非成像光學設計 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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張航，嚴金華 著

圖書標籤:

• 光學設計
• 非成像光學
• 光學工程
• 自由麯麵
• 光學係統
• 照明設計
• 衍射光學
• 光綫追跡
• 計算機光學
• 光學薄膜

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030488640

版次：1

商品編碼：11940203

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2016-06-01

用紙：膠版紙

頁數：186

字數：240000

正文語種：中文

內容簡介

　　《非成像光學設計》較為係統地介紹非成像光學理論與設計方法，共5章。第一章介紹幾何光學的基本理論，接著簡單介紹成像光學理論，然後介紹非成像光學的發展曆史、現狀、基本理論以及設計方法。第2章介紹構建光學錶麵所需的麯綫和麯麵理論，包括微分幾何的基礎理論及NURBS麯綫和麯麵構造方法。第3章介紹非成像光學的基本概念和基礎理論，主要包括光展、光展守恒原理、流綫、哈密頓光學和邊光原理等內容。第4章介紹較為傳統的非成像光學設計方法，包括CPC方法、菲涅爾透鏡、流矢法、同步多錶麵法等。第5章重點介紹基於自由麯麵的非成像光學設計法，主要包括Monge-Ampere方程法、網格映射麯麵構造法、二次麯麵包絡法和混閤方法等。
　　《非成像光學設計》可作為照明工程、光學工程和太陽能(光伏)等專業的光學設計課程的本科生或研究生教材，也可作為相關領域從事科研、工程設計的廣大科技工作者的參考書。

內頁插圖

目錄

前言
第1章 概論
1．1 幾何光學
1．1．1 基本原理
1．1．2 基本定律
1．1．3 光跡方程
1．1．4 成像光學
1．2 非成像光學
1．2．1 非成像光學的發展
1．2．2 非成像光學係統
1．2．3 非成像光學理論框架
1．2．4 非成像光學設計方法
1．3 數學工具與光學軟件

第2章 麯綫與麯麵的基本理論
2．1 麯綫
2．1．1 參數化麯綫
2．1．2 麯率與Frenet．標架
2．1．3 麯綫的撓率和Frenet公式
2．2 麯麵
2．2．1 參數化麯麵
2．2．2 切平麵、法矢量與自然標架
2．2．3 麯麵的基本形式
2．2．4 麯麵的麯率
2．2．5 麯麵論的基本方程
2．3 NURBS麯綫和麯麵
2．3．1 NURBS麯綫
2．3．2 NURBS麯麵

第3章 非成像光學理論基礎
3．1 光展理論
3．1．1 光展
3．1．2 光展守恒原理
3．1．3 光展的其他錶達
3．2 哈密頓光學
3．2．1 費馬原理
3．2．2 一般情形的拉格朗日量和哈密頓量
3．2．3 幾何光學的拉格朗日量和哈密頓量
3．2．4 哈密頓量的另一種形式
3．2．5 哈密頓方程的坐標係變換
3．3 邊光原理
3．3．1 邊光定義
3．3．2 邊光原理
3．3．3 兩個例子

第4章 非成像光學設計方法
4．1 CPC設計
4．1．1 簡介
4．1．2 集光率
4．1．3 最大集光能力
4．2 菲涅爾配光設計
4．2．1 菲涅爾透鏡簡介
4．2．2 幾何光學原理
4．2．3 菲涅爾透鏡設計
4．2．4 菲涅爾透鏡陣列的設計
4．3 流矢設計方法
4．3．1 簡介
4．3．2 流矢的定義
4．3．3 基於邊緣光綫的流矢計算
4．3．4 流矢和光展
4．3．5 圓盤狀光源的流矢
4．3．6 集光器的流矢設計方法
4．4 同步多錶麵設計法
4．4．1 SMS簡介
4．4．2 SMS光學結構
4．4．3 LED準直器設計
4．4．4 SMS設計方法

第5章 基於自由麯麵的配光設計方法
5．1 簡介
5．1．1 問題解析
5．1．2 背景應用
5．1．3 現有基礎
5．1．4 本章安排
5．2 Monge-Ampere方程自由麯麵設計方法
5．2．1 Monge-Ampere方程數學推導
5．2．2 設計案例
5．3 網格映射麯麵構造法
5．3．1 ODE方法及其優化方法
5．3．2 PDE方法
5．3．3 配焦橢流綫法與優化
5．3．4 配焦橢流麵法與優化
5．4 二次麯麵包絡法
5．4．1 SP方法
5．4．2 SE方法
5．4．3 SO方法
5．4．4 案例實現
5．5 混閤設計方法
5．5．1 思路與方法
5．5．2 兩個案例
參考文獻

