本書將應用光學基礎理論知識與Zemax光學設計相結合。每章首先介紹理論知識，然后落實到Zemax的設計方法上進行光學設計鍛煉。本書包含了幾何光學成像基本概念、共軸球面系統、理想光學系統、平面系統、光闌、光度學、像差及望遠鏡等典型成像系統，也涉及Zemax的基本操作、優化設計等概念。在第9章給出了5個詳細的Zemax設計案例，包含光纖耦合、透鏡整形與耦合、基于棱鏡的光環形器、三片式成像系統及蘋果手機鏡頭光學系統分析。為方便教學，本書提供電子課件，可登錄華信教育資源網（www.hxedu.com.cn）免費下載。
施躍春，主要研究面向大容量光通訊和光互聯的光子集成芯片，包括DFB半導體激光器以及多波長陣列、模分復用光集成芯片等以及它們的系統應用。主持國家自然科學青年基金一項；江蘇省自然科學青年基金一項；作為學術骨干參與國家"863”計劃項目和國家自然科學基金重點項目等多項。近年來在Optics Letters、Optics Express以及IEEE Photonics Technology Letters 等光學領域國際主要學術期刊發表或合作發表SCI檢索論文30余篇；授權或申請專利11項，其中授權美國專利一項，一項專利在2012年被收錄為江蘇省百件優質專利名錄。
目錄
第1章 幾何光學基本定律與成像基本概念 1
1.1 幾何光學的基本概念 1
1.1.1 幾何光學中的光源與光束 1
1.1.2 幾何光學的基本定律 2
1.1.3 費馬原理 4
1.2 光學系統及成像的基本概念 7
1.3 Zemax的界面簡介與光學建模方式 9
1.3.1 Zemax的界面簡介 9
1.3.2 Zemax光學建模與基本計算流程 11
思考題 12
計算與證明題 12
第2章 共軸球面系統的成像理論 13
2.1 幾何光學中的符號規則 13
2.1.1 線段 14
2.1.2 角度 14
2.1.3 符號規則的意義 15
2.1.4 符號的標注 15
2.2 單折射球面成像 15
2.2.1 實際光線單折射球面的光路計算 15
2.2.2 近軸區域單折射球面光路計算 18
2.2.3 近軸區域單折射球面成像規律 19
2.2.4 細光束大視場入射情況與場曲 23
2.3 共軸球面系統成像 25
2.3.1 共軸球面系統近軸區域的轉面過渡公式 26
2.3.2 共軸球面系統近軸像面位置計算 27
2.4 單個反射球面的成像 29
2.5 Zemax中的像差評價與鏡面參數設置 31
2.5.1 Spot Diagram與Ray Aberration簡介 31
2.5.2 純離焦 35
2.5.3 純球差 37
2.5.4 球差和離焦 39
2.5.5 自動優化設計概念初步 40
思考題 43
計算與證明題 43
第3章 理想光學系統 45
3.1 理想光學系統的基本理論 45
3.2 理想光學系統的基點、基面 46
3.2.1 焦點、焦面與焦距 47
3.2.2 主面與主點 48
3.2.3 節點 49
3.3 理想光學系統的物像解析關系 49
3.3.1 物像位置計算 49
3.3.2 放大率及相互關系 51
3.4 理想光學系統的圖解法 54
3.5 理想光學系統的組合 58
3.5.1 雙光組光學系統 59
3.5.2 多光組光學系統正切計算法 61
3.6 透鏡 63
3.6.1 單折射球面的基點、基面與焦距 63
3.6.2 透鏡的基點與焦距 64
3.6.3 薄透鏡與薄透鏡組 70
3.7 單透鏡與雙透鏡的Zemax設計實例 72
3.7.1 單透鏡Zemax設計實例 72
3.7.2 雙膠合透鏡Zemax設計實例 77
計算題 81
第4章 平面系統 84
4.1 平面折射與平行平板玻璃成像性質 84
4.1.1 平行平板的成像性質 84
4.1.2 平行平板的等效空氣層的概念 86
4.2 平面反射鏡 88
4.2.1 平面反射鏡的成像特性 89
4.2.2 平面反射鏡的旋轉效應 90
4.2.3 兩面角鏡的成像特性 91
4.3 反射棱鏡 92
4.3.1 反射棱鏡的基本概念 92
4.3.2 反射棱鏡系統的物像坐標變換規律 94
4.3.3 反射棱鏡的展開與結構尺寸計算 95
4.4 折射棱鏡和楔鏡 99
4.4.1 折射棱鏡 99
4.4.2 楔鏡 100
4.5 Zemax中的坐標斷點 102
4.5.1 Zemax中的坐標系 102
4.5.2 坐標變換 103
4.5.3 Zemax中的坐標斷點設置 104
