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第一部分 几何光学2

第1章 几何光学的基本定律和成像的概念2

1.1 几何光学的基本概念2

1.2 几何光学的基本定律4

1.3 费马原理及其应用9

1.4 马吕斯定律11

1.5 成像的概念11

习题13

第2章 球面和共轴球面系统15

2.1 光线经过单个折射球面的折射15

2.2 单个折射球面的成像倍率、拉赫不变量17

2.3 共轴球面系统19

2.4 球面反射镜21

习题22

第3章 理想光学系统23

3.1 理想光学系统和共线成像23

3.2 理想光学系统的焦点与焦平面、主点与主平面、焦距、节点23

3.3 理想光学系统的物像关系26

3.4 理想光学系统的放大率30

3.5 理想光学系统的物像关系特性曲线33

3.6 光学系统的组合36

3.6.1 两个光组的组合36

3.6.2 多个光组的组合40

3.7 透镜42

3.8 实际光学系统焦点位置和焦距的计算47

3.9　几种典型系统的理想光学系统性质49

3.9.1 望远镜系统49

3.9.2 显微镜系统50

3.9.3 照相物镜系统51

3.10 矩阵运算在几何光学中的应用52

3.10.1 近轴光的矩阵表示52

3.10.2 物像矩阵54

3.10.3 用高斯常数表示系统的基点位置和焦距54

3.10.4 薄透镜系统的矩阵运算56

习题57

第4章 平面镜和平面系统59

4.1 平面镜成像59

4.2 双平面镜系统62

4.3 反射棱镜66

4.3.1 反射棱镜的类型66

4.3.2 屋脊棱镜68

4.3.3 三面直角棱镜（立方角锥棱镜）69

4.3.4 棱镜的组合70

4.3.5 棱镜的展开及结构参数K71

4.3.6 棱镜成像方向辨别原则75

4.4 折射棱镜75

4.4.1 折射棱镜的最小偏角75

4.4.2 折射棱镜的色散76

4.4.3 色散棱镜的形式77

4.5 光楔78

4.6 光学材料79

4.6.1 透明光学材料（透射材料）79

4.6.2 玻璃的选择80

4.6.3 塑料光学材料81

4.6.4 反射光学材料82

习题83

第5章 光学系统中的光阑84

5.1 光阑在光学系统中的作用84

5.2 光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳85

5.3 视场光阑88

5.4 渐晕光阑89

5.4.1 轴外点发出光束的渐晕89

5.4.2 消除渐晕的条件91

5.4.3 渐晕系数91

5.5 光学系统的景深92

5.5.1 光学系统的空间像92

5.5.2 光学系统的景深93

5.6 远心光路96

5.7 消杂光光阑98

5.8 几种典型系统的光束限制99

习题102

第6章 光能及其计算103

6.1 光通量（Luminous Flux）103

6.2 发光强度105

6.3 光照度和光出射度108

6.4 光亮度109

6.5 光通量和光亮度在光学系统中的传递、像面光照度112

6.6 光学系统中光能损失的计算116

6.7 光能计算118

习题122

第7章 颜色123

7.1 概述123

7.2 颜色的特征和分类123

7.3 色光混合与格拉斯曼定律124

7.4 颜色的匹配125

7.5 色度学基础125

7.6 CIE标准色度学系统129

7.6.1 1931CIE—RGB系统129

7.6.2 1931CIE—XYZ系统129

7.6.3 1931CIE—XYZ色品图134

7.6.4 光源色和物体色的三刺激值134

7.6.5 表示颜色特征的两个量——主波长和颜色纯度136

7.6.6 CIE1964补充标准色度学系统137

7.6.7 CIE色度学系统表示颜色的方法137

7.7 均匀颜色空间及色差公式138

7.7.1 （x,y;Y）颜色空间是非均匀的颜色空间138

7.7.2 均匀颜色空间及对应的色差公式139

7.8 光源140

7.8.1 表示光源颜色特性的两个参量140

7.8.2 CIE标准照明体和标准光源141

7.9 色光混合匹配计算143

7.10 中国颜色体系144

习题146

第二部分 像差理论148

第8章 光线的光路计算148

8.1 概述148

8.2 子午面内的光线光路计算149

8.3 轴外点细光束的光路计算154

8.4 空间光线的光路计算157

8.4.1 通过球面的空间光线的光路计算（矢量公式）157

8.4.2 二次曲面的空间光线的光路计算（矢量计算公式）160

8.4.3 细光束子午焦点和弧矢焦点位置的计算163

