非成像光學設計 下載 mobi epub pdf 電子書 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

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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030488640

商品編碼：10501105157

包裝：平裝

開本：5

齣版時間：2016-06-01

頁數：186

字數：300

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非成像光學設計
	定價	68.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	第1版
	齣版時間	2016年06月
	開本	5
	作者	張航，嚴金華
	裝幀	平裝
	頁數	186
	字數	300
	ISBN編碼	9787030488640

內容介紹
《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*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。

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 zui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

《光綫追蹤算法與實踐》 簡介 本書深入剖析瞭計算機圖形學中核心的光綫追蹤（Ray Tracing）技術。從基礎的光照模型、幾何體的求交測試，到高級的加速結構構建與渲染優化，全麵涵蓋瞭現代光綫追蹤器的設計與實現所需的理論知識和實踐技能。內容側重於構建一個高效、物理真實感渲染引擎的完整流程，旨在幫助讀者掌握從零開始設計和優化復雜光學場景渲染係統的能力。 第一章 緒論與基礎概念 1.1 計算機圖形學的曆史與演進 本章首先迴顧瞭計算機圖形學的發展脈絡，重點探討瞭從早期的掃描綫算法到基於物理的渲染（Physically Based Rendering, PBR）的範式轉變。對比瞭柵格化（Rasterization）和光綫追蹤在不同應用場景下的優劣勢，明確瞭光綫追蹤在追求照片級真實感方麵的不可替代性。 1.2 光綫追蹤的基本原理 詳細闡述瞭光綫追蹤的核心思想：模擬光綫從相機（或眼睛）發齣，與場景中的物體相交，並根據反射、摺射定律遞歸追蹤光綫路徑的過程。引入瞭基本的數學工具，如嚮量代數、坐標係變換以及參數方程在描述幾何體中的應用。 1.3 場景描述與數據結構 高效的場景管理是光綫追蹤性能的關鍵。本章講解如何使用場景圖（Scene Graph）組織復雜的幾何數據。重點討論瞭構建場景描述文件（如OBJ、PLY或自定義格式）的方法，以及如何將幾何信息有效地存儲於內存中，為後續的求交測試做準備。 第二章 幾何體的錶示與光綫求交測試 2.1 基本幾何體的數學建模 係統地介紹瞭光綫追蹤中最常處理的三種基本幾何體：平麵、球麵和三角形網格。對於每一種體，推導齣光綫與該幾何體相交的精確數學公式，並分析求解過程中的特異點和數值穩定性問題。 2.2 三角形網格的優化求交 鑒於大多數復雜物體都由三角形網格錶示，本章深入探討瞭高效計算光綫與三角形交點的算法。詳細介紹瞭 Möller–Trumbore 算法，分析其無需預先計算平麵方程的優勢，並討論瞭點積和叉積在判斷光綫是否穿過三角形內部的幾何意義。 2.3 統計學與數值誤差處理 在浮點數運算環境下，邊界條件的判斷至關重要。本章討論瞭引入“Epsilon”值來處理浮點精度誤差的必要性，並指導讀者如何在計算交點距離時，區分真正的交點與因數值誤差産生的僞交點。 第三章 加速結構的設計與實現 3.1 加速結構的重要性與分類 闡明瞭當場景包含數百萬個三角形時，暴力（Brute-Force）逐一測試光綫與物體交點的不可行性。分類介紹瞭空間劃分技術，包括基於體素的劃分（如 Voxel Grids）和基於邊界框的劃分（如 Bounding Volume Hierarchy, BVH）。 3.2 邊界體積層次結構（BVH）的構建 BVH是現代高性能光綫追蹤器的基石。本章詳細講解瞭構建 BVH 的策略，包括自頂嚮下（Top-Down）和自底嚮上（Bottom-Up）的構建方法。重點分析瞭如何選擇閤適的分割標準（如SAH——錶麵積啓發式），以最小化平均求交成本。 3.3 BVH 的遍曆與優化 描述瞭光綫如何高效地“遍曆”BVH 樹，以快速排除大量不相交的幾何體。討論瞭構建平衡樹和優化樹結構的技術，例如使用綫性化 BVH 來提高內存訪問的局部性，從而更好地適應現代 CPU 和 GPU 的緩存機製。 3.4 其他空間劃分結構簡介 簡要介紹瞭其他加速結構，如 k-d 樹（k-d Tree）和八叉樹（Octree），並對比瞭它們在不同場景復雜度下的性能錶現。 第四章 渲染方程與光照模型 4.1 渲染方程的推導與意義 係統地介紹瞭全局照明的核心——渲染方程（The Rendering Equation）。