●中文版序
Foreword for Chinese Version
譯者序
原書序
原書前言
本書符號表
第1章 光學和彈性理論的介紹 1
1.1 光學和望遠鏡——歷史介紹 1
1.1.1 希臘數學家和圓錐曲線論 1
1.1.2 波斯數學家和鏡子 3
1.1.3 歐洲文藝復興的結束和望遠鏡的誕生 5
1.1.4 折射望遠鏡 5
1.1.5 反射望遠鏡 13
1.2 斯涅爾（Snell）定律和玻璃的色散 25
1.3 費馬原理 27
1.4 高斯光學和共軛距離 29
1.4.1 屈光面曲率c＝1/R 31
1.4.2 折射率為n的介質中的反射鏡 33
1.4.3 組合繫統的光焦度 33
1.4.4 空氣或真空中的透鏡 34
1.4.5 無焦繫統 34
1.4.6 光瞳和主光線 34
1.4.7 口徑比或焦比 35
1.5 拉格朗日不變量 36
1.6 集光率不變量和拉格朗日不變量 37
1.6.1 拉格朗日不變量 37
1.6.2 集光率不變量 37
1.6.3 集光率和拉格朗日不變量等價 38
1.7 光學表面的解析表示 40
1.7.1 圓錐面 40
1.7.2 球面 41
1.7.3 非軸對稱表面和澤尼克多項式 41
1.8 三級像差的賽德爾（Seidel）表示 43
1.8.1 賽德爾理論 43
1.8.2 賽德爾像差模式——彈性形變模式 46
1.8.3 澤尼克rms多項式 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 不暈和阿貝正弦條件 52
1.9.3 消像散 57
1.10 佩茨瓦爾場曲和畸變 60
1.10.1 佩茨瓦爾場曲 60
1.10.2 畸變 62
1.11 衍射 63
1.11.1 衍射理論 63
1.11.2 圓孔衍射 65
1.11.3 圓環衍射 68
1.11.4 點擴散函數（PSF）和衍射像差 69
1.11.5 衍射極限條件和波前公差 69
1.12 一些成像儀器選擇 72
1.12.1 人眼 73
1.12.2 目鏡 73
1.12.3 干涉儀 74
1.12.4 日冕觀測儀 75
1.12.5 偏光計 75
1.12.6 狹縫攝譜儀 75
1.12.7 無縫光譜儀 76
1.12.8 具有狹縫或光纖的多目標光譜儀 77
1.12.9 積分視場光譜儀 78
1.12.10 背面反射鏡 81
1.12.11 視場旋轉器 82
1.12.12 光瞳旋轉器 82
1.12.13 望遠鏡視場改正器 83
1.12.14 大氣色散補償器 84
1.12.15 自適應光學 86
1.13 彈性理論 88
1.13.1 歷史介紹 88
1.13.2 各向同性材料的彈性常數 99
1.13.3 位移矢量和應變張量 100
1.13.4 應力-應變線性關繫和應變能 102
1.13.5 杆的均勻扭轉和應變分量 104
1.13.6 Love-Kirchhoff假說和薄板理論 107
1.13.7 薄板彎曲和可展面 108
1.13.8 薄板彎曲和不可展表面 112
1.13.9 等厚矩形平板的彎曲 117
1.13.10 等厚圓形板的軸對稱彎曲 119
1.13.11 圓板和各種軸對稱載荷 120
1.13.12 重力場下的平面板的變形 122
1.13.13 Saint-Venant′s原理 122
1.13.14 計算模型分析 124
1.14 主動光學 124
1.14.1 球面拋光 124
1.14.2 沒有紋波誤差的光學表面 125
1.14.3 主動光學和時間相關控制 125
1.14.4 主動光學的各個方面 126
參考文獻 127
第2章 反射光學和彈性力學-可變曲率反射鏡（VCM） 137
2.1 薄圓板和小變形理論 137
2.1.1 等厚分布板—CTD 137
2.1.2 可變厚度分布板—VTD—擺線形（Cycloid-Like Form）和郁金香形（Tulip-Like Form） 139
2.1.3 光學焦比變化 143
2.1.4 屈曲失穩 144
2.2 薄板和大變形理論—VTD 144
2.3 梅森（Mersenne）無焦雙鏡望遠鏡 149
2.4 縮束和擴束以及貓眼反射鏡—主動光學光瞳轉換152
2.5 用於干涉儀視場補償器的VCM 154
2.5.1 傅裡葉變換光譜儀 154
