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上篇 几何光学1

第1章 几何光学的基本定律与成像概念1

1.1 基本概念1

1.2 几何光学的基本定律2

1.2.1 几何光学的基本定律2

1.2.2 全反射3

1.2.3 光路的可逆性原理3

1.3 费马原理4

1.4 物、像的基本概念与完善成像条件6

1.4.1 光学系统的基本概念6

1.4.2 物和像的概念6

1.4.3 完善成像条件7

习题9

第2章 球面和球面系统10

2.1 光线经单个折射球面的折射10

2.1.1 符号规则10

2.1.2 光线经单个折射球面的实际光路的计算公式11

2.1.3 光线经单个折射球面近轴光路的计算公式12

2.2 单个折射球面成像放大率及拉赫不变量13

2.2.1 垂轴放大率13

2.2.2 轴向放大率13

2.2.3 角放大率14

2.2.4 三个放大率之间的关系15

2.2.5 拉赫不变量J15

2.3 共轴球面系统15

2.3.1 转面公式15

2.3.2 共轴球面系统的拉赫公式16

2.3.3 共轴球面系统的放大率公式17

2.4 球面反射镜17

2.4.1 反射球面镜的物像位置公式17

2.4.2 反射球面镜的成像放大率17

2.4.3 反射球面镜的拉赫不变量18

习题18

第3章 理想光学系统19

3.1 理想光学系统的基本特性19

3.2 理想光学系统的基点和基面20

3.3 理想光学系统的物像关系式21

3.3.1 牛顿公式21

3.3.2 高斯公式22

3.4 理想光学系统两焦距之间的关系及拉赫公式22

3.4.1 理想光学系统两焦距之间的关系22

3.4.2 理想光学系统的拉赫公式23

3.5 理想光学系统的放大率23

3.5.1 垂轴放大率23

3.5.2 轴向放大率24

3.5.3 角放大率25

3.5.4 三放大率之间的关系25

3.6 光学系统的节点和节平面25

3.7 光学系统的图解求像27

3.8 光学系统的光焦度29

3.9 理想光学系统的组合30

3.9.1 双光组组合30

3.9.2 多光组组合32

3.10 望远镜系统34

3.11 透镜与薄透镜36

3.11.1 单个折射球面的基点和基面36

3.11.2 透镜的基点和基面37

3.11.3 薄透镜40

3.11.4 实际的光学系统基本量的计算41

习题42

第4章 平面与平面系统43

4.1 平面反射镜43

4.1.1 单平面镜成像43

4.1.2 双平面镜44

4.2 平行平板45

4.3 反射棱镜47

4.3.1 反射棱镜的分类47

4.3.2 反射棱镜的展开50

4.3.3 反射棱镜成像方向的判定51

4.4 折射棱镜51

4.5 光楔53

习题54

第5章 光学系统中的光束限制55

5.1 光阑及其作用55

5.2 孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳56

5.3 视场光阑、入射窗和出射窗57

5.4 光学系统的景深59

5.5 远心光路63

习题64

第6章 光度学和色度学基础65

6.1 光度学的基础知识65

6.1.1 光通量65

6.1.2 发光强度67

6.1.3 光照度和光出射度68

6.1.4 光亮度70

6.2 光传播过程中光学量的变化规律71

6.2.1 在同一介质的元光管中光通量和光亮度的传递71

6.2.2 光束经界面反射和折射后的光通量和光亮度的传递72

6.2.3 成像系统像面的光照度73

6.3 光通过光学系统时的能量损失75

6.4 色度学的基础77

6.4.1 颜色的视觉77

6.4.2 颜色匹配实验和颜色的表示方法79

6.4.3 CIE标准照明体和标准光源86

习题87

第7章 光线的光路计算88

7.1 概述88

7.2 光线的光路计算88

7.2.1 子午面内的光线光路计算89

7.2.2 轴上点远轴光线的光路计算90

7.2.3 轴外点子午面内远轴光线的光路计算91

7.2.4 光线经过平面时的光路计算92

7.2.5 沿轴外点主光线细光束的光路计算94

习题95

第8章 光学系统的像差96

8.1 轴上点的球差96

8.1.1 球差概述96

