本书是一本论述现代光学和主动光学理论的基础性读物。作者在本书中详尽地叙述了有关天文光学（特别是近代主动光学）的基础理论，并就主动光学技术在天文望远镜实际镜面加工和实际观测中的应用进行了详尽的描述。本书内容覆盖了天文光学系统和弹性力学相结合的问题，同时也对主动光学的理论和应用进行了论述，对这个领域已知的和最新的内容进行了非常深入和全面的描述，对国内外采用主动光学方法的大型天文望远镜系统进行了系统性梳理和介绍。
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中文版序
Foreword for Chinese Version
译者序
原书序
原书前言
本书符号表
第1章 光学和弹性理论的介绍 1
1.1 光学和望远镜——历史介绍 1
1.1.1 希腊数学家和圆锥曲线论 1
1.1.2 波斯数学家和镜子 3
1.1.3 欧洲文艺复兴的结束和望远镜的诞生 5
1.1.4 折射望远镜 5
1.1.5 反射望远镜 13
1.2 斯涅尔（Snell）定律和玻璃的色散 25
1.3 费马原理 27
1.4 高斯光学和共轭距离 29
1.4.1 屈光面曲率c＝1/R 31
1.4.2 折射率为n的介质中的反射镜 33
1.4.3 组合系统的光焦度 33
1.4.4 空气或真空中的透镜 34
1.4.5 无焦系统 34
1.4.6 光瞳和主光线 34
1.4.7 口径比或焦比 35
1.5 拉格朗日不变量 36
1.6 集光率不变量和拉格朗日不变量 37
1.6.1 拉格朗日不变量 37
1.6.2 集光率不变量 37
1.6.3 集光率和拉格朗日不变量等价 38
1.7 光学表面的解析表示 40
1.7.1 圆锥面 40
1.7.2 球面 41
1.7.3 非轴对称表面和泽尼克多项式 41
1.8 三级像差的赛德尔（Seidel）表示 43
1.8.1 赛德尔理论 43
1.8.2 赛德尔像差模式——弹性形变模式 46
1.8.3 泽尼克rms多项式 48
1.9 消球差，消球差消彗差和消像散 50
1.9.1 消球差 50
1.9.2 不晕和阿贝正弦条件 52
1.9.3 消像散 57
1.10 佩茨瓦尔场曲和畸变 60
1.10.1 佩茨瓦尔场曲 60
1.10.2 畸变 62
1.11 衍射 63
1.11.1 衍射理论 63
1.11.2 圆孔衍射 65
1.11.3 圆环衍射 68
1.11.4 点扩散函数（PSF）和衍射像差 69
1.11.5 衍射极限条件和波前公差 69
1.12 一些成像仪器选择 72
1.12.1 人眼 73
1.12.2 目镜 73
1.12.3 干涉仪 74
1.12.4 日冕观测仪 75
1.12.5 偏光计 75
1.12.6 狭缝摄谱仪 75
1.12.7 无缝光谱仪 76
1.12.8 具有狭缝或光纤的多目标光谱仪 77
1.12.9 积分视场光谱仪 78
1.12.10 背面反射镜 81
1.12.11 视场旋转器 82
1.12.12 光瞳旋转器 82
1.12.13 望远镜视场改正器 83
1.12.14 大气色散补偿器 84
1.12.15 自适应光学 86
1.13 弹性理论 88
1.13.1 历史介绍 88
1.13.2 各向同性材料的弹性常数 99
1.13.3 位移矢量和应变张量 100
1.13.4 应力-应变线性关系和应变能 102
1.13.5 杆的均匀扭转和应变分量 104
1.13.6 Love-Kirchhoff假说和薄板理论 107
1.13.7 薄板弯曲和可展面 108
1.13.8 薄板弯曲和不可展表面 112
1.13.9 等厚矩形平板的弯曲 117
1.13.10 等厚圆形板的轴对称弯曲 119
1.13.11 圆板和各种轴对称载荷 120
1.13.12 重力场下的平面板的变形 122
1.13.13 Saint-Venant′s原理 122
1.13.14 计算模型及有限元分析 124
1.14 主动光学 124
1.14.1 球面抛光 124
1.14.2 没有纹波误差的光学表面 125
1.14.3 主动光学和时间相关控制 125
1.14.4 主动光学的各个方面 126
参考文献 127
第2章 反射光学和弹性力学-可变曲率反射镜（VCM） 137