前言/序言

《光影的奧秘：可見光成像與視覺藝術的科學基礎》 一、 引言：窺探物質世界的視覺之窗 人類感知世界，約有八成信息源自視覺。我們得以欣賞落日餘暉的絢爛，分辨花草樹木的紋理，理解文字符號的含義，甚至捕捉轉瞬即逝的運動軌跡，這一切都離不開“成像”這一奇妙的光學過程。從最簡單的針孔相機到復雜的顯微鏡、望遠鏡，再到我們賴以生存的眼睛本身，成像光學的設計與應用，無時無刻不在重塑我們對世界的認知，構建著我們所見所感的現實。 本書《光影的奧秘：可見光成像與視覺藝術的科學基礎》並非聚焦於光綫如何被“捕獲”後形成特定圖像，也非探討如何通過反射、摺射等手段使光綫避開目標物體，而是深入探索光綫如何被引導、塑造，最終在特定區域匯聚或形成特定空間分布，從而實現對外界環境信息的“捕捉”與“識彆”。我們將一同踏上一段揭示光綫傳播本質，理解成像係統構造原理，並將其巧妙應用於現實世界的旅程。本書旨在為讀者提供一個堅實的理論框架，理解從基礎光學定律到復雜成像係統的演進，並體會光學設計在提升視覺質量、拓展感知邊界方麵所扮演的關鍵角色。 二、 第一篇：光綫的語言——基礎光學原理的精細描摹 在理解復雜的成像係統之前，我們必須先掌握構成這一切的基礎——光綫及其傳播的規律。本篇將如同雕塑傢對待璞玉一般，細緻地打磨讀者對以下核心概念的理解： 1. 光的本質與傳播：波動與粒子的雙重奏 我們將從光的粒子性和波動性這一核心概念入手。深入剖析光子模型如何解釋光電效應等現象，同時闡述光的衍射、乾涉等波動特性。理解這兩者的融閤，是理解光綫如何在介質中傳播，如何與物質發生相互作用的基礎。我們將通過經典的楊氏雙縫乾涉實驗、菲涅爾衍射等案例，直觀地展現光的波動本質，以及這些特性在成像過程中如何影響圖像的清晰度和細節。 2. 反射與摺射：光綫的幾何軌跡 反射定律和摺射定律是成像光學設計中最基礎也最核心的幾何光學原理。我們將詳細解析光綫在不同介質界麵發生反射和摺射時的路徑變化，並引入摺射率的概念，解釋光綫在不同介質中傳播速度的差異如何導緻其方嚮的偏摺。我們將通過平麵鏡、球麵鏡（凹麵鏡、凸麵鏡）的成像原理，闡述反射成像的基本模型。隨後，重點講解透鏡（凸透鏡、凹透鏡）的成像規律，包括焦距、物距、像距之間的關係，以及如何利用透鏡組閤實現放大、縮小、成像等多種功能。我們將深入分析像的虛實、正倒、大小等性質，為後續理解復雜成像係統奠定堅實的幾何基礎。 3. 色散與色差：色彩的由來與挑戰 自然界的多彩世界離不開光的色散現象。我們將解析白光經過三棱鏡時為何會分解成七色光，介紹不同顔色的光具有不同波長，以及在介質中傳播速度的差異。在此基礎上，我們將深入探討色差問題。無論是反射還是摺射，不同波長的光綫在同一介質中摺射（或反射）的角度略有不同，這會導緻同一物點産生的彩色像不能精確地匯聚於一點，從而在圖像中産生彩色的邊緣模糊。我們將區分軸上色差和軸外色差，並初步介紹校正色差的策略，例如使用不同材料製成的復閤透鏡。 4. 衍射與乾涉：超越幾何光學的限製 當光綫遇到障礙物或通過狹縫時，會錶現齣衍射現象，即光綫會彎麯並傳播到幾何光學的陰影區域。當我們研究成像係統的分辨率時，衍射效應就變得尤為重要。瑞利判據（Rayleigh Criterion）將作為核心內容，解釋兩個靠近的點光源成像時，由於衍射導緻的衍射斑，何時會被視為可分辨的。我們將通過夫琅禾費衍射的例子，說明孔徑大小、光波長對衍射圖像的影響。乾涉現象則是在特定條件下，兩束或多束光綫疊加後，能量重新分布的現象。雖然在直接成像過程中，由人眼感知的乾涉不那麼顯而易見，但理解乾涉原理對於理解一些高級光學元件（如光柵、相控陣列）以及某些成像技術（如全息術）至關重要。 三、 第二篇：成像係統的構建——透鏡與反射鏡的藝術 掌握瞭基礎的光學原理，我們便可以開始著手構建具體的成像係統。本篇將聚焦於實現成像的各類光學元件及其組閤，揭示它們在塑造光綫、形成圖像過程中的關鍵作用。 1. 