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上篇 几何光学与光学设计 1

第一章 几何光学基本定律与成像概念 1

第一节 几何光学的基本定律和原理 1

一、光波与光线 1

二、几何光学的基本定律 2

三、费马原理 5

四、马吕斯定律 6

第二节 成像的基本概念与完善成像条件 6

一、光学系统与成像概念 6

二、完善成像条件 6

三、物、像的虚实 7

第三节 光路计算与近轴光学系统 7

一、基本概念与符号规则 8

二、实际光线的光路计算 8

三、近轴光线的光路计算 9

第四节 球面光学成像系统 10

一、单个折射面成像 10

二、球面反射镜成像 12

三、共轴球面系统 13

习题 14

第二章 理想光学系统 16

第一节 理想光学系统与共线成像理论 16

第二节 理想光学系统的基点与基面 18

一、无限远的轴上物点对应的像点F′ 18

二、无限远轴上像点对应的物点F 19

三、物方主平面与像方主平面间的关系 19

四、实际光学系统的基点位置和焦距的计算 20

第三节 理想光学系统的物像关系 21

一、图解法求像 21

二、解析法求像 22

三、由多个光组组成的理想光学系统的成像 24

四、理想光学系统两焦距之间的关系 25

第四节 理想光学系统的放大率 26

一、轴向放大率 26

二、角放大率 27

三、光学系统的节点 27

四、用平行光管测定焦距的依据 28

第五节 理想光学系统的组合 28

一、两个光组组合分析 29

二、多光组组合计算 31

三、举例 32

第六节 透镜 35

习题 37

第三章 平面与平面系统 39

第一节 平面镜成像 39

一、平面镜成像原理 39

二、平面镜旋转特性 40

三、双平面镜成像 40

第二节 平行平板 41

一、平行平板的成像特性 42

二、平行平板的等效光学系统 42

第三节 反射棱镜 43

一、反射棱镜的类型 43

二、棱镜系统的成像方向判断 47

三、反射棱镜的等效作用与展开 48

第四节 折射棱镜与光楔 50

一、折射棱镜的偏向角 50

二、光楔及其应用 52

三、棱镜色散 53

第五节 光学材料 53

一、透射材料的光学特性 53

二、反射光学材料的光学特性 54

习题 55

第四章 光学系统中的光阑与光束限制 57

第一节 光阑 57

一、孔径光阑 57

二、视场光阑 60

第二节 照相系统中的光阑 60

第三节 望远镜系统中成像光束的选择 62

第四节 显微镜系统中的光束限制与分析 65

一、简单显微镜系统中的光束限制 65

二、远心光路 65

三、场镜的应用 66

第五节 光学系统的景深 67

一、光学系统的空间像 67

二、光学系统景深的含义 68

第六节 数码照相机镜头的景深 72

习题 73

第五章 光度学和色度学基础 75

第一节 辐射量和光学量及其单位 75

一、辐射量 75

二、光学量 76

三、光学量和辐射量间的关系 77

第二节 光传播过程中光学量的变化规律 78

一、点光源在与之距离为r处的表面上形成的照度 78

二、面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度 79

三、单一介质元光管内光亮度的传递 79

四、光束经界面反射和折射后的亮度 79

五、余弦辐射体 81

第三节 成像系统像面的光照度 82

一、轴上像点的光照度 82

二、轴外像点的光照度 82

三、光通过光学系统时的能量损失 83

四、光学系统的总透射比 85

第四节 颜色的分类及颜色的表观特征 85

一、颜色及其分类 85

二、颜色的表观特征 85

第五节 颜色混合及格拉斯曼颜色混合定律 86

一、颜色混合 86

二、格拉斯曼颜色混合定律 86

第六节 颜色匹配 87

一、颜色匹配和颜色匹配实验 87

二、颜色方程式 88

三、颜色匹配实验的结论 88

第七节 色度学中的几个概念 88

一、颜色刺激 88

二、三原色 88

三、三刺激值 88

四、光谱三刺激值或颜色匹配函数 89

五、色品坐标及色品图 89

六、色度学中常用的光度学概念 89

