了得網研究生_應用光學（第4版）

內容簡介

本書將基礎性光學原理用於光學繫統設計和像差平衡，定位於闡述光學設備的光學繫統總體設計原理與光學鏡頭設計基礎。本書分為幾何光學、像差理論、典型光學繫統和光學繫統設計四部分，各部分均反映了光學與光電子學的進展和光學繫統設計的新發展。其中，幾何光學和像差理論詳細講述了光學繫統設計基本理論；典型光學繫統包括眼睛，顯微和望遠光學繫統，攝影和投影光學繫統，自由曲面及其在光學繫統中的應用，以及特殊光學繫統，包含了當前*的光學繫統，例如全息術補償像差、3D打印光學繫統、3D顯示光學繫統、太赫茲光學繫統、折衍混合光學繫統、共形自由曲面光學繫統、復眼仿生光學繫統和自適應光學繫統等；光學設計部分包括光學繫統初始結構求解、像質評價和像差平衡，並輔以光學設計實例。

本書可作為高等學校光電類相關專業的教材或教學參考書，也可供從事光學設計和光學儀器設計工作的科技人員參考。

作者簡介

張以謨，天津大學精密儀器與光電子工程學院，教授、博士生導師，主要研究應用光學，編寫了《應用光學》等教材，發表論文100多篇。

部分幾何光學

第1章幾何光學的基本定律和成像
的概念（2）
1.1 幾何光學的基本概念（2）
1.2 幾何光學的基本定律（4）
1.3 費馬原理及其應用（9）
1.4 馬呂斯定律（11）
1.5 成像的概念（11）
習題（13）
第2章球面和共軸球面繫統（15）
2.1 光線經過單個折射球面的折射（15）
2.2 單個折射球面的成像倍率、拉赫不變量（17）
2.3 共軸球面繫統（19）部分幾何光學