單一透鏡成像：從放大鏡到投影儀 我們將從最簡單的成像元件——單一透鏡開始。分析凸透鏡作為放大鏡，如何放大近距離物體的虛像，以及其適用範圍。進而探討凸透鏡作為成像透鏡，在不同物距下形成的實像與虛像的性質，如照相機鏡頭、顯微鏡物鏡等。同時，我們也會分析凹透鏡的成像特性，其主要作用是發散光綫，常與其他透鏡組閤使用以校正像差或改變焦距。我們將深入理解焦距、光圈、景深等概念，這些都是評價和設計單一透鏡成像係統性能的關鍵參數。 2. 透鏡組與消像差設計：追求完美視界 現實中的成像係統往往需要由多個透鏡組閤而成，以實現更復雜的功能，例如高倍率放大、寬視場成像，以及最重要的——校正像差。我們將詳細介紹常見的透鏡組閤，如顯微鏡的目鏡和物鏡組閤，望遠鏡的伽利略式和開普勒式，以及照相機鏡頭中的各種復消色差、大口徑鏡頭設計。重點將放在“消像差”的設計哲學上。我們將係統地講解常見的幾種像差，包括： 球差 (Spherical Aberration): 不同孔徑處的光綫聚焦位置不同，導緻圖像邊緣模糊。 彗差 (Coma Aberration): 軸外點成像時，像成彗星狀拖尾。 像散 (Astigmatism): 不同方嚮的光綫聚焦於不同位置，導緻水平和垂直方嚮的圖像不清晰。 場麯 (Field Curvature): 像麵不是平麵，導緻圖像中心和邊緣的清晰度不同。 畸變 (Distortion): 圖像的幾何形狀發生變化，如桶形畸變和枕形畸變。 我們將介紹利用不同麯率、不同材料（摺射率和阿貝數不同）的透鏡組閤，如何巧妙地補償這些像差，從而獲得更高質量、更逼真的成像效果。 3. 反射式成像係統：巨型望遠鏡的星辰之眼 除瞭透鏡，反射鏡也是重要的成像元件。我們將重點介紹反射式成像係統，特彆是牛頓式和卡塞格林式望遠鏡。分析主反射鏡和副反射鏡的作用，以及它們如何將遠方的星光匯聚。我們將探討反射式係統的優勢，例如消除瞭摺射式係統常見的色差問題，以及能夠製造更大口徑的反射鏡，從而提高集光能力和分辨率。巨型天文望遠鏡的設計，正是充分利用瞭反射光學原理的巨大潛力。 4. 雜散光與濾光：純淨圖像的守護者 在成像過程中，除瞭目標光綫，還會存在各種非目標光綫，它們可能來自鏡麵反射、透鏡錶麵反射、元件內部散射等，這些被稱為雜散光。雜散光會降低圖像的對比度和信噪比，使圖像模糊不清。我們將探討雜散光的來源，並介紹在光學設計中抑製雜散光的方法，例如增加遮光罩、使用絨麵、優化元件錶麵鍍膜等。此外，濾光技術也是成像係統中不可或缺的一環。我們將介紹不同類型的濾光片（如窄帶濾光片、長通濾光片、短通濾光片）如何選擇性地允許特定波長的光通過，從而在科學觀測、醫療成像等領域實現對特定信息的增強和提取。 四、 第三篇：成像的應用與展望——光影塑造的現實世界 成像光學的設計並非僅僅是理論的堆砌，而是為瞭服務於人類更廣泛的認知與應用。本篇將帶領讀者領略成像光學在各個領域的實際應用，並展望其未來的發展趨勢。 1. 視覺藝術與攝影：定格瞬間，記錄永恒 從藝術傢手中的畫筆到攝影師的鏡頭，成像光學是視覺藝術創作的基石。我們將探討相機鏡頭的設計如何影響照片的視角、景深、透視感，以及如何通過選擇不同的鏡頭（廣角、長焦、微距）來錶達不同的藝術構圖和情感。我們將分析人眼的光學成像原理，以及為何我們能感知到豐富多彩的視覺世界。理解成像光學，有助於我們更深刻地理解攝影作品的魅力，以及如何更好地運用光綫和鏡頭來錶達自己的想法。 2. 科學探索的利器：顯微與遙感 成像光學在科學研究中扮演著至關重要的角色。顯微鏡將微觀世界的細節展現在我們眼前，讓我們得以窺探細胞的結構、物質的分子排列。我們將介紹不同類型的顯微鏡（光學顯微鏡、共聚焦顯微鏡）的成像原理，以及它們在生物學、材料科學等領域的重要貢獻。望遠鏡則將遙遠的星係、行星拉近，拓展瞭我們對宇宙的認知邊界。遙感技術則通過成像係統從高處（如衛星、飛機）獲取地錶信息，在環境監測、資源勘探、災害預警等方麵發揮著不可替代的作用。 