8.1.2 光学系统的球差分布公式98

8.1.3 单个折射球面的球差分布系数，不晕点101

8.1.4 单个折射球面产生的球差正负和物体位置的关系102

8.1.5 初级球差104

8.1.6 薄透镜和薄透镜系统的初级球差105

8.1.7 平行平板的球差107

8.2 正弦差和彗差108

8.2.1 正弦条件和赫歇尔条件108

8.2.2 等晕成像和等晕条件110

8.2.3 正弦差的分布113

8.2.4 薄透镜和薄透镜系统的初级正弦差114

8.2.5 彗差概述115

8.2.6 光学系统结构形式对彗差的影响117

8.3 像散与像面弯曲（场曲）119

8.3.1 像散119

8.3.2 像面弯曲（场曲）和轴外球差120

8.4 畸变124

8.5 色差125

8.5.1 位置色差、色球差和二级光谱126

8.5.2 倍率色差128

习题129

第9章 典型光学系统131

9.1 眼睛的构造及光学特性131

9.1.1 眼睛的构造131

9.1.2 眼睛的调节和适应132

9.1.3 眼睛的缺陷和校正133

9.1.4 眼睛的分辨率和瞄准精度134

9.1.5 双目立体视觉135

9.2 放大镜137

9.2.1 放大镜的放大率137

9.2.2 放大镜的光束限制和视场138

9.3 显微镜系统139

9.3.1 显微镜的基本原理139

9.3.2 显微镜的放大率139

9.3.3 显微镜的结构140

9.3.4 显微镜的光束限制141

9.3.5 显微镜的景深143

9.3.6 显微镜的分辨率和有效放大率145

9.3.7 显微物镜145

9.3.8 显微镜的照明系统148

9.4 望远镜系统149

9.4.1 望远镜的一般特性149

9.4.2 望远镜系统的结构形式150

9.4.3 望远镜系统的视觉放大率150

9.4.4 望远镜系统的分辨率和工作放大率151

9.4.5 望远镜系统的主观亮度151

9.4.6 望远镜的光束限制153

9.4.7 望远物镜155

9.4.8 目镜159

9.5 摄影系统164

9.5.1 摄影系统的光学特性164

9.5.2 摄影镜头169

9.5.3 放映和投影镜头176

9.5.4 放映和投影系统的照明181

9.6 光学系统的外形尺寸计算183

9.6.1 转像系统和场镜184

9.6.2 带有对称透镜转像系统的望远镜185

习题187

下篇 波动光学188

第10章 波动光学通论188

10.1 波的概念与光的电磁理论基础188

10.1.1 波的概念188

10.1.2 光的电磁理论基础189

10.2 波的数学描述195

10.2.1 波的实数表示与时空周期性195

10.2.2 波的复数表示与复振幅202

10.2.3 波的矢量表示205

10.3 波的叠加206

10.3.1 波的独立传播原理与叠加原理206

10.3.2 同频率简谐波叠加的一般分析及干涉概念207

10.3.3 两列同频率、同向振动的平面波的叠加208

10.3.4 两列同频率、同向振动、反向传播的平面波的叠加——光驻波211

10.3.5 两列同频率、振动方向互相垂直、同向传播的平面波的叠加——椭圆偏振光的形成及特征213

10.3.6 两列频率相近、同向振动、同向传播的平面波的叠加——光学拍217

10.4 光的偏振态219

10.4.1 完全偏振光——线偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光220

10.4.2 非偏振光——自然光221

10.4.3 部分偏振光及偏振度222

10.4.4 偏振片及其光强响应223

10.5 波的傅里叶分析及时空域中的反比关系226

10.5.1 傅里叶分析226

10.5.2 波在空域和时域中的反比关系229

10.6 光在两种各向同性介质界面的反射与折射231

10.6.1 电磁场的连续条件与反射和折射定律232

10.6.2 反射与折射时光的振幅比——菲涅耳公式233

10.6.3 反射与折射时光的能流比与光强比236

10.6.4 反射光与折射光的相位变化239

10.6.5 反射光与折射光的偏振态242

10.6.6 全反射与倏逝波244

习题248

第11章 光的干涉理论及其应用250