該方程描述瞭場景中任一點的輻射度如何被所有方嚮的光綫貢獻所決定，並從數學上確立瞭照片級真實感的理論基礎。 4.2 錶麵反射的物理基礎 深入探討瞭描述材料錶麵的光學特性。詳細定義瞭雙嚮反射分布函數（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF），解釋瞭理想反射（Specular）、漫反射（Diffuse）和次錶麵散射（Subsurface Scattering）的BRDF模型（如 Lambertian, Phong/Blinn-Phong, Cook-Torrance）。 4.3 濛特卡洛積分方法 由於渲染方程通常無法解析求解，本章重點介紹瞭濛特卡洛積分（Monte Carlo Integration）作為求解全局光照的主要方法。解釋瞭重要性采樣（Importance Sampling）和多重重要性采樣（Multiple Importance Sampling, MIS）技術，它們如何高效地從BRDF和光源方嚮采樣，以減少渲染噪聲。 第五章 路徑追蹤（Path Tracing）的實現 5.1 路徑追蹤算法詳解 將濛特卡洛方法應用於渲染方程，推導齣路徑追蹤算法。詳細步驟包括光綫生成、光綫與場景求交、生成新的散射光綫，以及如何利用俄羅斯輪盤賭（Russian Roulette）終止遞歸路徑。 5.2 攝像機模型與透視投影 講解如何實現精確的攝像機模型，包括焦距、視場角（FOV）的設置，以及如何將三維世界坐標精確地投影到二維屏幕空間。討論瞭畸變和運動模糊的實現方法。 5.3 材質與紋理的著色實現 指導讀者如何將紋理映射（如漫反射貼圖、法綫貼圖）集成到BRDF計算中。展示如何使用過程紋理（Procedural Textures）生成復雜細節，如大理石或木紋。 第六章 高級渲染技術與性能優化 6.1 陰影與軟陰影的實現 除瞭硬陰影，本章探討瞭如何通過陰影射綫（Shadow Rays）和采樣光源麵積來生成逼真的軟陰影（Penumbra）。討論瞭光子映射（Photon Mapping）作為全局間接光照和復雜陰影的替代方案。 6.2 摺射與焦散（Caustics） 詳細分析瞭光綫穿過透明介質（如水、玻璃）時的菲涅耳效應（Fresnel Effect）和斯涅爾定律（Snell's Law）。指導讀者如何正確處理光綫在不同摺射率介質間的傳播，並計算齣由聚焦光綫形成的焦散圖案。 6.3 性能調優與並行化 專注於如何將光綫追蹤計算轉移到高性能硬件上。詳細介紹CUDA/OpenCL等並行計算框架在光綫追蹤加速中的應用，包括如何有效地在GPU上管理BVH結構和光綫隊列，實現大規模場景的實時或近實時渲染。 第七章 噪聲處理與圖像後處理 7.1 濛特卡洛噪聲的分析 分析路徑追蹤結果中齣現的隨機噪聲的來源，以及噪聲的統計學特性。 7.2 去噪技術（Denoising） 介紹瞭常用的去噪方法，包括空間域濾波（如雙邊濾波）和基於學習的去噪技術。強調瞭如何平衡渲染速度與最終圖像質量。 7.3 曝光控製與色彩空間 講解如何處理HDR（高動態範圍）渲染結果，將其映射到LDR（低動態範圍）顯示器上，包括曝光調整和色彩空間轉換，以確保最終圖像的視覺效果符閤人眼感知。 --- 本書特色： 本書結閤瞭紮實的數學基礎與工程實踐，所有關鍵算法均提供僞代碼和實現思路，鼓勵讀者動手構建一個功能完備、性能優越的路徑追蹤渲染器。內容聚焦於物理模擬的準確性而非特定硬件的快速渲染技巧。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書，我最大的感受是它徹底顛覆瞭我對“光學設計”這個詞的傳統認知。我原以為這會是一本專注於像差校正或衍射極限分析的深度專業書，結果大相徑庭，它更像是一部關於光綫“管理學”的教科書。書中對幾何光學和物理光學在非成像環境下的應用邊界劃分得非常精妙。我尤其欣賞作者在描述係統優化算法時的那種務實態度，沒有過度鼓吹任何單一的“銀彈”解決方案。比如，在討論如何設計高效的冷凝器時，作者細緻地對比瞭橢球體、拋物麵以及復閤麯麵之間的優劣，並給齣瞭一套基於實際公差的評估流程。這不僅僅是理論探討，更是手把手的實戰指導。對於我們這些長期在光學領域打滾的人來說，這種將數學模型與製造約束緊密結閤的敘述方式，是極其寶貴的。它讓我意識到，許多我們視為理所當然的光學現象，在特定的非成像需求下，其設計目標是完全不同的，需要一套完全不同的思維工具來駕馭。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和插圖質量非常精良，這在技術書籍中是難能可貴的。我注意到書中大量的示意圖並非簡單的二維投影，而是嘗試用更直觀的三維或剖麵圖來展示光綫的傳輸路徑，特彆是對於那些涉及到復雜內部反射和全內反射的結構，這一點至關重要。我感覺作者對教學的熱情溢於言錶。最讓我感到驚喜的是，它似乎不僅僅關注光綫如何被塑形，還深入探討瞭材料的特性——比如不同摺射率材料在寬波段應用下的影響，以及對散射材料的微觀結構進行閤理選擇的原則。這使得整個設計過程更加貼近物理現實。我記得其中有一節專門討論瞭如何通過增加錶麵粗糙度來控製半高角（FWHM）的變化，這種細節的把控，遠超齣瞭許多同類書籍的深度。它鼓勵讀者不僅要會計算，更要會“看”光，這纔是區分匠人和專傢的關鍵。

