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绪论 1

第一篇 几何光学的基本概念与成像理论 1

第1章 几何光学基本定律与成像基本概念 2

1.1几何光学的基本概念 2

1.1.1光波 2

1.1.2光源（发光体,发光点） 2

1.1.3波面 3

1.1.4光线 4

1.1.5光束 4

1.2光的传播规律一几何光学的基本定律 5

1.2.1光的直线传播定律 5

1.2.2光的独立传播定律 5

1.2.3反射定律与折射定律 6

1.2.4折射率 8

1.2.5反射光与折射光的能量分布 10

1.2.6全反射（完全内反射）及其应用 11

1.2.7光路的可逆原理 13

1.2.8光线在折射率连续变化的非均匀介质中的传播规律 13

1.3费马原理（*） 15

1.4马吕斯定律 18

1.5光学系统及成像的基本概念 18

1.5.1光学系统的基本概念 18

1.5.2成像的基本概念 19

习题1 21

思考题1 21

第2章 共轴球面系统的成像理论 22

2.1子午面内实际光线经共轴球面系统折射的光路计算公式 23

2.1.1符号规则 23

2.1.2实际光线经（单折射）球面折射的光路计算公式 24

2.1.3实际光线经共轴球面系统的光路计算公式 26

2.1.4轴上单色物点经单折射球面成像性质的分析 27

2.2单折射球面的近轴光路计算公式与近轴成像规律 31

2.2.1单个折射球面的近轴光路计算公式 31

2.2.2单折射球面的近轴成像规律 34

2.3共轴球面系统的近轴像面位置与放大率的计算 39

2.3.1共轴球面系统近轴区的转面过渡公式组 39

2.3.2共轴球面系统近轴像面位置的计算 40

2.3.3共轴球面系统近轴区的拉一赫不变式与放大率计算 41

2.4球面反射镜的成像规律 42

2.4.1球面反射镜的物像位置关系式 42

2.4.2球面反射镜的成像放大率与拉一赫不变式 43

2.4.3球面反射镜的应用 44

习题2 44

思考题2 45

第3章 理想光学系统的成像理论 46

3.1理想光学系统与“共线成像”的基本概念 46

3.2共轴理想光学系统的基点、基面与焦距 47

3.2.1主面和主点 47

3.2.2焦点和焦面 48

3.2.3焦距 49

3.2.4节点、节面 49

3.3理想光学系统物像间的解析关系 51

3.3.1决定光学系统物像共轭点位置的基本公式 52

3.3.2理想光学系统拉…赫不变式与系统物方、像方的焦距比 54

3.3.3理想光学系统的诸放大率及其相互关系 55

3.3.4光束的会聚度与光学系统的光焦度、屈光度 59

3.4理想光学系统的图解求像方法 61

3.4.1光线描迹图解法 61

3.4.2直角坐标图解法（*） 65

3.5理想光学系统的物像关系特性曲线 69

3.5.1物像位置共轭特性曲线 69

3.5.2放大率特性曲线 71

3.6光学系统的基本类型 72

3.6.1焦距f和f具有相反符号的系统—第一型系统 73

3.6.2焦距…f和f具有相同符号的系统—第二型系统 73

3.7理想光学系统的组合 74

3.8透镜 80

3.8.1单折射球面的基点、基面位置与焦距 80

3.8.2透镜（厚透镜）的基点位置与焦距计算公式 81

3.8.3薄透镜与薄透镜组 87

3.9理想光学系统共轴多光组复合的实用方法 90

3.9.1正切计算法 90

3.9.2截距计算法 92

3.10实际光学系统基点位置和焦距的计算 93

3.10.1求像方基点位置与焦距—正向光路计算 94

3.10.2求物方基点位置与焦距—反向光路计算 95

习题3 96

思考题3 100

第4章 矩阵方法在近轴光学中的应用（*★） 101

4.1共轴球面系统的作用矩阵 102

4.1.1折射矩阵 102

4.1.2传递矩阵 103

4.1.3共轴球面系统的作用矩阵 104

4.2共轴球面系统的物像关系矩阵 106

4.3矩阵方法在薄透镜系统中的应用 112

习题4 114

第5章 平面元件与棱镜系统 115

5.1平面折射与平行平板玻璃的成像性质 115

5.1.1光线经过平面的折射 115

5.1.2光线经平行平板玻璃的折射 116

5.1.3平行平板璃的“等效空气层…概念 118

5.2折射棱镜 120

5.3楔镜 125

5.4平面反射镜与平面镜系统 127

5.4.1平面镜的成像特性 128

5.4.2平面镜的旋转效应 129

5.4.3两面角镜的成像特性 130

5.5反射棱镜 131

5.5.1反射棱镜的基本概念 131