4.6 光學系統中具有反射鏡或者平行平板的Zemax仿真分析 106
4.7 具有反射鏡的光學系統Zemax設計方法實例——牛頓望遠鏡 109
4.8 具有阿米西（Amici）屋脊棱鏡與五棱鏡組合的光學系統Zemax設計實例 112
思考題 115
計算題 116
第5章 光學系統的光束限制 118
5.1 光學系統中的孔徑光闌、入射光瞳與出射光瞳 118
5.1.1 孔徑光闌的判斷 119
5.1.2 入射光瞳與出射光瞳 121
5.2 視場光闌、窗與漸暈 124
5.2.1 視場光闌 124
5.2.2 入射窗與出射窗 125
5.2.3 漸暈 126
5.3 光學系統的景深 131
5.4 Zemax中光束限制的設計方法——單透鏡光束限制的設計與分析 135
5.5 Zemax中漸暈的設計方法 140
5.6 Zemax的多重結構設計——反射式掃描系統設計 146
計算題 149
第6章 光度學基礎 151
6.1 光能和光度學的基本概念 151
6.1.1 立體角的概念 151
6.1.2 輻射通量、光譜光視效率與光通量 153
6.1.3 光亮度、發光強度、光出射度和光照度 155
6.1.4 光學系統中光亮度和光通量的傳遞 159
6.2 光學系統中的光能損失分析與計算 161
6.2.1 光學系統中的光能損失分析 162
6.2.2 光學系統的透過率計算 164
6.3 Zemax中相對照度、鍍膜簡介及序列/非序列混合模型與照明設計實例 164
6.3.1 相對照度 164
6.3.2 鍍膜 165
6.3.3 利用序列與非序列混合模型設計一個LED（點光源）的照明系統 167
計算題 173
第7章 像差理論 174
7.1 單色像差 174
7.1.1 軸上點與軸外點像差 174
7.1.2 正弦差與彗差 177
7.1.3 像散 180
7.1.4 場曲 181
7.1.5 畸變 183
7.2 色差 184
7.2.1 位置色差 184
7.2.2 放大率色差 184
7.3 Zemax中的像差模擬與分析 185
7.3.1 球差 185
7.3.2 彗差 187
7.3.3 像散 189
7.3.4 場曲 189
7.3.5 畸變 191
7.3.6 色差 192
第8章 實際光學系統 196
8.1 人眼光學系統與視光學 196
8.1.1 人眼的構造 196
8.1.2 人眼的主要特性 197
8.1.3 雙眼立體視覺 201
8.2 放大鏡 202
8.2.1 目視光學儀器的工作原理 203
8.2.2 放大鏡的視覺放大率 203
8.2.3 放大鏡光束限制 204
8.3 望遠鏡 205
8.3.1 望遠鏡的歷史發展背景 205
8.3.2 望遠鏡的基本類型與工作原理 206
8.3.3 望遠鏡的技術指標 207
8.4 顯微鏡 209
8.4.1 顯微鏡的歷史發展背景 209
8.4.2 顯微鏡的基本工作原理與技術指標 210
8.4.3 顯微鏡的光束限制 211
8.4.4 顯微鏡的分辨力與有效放大率 212
8.5 照相機與投影儀 216
8.5.1 照相機的歷史發展背景 216
8.5.2 照相機的基本工作原理與性能參數 216
8.5.3 投影儀的歷史發展背景 220
8.5.4 投影儀的基本工作原理與性能參數 220
8.6 光學成像系統的像質評價簡介 222
8.7 光學傳遞函數、人眼模型和虛擬現實應用 223
8.7.1 光學傳遞函數像質評價基本概念 223
8.7.2 人眼的Zemax模型和在虛擬現實（VR）中的應用 225
思考題 230
計算題 231
第9章 Zemax中的優化、公差與若干設計案例 233
9.1 Zemax優化方法簡介 233
9.1.1 優化方法概述 233
9.1.2 光學系統數學建模 234
9.1.3 Zemax中評價函數的定義 236
9.1.4 Zemax操作符的定義 237
9.1.5 默認評價函數 238
9.2 Zemax公差分析簡介 239
9.3 若干光學系統設計實例 242
9.3.1 優化設計雙透鏡光纖對接耦合系統 243
9.3.2 優化非球面鏡實現半導體激光器與單模光纖的高效耦合 255
9.3.3 基于偏振元件的光環形器設計 264
9.3.4 庫克三片式成像鏡頭設計 272
9.3.5 蘋果手機鏡頭剖析 279
思考與練習題 292
參考文獻 294
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