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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F19

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C1223

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φ241

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1244

二、方法2246

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OTF445

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