第八节 颜色相加原理及光源色和物体色的三刺激值 91

一、颜色相加原理 91

二、光源色和物体色的三刺激值 92

第九节 CIE标准色度学系统 92

一、CIE1931标准色度学系统 92

二、CIE1964补充标准色度学系统 98

三、CIE标准照明体和标准光源 99

四、CIE关于照明和观察条件的规定 100

五、CIE色度学系统表示颜色的方法 101

第十节 均匀颜色空间及色差公式 101

一、（x，y，Y）颜色空间是非均匀颜色空间 101

二、均匀颜色空间及相应的色差公式 102

习题 104

第六章 光线的光路计算及像差理论 105

第一节 概述 105

一、基本概念 105

二、像差计算的谱线选择 106

第二节 光线的光路计算 106

一、子午面内的光线光路计算 107

二、沿轴外点主光线细光束的光路计算 109

三、计算举例 110

第三节 轴上点的球差 111

一、球差的定义和表示方法 111

二、球差的校正 113

第四节 正弦差和彗差 115

一、正弦差 115

二、彗差 117

第五节 场曲和像散 118

一、场曲与轴外球差 118

二、像散 120

第六节 畸变 121

第七节 色差 123

一、位置色差、色球差和二级光谱 123

二、倍率色差 125

第八节 像差特征曲线与分析 126

一、像差特征曲线 126

二、像差特征曲线分析 127

第九节 波像差 129

习题 131

第七章 典型光学系统 133

第一节 眼睛及其光学系统 133

一、眼睛的结构——成像光学系统 133

二、眼睛的调节及校正 133

三、眼睛——辐射接收器 135

四、眼睛的分辨率 135

五、眼睛的对准精度 136

六、眼睛的景深 136

七、双目立体视觉 137

第二节 放大镜 138

一、视觉放大率 138

二、光束限制和线视场 139

第三节 显微镜系统 140

一、显微镜的视觉放大率 140

二、显微镜的线视场 141

三、显微镜的出瞳直径 141

四、显微镜的分辨率和有效放大率 141

五、显微镜的景深 142

六、显微镜的照明方法 143

七、显微镜的物镜 145

第四节 望远镜系统 145

一、望远系统的分辨率及工作放大率 146

二、望远镜的视场 147

第五节 目镜 148

第六节 摄影系统 150

一、摄影物镜的光学特性 150

二、摄影物镜的景深 152

三、摄影物镜的类型 152

四、数码相机（digital camera） 154

第七节 投影系统 155

一、基本参数 155

二、投影物镜的结构型式 156

三、照明系统 156

第八节 变焦距光学系统 157

一、变焦距光学系统的原理 157

二、变焦距系统的变焦方程 159

三、机械补偿变焦系统 162

第九节 光学系统的外形尺寸计算 164

一、转像系统和场镜 164

二、带有对称透镜转像系统的望远镜 165

习题 169

第八章 现代光学系统 171

第一节 激光光学系统 171

一、高斯光束的特性 171

二、高斯光束的传播 172

三、高斯光束的透镜变换 173

四、高斯光束的聚焦和准直 175

第二节 傅里叶（Fourier）变换光学系统 176

一、相干光学处理系统 176

二、傅里叶变换物镜的光学设计要求及结构型式 177

第三节 扫描光学系统 178

一、扫描方程式 178

二、常用光学扫描系统 179

三、扫描物镜——fθ物镜 180

第四节 光纤光学系统 181

一、阶跃型光纤的基本原理 181

二、梯度折射率光纤 183

三、光纤束的传光、传像特性 186

四、光纤光学系统的构成 189

第五节 红外光学系统 191

一、红外光学材料 192

二、红外光学系统的探测器 193

三、红外光学系统的结构型式 193

四、红外光学系统的冷阑与冷阑效率 195

五、红外光学系统的无热化设计 196

第六节 特殊面型及特殊结构光学系统 196

一、自由曲面光学系统 196

二、折／衍混合成像光学系统 198

三、离轴反射式光学系统 200

四、微透镜及微透镜阵列 201

