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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121

思考题121

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244

思考题245

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396

思考题3100

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4114

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5167

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6198

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7220

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8258

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a313

10.5.2视放大率T314

10.5.3视场角2ω315

10.5.4出瞳直径D315

10.5.5出瞳距离l316

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V396

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