11.1 双光束干涉的一般理论250

11.1.1 产生光波干涉的条件250

11.1.2 双光束干涉的一般理论252

11.2 分波面双光束干涉装置与杨氏实验257

11.2.1 分波面双光束干涉258

11.2.2 分波面双光束干涉的其他实验装置260

11.2.3 干涉条纹清晰程度的影响因素264

11.3 分振幅双光束干涉269

11.3.1 平板分振幅干涉270

11.3.2 等倾干涉271

11.3.3 等厚干涉274

11.4 双光束干涉仪279

11.4.1 迈克尔逊干涉仪279

11.4.2 斐索干涉仪283

11.4.3 马赫-曾德尔干涉仪284

11.4.4 赛格纳克干涉仪285

11.5 平行平板的多光束干涉287

11.5.1 多束光干涉的光强分布288

11.5.2 多光束干涉仪292

11.5.3 多光束干涉的应用295

11.6 薄膜光学简介297

11.6.1 单层光学膜298

11.6.2 多层光学膜301

习题304

第12章 光的衍射理论及其应用307

12.1 衍射的基本原理及分类307

12.1.1 衍射现象概述307

12.1.2 惠更斯-菲涅耳原理及平面屏衍射理论308

12.1.3 衍射问题的近似处理及分类312

12.2 菲涅耳衍射315

12.2.1 菲涅耳衍射的分析方法315

12.2.2 圆孔、圆屏及某些环扇形孔径的衍射318

12.2.3 菲涅耳波带片322

12.3 矩孔和单缝的夫琅和费衍射326

12.3.1 夫琅和费衍射装置326

12.3.2 夫琅和费衍射公式的意义326

12.3.3 矩孔衍射329

12.3.4 单缝衍射331

12.4 圆孔夫琅和费衍射与光学仪器分辨率333

12.4.1 夫琅和费圆孔衍射333

12.4.2 光学成像系统的衍射和分辨本领335

12.5 夫琅和费双缝和多缝衍射340

12.5.1 双缝衍射光强的计算340

12.5.2 多缝的干涉和衍射342

12.6 衍射光栅与光栅光谱仪345

12.6.1 平面衍射光栅345

12.6.2 闪耀光栅348

12.6.3 光栅光谱仪351

12.7 夫琅和费衍射的一般性质及其他孔径的衍射352

12.7.1 夫琅和费衍射的一般性质352

12.7.2 某些其他孔径的夫琅和费衍射353

12.8 全息技术354

12.8.1 全息原理和全息图种类354

12.8.2 全息技术应用举例357

12.9 傅里叶光学359

12.9.1 概述359

12.9.2 薄透镜的傅里叶变换性质359

12.9.3 光学傅里叶变换361

12.9.4 光信息处理及其应用363

12.10 二元光学364

12.10.1 概述364

12.10.2 二元光学的特点365

12.10.3 二元光学器件的制作366

12.10.4 二元光学的应用366

12.11 近场光学368

12.11.1 概述368

12.11.2 近场光学原理369

12.11.3 近场光学应用举例370

习题370

第13章 光在晶体中的传播372

13.1 平面光波在晶体中的传播特性372

13.1.1 晶体双折射372

13.1.2 平面光波在晶体中的传播特性374

13.1.3 单轴晶体中的波面——惠更斯假设384

13.1.4 平面波在单轴晶体内的传播——惠更斯作图法385

13.1.5 单轴晶体中的光路计算387

13.2 晶体光学器件 偏振光的检验388

13.2.1 晶体光学器件388

13.2.2 偏振光的检验397

13.3 偏振光的干涉400

13.3.1 平行偏振光的干涉400

13.3.2 会聚偏振光的干涉403

13.4 偏振态及其变换的矩阵描述405

13.4.1 偏振态的表示——琼斯矢量406

13.4.2 正交偏振407

13.4.3 偏振器件的表示——琼斯矩阵408

13.4.4 利用琼斯矢量和琼斯矩阵的运算411

13.5 晶体的磁光、电光和声光效应412

13.5.1 旋光和磁光效应412

13.5.2 电光效应416

13.5.3 声光效应421

13.6 偏振光仪器425

13.6.1 旋光仪425

13.6.2 椭偏仪426

13.6.3 光测弹性仪428

13.6.4 偏光显微镜429

习题430

参考文献432