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出版者:人民邮电出版社

作者:刘璐,马广月,张凤红

出品人:

页数:320

译者:

出版时间:2005-9

价格:27.00元

装帧:

isbn号码:9787115133250

丛书系列:

图书标签:

• 计算机图形学
• 图像处理
• 数字图像处理
• 图形学
• 图像处理技术
• 计算机视觉
• 渲染
• OpenGL
• DirectX
• 图形图像处理

现代光学系统设计与误差分析 一、绪论：光学系统的核心地位与发展脉络 光学系统，作为信息获取、传输与处理的关键载体，其设计与制造水平直接决定了现代科学技术，特别是精密仪器、国防军工、生物医学成像、以及消费电子产品（如智能手机、VR/AR设备）的性能上限。本书旨在系统、深入地探讨现代光学系统的设计理论、实现方法、误差分析与优化策略。我们不侧重于基础的几何光学原理回顾，而是直接切入工程实践中的核心挑战与先进技术。 本书的结构设计遵循从宏观系统规划到微观元件精度的递进路线。首先，我们将系统地阐述光学系统的“需求定义”过程，这是所有设计工作的起点。需求定义不仅仅是确定视场角（FOV）和焦距，更涉及到对成像质量指标（如MTF、RMS斑点半径）、工作波段、环境适应性（温度、振动、湿度）的量化描述。随后，我们将引入先进的光学设计软件（如Zemax, Code V）在迭代设计中的核心应用逻辑，重点分析如何利用优化算法（如阻尼最小二乘法、全局搜索算法）在庞大的设计空间中找到既满足性能要求又具备可制造性的初始结构。 二、成像系统设计原理的深化与拓展 传统的光学设计侧重于完美的几何成像，但现代高分辨率系统要求我们必须深入到衍射光学和光波理论层面。 2.1 像差的精确建模与优化 本书将详细剖析五大几何像差（球差、彗差、像散、场曲、畸变）的数学表达式、物理成因及其在不同类型系统（如折射望远镜、变焦镜头、目镜系统）中的表现形式。更重要的是，我们超越了对“零像差”的盲目追求，转而关注公差分析下的剩余像差控制。我们将引入评价函数（Merit Function）的构建艺术，展示如何将波像差函数、MTF曲线、鬼像与杂散光评估标准有效地耦合进优化流程，以应对复杂的多目标约束。特别地，对于离轴非球面系统，本书将提供一套系统化的消除或控制倾斜像差（如场曲和像散）的结构设计策略。 2.2 衍射光学元件（DOE）与自由曲面（Freeform）的应用 在追求小型化、轻量化和高性能的趋势下，基于材料色散和几何折射的传统设计已遭遇瓶颈。本书将详细介绍衍射光学元件的编码方法（如基于菲涅耳波带片和连续相位元件的理论）及其在色差校正和光束整形中的工程应用。同时，自由曲面技术是当前精密光学领域的前沿。我们将探讨如何利用点阵法、基于梯度下降的优化算法来设计具有复杂曲率分布的自由曲面，用以替代传统的球面或简单非球面组合，显著减小系统尺寸并提升边缘成像质量。 三、非成像系统与光束控制技术 光学系统并非都以成像为最终目的。大量的应用集中在光能的有效收集、传输和精确指向。 3.1 杂散光与对比度控制 在星敏感器、高灵敏度光电探测器以及微光夜视系统中，系统的内在对比度是决定其探测能力的根本因素。本书将系统讲解杂散光（Stray Light）的传播路径分析。我们将利用蒙特卡洛光线追迹法和表面间反射分析，建立严谨的杂散光模型。设计策略将集中于遮光结构（Baffles）的优化设计，包括螺旋形遮光筒、锯齿边缘处理以及特定涂层（如黑铬、吸光涂层）的应用，目标是将系统内部的背景噪声降低到可接受水平。 3.2 光束整形与匀化技术 在激光照明、半导体曝光和LED匀光系统中，需要精确控制光斑的形状和能量分布。我们将分析非序列光线追迹在复杂光束控制中的应用，重点介绍微透镜阵列（MLA）和光纤耦合器的设计原则，如何将非均匀光源转换为具有平坦的顶部剖面（Top-Hat Profile）或特定焦斑的均匀光束。 四、公差分析、装调与制造可行性评估 一个在计算机中完美运行的设计方案，只有在可制造和可装调的范围内才有实际价值。 4.1 灵敏度分析与公差分配 我们将详细阐述敏感度分析在光学设计中的核心地位。通过对元件厚度、曲率半径、材料折射率、表面定位误差的微小变化，评估其对关键性能指标（如MTF最小值、RMS像差）的影响。基于这种分析，本书将提供一套科学的公差分配方法，确保在满足系统性能要求的前提下，避免将公差设置得过于苛刻，从而控制制造成本。我们将比较基于波前误差的公差分析和基于系统预算的公差分析的优劣。 4.2 制造工艺与装配误差的逆向建模 了解制造能力的局限是合理设计的前提。我们将探讨超精密加工技术（如磁流变抛光、离子束抛光）对表面粗糙度和局部误差的控制能力。在装配环节，本书将引入装配误差模型，将制造公差的随机性与装配过程中的系统性偏差（如倾斜和偏移）相结合，预测实际装配后系统的性能衰减，并设计相应的补偿装配（Compensated Assembly）策略，利用可调元件来弥补制造和装配误差的累积效应。 五、先进光学材料与薄膜技术 光学系统的最终性能高度依赖于所选材料的内在属性和表面处理技术。 5.1 特种光学材料的选择 本书将聚焦于超越传统BK7、F2等玻璃的特种光学材料，包括：高折射率/低色散的硫系玻璃，用于中波红外和长波红外探测的硒化锌（ZnSe）、锗（Ge），以及氟化物玻璃（如CaF2）在深紫外波段的应用。分析这些材料的热光系数、双折射率对系统稳定性的影响。 5.2 增反射、减反射与高效率镀膜设计 光学系统中的表面反射是能量损失和鬼像产生的主要原因。我们将深入探讨多层介质薄膜的设计理论，重点分析角度敏感性和波长依赖性。内容将涵盖对称/非对称堆叠结构的优化，以及宽带增透膜（BBAR）和特定波段高反射膜的实际设计与测试方法，确保系统在目标工作波段内的光透过率最大化。 本书适合从事光学系统设计、精密仪器制造、光电信息技术研究的工程师和研究生，旨在提供一个严谨、实用且面向工程挑战的知识体系。

