前言 为总结教学改革成果，配合新教学规划的落实，编写出新课程体系的系列教材，清华大学精密仪器与机械学系学术委员会组织相关课程的授课教师编写本科生教材。本书是该系列教材中的一本，内容主要涉及光学工程学科中的光学镜头的优化设计。
“光学透镜的设计既是科学又是艺术和技巧。它是科学，因为设计者们在用数学和科学定律(几何光学和物理光学)来度量和量化设计；它是艺术与技巧，因为各种有效结果常常取决于设计者的个人选择。如果把一个透镜设计问题交给12个不同的设计师，往往会得到12种不同的设计结果。这是因为光学透镜的设计问题与习惯的学术性问题是根本不同的。典型的教科书例题都有定义好的输入量和一个正确答案。与之相反，光学透镜设计问题通常都严重地定义不足，并且可能有许多差别很大的解。" 正因为如此，对于光学镜头设计的初学者来说，针对若干初步的设计练习题目，如果有步骤清楚、路线可行、结果可以复现的路，跟着一步一步地学走一遍，完整、清楚地了解整个设计过程，几个循环下来，可能对学习是有帮助的。更何况现代的光学镜头设计，都是在计算机上借助于光学镜头优化设计程序逐步完成的。事实上，“优化”是一个修改已有系统以提高像质的过程，缺乏过程的结果在初学者看来似乎是“来路不明”的，是难以模仿的，是难以学习的。基于这个认识，本书中的每一个设计实例都列有详细的步骤和优化设计过程，初学者可以沿着这条优化设计路线从初始结构出发得到最后的结果。
全书共5章。第1章简述光学镜头优化设计在光学设计中的地位，并简述镜头优化设计的数学原理，其目的在于使读者了解优化设计中的基本原理、思路、过程与一些应该注意之处，并介绍光学设计中的两种常用的优化方法，即阻尼最小二乘法和适应法。讲述镜头优化设计方法的数学原理、评价函数、权重因子、阻尼因子以及边界条件的含义和处理思路，主要目的是说清思想，理清思路，而不在于具体数学公式的推导与演化。
第2～4章共列有10余个光学镜头的优化设计实例。镜头不按通常的使用范畴归类划分，而是按它们的结构由简单到复杂的顺序介绍优化设计过程，这样优化设计过程的介绍大体也就按照由易到难的顺序进行了。 第2章列有激光聚焦物镜、激光扫描物镜和低倍显微物镜3个优化设计实例。其中，激光聚焦物镜给出了3个不同的初始结构，并给出了从这3个初始结构出发优化出来的4个结果及相应的优化过程；激光扫描物镜给出了两条不同的优化路线，并给出了相应的两个优化结果；低倍显微物镜的初始结构由两种不同的方法给出，一种是依据初级像差理论解出初始结构，并选择了3对玻璃分别优化设计出结果，以资比较；另一种是参考同类镜头直接选用一对玻璃，大致分配光焦度，由此给出一个初始结构送入计算机进行优化。
前言光学镜头的优化设计 第3章列有三片摄影物镜、三片数码相机物镜和大孔径望远物镜3个优化设计实例。三片摄影物镜的优化设计过程中，主线是逐步调整各个初级像差的目标值，使得初级像差与高级像差达到好的平衡，从而优化出好的结果。三片数码相机物镜的初始结构是由三片摄影物镜缩放而来的，由此带来了镜片太薄的问题。加厚镜片不是一步到位，而是分7步完成的，每一步都只增加一小点厚度接着就进行一次优化，如此经过7步才将镜片的厚度加上去。这样做是基于一个推测，即推测镜头像差与镜头结构参数以及光学特性参数之间的函数空间在相当的范围内极有可能是连续空间，在好的解附近，情况更可能是如此。这样，一些自变量的微小变化引起的像差变化，就比较容易通过其他自变量的微小变化补偿回来。大孔径望远物镜的初始结构有两个： 一个是自行构造的；另一个是参考同类物镜缩放的。通过将“双胶”结构改为“双分”结构，使得两个物镜的色球差都校正得很好，加之它们的位置色差也校正得很好；所以在像差曲线上，看它们的二级光谱像差就非常明确、清楚。
第4章列有中倍李斯特显微物镜、四片放映物镜和双高斯照相物镜3个优化设计实例。中倍李斯特显微物镜的设计采用改进了的配合法，在配合设计过程中辅以初步优化，从而省去了由中间数据手算透镜半径的过程，使得过程简单可行，因为那些中间数据一般是埋藏在光学设计程序中，通常都没有显式地输出。另外又将用配合法设计出的中倍李斯特显微物镜作进一步的优化，从而消除了像散。在经典的配合法设计中，李斯特显微物镜的像散是没有消除的；四片放映物镜的初始结构的构成思路和偏角分配数据来自王树森的“堆砌法”思想。遗憾的是，由于2007年教学备课房间的变动，使得写作本书时怎么也找不到王树森于30多年前撰写的那份打字油印的设计资料了，现在的数据来自阅读笔记。四片放映物镜的优化设计中平行使用了两个不同的评价函数，一个是自行构造的评价函数，且在优化设计的不同阶段进行逐步改造，直至优化出好的结果。另一个是直接采用程序设定的默认评价函数，同样优化出了好的结果；双高斯照相物镜从一个像质很差而且大量违反边界条件的原始结构出发，经逐步优化，得到了可与书中优化设计光学镜头例子中所用光学设计程序OSLOLT 5.4所给出的范例相比的优良结果。
第2～4章中所有的优化设计实例都使用了OSLOLT 5.4程序，这个程序采用的算法是阻尼最小二乘法。适应法也是光学优化设计程序中常常采用的主流算法，与阻尼最小二乘法一样，适应法也是一种局部优化算法。所以光学设计中的全局优化算法也就成了一个研究领域。第5章中列有一个使用适应法优化程序将C.G.Wynne 40×平场显微物镜的彗差和高级球差作了显著改进的设计实例，还列有一个使用全局优化程序设计的三片照相物镜实例。
书中优化设计光学镜头实例中所用的光学设计程序主要是OSLOLT 5.4，它是一个免费的教育版程序，它最多能算12面（物面和像面不计入总面数）以下的镜头。读者可在http://www.lambdares.com/education/oslo_edu找到免费下载的最新版，不过它们一般最多能算10面。因为新版不能计算双高斯照相物镜，而较旧的版本OSLOLT 5.4却是可以的，加之新版与旧版的核心功能差不多，所以本书采用旧版OSLOLT 5.4.
附录中P^0、Q^0表的数据摘录于《光学仪器设计手册（上册）》（国防工业出版社，1971) .
书中部分插图的绘制以及P^0、Q^0表数据的录入和校对是郭超完成的，在此致谢。
作 者2009年4月于清华大学