2.1 薄圆板和小变形理论 137
2.1.1 等厚分布板—CTD 137
2.1.2 可变厚度分布板—VTD—摆线形（Cycloid-Like Form）和郁金香形（Tulip-Like Form） 139
2.1.3 光学焦比变化 143
2.1.4 屈曲失稳 144
2.2 薄板和大变形理论—VTD 144
2.3 梅森（Mersenne）无焦双镜望远镜 149
2.4 缩束和扩束以及猫眼反射镜—主动光学光瞳转换152
2.5 用于干涉仪视场补偿器的VCM 154
2.5.1 傅里叶变换光谱仪 154
2.5.2 恒星干涉仪和望远镜阵列 155
2.6 VTD型可变曲率反射镜的研制 157
2.6.1 弹性变形和基底材料的选择 157
2.6.2 变焦范围与厚度分布的选择 158
2.6.3 边界条件的实现 159
2.6.4 VTD方案1的设计和结果—摆线形 160
2.6.5 VTD方案2的设计和结果—郁金香形161
2.7 塑性和迟滞 161
2.7.1 应力-应变线性化与塑性补偿 162
2.7.2 迟滞补偿和曲率控制 164
参考文献 166
第3章 主动光学和三级像差校正 170
3.1 等厚分布板的弹性理论—CTD类 170
3.2 可变厚度分布板的弹性理论—VTD类 170
3.3 主动光学和三级球差 175
3.3.1 CTD类板的方案（A1=A2=0） 177
3.3.2 VTD板的方案 177
3.3.3 混合方案 181
3.3.4 曲率模式平衡 183
3.3.5 应用实例 183
3.4 主动光学与三级彗差 186
3.4.1 CTD方案（A1=0） 187
3.4.2 VTD类的方案 187
3.4.3 混合方案 189
3.4.4 倾斜模式平衡 190
3.4.5 光瞳和凹面镜系统的彗差 191
3.4.6 主动光学彗差校正实例 192
3.5 主动光学与三级像散 195
3.5.1 CTD类中的方案（A2=0） 196
3.5.2 VTD类中的方案 196
3.5.3 混合方案 198
3.5.4 曲率模式和圆柱变形之间的平衡 198
3.5.5 镜面成像中的弧矢和子午光线 199
3.5.6 举例—凹面镜的非球面化 203
3.5.7 凹面衍射光栅与鞍形校正 205
3.5.8 举例—单表面光谱仪的非球面化 208
3.5.9 单表面光谱仪的高阶非球面化 209
参考文献 210
第4章 施密特概念的望远镜和光谱仪的设计 212
4.1 施密特概念 212
4.1.1 双反射镜消像散望远镜类 212
4.1.2 球面镜曲率中心处的波前分析 216
4.1.3 包含放大率M的波前方程 218
4.1.4 改正板的光学设计—序言 220
4.1.5 无穷远物体—零光焦度区域位置 221
4.1.6 不同改正元件的光学方程 222
4.1.7 欠校正或过校正因子s 223
4.2 折射改正板望远镜 223
4.2.1 单块改正板的轴外像差和色差 223
4.2.2 双胶合消色差改正板 226
4.2.3 蓝端用单块改正板和红端增加单中心滤光片的情况 227
4.3 全反射望远镜 228
4.3.1 离轴使用的共轴光学系统 228
4.3.2 非共轴光学系统 231
4.3.3 非共轴系统相对共轴系统的增益 233
4.3.4 LAMOST：一个采用主动光学技术的巨型非共轴施密特望远镜 233
4.4 使用非球面光栅的全反射光谱仪 235
4.4.1 反射光栅光谱仪设计的比较 235
4.4.2 衍射光栅方程 236
4.4.3 轴对称光栅（β0=0） 237
4.4.4 双轴对称光栅（β0≠0） 238
4.4.5 平场全反射式非球面光栅光谱仪 239
4.4.6 全反射式非球面光栅光谱仪的实例 240
4.4.7 无中心遮拦的全反射式光谱仪 244
4.4.8 准全反射式光谱仪的优点 244
4.4.9 衍射光栅和电磁理论模型 245
4.4.10 光栅制造方法 246
4.4.11 面向大尺寸的非球面光栅 247
4.4.12 大型全反射式非球面光栅光谱仪 247
参考文献 250
第5章 应用主动光学技术研制施密特改正板和非球面衍射光栅 256
5.1 不同类型的非球面施密特改正板 256
5.2 折射式改正板 256
5.2.1 折射式改正板的三阶光学轮廓 256