2.5.2 恆星干涉儀和望遠鏡陣列 155
2.6 VTD型可變曲率反射鏡的研制 157
2.6.1 彈性變形和基底材料的選擇 157
2.6.2 變焦範圍與厚度分布的選擇 158
2.6.3 邊界條件的實現 159
2.6.4 VTD方案1的設計和結果—擺線形 160
2.6.5 VTD方案2的設計和結果—郁金香形161
2.7 塑性和遲滯 161
2.7.1 應力-應變線性化與塑性補償 162
2.7.2 遲滯補償和曲率控制 164
參考文獻 166
第3章 主動光學和三級像差校正 170
3.1 等厚分布板的彈性理論—CTD類 170
3.2 可變厚度分布板的彈性理論—VTD類 170
3.3 主動光學和三級球差 175
3.3.1 CTD類板的方案（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 應用實例 183
3.4 主動光學與三級彗差 186
3.4.1 CTD方案（A1=0） 187
3.4.2 VTD類的方案 187
3.4.3 混合方案 189
3.4.4 傾斜模式平衡 190
3.4.5 光瞳和凹面鏡繫統的彗差 191
3.4.6 主動光學彗差校正實例 192
3.5 主動光學與三級像散 195
3.5.1 CTD類中的方案（A2=0） 196
3.5.2 VTD類中的方案 196
3.5.3 混合方案 198
3.5.4 曲率模式和圓柱變形之間的平衡 198
3.5.5 鏡面成像中的弧矢和子午光線 199
3.5.6 舉例—凹面鏡的非球面化 203
3.5.7 凹面衍射光柵與鞍形校正 205
3.5.8 舉例—單表面光譜儀的非球面化 208
3.5.9 單表面光譜儀的高階非球面化 209
參考文獻 210
第4章 施密特概念的望遠鏡和光譜儀的設計 212
4.1 施密特概念 212
4.1.1 雙反射鏡消像散望遠鏡類 212
4.1.2 球面鏡曲率中心處的波前分析 216
4.1.3 包含放大率M的波前方程 218
4.1.4 改正板的光學設計—序言 220
4.1.5 無窮遠物體—零光焦度區域位置 221
4.1.6 不件的光學方程 222
4.1.7 欠校正或過校正因子s 223
4.2 折射改正板望遠鏡 223
4.2.1 單塊改正板的軸外像差和色差 223
4.2.2 雙膠合消色差改正板 226
4.2.3 藍端用單塊改正板和紅端增加單中心濾光片的情況 227
4.3 全反射望遠鏡 228
4.3.1 離軸使用的共軸光學繫統 228
4.3.2 非共軸光學繫統 231
4.3.3 非共軸繫統相對共軸繫統的增益 233
4.3.4 LAMOST：一個采用主動光學技術的巨型非共軸施密特望遠鏡 233
4.4 使用非球面光柵的全反射光譜儀 235
4.4.1 反射光柵光譜儀設計的比較 235
4.4.2 衍射光柵方程 236
4.4.3 軸對稱光柵（β0=0） 237
4.4.4 雙軸對稱光柵（β0≠0） 238
4.4.5 平場全反射式非球面光柵光譜儀 239
4.4.6 全反射式非球面光柵光譜儀的實例 240
4.4.7 無中心遮攔的全反射式光譜儀 244
4.4.8 準全反射式光譜儀的優點 244
4.4.9 衍射光柵和電磁理論模型 245
4.4.10 光柵制造方法 246
4.4.11 面向大尺寸的非球面光柵 247
4.4.12 大型全反射式非球面光柵光譜儀 247
參考文獻 250
第5章 應用主動光學技術研制施密特改正板和非球面衍射光柵 256
5.1 不同類型的非球面施密特改正板 256
5.2 折射式改正板 256
5.2.1 折射式改正板的三階光學輪廓 256
5.2.2 彈性圓形等厚板 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 玻璃破裂和加載時間的依賴性 266
5.3 反射式改正板 268
5.3.1 主鏡的光學面形 268
5.3.2 k=3/2的軸對稱圓形鏡面—花瓶形 269
5.3.3 k=3/2的雙對稱圓形鏡面—MDM 271
5.3.4 k=0的雙對稱圓形鏡面—郁金香形（Tulip Form） 271
5.3.5 k=3/2的雙對稱橢圓鏡面—花瓶形-雙板 274
