章 光學基礎知識
1.1 電磁光譜
1.2 光波的傳播
1.3 Snell 折射定律
1.4 簡單透鏡和稜鏡對波前的作用
1.5 干涉和衍射
1.6 光電效應
練習
參考文獻
第二章 高斯光學：基點
  2.1 概述
  2.2 光學繫統的基點
  2.3 像的位置和大小
  2.4 成像公式彙總
  2.5不在空氣中的光學繫統
練習
參考文獻
第三章 近軸光學和計算
  3.1 光線在一個表面上的折射
  3.2 近軸區域
  3.3 通過幾個表面的近軸光線追跡
  3.4 焦點和主點的計算
  3.5 “薄透鏡”
  3.6 反射鏡
練習
參考文獻
第四章 光學繫統方面的考慮
  4.1 分離透鏡繫統
  4.2 光學不變量
  4.3 矩陣光學
  4.4  y-y bar圖
  4.5 Scheimpflug條件
  4.6 符號規則總結
練習
參考文獻
第五章 初級像差
  5.1 概述
  5.2 像差多項式和塞德像差
  5.3 色差
  5.4 透鏡形狀和光闌位置對像差的影響
  5.5 像差隨孔徑和視場的變化
  5.6 光程差（波前像差）
  5.7 像差校正和剩餘像差
  5.8 光線交點曲線和像差的“級”
  5.9 縱向像差、橫向像差、波前像差（OPD）與角像差之間的關繫
練習
參考文獻
第六章 三級像差理論和計算
  6.1 概述
  6.2 近軸光線追跡
  6.3 三級像差：表面貢獻量
  6.4 三級像差：薄透鏡，光闌移動公式
  6.5 計算實例
參考文獻
第七章 稜鏡和反射鏡繫統
  7.1 概述
  7.2 色散稜鏡
  7.3 “薄稜鏡”
  7.4 小偏折量
  7.5 消色差稜鏡和直視稜鏡
  7.6 全內反射
  7.7 一塊平面的反射
  7.8 平面平行板
  7.9 直角稜鏡
  7.10 屋脊稜鏡
  7.11 正像稜鏡繫統
  7.12 倒像稜鏡
  7.13五（角）稜鏡
  7.14菱形稜鏡和分束鏡
  7.15 平面反射鏡
  7.16 稜鏡和反射鏡繫統的設計
  7.17 制造誤差分析
參考文獻
第八章 人眼特性
  8.1 概述
  8.2 眼睛的構造
  8.3 眼睛的特性
  8.4 眼睛的缺陷
  實驗
  練習
參考文獻
第九章 光闌、孔徑、光瞳和衍射
  9.1 概述
  9.2 孔徑光闌和光瞳
  9.3 視場光闌
  9.4 漸暈
  9.5消雜散光光闌，冷光闌和擋光板
  9.6 遠心光闌
  9.7 孔徑和像的照度－ 數和餘弦四次方定律
  9.8 焦深
  9.9 孔徑的衍射效應
  9.10 光學繫統的分辨率
  9.11 高斯（激光）光束的衍射
  9.12 傅立葉變換透鏡和空間濾波
  練習
參考文獻
第十章 光學材料
  10.1 反射、吸收和色散
  10.2 光學玻璃
  10.3 特種玻璃
  10.4 晶體材料
  10.5 光學塑料
  10.6 吸收濾波片
  10.7 散射材料和投影屏
  10.8 偏振材料
  10.9 光學膠和溶劑
  練習
參考文獻
第十一章 光學鍍膜
  11.1 介電質反射和干涉濾光片
  11.2 反射膜
  11.3 分劃板
  練習
參考文獻
第十二章 輻射度學和光度學原理
  12.1 概述
  12.2 逆平方定律：光強度
  12.3 輻射率和郎伯（Lambert）定律
  12.4 半球內的輻射
  12.5 散射光源產生的輻照度
  12.6 像的輻射度學
  12.7 光譜輻射度學
  12.8 黑體輻射
  12.9 光度學
  12.10 照明裝置
  練習
參考文獻
第十三章 光學繫統總體布局
  13.1 望遠鏡和無焦繫統