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我通常阅读技术书籍是为了寻找解决特定问题的快速方案，很少会从头到尾完整阅读。这本书的结构设置很有意思，它似乎鼓励读者以一种非线性的方式进行探索。我主要关注的是其中的数据结构与算法部分，尤其是关于场景管理和加速结构构建的章节。我发现作者在描述BVH（包围盒层次结构）的构建策略时，不仅介绍了传统的自底向上和自顶向下方法，还引用了最新的空间划分技术，并且对每种方法的平均查询时间和构建时间复杂度进行了严谨的分析对比。这种深入到实现细节和性能权衡的讨论，远远超出了我预期的科普层面。我甚至发现书里提供的伪代码片段，简洁且富有表现力，几乎可以立刻转化为C++或Python的实现。对于那些需要在有限的时间内高效搭建复杂三维场景系统的工程师来说，这本书提供的理论基础和实践指导是非常扎实的，它真正做到了将抽象的算法具象化。

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作为一名正在攻读硕士学位的艺术设计专业学生，我发现自己常常在艺术表现力和技术实现之间感到迷茫。我们学校的课程往往偏向于概念和美学，但在实际操作中，当我想用代码去精确控制光影、色彩和动态效果时，总感觉力不从心。这本书的出现，极大地填补了我的知识空白。它并非仅仅罗列晦涩的数学公式，而是用一种非常直观的方式解释了这些技术是如何影响最终视觉效果的。比如，书中对比了不同抗锯齿算法在渲染特定材质（如玻璃或金属）时的细微差别，这种“技术如何服务于美学”的视角，对我来说至关重要。我特别喜欢它在讨论颜色空间和色彩管理的部分，它让我明白了为什么我用PS调出的色彩在屏幕上看起来总有些不对劲——原来是背后有着一套严谨的技术标准在支撑。这本书让我学会了如何用“技术语言”去表达我的“艺术想法”，这种跨学科的启发是其他纯技术书籍无法给予的。

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这本书的装帧设计着实吸引人，封面的色彩搭配和字体选择都透露着一种现代感与专业性，让人在书店一眼就能注意到它。我最初选择这本书，纯粹是因为它在技术类书籍中比较少见，通常这类主题的书籍内容要么过于理论化，要么就是简单堆砌代码示例，缺乏系统性的梳理。然而，翻开内页后，我发现它在内容的组织上颇具匠心。作者似乎非常注重概念的逻辑递进，从基础的数学原理讲起，逐步过渡到复杂的渲染管线，每一步的衔接都非常自然，不像有些教材那样跳跃性太大，让人有种被“架空”的感觉。尤其是一些关于光照模型和纹理映射的章节，讲解得极为细致，即便是对图形学有些基础概念模糊的读者，也能通过书中详实的图示和循序渐进的文字说明，迅速建立起清晰的认识。它更像是一份精心制作的路线图，而不是一份冷冰冰的说明手册。不过，美中学术性稍强，对于完全的初学者来说，可能需要配合一些外部的实践项目才能更好地消化吸收。

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这本书给我最大的感受是它的“时代感”。在图形学飞速发展的今天，许多老旧的教材已经无法跟上新硬件的步伐，尤其是在并行计算和GPU编程方面。而这本著作显然是基于对最新硬件架构和主流开发框架的深刻理解而撰写的。我最欣赏的是它对可编程管线的深入剖析，不再拘泥于固定的固定功能管线模型。书中清晰地展示了现代图形API如何将控制权交还给开发者，从而实现高度定制化的渲染效果。此外，它对一些新兴的渲染技术，比如延迟渲染（Deferred Shading）和前向+渲染（Forward+ Rendering）的原理介绍得非常透彻，并且结合了实际的应用场景进行说明，让读者能明白为什么需要在不同的场景下选择不同的渲染策略。总体而言，这本书提供了一个非常坚实且前沿的知识框架，它不仅仅是一本入门手册，更像是一份面向未来开发的路线图。

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我是一名从事游戏开发行业多年的资深工程师，平时接触的主要是底层引擎的优化和性能调优。坦率地说，在打开这本书之前，我并没有抱太高的期望，总觉得市面上大多数通用图形学书籍在深度上难以满足我们这种对效率和实时性有极致要求的从业者。然而，这本书中关于高级着色器编程和GPU并行计算策略的论述，却给我带来了不小的惊喜。作者不仅阐述了理论，更重要的是，他深入探讨了在现代图形API（如Vulkan或DirectX 12）背景下，如何有效地管理资源和调度计算任务。书里给出的几个关于几何体裁切和后处理特效的优化案例，尤其具有参考价值，它们的设计思路非常巧妙，成功避开了一些常见的性能陷阱。虽然书中并没有直接给出完整的商业级引擎代码，但其提供的核心思想和算法优化路径，足以让我回去重新审视我们现有管线中的一些瓶颈问题。对于希望从“会用”图形API进阶到“精通”图形编程的专业人士，这本书无疑是一份高价值的参考资料。

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