8.4.4 高次非球面空间光线计算（矢量计算公式）163

8.4.5 空间光线初始数据的确定和终结公式166

习题169

第9章 光学系统的像差170

9.1 轴上点球差170

9.1.1 球差的定义及其计算170

9.1.2 光学系统的球差分布公式171

9.1.3 单个折射球面的球差分布系数、不晕点173

9.1.4 单个折射球面的球差正负和物体位置的关系174

9.2 彗差176

9.2.1 彗差及其计算176

9.2.2 光学系统结构形式对彗差的影响178

9.2.3 弧矢彗差179

9.3 像散和像面弯曲180

9.3.1 像散（像散差）180

9.3.2 场曲（像面弯曲）182

9.3.3 宽光束的像散和场曲184

9.4 畸变184

9.5 正弦差186

9.6 位置色差191

9.7 倍率色差193

9.8 像差曲线的绘制及举例194

9.8.1 像差曲线绘制194

9.8.2 绘制像差曲线举例196

9.9 像差的级数展开199

9.10 像差分布公式204

习题209

第10章 初级单色像差210

10.1 初级单色像差的一般表示式210

10.1.1 轴向像差△L'210

10.1.2 初级垂轴像差的一般表示式212

10.1.3 空间光线通过光学系统的像差的一般表示式214

10.2 五种初级像差215

10.3 具有初级像差的光束结构219

10.4 赛得和数的表示形式222

10.4.1 阿贝不变量表示的赛得和数222

10.4.2 PW形式的赛得和数224

10.4.3 薄透镜系统初级像差的PW表示式225

10.4.4 单个薄透镜的P和W227

10.4.5 密接双薄透镜系统的初级像差230

习题232

第11章 初级色差233

11.1 消像差谱线选择233

11.2 初级色差234

11.3 薄透镜系统的初级色差238

11.3.1 薄透镜系统的初级位置色差238

11.3.2 由消色差要求决定光学系统中各透镜的光焦度分配239

11.3.3 薄透镜系统的初级倍率色差242

11.3.4 对几种薄透镜系统的初级倍率色差的讨论243

11.4 二级光谱244

11.4.1 密接双透镜系统245

11.4.2 密接三薄透镜系统的复消色差246

习题248

第12章 像差综述及计算结果处理249

12.1 概述249

12.2 初级像差系数和光阑位置的关系251

12.3 光阑像差与物面像差的关系253

12.4 初级像差系数与物面位置的关系254

12.5 折射平面和平行平板的初级像差255

12.6 反射光学元件的初级像差257

12.7 单个折射球面和一些典型折射光学元件的初级像差分析259

12.8 对称式系统的像差特性262

12.9 光学系统像差特性曲线263

12.10 像差特性曲线的分析266

12.11 全息术补偿像差272

12.11.1 全息术补偿像差原理272

12.11.2 全息术补偿像差的实例274

习题276

第13章 光学系统的波像差277

13.1 概述277

13.2 轴上点的波像差及其与球差的关系277

13.3 轴外点的波像差及其与垂轴像差的关系281

13.3.1 轴外点波像差表示式281

13.3.2 轴外点波像差求解283

13.4 波像差的一般表示式284

13.5 参考点移动产生的波像差和焦深286

13.6 色差的波像差表示286

13.6.1 用（D-d）方法计算波色差286

13.6.2 二级光谱288

13.6.3 波色差和初级几何色差的关系288

13.6.4 色球差289

13.7 光学系统的像差容限290

13.7.1 球差的容限公式290

13.7.2 球差以外其他相差的容限公式291

习题291

第三部分 典型光学系统293

第14章 眼睛293

14.1 概述293

14.2 眼睛构造和标准眼293

14.2.1 眼睛的构造293

14.2.2 标准眼295

14.3 眼睛的调节和聚散297

14.3.1 眼睛的调节297

14.3.2 眼睛的聚散298

14.4 眼睛的适应298

14.5 眼睛的视角分辨率299

14.6 眼睛像差的表述301

14.6.1 眼睛像差的描述301

14.6.2 极坐标Zernike多项式301

14.7 人眼波前像差测量方法303

14.7.1 基于Scheiner原理的光线追迹方法303

14.7.2 基于Tscherning原理的网格视网膜成像方法304

14.7.3 基于Hartmann-Shack（H-S）原理的波前传感方法304

14.7.4 角膜波前像差的测量305

14.8 眼睛的缺陷与校正306