5.5.2反射被镜的视场角 134

5.5.3平面反射系统的转像规律分析 135

5.5.4反射棱镜的展开及其理论结构尺寸的计算 141

5.5.5棱镜的偏差 147

5.6光学铰链 150

5.7矢量计算方法在平面镜系中的应用（★） 152

5.7.1矢量形式的反射定律 153

5.7.2矢量形式的折射定律 155

5.7.3矢量绕定轴转动公式 156

58平面反射系统中物像关系的矩阵表示方法（★） 160

习题5 167

第6章 眼睛与典型目视光学系统的工作原理 169

6.1眼睛 169

6.1.1眼睛的构造和主要光学常数 169

6.1.2模型眼与简化眼 172

6.1.3眼睛的主要特性 172

6.2放大镜和显微镜系统的工作原理 184

6.2.1放大镜的工作原理 184

6.2.2显微镜的工作原理 186

6.3望远系统的工作原理 188

6.3.1望远系统的工作原理与主要性质 188

6.3.2望远系统的视角放大率 191

6.3.3望远（镜）系统的基本类型 192

6.4目视光学仪器的视度调节 194

6.5理想光学系统的分辨率 196

习题6 198

第7章 光学系统中光束的限制 199

7.1实际光学系统中的光阑及其作用 199

7.2.光学系统的孔径光阑、人射光瞳和出射光瞳 200

7.3视场光阑、窗以及渐晕的概念 202

7.3.1视场光阑、人射窗和出射窗 202

7.3.2渐晕 203

7.4光阑设置的原则和几种典型系统光束限制的分析 207

7.4.1光阑设置的原则 207

7.4.2几种典型系统的光阑设置与光束限制 208

7.5远心光路（焦阑光路）（*） 211

7.5.1物方远心光路 211

7.5.2像方远心光路 212

7.6场镜 213

7.7物空间在平面上成像的清晰深度—光学系统的景深 215

7.7.1照相物镜 216

7.7.2望远系统 219

习题7 220

第二篇 光度学与色度学基础 222

第8章 光度学的基本概念与光学系统中光能损失的计算 223

8.1光能与光度学的基本概念 223

8.1.1立体角的概念与计算 224

8.1.2辐［射能]通量、光谱光视效率（视见函数）与光通量 225

8.1.3发光强度 230

8.1.4[光」照度 233

8.1.5光出射度 235

8.1.6[光]亮度 236

8.1.7光度学各主要光度量名称、单位及其换算关系 240

8.2光学系统中光通量与光亮度的传递（ 243

8.2.1光束在均匀透明的同种介质中的传播 244

8.2.2光束在介质分界面折射、反射后…光亮度的变化规律 244

8.3光学系统中光能损失的计算 246

8.3.1光学系统中光能损失的分析与计算 246

8.3.2光学系统透过率的计算 250

8.4像平面的照度 251

8.4.1轴上像点照度公式 251

8.4.2轴外像点的照度公式 252

8.5眼睛直接观察与通过仪器观察时像的主观亮度 254

8.5.1眼睛直接观察物体时像的主观亮度 254

8.5.2通过仪器观察时像的主观亮度 255

习题8 258

第9章色度学基础（★） 260

9.1颜色视觉与色度学的基本概念 260

9.1.1人眼的颜色视觉特性 260

9.1.2颜色的分类与彩色的三特性 263

9.1.3颜色的混合与匹配 265

9.2标准色度系统与色度计算 271

9.2.1CIE1931.RGB色度系统 271

9.2.2CIE1931标准色度系统 273

9.2.3CIE1964补充标准色度系统 279

9.2.4均匀色品图及均匀颜色空间 281

9.2.5CIE标准施照体与标准光源 284

9.2.6CIE色度计算举例 287

第三篇典型与实用光学系统 298

第10章望远镜与望远系统外形尺寸计算 299

10.1望远镜中的转像系统 299

10.1.1棱镜式转像系统 299

10.1.2透镜转像系统 300

10.2望远镜的变倍—可变放大率的望远镜 301

10.2.1间断变倍望远系统 302

10.2.2连续变倍望远系统 304

10.3望远系统的调焦方式内调焦望远镜 305

10.3.1外调焦系统 305

10.3.2内调焦系统—内调焦望远镜 306

10.4光学测距原理与系统（★） 308

10.4.1单眼（合像）测距仪 308

10.4.2双眼体视测距仪 310

10.5望远（镜）系统的光学性能与技术要求 312

10.5.1分辨率a 313

10.5.2视放大率T 314

10.5.3视场角2ω 315

10.5.4出瞳直径D 315