5.2.2 弹性圆形等厚板 257
5.2.3 折射式校正器和球面成形方法 258
5.2.4 折射式改正板及平面磨制成形方法 261
5.2.5 玻璃破裂和加载时间的依赖性 266
5.3 反射式改正板 268
5.3.1 主镜的光学面形 268
5.3.2 k=3/2的轴对称圆形镜面—花瓶形 269
5.3.3 k=3/2的双对称圆形镜面—MDM 271
5.3.4 k=0的双对称圆形镜面—郁金香形（Tulip Form） 271
5.3.5 k=3/2的双对称椭圆镜面—花瓶形-双板 274
5.3.6 LAMOST：一种拼接的双对称椭圆镜面 284
5.4 非球面反射衍射光栅 284
5.4.1 光栅非球面的主动光学复制 284
5.4.2 球面反射光栅的光学轮廓 285
5.4.3 k=3/2的轴对称光栅和内置子母板 286
5.4.4 k=0的轴对称光栅和圆形简支的子母板 292
5.4.5 k=3/2时的双对称光栅和椭圆内置子母板 295
5.4.6 主动光学过程的结构复制条件 299
参考文献 299
第6章 壳理论与弯月镜，花瓶形镜和闭合轴对称镜面的非球面化 302
6.1 快焦比镜面的主动光学非球面化 302
6.2 浅球面壳理论 302
6.2.1 轴对称载荷的平衡方程 303
6.2.2 浅球面壳的一般方程 304
6.2.3 Kelvin函数 306
6.2.4 浅球面壳的弹性与应力函数 310
6.3 可变厚度壳与连续性条件 311
6.3.1 定厚度环元素的壳关系 311
6.3.2 多种边界条件与定厚度平板单元 312
6.3.3 可变厚度壳中的一些参量 313
6.3.4 壳单元环的连续性条件 314
6.4 边缘圆柱连接与边界条件 316
6.4.1 三种几何配置与边界 316
6.4.2 弯月壳体的外边缘圆柱 317
6.5 可变厚度花瓶形壳的定义 320
6.5.1 壳在z，r主坐标系下的挠度表征 320
6.5.2 厚度分布的反问题 321
6.6 望远镜镜面的主动光学非球面化 321
6.6.1 主动光学叠加定律 321
6.6.2 凹面镜的抛物面化 322
6.6.3 带中孔的抛物面凹镜 326
6.6.4 凹球面镜的非球面化 330
6.6.5 卡塞格林镜（Cassegrain Mirrors）的非球面化 331
6.6.6 几种大视场望远镜设计的比较 335
6.6.7 改进型Rumsey三反望远镜的镜面 337
6.6.8 大型改进型Rumsey望远镜的镜面非球面化 344
参考文献 347
第7章 花瓶形和弯月形多模可变形镜的主动光学 350
7.1 Clebsch-Seidel变形模式的相关介绍 350
7.2 花瓶形MDMs中的弹性力学 351
7.3 弯月形MDM中的弹性力学 358
7.4 退化构型和像散模态 360
7.4.1 像散模态的特殊几何结构 360
7.4.2 单Astm3模态和退化弯月板结构 360
7.4.3 单Astm3模态和退化花瓶形 361
7.5 大型望远镜的弯月镜结构拼接镜面 362
7.5.1 离轴抛物面子镜 363
7.5.2 二次曲面离轴拼接子镜 366
7.5.3 Keck望远镜的拼接镜面 367
7.6 反射Schmidt系统中的花瓶式和弯月镜式MDMs 368
7.6.1 圆形花瓶式主镜的中心系统 368
7.6.2 非共轴系统和圆花瓶型主镜 370
7.6.3 非共轴系统和椭圆花瓶式主镜 371
7.6.4 LAMOST的弯月形实时非球面拼接镜面 371
7.7 液态镜面望远镜中的花瓶式MDMs 372
7.7.1 LMTs的天顶观测 372
7.7.2 LMTs的视场畸变和四透镜校正器 374
7.7.3 用于非天顶观测的采用MDM的LMT概念 375
7.8 MDMs作为全息光栅刻划补偿器 377
7.8.1 全息光栅校正像差 377
7.8.2 HST的COS光栅设计 378
7.8.3 用作刻划补偿器的六臂MDM的弹性力学设计 381
7.9 退化构型和三角形模式 383
7.9.1 三角形模式的特殊几何形状 383
7.9.2 单一Tri3模式和退化的弯月镜 384
7.9.3 单个Tri3模式和退化的花瓶式 384
7.10 单一模态和可变形外环带 385