  13.2 場鏡和中繼繫統
  13.3 出瞳，眼睛和分辨率
  13.4 簡單顯微鏡和放大鏡
  13.5 復式顯微鏡
  13.6 測距機
  13.7輻射計和醫用光學
  13.8 光纖光學
  13.9 變形繫統
  13.10 變光焦度（變焦）繫統
  13.11 衍射表面
  練習
參考文獻
第十四章 繫統總體布局中的案例分析（經典案例）
  14.1 概述
  14.2攝遠物鏡
  14.3 反攝遠物鏡
  14.4 轉像繫統（中繼繫統）
  14.5  轉像繫統（14.4節中）的孔徑光闌
  14.6  短距離望遠鏡
  14.7  14.6節的場鏡
  14.8  14.7節的光線追跡
  14.9  125倍顯微鏡
  14.10  Brueke 125x顯微鏡
  14.11  4×機械補償變焦物鏡
  14.12  計算機繪制繫統布局圖
  14.13 設計有外部冷光闌的消色差中紅外繫統
第十五章 波前像差和調制傳遞函數（MTF）
  15.1 概述
  15.2 光程差：焦點漂移
  15.3 光程差：球差
  15.4 像差（容限）公差
  15.5 像的能量分布（幾何）
  15.6 點和線擴散函數
  15.7 由於球差造成光斑的幾何尺寸
  15.8 調制傳遞函數
  15.9 方波與正弦波靶標
  15.10 特殊調制傳遞函數：衍射受限繫統
  15.11 徑向能量分布
  15.12 具有初級像差光學繫統的點擴散函數
  練習
  參考文獻
第十六章 光學設計的基礎知識
  16.1 概述
  16.2 簡單的彎月形照相物鏡
  16.3 對稱原理
  16.4 消色差望遠物鏡（薄透鏡理論）
  16.5 消色差望遠物鏡（設計形式）
  16.6 光學設計中的衍射表面
  16.7 庫克（Cooke）三分離消像散物鏡：三級理論
  16.8 自動設計
  16.9 對一些實際問題的考慮
  練習
  參考文獻
第十七章 目鏡，顯微鏡和照相物鏡頭的設計
  17.1 望遠繫統和目鏡
  17.2 顯微物鏡
  17.3 照相物鏡
  17.4 聚光鏡繫統
  17.5 簡單透鏡的像差特性
  練習
參考文獻
第十八章 反射鏡和折反式繫統的設計
  18.1 反射繫統
  18.2 球面反射鏡
  18.3 拋物面反射鏡
  18.4 橢球面和雙曲面反射鏡
  18.5 雙反射鏡繫統的公式
  18.6 過原點的錐面截面
  18.7  施密特（Schmidt）繫統
  18.8  Mangin反射鏡（內表面鍍膜反射鏡）
  18.9 Bouwers（或馬克蘇托夫 (Maksutov)）繫統
  18.10 對簡單光學繫統彌散斑尺寸的快速計算
  練習
  參考文獻
第十九章 物鏡設計實例集，分析和說明
  1 9.1 概述
  19.2 物鏡的數據表
  19.3 光線追跡圖
  19.4 關於調制傳遞函數的注釋
  19.5 物鏡目錄
  19.6  物鏡設計實例
  參考文獻
第二十章 光學工程中的實際問題
  20.1 光學加工
  20.2 光學技術要求和公差
  20.3 光學裝配技術
  20.4 光學實驗室中的實際問題
  20.5 公差預算實例
  參考文獻
第二十一章 有效地利用“庫存”鏡頭
  21.1 概述
  21.2 庫存透鏡
  21.3 一些簡單的測量
  21.4 繫統原理樣機和測試
  21.5 像差方面的考慮
  21.6 如何利用單透鏡（單塊零件）
  21.7如何使用雙膠合透鏡
  21.8 庫存透鏡的組合
  21.9 庫存透鏡的供應商
附錄A 光線追跡和像差計算
附錄B 一些器件的標準尺寸