14.8.1 近视306

14.8.2 远视307

14.8.3 散光307

14.9 双目立体视觉307

14.9.1 双目视觉特征307

14.9.2 双目空间视觉308

14.10 体视测距原理310

14.10.1 体视测距原理概述310

14.10.2 体视光学系统311

14.11 颜色视觉311

14.11.1 简述颜色的三个基本特征311

14.11.2 色觉现象解释312

14.12 视觉质量的评价313

习题315

第15章 显微和望远光学系统316

15.1 放大镜316

15.1.1 放大镜的放大率316

15.1.2 放大镜的光束限制和视场317

15.2 显微镜系统及其特性317

15.2.1 显微镜的成像原理318

15.2.2 显微镜的机械筒长318

15.2.3 显微镜的孔径光阑319

15.2.4 显微镜的视场光阑和视场320

15.2.5 显微镜的景深320

15.3 显微镜的分辨率和有效放大率321

15.3.1 点源通过透镜的衍射322

15.3.2 光学仪器的分辨率322

15.3.3 显微镜的分辨率323

15.3.4 显微镜的有效放大率323

15.4 显微镜物镜323

15.4.1 显微镜物镜的光学特性323

15.4.2 显微镜物镜的基本类型324

15.5 显微镜的照明系统326

15.5.1 照明方法326

15.5.2 暗视场照明方法327

15.5.3 聚光镜327

15.6 望远系统328

15.6.1 望远镜的视觉放大率329

15.6.2 望远镜的分辨率及工作放大率329

15.6.3 主观亮度330

15.6.4 望远镜的视场331

15.6.5 望远镜的出瞳距和调焦332

15.7 望远物镜335

15.7.1 折射式望远物镜335

15.7.2 反射式望远物镜335

15.7.3 折反射式望远物镜336

15.8 目镜337

15.8.1 目镜的光学特性337

15.8.2 目镜的像差特性338

15.9 透镜转像系统和场镜341

15.10 望远系统的外形尺寸计算343

15.10.1 由物镜和目镜组成的望远系统343

15.10.2 带有棱镜转像系统的望远系统344

15.10.3 带有透镜转像系统的望远系统346

15.11 3D打印光学系统348

15.12 3D显示光学系统348

15.12.1 3D显示技术348

15.12.2 3D显示光学系统354

习题358

第16章 摄影及投影光学系统359

16.1 摄影系统的光学特性359

16.1.1 分辨率（解像力）360

16.1.2 摄影系统的光谱能量特性360

16.1.3 几何焦深362

16.1.4 景深363

16.2 摄影镜头（镜头）363

16.2.1 大孔径镜头363

16.2.2 广角镜头366

16.3 取景和测距系统371

16.3.1 自动调焦的概念371

16.3.2 照相机中的取景、测距、调焦及其综合系统的结构373

16.4 感光胶片375

16.4.1 感光胶片概述375

16.4.2 感光胶片特性377

16.5 光电传感器379

16.6 放映和投影镜头382

16.6.1 放映和投影镜头的特性382

16.6.2 普通放映镜头383

16.6.3 投影镜头385

16.7 放映和投影系统的照明386

16.8 太赫兹摄影光学系统388

习题390

第17章 自由曲面及其在光学系统中的应用391

17.1 概述391

17.1.1 自由曲面概念391

17.1.2 非球面应用概述391

17.2 非球面曲面方程392

17.2.1 旋转对称的非球面方程392

17.2.2 其他常见非球面方程393

17.2.3 非球面的法线及曲率394

17.3 非球面的初级像差395

17.4 二次圆锥曲面及其衍生高次项曲面396

17.4.1 消球差的等光程折射非球面396

17.5 施密特校正器的设计398

17.5.1 施密特校正器的基本工作原理及其近似计算法398

17.5.2 施密特校正器的精确计算法400

17.6 柱面、超环面、离轴曲面及微结构阵列401

17.6.1 柱面401

17.6.2 超环面401

17.6.3 离轴曲面402

17.6.4 微结构阵列402

17.7 衍射光学元件及折衍混合光学系统403

17.7.1 概述403

17.7.2 菲涅耳透镜（Fresnel Lens）404

17.7.3 达曼光栅（Dammann Ggrating）405

17.7.4 混合光学成像系统中的衍射光学元件406

17.7.5 折衍混合光学系统409