7.10.1 高精度校正所需的外环带设计 385
7.10.2 轴向厚度渐变的环带 386
7.10.3 力作用于棱角梁的环 386
7.11 未来巨型望远镜和拼接镜面非球面化 386
7.11.1 巨型望远镜概念的当前趋势 386
7.11.2 拼接子镜的主动光学非球面化 388
7.12 花瓶式和中间面 389
7.13 花瓶的形状和Saint-Venant原理 389
参考文献 390
第8章 望远镜镜面在自重影响下挠度和形状的控制 395
8.1 在重力作用下的望远镜主镜支撑 395
8.1.1 引言 395
8.1.2 轴向与侧向支撑系统的概念 395
8.1.3 一些主镜形状的举例说明 397
8.2 镜面基底的密度与热常数 398
8.3 大型镜片的基底材料 400
8.4 刚度与弹性变形的判据 402
8.4.1 镜面材料与刚度判据 403
8.4.2 镜片材料与弹性变形判据 404
8.5 大型反射镜在重力作用下的轴向弯曲 405
8.5.1 镜面支撑垫的分布密度 405
8.5.2 由环形垫支撑镜面单元的挠曲 405
8.5.3 支撑垫分布的密度判据——Couder定律 409
8.5.4 其他轴向弯曲特性 412
8.5.5 有限元分析 417
8.6 大型镜面在重力作用下的侧向弯曲 417
8.6.1 各种支撑力分布 417
8.6.2 侧边支撑的镜面的弯曲 419
8.6.3 其他力的分布以及力斜面 420
8.6.4 有限元分析 422
8.7 主动光学与主动准直控制 423
8.7.1 引言与定义 423
8.7.2 单镜面望远镜 424
8.7.3 拼接镜面望远镜 427
8.7.4 未来极大望远镜的共相 430
8.8 厚度变化较大的特殊镜片 431
8.8.1 引言-快摆镜模式下的镜面挠曲 431
8.8.2 支撑在其中心的平板的最小重力弯沉 431
8.8.3 稳像镜和红外摆镜 435
8.8.4 轻量摆镜的设计437
参考文献 437
第9章 单透镜与薄板弹性理论 444
9.1 单透镜 444
9.1.1 球面薄透镜的像差 444
9.1.2 具有笛卡儿卵球形面和球面的消球差透镜 447
9.1.3 齐明无像差单透镜 447
9.1.4 等晕单透镜和远瞳 450
9.1.5 三级理论中的非球面透镜 451
9.1.6 双透镜系统的光焦度 452
9.2 薄透镜在均匀载荷作用下弹性弯曲 453
9.2.1 薄板理论的平衡方程 453
9.2.2 透镜变形与抛物面厚度分布 454
9.2.3 挠度的多项式展开 457
9.2.4 透镜表面的最大应力 463
9.2.5 具有特定厚度分布的透镜 465
9.2.6 主动光学非球面化的结论 466
9.3 带单透镜和校正板的光谱仪 466
参考文献 468
第10章 X射线望远镜和壳弹性理论 469
10.1 X射线望远镜 469
10.1.1 介绍三种Wolter设计形式 469
10.1.2 基本的消球差型抛物面—双曲面（PH）望远镜 470
10.1.3 正弦条件和Wolter-Schwarzschild（WS）望远镜 472
10.1.4 像差平衡的双双曲面（HH）望远镜 475
10.1.5 像差平衡的双椭球面（SS）望远镜 476
10.1.6 现有的和未来的掠入射X射线望远镜 477
10.2 轴对称圆柱壳的弹性理论 478
10.2.1 X射线反射镜和超光滑判据 478
10.2.2 薄轴对称圆柱的弹性理论 478
10.2.3 径向厚度分布和抛物面挠度 481
10.2.4 径向厚度分布和4阶挠度 485
10.2.5 管状图像传递的厚度分布 487
10.3 弱锥形管状壳体的弹性理论 490
10.3.1 轴对称壳的纯拉伸挠曲情况 490
10.3.2 截头圆锥壳的几何形状和圆柱挠曲 491
10.3.3 线性乘积定律—弯曲厚度关系 492
10.4 X射线望远镜镜面的主动光学非球面化 493
10.4.1 单管状镜面的厚度分布 493
10.4.2 大型管式望远镜子镜的边界条件 495
10.4.3 非球面化过程总结 496
参考文献 497
人物介绍 500
首字母缩略词 511
术语汇编 514
术语索引 523
原书作者简介 533
京公网安备 11010102004214号