譯者序

近幾年，光學技術發展非常快，特別是現代光學技術與光電子技術的緊密結合，使器件、光學繫統和儀器發生了很大變化，應用於當代各種高科技領域（如航空航天技術、信息傳輸和通信技術、生化和材料技術等），設計了諸多新型光電子裝置，創立了新的光學原理和方法，開闢了更多、更新的應用領域，其在國民經濟中的作用顯得愈加重要和不可缺少。
光學技術的快速發展有幾個顯著特征：在經典光學基礎上創立了新的光學技術，熟悉和實用光學（或衍射光學）和全息光學；在傳件基礎上創造出新件，為典型的是非球面透鏡、全息透鏡（或衍射透件和微光學陣列透鏡；在一般光學研磨技術基礎上發展和采用光學和計算全息加工、衍件和件加工以及精密模壓成型等近代高新制造技術。
促使光學技術迅速發展的重要因素是：利用大容量、高運算速度的計算機及功能強大的光機設計軟件可以設計出更為完善的光學繫統、光機繫統和光電子繫統；工業領域不斷研制出新的光學材料，使光學零件和件的選材不會局限於玻璃和光學晶體，光學塑料、光學乳膠、金屬、陶瓷及半導體材料都得到了廣泛應用。
光學技術的快速發展，使越來越多的科技人員從事光學及其相關專業，光學工程的研究領域也逐漸擴大，包括許多新的、無法預料的應用。隨著對新型光學儀器可應用性的認識，人們會更迫切需要熟悉光學技術，尤其是近代光學工程方面的知識。由SPIE和McGraw-Hill出版社出版、WarrenJ. Smith 教授（美國）編寫的《近代光學工程（Modern Optical Engineering，FourthEdition），第四版》一書，就是獻給特別需要光學繫統與設計技術信息、從事實際工作的工程師和科學家的一本好書。正如該書“前言”所述：國際上普遍認為，《近代光學工程》是光學工程技術人員的“書”。
《近代光學工程》一書內容豐富，不僅有成熟的光學工程理論基礎、計算公式和分析方法，而且包括對光學工程問題的討論和解決方案；不僅考慮到光學技術問題，而且還有經濟成本的分析。一經出版，此書便受到國內外讀者好評，連續出了四版。與其它同類書籍相比，本書全面考慮到設計、制造和測量技術，首次介紹使用“庫存透鏡”，從而“變廢為寶”。作者既闡述了普通的球面透鏡繫統、稜鏡繫統、反射及折反繫統，同時又討論了非球面和衍射繫統。為使讀者全面了解近代光學工程的含義，書中還介紹了光學材料、光學鍍膜、人眼特性和光度學技術。書後所附全新的術語表，作者力圖做成光學繫統設計文獻中好、完整、權威和準確的術語表。兩個附錄分別列出了光線追跡和像差計算公式（附錄A）以及一些器件的標準尺寸（附錄B），非常方便光學工程設計師應用。
閱讀《近代光學工程》一書，使人感覺到正在閱讀一個光學工程師的工作札記，通俗易懂，提綱攜領，方法扎實，結果實用。該書的重點不在純理論闡述和像差分析，而是在工程應用上，是Smith先生60年嘔心瀝血工作的總結，其集中代表就是第十四章對繫統總體布局的經典案例分析、第二十章對光學工程中存在的實際問題的分析以及第二十一章有效地利用現有“庫存”透鏡。第十九章給出了62種光學繫統的設計實例，不僅提供了常規的結構布局和像差曲線圖，還以列表形式給出繫統的結構參數（表面曲率半徑、透鏡厚度、空氣間隔、光闌位置、透鏡（反射鏡）直徑和光學材料），尤其是對同一結構類型給出了不同的結構形式，並分析不同件對光學性能的影響，如何采用簡單可行的測量方法評估“庫存透鏡”的性能，怎樣確定透鏡和繫統的公差範圍，這些都是光學工程人員迫切需要的。
本書可供光電子學領域中從事光學儀器設計、光學繫統和光機結構設計的設計師、光學零件制造工藝師和工程師閱讀，也可以作為大專院校相關專業本科生、研究生和教師的參考書。希望本書提供的材料和例子能夠對軍事、航空航天和民用光學儀器的設計提供有益指導。