5.3.6 LAMOST：一種拼接的雙對稱橢圓鏡面 284
5.4 非球面反射衍射光柵 284
5.4.1 光柵非球面的主動光學復制 284
5.4.2 球面反射光柵的光學輪廓 285
5.4.3 k=3/2的軸對稱光柵和內置子母板 286
5.4.4 k=0的軸對稱光柵和圓形簡支的子母板 292
5.4.5 k=3/2時的雙對稱光柵和橢圓內置子母板 295
5.4.6 主動光學過程的結構復制條件 299
參考文獻 299
第6章 殼理論與彎月鏡，花瓶形鏡和閉合軸對稱鏡面的非球面化 302
6.1 快焦比鏡面的主動光學非球面化 302
6.2 淺球面殼理論 302
6.2.1 軸對稱載荷的平衡方程 303
6.2.2 淺球面殼的一般方程 304
6.2.3 Kelvin函數 306
6.2.4 淺球面殼的彈性與應力函數 310
6.3 可變厚度殼與連續性條件 311
6.3.1 定素的殼關繫 311
6.3.2 多種邊界條件與定厚度 312
6.3.3 可變厚度殼中的一些參量 313
6.3.4環的連續性條件 314
6.4 邊緣圓柱連接與邊界條件 316
6.4.1 三種幾何配置與邊界 316
6.4.2 彎月殼體的外邊緣圓柱 317
6.5 可變厚度花瓶形殼的定義 320
6.5.1 殼在z，r主坐標繫下的撓度表征 320
6.5.2 厚度分布的反問題 321
6.6 望遠鏡鏡面的主動光學非球面化 321
6.6.1 主動光學疊加定律 321
6.6.2 凹面鏡的拋物面化 322
6.6.3 帶中孔的拋物面凹鏡 326
6.6.4 凹球面鏡的非球面化 330
6.6.5 卡塞格林鏡（Cassegrain Mirrors）的非球面化 331
6.6.6 幾種大視場望遠鏡設計的比較 335
6.6.7 改進型Rumsey三反望遠鏡的鏡面 337
6.6.8 大型改進型Rumsey望遠鏡的鏡面非球面化 344
參考文獻 347
第7章 花瓶形和彎月形多模可變形鏡的主動光學 350
7.1 Clebsch-Seidel變形模式的相關介紹 350
7.2 花瓶形MDMs中的彈性力學 351
7.3 彎月形MDM中的彈性力學 358
7.4 退化構型和像散模態 360
7.4.1 像散模態的特殊幾何結構 360
7.4.2 單Astm3模態和退化彎月板結構 360
7.4.3 單Astm3模態和退化花瓶形 361
7.5 大型望遠鏡的彎月鏡結構拼接鏡面 362
7.5.1 離軸拋物面子鏡 363
7.5.2 二次曲面離軸拼接子鏡 366
7.5.3 Keck望遠鏡的拼接鏡面 367
7.6 反射Schmidt繫統中的花瓶式和彎月鏡式MDMs 368
7.6.1 圓形花瓶式主鏡的中心繫統 368
7.6.2 非共軸繫統和圓花瓶型主鏡 370
7.6.3 非共軸繫統和橢圓花瓶式主鏡 371
7.6.4 LAMOST的彎月形實時非球面拼接鏡面 371
7.7 液態鏡面望遠鏡中的花瓶式MDMs 372
7.7.1 LMTs的天頂觀測 372
7.7.2 LMTs的視場畸變和四透鏡校正器 374
7.7.3 用於非天頂觀測的采用MDM的LMT概念 375
7.8 MDMs作為全息光柵刻劃補償器 377
7.8.1 全息光柵校正像差 377
7.8.2 HST的COS光柵設計 378
7.8.3 用作刻劃補償器的六臂MDM的彈性力學設計 381
7.9 退化構型和三角形模式 383
7.9.1 三角形模式的特殊幾何形狀 383
7.9.2 單一Tri3模式和退化的彎月鏡 384
7.9.3 單個Tri3模式和退化的花瓶式 384
7.10 單一模態和可變形外環帶 385
7.10.1 高精度校正所需的外環帶設計 385
7.10.2 軸向厚度漸變的環帶 386
7.10.3 力作用於稜角梁的環 386
7.11 未來巨型望遠鏡和拼接鏡面非球面化 386
7.11.1 巨型望遠鏡概念的當前趨勢 386
7.11.2 拼接子鏡的主動光學非球面化 388
7.12 花瓶式和中間面 389
7.13 花瓶的形狀和Saint-Venant原理 389
參考文獻 390
第8章 望遠鏡鏡面在自重影響下撓度和形狀的控制 395
8.1 在重力作用下的望遠鏡主鏡支撐 395
8.1.1 引言 395
8.1.2 軸向與側向支撐繫統的概念 395