第1章幾何光學的基本定律和成像

的概念（2）

1.1 幾何光學的基本概念（2）

1.2 幾何光學的基本定律（4）

1.3 費馬原理及其應用（9）

1.4 馬呂斯定律（11）

1.5 成像的概念（11）

習題（13）

第2章球面和共軸球面繫統（15）

2.1 光線經過單個折射球面的折射（15）

2.2 單個折射球面的成像倍率、拉赫不變量（17）

2.3 共軸球面繫統（19）

2.4 球面反射鏡（21）

習題（22）

第3章理想光學繫統（23）

3.1 理想光學繫統和共線成像（23）

3.2 理想光學繫統的焦點與焦平面、

主點與主平面、焦距、節點（23）

3.3 理想光學繫統的物像關繫（26）

3.4 理想光學繫統的放大率（30）

3.5 理想光學繫統的物像關繫特性曲線（33）

3.6 光學繫統的組合（36）

3.6.1 兩個光組的組合（36）

3.6.2 多個光組的組合（40）

3.7 透鏡（42）

3.8 實際光學繫統焦點位置和焦距的計算（47）

3.9 幾種典型繫統的理想光學繫統性質（49）

3.9.1 望遠鏡繫統（49）

3.9.2 顯微鏡繫統（50）

3.9.3 照相物鏡繫統（51）

3.10 矩陣運算在幾何光學中的應用（52）

3.10.1 近軸光的矩陣表示（52）

3.10.2 物像矩陣（54）

3.10.3 用高斯常數表示繫統的基點

位置和焦距（54）

3.10.4 薄透鏡繫統的矩陣運算（56）

習題（57）

第4章平面鏡和平面繫統（59）

4.1 平面鏡成像（59）

4.2 雙平面鏡繫統（62）

4.3 反射稜鏡（66）

4.3.1 反射稜鏡的類型（66）

4.3.2 屋脊稜鏡（68）

4.3.3 三面直角稜鏡（立方角錐稜鏡）（69）

4.3.4 稜鏡的組合（70）

4.3.5 稜鏡的展開及結構參數K（71）

4.3.6 稜鏡成像方向辨別原則（75）

4.4 折射稜鏡（75）

4.4.1 折射稜鏡的小偏角（75）

4.4.2 折射稜鏡的色散（76）

4.4.3 色散稜鏡的形式（77）

4.5 光楔（78）

4.6 光學材料（79）

4.6.1 透明光學材料（透射材料）（79）

4.6.2 玻璃的選擇（80）

4.6.3 塑料光學材料（81）

4.6.4 反射光學材料（82）

習題（83）

第5章光學繫統中的光闌（84）

5.1 光闌在光學繫統中的作用（84）

5.2 光學繫統的孔徑光闌、入射光瞳

和出射光瞳（85）

5.3 視場光闌（88）

5.4 漸暈光闌（89）

5.4.1 軸外點發出光束的漸暈（89）

5.4.2 消除漸暈的條件（91）

5.4.3 漸暈繫數（91）

5.5 光學繫統的景深（92）

5.5.1 光學繫統的空間像（92）

5.5.2 光學繫統的景深（93）

5.6 遠心光路（96）

5.7 消雜光光闌（98）

5.8 幾種典型繫統的光束限制（99）

習題（102）

第6章光能及其計算（103）

6.1 光通量(Luminous Flux)（103）

6.2 發光強度（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學繫統中的

傳遞、像面光照度（112）

6.6 光學繫統中光能損失的計算（116）

6.7 光能計算（118）

習題（122）

第7章顏色（123）

7.1 概述（123）

7.2 顏色的特征和分類（123）

7.3 色光混合與格拉斯曼定律（124）

7.4 顏色的匹配（125）

7.5 色度學基礎（125）

7.6 CIE標準色度學繫統（129）

7.6.1 1931CIE—RGB繫統（129）

7.6.2 1931CIE—XYZ繫統（129）

7.6.3 1931CIE—XYZ色品圖（134）

7.6.4 光源色和物體色的三刺激值（134）

7.6.5 表示顏色特征的兩個量——主波長

和顏色純度（136）

7.6.6 CIE1964補充標準色度學繫統（137）

7.6.7 CIE色度學繫統表示顏色的方法（137）

7.7 均勻顏色空間及色差公式（138）

7.7.1 (x, y; Y )顏色空間是非均勻的

顏色空間（138）

7.7.2 均勻顏色空間及對應的色差公式（139）

7.8 光源（140）

7.8.1 表示光源顏色特性的兩個參量（140）

7.8.2 CIE標準照明體和標準光源（141）

7.9 色光混合匹配計算（143）

7.10 中國顏色體繫（144）

習題（146）

第二部分像差理論

第8章光線的光路計算（148）

8.1 概述（148）

8.2 子午面內的光線光路計算（149）

8.3 軸外點細光束的光路計算（154）

8.4 空間光線的光路計算（157）

8.4.1 通過球面的空間光線的

光路計算（矢量公式）（157）

8.4.2 二次曲面的空間光線的光路

計算（矢量計算公式）（160）

8.4.3 細光束子午焦點和弧矢

焦點位置的計算（163）

8.4.4 高次非球面空間光線計算

（矢量計算公式）（163）

8.4.5 空間光線初始數據的確定

和終結公式（166）

習題（169）

第9章光學繫統的像差（170）

9.1 軸上點球差（170）

9.1.1 球差的定義及其計算（170）

9.1.2 光學繫統的球差分布公式（171）

9.1.3 單個折射球面的球差

分布繫數、不暈點（173）

9.1.4 單個折射球面的球差正負和

物體位置的關繫（174）

9.2 彗差（176）

9.2.1 彗差及其計算（176）

9.2.2 光學繫統結構形式對彗差的影響（178）

9.2.3 弧矢彗差（179）