13.8 光纖光學

 若光線通過一根長的拋過光的玻璃圓柱體時，其投射到圓柱體管壁上的入射角要比全內反射的臨界角大，那麼，就可以毫無洩漏地將光從一端傳輸到另一端。一條子午光線通過該圓柱體的光路表示在圖13.22中。子午光線通過此裝置的幾何光學比較簡單，如果圓柱體的長度是L，子午光線傳播的路程長度就是：

             路程長度=                                （13.23）

光線的反射次數是：

                 反射次數                 （13.24）

式中，U’是光線在圓柱體內的斜率，d是圓柱體直徑；L是長度。當光線沒有反射損失而全部透射時，角度 必須大於臨界角：

式中， 是圓柱體的折射率； 是柱體周圍介質的折射率。依此就可以確定發生全反射的子午光線的外部斜率：

                                              (13.25)

一個圓柱體的“接受錐角”定義為數值孔徑。整理公式13.25得到：

                                        （13.26）

這就是數值孔徑的小值。正如下面和圖13.23所示，斜光線的NA比子午光線的NA 更大。

再次參考圖13.22，如果子午光線在軸線上方或下方以合適的角度入射圓柱體，則應當以-U斜率角出射。圖12.23表示一對斜光線的路程（端視圖）。注意到，每次反射都使斜光線伴隨著旋轉，旋轉量取決於光線離開子午面的距離。因此，從圓柱體一端入射的一束平行光束會從另一端出射，如同頂角為2U的空心光錐一樣。如果圓柱的直徑比較小，則衍射效應在某種程度上會使空心光錐有些散射。還要注意，由於斜光線要比子午光線以更大入射角投射到圓柱表面，所以，斜光線的數值孔徑要比子午光線大。

如果將透光圓柱體彎曲成適度的曲線形狀，那麼，會有一些光從圓柱體的側壁洩露出，而大部分光仍在圓柱體內傳播，並且，一個簡單彎曲的玻璃棒就是一種非常方便的裝置，通過管道可以將光從一個位置傳送到另一個位置。

光學纖維是特別細的玻璃絲或塑料絲，光纖直徑是1～2μm，或更大些。在這些小直徑材料中，玻璃光纖相當柔韌靈活，一束光纖構成一根靈活的光導管。圖13.24表示光纖的幾種應用，圖13.24a表明定向或“相干”光纖束將圖像從光纖一端傳輸到另一端過程中的基本性質。如果光纖兩端被緊緊夾住，使每根光纖任一端都有同樣的相對位置，然後，光纖纜索可以逐根地連接成結而不會影響像的傳遞性質。相當長的光纖束可以有不可思議的高透射率。相干光纖束的極限分辨率（單位長度線對數）近似等於光纖直徑倒數的一半。同步擺動或掃描光纖兩端，可以使分辨率加倍。當將光纖緊緊包裹時，光纖表面彼此接觸，光線會從一個光纖漏射到相鄰光纖中。光纖表面上的濕氣、油或灰塵也可能干擾全內反射。在每根光纖上塗鍍或者“覆蓋”一層低折射率玻璃或塑料薄膜可以避免這種現像，例如，玻璃芯的折射率，覆蓋層的折射率，根據公式13.26，得到的數值孔徑是0.8數量級。由於全內反射（TIR）發生在光纖芯-覆蓋層表面，所以，如果覆蓋層足夠厚，外層表面之間的濕氣或接觸就不會影響全內反射。

圖13.24b表示一個靈活的胃窺鏡或者乙形結腸鏡。物鏡將物體的像形成在相干光纖束的一端，借助目鏡或者攝像機，在另一端觀察傳遞過來的像。

陰極射線管端面的普通照相術不是一種很有效的工藝。熒光粉全方位輻射，一個照相物鏡僅僅接受輻射光的一小部分。由氣密熔凝光纖束組成的管面（圖13.24c）可以將輻射到（由NA確定）光錐內的全部能量傳遞到相接觸的照相膠片上，其能量損耗可以忽略不計。熔凝光纖總是覆蓋有低折射率玻璃以將光纖分開。常常增加一種吸收層或者吸收纖維，避免光線以大於光纖數值孔徑的角度入射而形成的雜散光使對比度下降。光纖光學件也適合做導光管，即剛性熔凝束，可以有效地使光通過復雜曲折的路程，如圖13.24d所示。