五、自适应光学系统 201

习题 203

第九章 光学系统的像质评价 204

第一节 瑞利判断与波前图 204

一、瑞利判断（Rayleigh Judgement） 204

二、波前图（Wavefront Map） 205

第二节 中心点亮度与能量包容图 205

一、中心点亮度（Brightness of Center Disk） 205

二、能量包容图（Encircled Energy） 205

第三节 分辨率与点扩散函数 206

一、分辨率（Resolving Power） 206

二、点扩散函数（Point Spread Function） 208

第四节 星点检测法与点列图 208

一、星点检测法（Star Test） 208

二、点列图（Spot Diagram） 209

第五节 光学传递函数评价成像质量 210

一、利用MTF曲线来评价成像质量 211

二、利用MTF曲线的积分值来评价成像质量 211

第六节 其他像质评价方法 212

一、方均根（Root－Mean－Square，RMS）统计评价 212

二、光程差曲线与光线差曲线 213

三、照度分析与光谱分析 214

四、杂散光分析 215

第七节 光学系统的像差公差 216

一、望远物镜和显微物镜的像差公差 216

二、望远目镜和显微目镜的像差公差 217

三、照相物镜的像差公差 218

习题 218

第十章 光学设计 219

第一节 PW形式的初级像差系数 219

一、PW的定义及PW形式的初级像差系数 219

二、薄透镜系统初级像差的PW表示式 221

第二节 薄透镜系统的基本像差参量 221

一、对像差参量P、W进行规化 222

二、对物体位置进行规化 222

三、规化色差系数C1 223

四、用规化像差参量P、W表示的初级像差系数 224

第三节 双胶合薄透镜组的基本像差参量与结构参数的关系 224

一、双胶合薄透镜组的独立结构参数 224

二、基本像差参量P∞、W∞和C1与结构参数的关系 225

三、P∞、W∞与玻璃材料的关系 226

四、求解双胶合薄透镜组结构参数的步骤 227

第四节 单薄透镜的P∞、W∞和C1与结构参数的关系 228

第五节 用PW方法求解初始结构参数实例 229

一、双胶合物镜的初始结构设计 229

二、双分离物镜的初始结构设计 234

第六节 光学系统的像差校正方法 236

一、系统中各光组（以至各面）的像差分布合理，尽量减小高级像差 237

二、系统的像差具有合理的匹配 237

三、改变单个面的曲率半径 237

四、整体弯曲 237

五、利用特殊位置的透镜或透镜组的像差特性 237

六、利用对称型结构的像差特性，成对地修改结构参数 238

七、增加胶合面，校正色差或单色像差 238

八、更换玻璃，校正色差或单色像差 238

九、加入无光焦度校正板 238

十、移动光阑至合适的位置 238

十一、通过拦光，改善轴外点成像质量 238

十二、加入非球面 238

第七节 光学系统的优化设计 238

一、概述 238

二、光学镜头设计中常用优化方法的数学原理 240

三、阻尼因子P、权因子μj和评价函数φ 241

四、边界条件 243

五、小结 244

第八节 ―5χ显微物镜的优化设计实例 244

一、方法1 244

二、方法2 246

第九节 He－Ne激光光束聚焦物镜优化设计实例 250

一、设计任务 250

二、镜头片数及玻璃选择的考虑和初步分析 250

三、高折射率双片透镜 252

四、小结 258

第十节 激光扫描物镜优化设计实例 258

一、设计要求 258

二、优化设计过程与结果 259

第十一节 非球面镜头优化设计实例 269

一、概述 269

二、非球面激光聚焦物镜优化设计实例 271

三、孔径角U′＝61°、后工作距ι′≥120mm的非球面聚光镜的优化设计 275

习题 285

上篇习题参考答案 287

上篇主要参考文献 290

下篇 物理光学 291

第十一章 光的电磁理论基础 291

第一节 光的电磁波性质 291

一、电磁场的波动性 291

二、平面电磁波及其性质 294

三、球面波和柱面波 297

四、光波的辐射和辐射能 298