8.1.3 一些主鏡形狀的舉例說明 397
8.2 鏡面基底的密度與熱常數 398
8.3 大型鏡片的基底材料 400
8.4 剛度與彈性變形的判據 402
8.4.1 鏡面材料與剛度判據 403
8.4.2 鏡片材料與彈性變形判據 404
8.5 大型反射鏡在重力作用下的軸向彎曲 405
8.5.1 鏡面支撐墊的分布密度 405
8.5.2 由環形墊支撐的撓曲 405
8.5.3 支撐墊分布的密度判據——Couder定律 409
8.5.4 其他軸向彎曲特性 412
8.5.5分析 417
8.6 大型鏡面在重力作用下的側向彎曲 417
8.6.1 各種支撐力分布 417
8.6.2 側邊支撐的鏡面的彎曲 419
8.6.3 其他力的分布以及力斜面 420
8.6.4分析 422
8.7 主動光學與主動準直控制 423
8.7.1 引言與定義 423
8.7.2 單鏡面望遠鏡 424
8.7.3 拼接鏡面望遠鏡 427
8.7.4 未來極大望遠鏡的共相 430
8.8 厚度變化較大的特殊鏡片 431
8.8.1 引言-快擺鏡模式下的鏡面撓曲 431
8.8.2 支撐在其中心的平板的最小重力彎沉 431
8.8.3 穩像鏡和紅外擺鏡 435
8.8.4 輕量擺鏡的設計437
參考文獻 437
第9章 單透鏡與薄板彈性理論 444
9.1 單透鏡 444
9.1.1 球面薄透鏡的像差 444
9.1.2 具有笛卡兒卵球形面和球面的消球差透鏡 447
9.1.3 齊明無像差單透鏡 447
9.1.4 等暈單透鏡和遠瞳 450
9.1.5 三級理論中的非球面透鏡 451
9.1.6 雙透鏡繫統的光焦度 452
9.2 薄透鏡在均勻載荷作用下彈性彎曲 453
9.2.1 薄板理論的平衡方程 453
9.2.2 透鏡變形與拋物面厚度分布 454
9.2.3 撓度的多項式展開 457
9.2.4 透鏡表面的優選應力 463
9.2.5 具有特定厚度分布的透鏡 465
9.2.6 主動光學非球面化的結論 466
9.3 帶單透鏡和校正板的光譜儀 466
參考文獻 468
第10章 X射線望遠鏡和殼彈性理論 469
10.1 X射線望遠鏡 469
10.1.1 介紹三種Wolter設計形式 469
10.1.2 基本的消球差型拋物面—雙曲面（PH）望遠鏡 470
10.1.3 正弦條件和Wolter-Schwarzschild（WS）望遠鏡 472
10.1.4 像差平衡的雙雙曲面（HH）望遠鏡 475
10.1.5 像差平衡的雙橢球面（SS）望遠鏡 476
10.1.6 現有的和未來的掠入射X射線望遠鏡 477
10.2 軸對稱圓柱殼的彈性理論 478
10.2.1 X射線反射鏡和超光滑判據 478
10.2.2 薄軸對稱圓柱的彈性理論 478
10.2.3 徑向厚度分布和拋物面撓度 481
10.2.4 徑向厚度分布和4階撓度 485
10.2.5 管狀圖像傳遞的厚度分布 487
10.3 弱錐形管狀殼體的彈性理論 490
10.3.1 軸對稱殼的純拉伸撓曲情況 490
10.3.2 截頭圓錐殼的幾何形狀和圓柱撓曲 491
10.3.3 線性乘積定律—彎曲厚度關繫 492
10.4 X射線望遠鏡鏡面的主動光學非球面化 493
10.4.1 單管狀鏡面的厚度分布 493
10.4.2 大型管式望遠鏡子鏡的邊界條件 495
10.4.3 非球面化過程總結 496
參考文獻 497
人物介紹 500
首字母縮略詞 511
術語彙編 514
術語索引 523
原書作者簡介 533

本書是一本論述現代光學和主動光學理論的基礎性讀物。作者在本《天文光學和彈性理論：主動光學方法》詳盡地敘述了有關天文光學（特別是近代主動光學）的基礎理論，並就主動光學技術在天文望遠鏡實際鏡面加工和實際觀測中的應用進行了詳盡的描述。本書內容覆蓋了天文光學繫統和彈性力學相結合的問題，同時也對主動光學的理論和應用進行了論述，對這個領域已知的和近期新的內容進行了非常深入和全面的描述，對國內外采用主動光學方法的大型天文望遠鏡繫統進行了繫統性梳理和介紹。本書對在大學、天文臺和研究所從事天文光學、光學工程，特別是對天文望遠鏡研制的研究者和工程師們有重要參考價值和幫助作用，本書也可以作為相關專業博士研究生的閱讀材料。