17.8 自由曲面411

17.8.1 自由曲面概述411

17.8.2 自由曲面光学元件412

17.8.3 自由曲面的描述412

17.9 共形自由曲面光学系统416

17.9.1 共形光学系统概念416

17.9.2 瞬间视场和目标视场参量对共形光学系统像差的描述416

17.9.3 扩展形式的Wassermann-Wolf自由曲面建立像差评价体系418

习题420

第18章 几种特殊光学系统421

18.1 光电接收器的主要特点421

18.2 光电光学系统428

18.2.1 光电能量转换系统428

18.2.2 聚光透射接收式光电系统430

18.2.3 光电图像转换系统432

18.2.4 光学机械扫描系统433

18.2.5 电视摄像和显像系统434

18.2.6 红外夜视系统435

18.3 光学薄膜选择436

18.3.1 光学薄膜的概念和分类436

18.3.2 光学薄膜的应用和选择437

18.4 梯度折射率光学系统设计439

18.4.1 梯度折射率光学的起源439

18.4.2 不同梯度折射率介质中的光线方程440

18.4.3 自聚焦透镜及其成像系统442

18.4.4 变折射率介质的应用446

18.4.5 光纤准直器设计示例446

18.5 激光仪器光学系统概述449

18.5.1 激光高斯光束的传输规律449

18.5.2 激光光学系统的选择和计算452

18.5.3 激光光学系统及其应用454

18.6 光纤成像光学系统462

18.6.1 光纤束的特点和参数462

18.6.2 光纤成像系统的光学设计463

18.7 中、远热红外成像基础466

18.7.1 热红外成像基础466

18.7.2 热红外成像光学系统的特点467

18.7.3 红外材料473

18.7.4 系统设计举例476

18.8 紫外（UV）光学系统概述477

18.8.1 概述477

18.8.3 紫外光学系统示例479

18.9 复眼仿生光学系统482

18.9.1 生物复眼482

18.9.2 多孔径光学系统设计483

18.10 自适应光学系统496

18.10.1 自适应光学系统及其分类496

18.10.2 自适应光学系统举例497

习题509

第四部分 光学设计511

第19章 以初级像差求取光学系统的初始结构511

19.1 光学系统的基本像差参量及其规化511

19.1.1 光学系统的基本像差参量511

19.1.2 反向光路计算和正向光路计算的P和W之间关系514

19.1.3 用P,W,C表示的初级像差系数514

19.2 双胶合透镜组P∞,W∞和CI与结构参数的关系515

19.2.1 双胶合透镜组的基本像差参量515

19.2.2 双胶合透镜组玻璃的选择517

19.3 单薄透镜的P∞,W∞,CI和结构参数的关系519

19.4 用PW方法求解简单物镜的结构521

习题529

第20章 光学系统设计示例531

20.1 中倍平场显微物镜设计531

20.1.1 用PW方法进行中倍平场显微物镜设计531

20.1.2 对各透镜组PW规范化533

20.2 双高斯型物镜设计542

20.2.1 摄影物镜设计的一般原则542

20.2.2 双高斯型物镜初始结构参数的确定543

20.2.3 双高斯物镜设计实例546

20.3 变焦距物镜556

20.3.1 变焦距物镜的概况556

20.3.2 二组元机械补偿变焦系统的高斯光学558

20.3.3 二组元机械补偿变焦距物镜设计565

20.3.4 凸轮曲线计算569

习题573

第21章 系统设计的像质评价574

21.1 概述574

21.2 瑞利判断用于光学系统像质评价574

21.3 中心点亮度575

21.4 分辨率576

21.5 点列图576

21.6 边界曲线577

21.7 光学传递函数578

21.7.1 光学传递函数的基本概念578

21.7.2 光学传递函数的表达式581

21.7.3 光学传递函数在像质评价中的应用584

习题589

第22章 像差自动平衡590

22.1 概述590

22.2 像差自动平衡评价函数590

22.3 阻尼最小二乘法光学自动设计原理593

22.3.1 阻尼最小二乘法原理594

22.3.2 阻尼最小二乘法595

22.3.3 阻尼最小二乘法的特点596

22.4 光学设计软件及流程599

22.4.1 ZEMAX599

22.4.2 CODE V601

22.5 像差自动平衡计算实例602

22.5.1 中倍平场显微物镜设计602

22.5.2 双高斯型物镜设计603

22.5.3 变焦距物镜设计605

习题609