑表 （259） 9.3.4 图形窗口 （263） 9.3.5 文本窗口 （264） 9.3.6 文件（File）菜单 （265） 9.3.7 透镜（Lens）菜单 （266） 9.3.8 评价（Evaluate）菜单 （267） 9.3.9 优化（Optimize）菜单 （268） 9.3.10 公差（Tolerance）菜单 （268） 9.3.11 光源（Source）菜单 （268） 9.3.12 工具（Tools）菜单 （269） 9.3.13 窗口（Window）菜单 （270） 9.3.14 帮助（Help）菜单 （270） 　　9.4 OSLO LT6.1基本操作 （270） 9.4.1 OSLO的参数输入操作规定 （271） 9.4.2 建立无限远共轭距镜头文件 （271） 9.4.3 建立有限远共轭距透镜文件 （274） 9.4.4 像质评价 （275） 9.4.5 优化 （277） 　　9.5 OSLO LT6.1应用实例 （280） 9.5.1 25×消色差显微物镜设计 （280） 9.5.2 15×广角目镜设计 （281） 9.5.3 松纳型照相物镜设计 （283） 9.5.4 5×激光扩束准直镜设计 （284） 第10章 光学零件与光学制图 （285） 　　10.1 光学材料 （285） 10.1.1 光学材料简介 （285） 10.1.2 光学玻璃 （285） 10.1.3 激光技术用的光学材料 （286） 10.1.4 红外、紫外光学材料 （288） 10.1.5 光学薄膜 （290） 10.1.6 光学塑料 （290） 　　10.2 光学制图（GB 13323－91）标准的主要内容 （292） 10.2.1 一般规定 （292） 10.2.2 图样要求 （294） 　　10.3 对光学零件材料的要求 （300） 　　10.4 对光学零件的加工要求 （301） 10.4.1 光学零件的表面误差 （301） 10.4.2 光学零件外径及配合公差的给定 （303） 10.4.3 光学零件的中心厚度及边缘最小厚度 （304） 10.4.4 光学零件的厚度公差 （304） 10.4.5 光学零件的倒角（GB 1204－75） （305） 10.4.6 透镜中心误差（GB7242－87） （306） 10.4.7 光楔 （306） 10.4.8 光学零件镀膜分类、符号及标注（JB/T 6179－92） （307） 附录A 无色光学玻璃（GB 903—87） （308） 附录B 中、德玻璃牌号对照表 （311） 附录C 单薄透镜参数表 （314） 附录D 冕牌透镜在前的玻璃组合 （316） 附录E 火石透镜在前的玻璃组合 （317） 附录F 双胶合透镜P0，Q0表 （318） 参考文献 （323）