第二节 光在电介质界面上的反射和折射 300

一、电磁场的连续条件 300

二、光在两电介质分界面上的反射定律和折射定律 301

三、菲涅耳公式 302

四、反射和折射时的振幅关系 304

五、相位变化 305

六、反射比和透射比 306

七、反射和折射时的偏振特性 307

八、全反射 309

第三节 光在金属表面的反射和透射 313

一、金属中的光波 313

二、金属表面的反射 314

第四节 光的吸收、色散和散射 316

一、光的吸收 316

二、光的色散 318

三、光的散射 321

第五节 光波的叠加 323

一、波的叠加原理 323

二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加 324

三、驻波 326

四、两个频率相同、振动方向互相垂直的单色光波的叠加 327

五、两个不同频率的单色光波的叠加 330

第六节 光波的傅里叶分析 332

一、非简谐周期波的傅里叶级数表示 332

二、非周期波的傅里叶积分表示 334

三、实际光源发出的光波的分析 335

习题 337

第十二章 光的干涉和干涉系统 340

第一节 光波干涉的条件 340

第二节 杨氏干涉实验 342

一、杨氏干涉条纹的分析 342

二、两个单色相干点源在空间形成的干涉场 344

第三节 干涉条纹的可见度 344

一、干涉条纹可见度的定义 345

二、影响条纹可见度的因素 345

第四节 平板的双光束干涉 349

一、干涉条纹的定域 349

二、平行平板产生的等倾干涉 349

三、楔形平板产生的等厚干涉 352

四、斐索干涉仪和迈克耳逊干涉仪 354

第五节 平行平板的多光束干涉及其应用 357

一、平行平板的多光束干涉 357

二、法布里－珀罗干涉仪 359

三、光学薄膜与干涉滤光片 362

第六节 现代干涉技术和干涉系统 367

一、外差干涉和泰曼－格林系统 368

二、剪切干涉和马赫－曾德系统 369

三、傅里叶变换光谱仪 371

四、用于制作光学元件的干涉系统 372

习题 373

第十三章 光的衍射 378

第一节 光波衍射的基本理论 378

一、光的衍射现象 378

二、惠更斯－菲涅耳原理 379

三、菲涅耳－基尔霍夫衍射公式 380

四、巴比涅原理 381

五、基尔霍夫衍射公式的近似 382

第二节 菲涅耳衍射 384

一、菲涅耳波带法 384

二、菲涅耳圆孔衍射 386

三、菲涅耳圆屏衍射 386

四、菲涅耳波带片（菲涅耳透镜） 386

五、泰伯（Talbot）效应 389

第三节 典型孔径的夫琅和费衍射 390

一、夫琅和费衍射公式的意义 391

二、矩孔衍射 392

三、单缝衍射 394

四、圆孔的夫琅和费衍射 395

第四节 光学成像系统的衍射和分辨本领 397

一、成像系统的衍射现象 397

二、在像面观察的夫琅和费衍射 398

三、成像系统的分辨率 399

第五节 多缝的夫琅和费衍射 401

一、多缝衍射的强度分布公式 401

二、多缝衍射图样特特征 402

第六节 衍射光栅 403

一、光栅的分光性能 404

二、正弦（振幅）光栅 406

三、闪耀光栅 408

四、阶梯光栅 409

五、体光栅 410

第七节 二元光学元件 412

一、二元光学概述 412

二、二元光学元件的结构、特性与制造 412

三、二元光学元件应用举例 416

习题 416

第十四章 傅里叶光学 421

第一节 平面波的复振幅分布和空间频率 421

一、光场中任一平面上的复振幅分布 421

二、复振幅分布的空间频率及物理意义 422

第二节 复杂复振幅分布及其分解 423

一、单色波场中复杂的复振幅分布 423

二、复杂复振幅分布的分解 425

第三节 光波衍射的傅里叶分析方法 425

一、夫琅和费衍射与傅里叶变换的关系 426

二、夫琅和费衍射图样的特点 427

三、夫琅和费衍射的傅里叶变换处理实例 428

四、菲涅耳衍射的傅里叶变换处理 433

第四节 透镜的傅里叶变换性质和成像性质 433

一、透镜的透射函数 434

二、透镜的傅里叶变换性质 434