3. 醫療診斷與工業檢測：精準丈量，守護健康 在醫療領域，成像技術是疾病診斷的重要手段。X射綫成像、CT掃描、核磁共振成像（MRI）、內窺鏡檢查等，都離不開精密的光學或電磁學成像設計。我們將簡要介紹這些技術的成像原理，以及它們如何幫助醫生早期發現和診斷疾病。在工業生産中，成像技術被廣泛應用於産品質量檢測、自動化生産綫上的視覺識彆等。機器視覺係統能夠高速、準確地檢測産品缺陷，提高生産效率和産品質量。 4. 未來發展趨勢：從可見光到多光譜，從二維到三維 隨著科技的不斷進步，成像光學正朝著更廣闊的領域拓展。我們將展望未來的發展趨勢，例如： 多光譜與高光譜成像： 突破可見光限製，捕捉物體在不同波段（如紅外、紫外）的光譜信息，實現更精細的物質識彆與分析。 三維成像技術： 立體成像、全息成像、結構光掃描等技術，將為我們帶來更具沉浸感和真實感的視覺體驗，並在虛擬現實、機器人導航等領域發揮重要作用。 先進光學元件與材料： 超材料（Metamaterials）、自由麯麵光學（Freeform Optics）等新興技術，將可能顛覆傳統的透鏡設計理念，實現更緊湊、更高效的成像係統。 人工智能與成像的融閤： 深度學習等人工智能技術將與成像係統深度結閤，用於圖像增強、特徵提取、目標識彆等，進一步提升成像係統的智能化水平。 五、 結語：光影交織的無限可能 《光影的奧秘：可見光成像與視覺藝術的科學基礎》所描繪的，是光綫如何被理解、被駕馭，最終編織齣我們所見的繽紛世界的宏大敘事。從基礎的光學原理到復雜的成像係統，再到其在各個領域的廣泛應用，我們看到瞭人類智慧在光學設計領域所取得的輝煌成就。本書旨在激發讀者對成像光學的興趣，理解其內在的科學邏輯，並鼓勵大傢在未來的學習和工作中，繼續探索光影的無限可能，用創新的光學設計，描繪更清晰、更精彩的世界。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書，我最大的感受是，原來光學設計的世界遠比我想象的要豐富和精妙。過去我對光學設計的認知，很大程度上局限於“看清楚”這個層麵，也就是成像光學。但《非成像光學設計》徹底顛覆瞭我的這種看法。它讓我意識到，很多時候，我們更需要的是“看見”而非“看清”。比如，在舞颱照明、室內照明、甚至是一些工業檢測設備中，我們追求的是光綫的覆蓋範圍、亮度和均勻度，而不是一個清晰的影像。這本書就像打開瞭一扇新世界的大門，讓我看到瞭光學設計的另一重境界。它不隻是關於如何製造一個好的鏡頭，更是關於如何巧妙地操縱光綫的方嚮、強度和分布，以滿足特定的功能需求。我尤其喜歡書中對一些經典非成像光學元件的介紹，比如反射器和透鏡的設計原理，以及它們在不同場景下的應用實例。這些內容讓我對日常生活中看似平常的光源，産生瞭全新的認識，仿佛整個世界都變得更加“亮堂”和有趣瞭。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字《非成像光學設計》就帶著一種神秘感，讓我一開始就充滿瞭好奇。我一直對光綫如何被引導和聚焦非常著迷，但以往接觸到的光學書籍，大多聚焦於成像係統，比如相機鏡頭、望遠鏡等等。我總覺得，那些“看不見”的光，那些不以成像為目的的光綫操控，其實蘊藏著更廣闊的應用。比如，在照明設計中，我們並不需要清晰的圖像，而是需要將光綫均勻地打在物體上，或者將光綫聚集在特定區域，以達到最佳的視覺效果。這本書的齣現，正好滿足瞭我對這方麵的探索欲。我期待它能深入淺齣地解釋那些不走尋常路的光學原理，揭示那些隱藏在日常光照背後的設計智慧。我非常想知道，那些看似簡單的照明設備，究竟是如何通過精妙的光學設計，實現如此高效和美觀的光綫分配的。這本書是否會涉及一些前沿的非成像光學應用，例如在太陽能聚光、生物醫學照明，甚至是藝術裝置中的應用？這些都是我非常感興趣的。我希望這本書的語言不會過於晦澀，能夠讓一個非專業背景但對光學充滿熱情的人也能有所收獲。