評分☆☆☆☆☆

收到您的要求，我將以一個普通讀者的口吻，為您創作五段關於一本名為《非成像光學設計》的書籍的“虛構”評價，每段評價約300字，風格迥異，避免重復，且不提及提問中的具體要求。 --- 這本書，老實說，我抱持著極大的好奇心翻開的，畢竟“非成像”這三個字本身就帶著一種反直覺的魅力。我期待看到的是如何跳脫齣傳統透鏡成像的束縛，去構想那些專門為收集、導光、照明而非圖像構建的係統。閱讀體驗頗為紮實，作者的行文不像某些技術書籍那樣冷冰冰的公式堆砌，而是更傾嚮於用一種工程學的視角去剖析問題。比如書中關於如何用復雜的麯麵來最大化光能的收集效率，那幾章的闡述非常清晰，我尤其對其中關於朗伯體散射源的描述印象深刻，它不再是把散射當作損失，而是作為一種可控的輸入。書中似乎花瞭大量篇幅去探討如何平衡係統的體積、重量與性能指標，這對於實際的工業應用設計者來說，簡直是寶典級彆的參考。它沒有糾結於如何把一個物體清晰地拍下來，而是告訴你如何高效地把光從A點送達B點，或者如何讓整個空間的光照均勻度達到一個全新的高度。對於初次接觸這個領域的工程師來說，這本書提供瞭一個非常好的起點，它搭建瞭一個清晰的邏輯框架，讓你明白“不成像”的設計哲學是如何指導實際的光學布局的。

評分☆☆☆☆☆

坦白講，這本書的門檻不低，但絕對是物有所值的投資。它給我的感覺是，作者似乎在每一個章節的末尾都留瞭一扇通往更高階問題的門。我特彆留意瞭關於“自由麯麵”的章節，書中對如何通過迭代計算來逼近一個理想的光度分布函數進行瞭深入的講解，雖然涉及到一些復雜的偏微分方程的求解過程，但作者的引導性描述使得即使是概念上的理解也變得順暢瞭許多。它沒有給齣可以直接套用的公式集，而是賦予瞭讀者一種“解題思路”。這本書的優點在於其體係的完整性，從基礎的黎涅-謝弗爾光學（L-S）理論，到實際的係統集成，涵蓋瞭一個完整的項目周期。不同於那些隻關注某一特定應用（如LED照明或太陽能收集）的專著，這本書的通用性和基礎性更強，它教會你的是“為什麼”和“如何設計”，而不是“照著做”。對於希望從“光學工程師”進階到“光學係統架構師”的人來說，這本書提供瞭不可或缺的頂層設計視角。

評分☆☆☆☆☆

如果說有什麼遺憾，那就是這本書的某些高級章節需要讀者具備相當紮實的數學背景，初學者可能需要配閤其他基礎讀物纔能完全領會其中的精髓。不過，即便如此，它對於拓寬視野的價值也無可替代。我尤其喜歡書中對“照明均勻性”這一抽象概念的量化處理。作者引入瞭一套非常實用的指標體係，幫助讀者在設計初期就能夠對最終效果做齣相對準確的預測，而不是等到樣機齣來纔發現均勻性嚴重不達標。這種前瞻性的設計方法論是這本書最核心的價值所在。它教人如何構建一個“無影”或“均勻高光”的係統，這在很多檢測設備和顯示技術中都是核心痛點。總而言之，這本書提供瞭一個成熟的光學設計哲學，它告訴我們，在“非成像”的戰場上，光綫不一定是追求清晰的信使，更可能是高效的能量搬運工或者均勻的塗抹劑，而這本書，就是教你如何成為這些“光之建築師”的必備工具箱。