三、透镜的成像性质 436

第五节 相干成像系统分析及相干传递函数 437

一、成像系统的普遍模型 438

二、成像系统的线性和空间不变性 438

三、扩展物体的成像 439

四、相干传递函数（CTF） 439

第六节 非相干成像系统分析及光学传递函数 442

一、非相干系统的成像 442

二、光学传递函数（OTF） 443

三、OTF与CTF的关系 444

四、衍射受限系统的OTF 445

第七节 阿贝成像理论与波特实验 447

一、阿贝成像理论 447

二、波特实验 449

第八节 光学信息处理 451

一、相干光学信息处理 452

二、非相干光学处理 456

三、白光信息处理 458

第九节 全息术 459

一、全息术的原理 460

二、基元全息图 461

三、全息术的特点 464

四、全息术的应用 464

习题 468

第十五章 光的偏振和晶体光学基础 471

第一节 偏振光概述 471

一、偏振光和自然光 471

二、产生线偏振光的方法 471

三、马吕斯定律和消光比 473

第二节 光在晶体中的传播 473

一、晶体的双折射现象 473

二、晶体的各向异性和介电张量 474

三、单色平面波在晶体中的传播 475

第三节 晶体光学性质的几何表示 478

一、折射率椭球 478

二、法线面、光线面和波矢面 479

三、单轴晶体光学性质的几何表示 481

第四节 光波在晶体表面的折射和反射 484

一、光在晶体表面的折射定律和反射定律 484

二、光在单轴晶体中传播方向的确定 484

第五节 晶体偏振器件 489

一、偏振棱镜 489

二、波片 491

三、补偿器 492

四、退偏器 493

第六节 偏振的矩阵表示 494

一、偏振光的琼斯矢量表示 494

二、正交偏振 496

三、偏振器件的琼斯矩阵表示 496

第七节 偏振光的变换和测定 499

一、偏振光的变换 499

二、偏振光的测定 500

第八节 偏振光的干涉 502

一、平行偏振光的干涉 503

二、会聚偏振光的干涉 506

三、偏光干涉仪 507

第九节 磁光、电光和声光效应 509

一、旋光现象和磁致旋光效应 510

二、电光效应 514

三、声光效应 520

第十节 液晶 523

一、液晶的光学各向异性性质 523

二、液晶的电光效应 525

三、液晶的应用 527

习题 529

第十六章 导波光学基础 533

第一节 光在平板波导中的传播 533

一、平板光波导的射线理论 533

二、平板光波导的波动理论 536

三、耦合模理论 538

第二节 光在光纤中的传播 540

一、光纤的结构特性 540

二、阶跃光纤的射线理论 541

三、阶跃光纤的模式理论 543

四、光纤的传输损耗与色散 545

第三节 导波光学的应用 546

一、导波光学的典型器件与应用 546

二、光纤的应用 547

习题 549

第十七章 光子学基础 550

第一节 光的量子性 550

一、光电效应与爱因斯坦光子学说 550

二、光的波粒二象性 552

第二节 光谐振腔的辐射模 552

一、谐振腔及其特性 552

二、腔模 553

第三节 光子的特性 555

一、光子的能量 555

二、光子的定位 556

三、光子的动量 556

四、光子的偏振 556

五、光子的自旋 557

第四节 光子流 558

一、光子简并度 558

二、平均光子通量 558

三、光子通量的随机性 559

四、光子数的统计分布 560

第五节 光的量子态 561

一、光的量子态及其描述 561

二、相干态光 563

三、压缩态光 564

第六节 应用举例 565

一、量子保密通信 565

二、光子晶体激光器和光子晶体滤波器 566

三、光子学的应用前景 568

习题 569

下篇附录 570

附录A 矢量分析及场论的主要公式 570

附录B 二维傅里叶变换关系及其基本定理 571

附录C 几个常用函数的定义及傅里叶变换 572

附录D 卷积和相关 574

附录E δ函数 575

附录F 贝塞尔函数 578

附录G 矩阵 580

下篇习题参考答案 583

下篇主要参考文献 589