用直徑在0.5in數量級的柔性塑料光纖作照明繫統中的單芯光纖。

一種稜錐形相干熔凝光纖束可以用作放大鏡或者縮小鏡（取決於原物體放置在稜錐體的大端面還是小端面）。將相干光纖束扭曲，無論是否熔凝，都可以做成正像器，能夠完成第七章介紹的正像稜鏡的作用。這些器件常常在像增強器繫統，例如微光夜視儀中使用。

直徑0.5～1.0mm的空心玻璃光纖內表面鍍膜，柔性合適，已經用於10μm波長範圍的輻射。這些光纖對於維持激光束的高斯分布做了大量工作。

梯度折射率光纖

前面內容是討論將能量從光纖一端傳遞到另一端，很少或者沒有涉及到相干性。入射在光纖一端的能量是非常均勻或者雜亂地被傳遞到另一端。但是，如果光纖中心的折射率高，向外逐漸變低，則光線通過光纖的路程將是曲線而非直線。適當選擇折射率梯度（近似是距光纖中心的徑向距離平方的倒數的函數），光路就是正弦關繫，如圖13.25所示。有兩個大的影響：從一點發出的光線沿光纖可以周期性地會聚到一個焦點；光纖能夠像透鏡一樣成像。這是梯度折射率（GRIN）或自聚焦（SELFOC）棒的基礎。例如，如果折射率設計成徑向距離r的函數，表示如下：

則軸向長度為t的一根棒的焦距是：

後截距是：

正弦光線路程的“節距”是 。

由於聚焦效應沿棒長方向是連續的，所以，這種裝置等效於13.2節介紹過的、由轉像透鏡和場鏡組成的潛望鏡繫統。與兩個轉像透鏡和一個中間場鏡相對應的棒長，如圖13.25所示，將產生一個正立的像，像的面積近似等於棒的直徑所具有的面積。單排或雙排梯度折射率棒是小型桌面復印機的基礎。很明顯，一根長的GRIN棒可以起到胃窺鏡作用，一根短棒（小於圖13.25所示長度的四分之一）的功能類似普通透鏡，並稱為伍德（Wood）透鏡。

這種折射率梯度透鏡的其它重要方面是：由於光線是以正弦路徑形式傳播，所以，不會接觸到光纖管壁，並且，與（將光束約束在光纖內的）低折射率覆蓋層的反射無關。此外，對所有路程，光路（折射率乘以距離）都是一樣的，顯然，軸上光路短，但在的折射率中。光路的不變性意味著，在整個數值孔徑範圍內，所有路程的傳播時間都一樣。與公式13.23給出的路程長度相比，後者隨光線斜角的餘弦變化。

通訊光纖

光纖的另一種應用是通訊。以光作為一種有特別高頻率的載波，其數據傳遞速率可以非常非常高。制造光纖時使其有特別低的吸收（低於每千米0.1-dB），以便在幾英裡距離上傳播信息成為現實。然而，如果可能的光路長度彼此不同，則光線從光纖一端傳播到另一端所消耗的時間將因不同光線而變化。對高數據傳播速率，傳播時間的很小量差就足以產生一個相移，將信號調制降到無用的水平。圖13.23再次表明路程長度的變化。用於電話和數據傳輸的光纖是典型的單模光纖（光纖芯直徑是10μm數量級，邊界處折射率差約1%），除非直接沿光纖長度方向傳播，否則該模式的光纖不會傳播光波。除了路程長度的變化，另一個麻煩問題是：對絕大多數材料，折射率隨波長變化，因此，即使路程長度不變，光路也隨波長變化。除了低吸收，通訊光纖材料的性質是保證在使用的（窄）光譜範圍內具有非常低的色散。氧化硅（）光纖在1.3μm波長處具有幾乎是零的吸收，在1.55μm處有很低的色散。多層覆蓋層可以將零色散漂移到1.55μm處，使它變平，從而使1.3～1.6μm範圍內都是有用的。