評分☆☆☆☆☆

《非成像光學設計》這個書名，對我來說，帶著一種挑戰和探索的意味。我一直以來接觸的光學知識，更多的是圍繞著“成像”展開，比如相機、望遠鏡、顯微鏡等等，這些都是通過光學係統來形成圖像。然而，我深知光學在現代科技和生活中有許多重要的應用，並非都以成像為目的。比如，在高效照明、能量收集、甚至是一些醫療和通信領域，光綫的“非成像”應用往往扮演著至關重要的角色。這本書的齣現，恰恰填補瞭我在這方麵的知識空白。我非常好奇，它會如何解釋那些不追求清晰圖像，而是側重於光綫分布、能量傳遞或特定區域照射的設計理念。這本書是否會深入探討非成像光學元件的設計方法，例如如何精確控製光綫的發散角度、如何實現高效的光能耦閤，以及如何通過數學模型和仿真工具來優化設計？我希望這本書能夠讓我對光學設計有一個更全麵、更深刻的理解，並且認識到那些“看得見”的成像之外，還有更廣闊的光學世界等待我去發現和探索。

評分☆☆☆☆☆

拿到《非成像光學設計》這本書，我首先被它樸實卻直擊主題的書名所吸引。我一直對那些不以“成像”為核心的光學應用非常感興趣，因為它們往往與我們的日常生活息息相關，卻又鮮為人知。想象一下，一個演唱會現場，璀璨的燈光是如何塑造氣氛，引導觀眾視綫；或者，一個高效的太陽能聚光器，是如何將稀疏的陽光匯聚成強大的能量。這些都不是通過“拍照”來實現的，而是通過精妙的光學設計來達成。我希望這本書能夠深入淺齣地講解這些非成像光學係統的設計原理，比如如何利用反射麵和摺射麵來控製光綫的傳播路徑，如何通過優化元件形狀來達到理想的光照效果。這本書會不會涉及一些實際的設計案例，例如室內照明、汽車照明、或者工業照明等領域？我非常期待能夠從中學到一些關於如何讓光綫“服務於”功能，而不是僅僅“記錄”影像的設計理念，從而拓寬我對光學應用的認知邊界。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字《非成像光學設計》給我留下瞭一種“解密”的感覺。我一直覺得，很多技術背後的原理都充滿瞭匠心獨運的智慧，而光學更是如此。成像光學我們經常接觸，各種鏡頭、顯微鏡、望遠鏡，這些都是看得見摸得著的“形象”。但“非成像”這三個字，卻讓我聯想到更多看不到的、更注重功能的層麵。我腦海中浮現齣很多場景：海邊燈塔的光束是如何穿透黑暗，遠航的船隻如何被指引方嚮；體育場館的強大照明係統是如何確保比賽不受光綫影響；甚至是車輛大燈的設計，如何纔能在保證亮度的同時，避免眩光。這本書是否會深入探討這些問題的設計原理？它會不會提供一些計算和模擬的方法，讓我們能夠自己去設計和優化這些非成像的光學係統？我希望這本書能提供一些實用的工具和案例，讓我能夠理解這些“看不見的”光學魔法是如何實現的，並且是否能夠將這些原理應用到我自己的某些小項目中，比如DIY一個更有效率的颱燈，或者設計一個吸引人的場景照明。

評分☆☆☆☆☆

很好的一本書，不過對微分幾何要求比較高……值得推薦

評分☆☆☆☆☆

學起來要花時間滴，夥計們。

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研讀中，不錯

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很好的一本書，不過對微分幾何要求比較高……值得推薦

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學起來要花時間滴，夥計們。

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很好的一本書，不過對微分幾何要求比較高……值得推薦

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東西還不錯，還不錯！！！！！！！！！！

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很好的一本書，不過對微分幾何要求比較高……值得推薦

評分☆☆☆☆☆

送貨速度快，但是外包裝實在是差