10.5.5出瞳距离l 316

10.6望远系统的物镜和目镜 316

10.6.1望远物镜的光学特性和类型 316

10.6.2望远系统目镜的特点及常用类型 318

10.7望远系统的外形尺寸计算 319

10.7.1光学系统外形尺寸计算的主要任务与内容 319

10.7.2望远系统的外形尺寸计算举例 321

第11章 显微镜 330

11.1概述 330

11.2显微镜光学系统的基本组成与光学连接尺寸 330

11.2.1显微镜光学系统的基本组成 330

11.2.2显微镜的光学连接尺寸 331

11.3显微镜的光学特性与主要光学性能指标（*） 333

11.3.1显微镜的光束限制结构特点 333

11.3.2显微镜的视场光阑和视场 334

11.3.3显微镜的分辨率 335

11.3.4显微镜的放大倍率及适用放大倍率 337

11.3.5显微镜的成像深度（景深） 339

11.4显微镜的物镜和目镜（*） 342

11.4.1显微物镜 342

11.4.2显微目镜 346

11.5显微镜的照明系统（*） 348

11.5.1对照明系统的要求 348

11.5.2主要的照明方式与照明系统 349

第12章 照相与投影系统 357

12.1照相机的工作原理 357

12.2照相物镜的主要性能与基本类型 358

12.2.1照相物镜的主要性能 358

12.2.2照相物镜的基本类型 362

12.2.3变焦距照相物镜（*） 365

12.3照相机的分类和基本结构（★） 368

12.3. 1照相机的分类 368

12.3.2传统胶片式单反照相机的基本结构 369

12.3.3数码照相机的原理、主要性能参数及特点 370

12.4放映投影系统的工作原理及其类别 374

12.5投影系统与投影物镜的主要光学性能参数 376

12.6微显示投影机（★） 378

第13章 纤维光学与光纤传像系统（*★） 385

13.1阶跃光纤的传光机理与主要性能参数（*） 386

13.1.1阶跃光纤中光波传播规律分析—表面波机理 386

13.1.2光在阶跃直圆柱光纤中的传播规律及主要性能参数 389

13.2阶跃多模光纤与单模光纤 396

13.2.1阶跃多模光纤传输的模式与归一化波导常数V 396

13.2.2单模光纤 398

13.3渐变折射率光纤的传光机理与自聚焦透镜的成像特性 400

13.3.1非均匀介质中的光线理论—程函方程与光线微分方程 401

13.3.2平方律分布的自聚焦光纤中的光线传播轨迹与规律分析 402

13.3.3自聚焦透镜的成像规律—近轴成像 406

13.4光纤传像原理、器件与系统 410

13.4.1光纤传像束的传像机理与主要性能指标 410

13.4.2光纤传像系统（光纤望远系统，光纤内窥镜 415

第四篇 光学系统的像质评价与 421

应用ZEMAX软件进行光学设计的基本方法（★） 421

第14章 光学系统的像质评价 422

14.1用几何像差表征光学系统像质的基本概念与方法 422

14.1.1轴上点的光束结构与像差 423

14.1.2轴外点的子午与弧矢光束结构与像差表示 426

14.1.3垂轴几何像差 433

14.2几何点列图的像质评价方法 435

14.3光学系统成像质量的波像差表示与瑞利判据 437

14.4基于点扩散函数的空域像质评价方法（中心点亮度）与斯特列尔准则 438

14.5光学传递函数评价像质的基本概念 442

14.6典型光学系统成像质量评价与指标 444

14.6.1望远镜与显微镜成像质量评价 445

14.6.2照相系统与摄影物镜像质评价 448

14.7ZEMAX中的像质评价方法 450

第15章应用ZEMAX的光学自动设计原理与方法 455

15.1光学自动设计基本概念 455

15.1.1光学自动设计基本原理 455

15.1.2阻尼最小二乘法 458

15.1.3评价函数的构成与权因子 460

15.2ZEMAX评价函数 461

15.2.1ZEMAX评价函数的构建 461

15.2.2ZEMAX评价函数中的操作符 463

15.2.3默认评价函数 474

15.3常用几何像差控制在评价函数中的实现 479

15.3.1ZEMAX中内建几何像差控制符与特点 479

15.3.2评价函数中常用独立几何像差复合控制操作符的构建 480

15.4利用ZEMAX像质优化与设计举例 486

15.4.1消色差双胶合望远镜物镜设计 486

15.4.2光路中有棱镜的望远物镜设计 493

15.4.3显微物镜设计 497

15.4.4目镜设计 504

15.4.5变焦物镜设计 510

参考文献 516