9.3 像散和像面彎曲（180）

9.3.1 像散（像散差）（180）

9.3.2 場曲（像面彎曲）（182）

9.3.3 寬光束的像散和場曲（184）

9.4 畸變（184）

9.5 正弦差（186）

9.6 位置色差（191）

9.7 倍率色差（193）

9.8 像差曲線的繪制及舉例（194）

9.8.1 像差曲線繪制（194）

9.8.2 繪制像差曲線舉例（196）

9.9 像差的級數展開（199）

9.10 像差分布公式（204）

習題（209）

第10章初級單色像差（210）

10.1 初級單色像差的一般表示式（210）

10.1.1 軸向像差（210）

10.1.2 初級垂軸像差的一般表示式（212）

10.1.3 空間光線通過光學繫統的

像差的一般表示式（214）

10.2 五種初級像差（215）

10.3 具有初級像差的光束結構（219）

10.4 賽得和數的表示形式（222）

10.4.1 阿貝不變量表示的賽得和數（222）

10.4.2 PW形式的賽得和數（224）

10.4.3 薄透鏡繫統初級像差的

PW表示式（225）

10.4.4 單個薄透鏡的P和W（227）

10.4.5 密接雙薄透鏡繫統的初級像差（230）

習題（232）

第11章初級色差（233）

11.1 消像差譜線選擇（233）

11.2 初級色差（234）

11.3 薄透鏡繫統的初級色差（238）

11.3.1 薄透鏡繫統的初級位置色差（238）

11.3.2 由消色差要求決定光學繫統中各

透鏡的光焦度分配（239）

11.3.3 薄透鏡繫統的初級倍率色差（242）

11.3.4 對幾種薄透鏡繫統的初級倍率

色差的討論（243）

11.4 二級光譜（244）

11.4.1 密接雙透鏡繫統（245）

11.4.2 密接三薄透鏡繫統的復消色差（246）

習題（248）

第12章像差綜述及計算結果處理（249）

12.1 概述（249）

12.2 初級像差繫數和光闌位置的關繫（251）

12.3 光闌像差與物面像差的關繫（253）

12.4 初級像差繫數與物面位置的關繫（254）

12.5 折射平面和平行平板的初級像差（255）

12.6 反件的初級像差（257）

12.7 單個折射球面和一些典型折射光學
<件的初級像差分析（259）

12.8 對稱式繫統的像差特性（262）

12.9 光學繫統像差特性曲線（263）

12.10 像差特性曲線的分析（266）

12.11 全息術補償像差（272）

12.11.1 全息術補償像差原理（272）

12.11.2 全息術補償像差的實例（274）

習題（276）

第13章光學繫統的波像差（277）

13.1 概述（277）

13.2 軸上點的波像差及其與球差的關繫（277）

13.3 軸外點的波像差及其與

垂軸像差的關繫（281）

13.3.1 軸外點波像差表示式（281）

13.3.2 軸外點波像差求解（283）

13.4 波像差的一般表示式（284）

13.5 參考點移動產生的波像差和焦深（286）

13.6 色差的波像差表示（286）

13.6.1 用(D-d)方法計算波色差（286）

13.6.2

前言

本書編寫目的是培養光學儀器或光學工程有關專業人纔，在光學儀器設計、光學繫統設計和光學鏡頭設計方面的技術基礎知識和能力，是一本技術基礎教材和科技參考書。

本書第1版於1982年出版；第2版於1987年出版。

在隨後中斷的近20年中，本書的廣大老讀者，以及曾經學習本書受益的學生，因在市面上無法買到本書，感到十分惋惜，希望修訂的呼聲一直不斷（不少高校，也一直是內部翻印作為學生教材的）；2006年初，伴隨著光學學科、光電產業的大發展，為適應高等學校光電類專業人纔培養的要求，在電子工業出版社的熱情鼓勵和支持下，本書開始編寫第3版，並於2008年出版，第3版一面市，本書的不少老讀者感到十分親切，並從不同側面、角度給予了積極的、很好的評價。

總之，在近30年的教學實踐中形成、完善，並歷經波折延續下來的這本書，對培養一批光學技術人纔起到了應有的作用，這也是本書作者感到欣慰，並願意繼續修訂下去的驅動力。

本書在不斷的修訂和完善中，每次都有精簡並增加當代新內容，形成了本書的特色：

(1) 適於教學和加強光學工程或光學儀器專業基礎：時間上歷經近30多年的教學考驗，在空間上參考了全國各院校光學儀器專業成功的教學經驗。

(2) 強調了在光學中的應用技術：使基礎性光學原理用於光學繫統設計，定位於闡述光學設備原理、光學繫統總體設計和像差平衡，並能為鏡頭設計打下扎實基礎。

(3) 符合教學認識論：本書仍分為四個部分，即幾何光學、像差理論、典型光學繫統和光學繫統設計，每次修訂，都適當地反映了當時的前沿光學技術。

(4) 本書在教學中注重實踐性，保證實驗、習題和課程設計等環節。

(5) 本書具有很好的聲譽，幾十年來同行們團結合作，作者隊伍穩定，老中青結合，合作愉快，盡職盡責地保證了教材的整體性和“無縫結合”。

第4版在保持第3版基本結構、基本內容的基礎上，主要的修訂內容有：

(1) 充分反映當前光學繫統設計前沿，增加了全息術補償像差、太赫茲光學繫統、折衍混合光學繫統、共形自由曲面光學繫統、復眼仿生光學繫統和自適應光學繫統等的設計理論。

(2) 由於光電探測器的廣泛使用，顯微和望遠光學繫統已越來越重要，故將“目視光學繫統”修改為“顯微和望遠繫統”，並增加3D打印光學繫統和3D顯示光學繫統。

(3) 在文字上盡量精練，並盡量剔除原來的一些文字錯誤。

本書由天津大學張以謨教授主編。第4版由天津大學張紅霞博士、賈大功博士修訂。

本教材可作為高等學校光學儀器專業以及其他光學專業的教材或教學參考書，也可供從事光學設計和光學儀器設計工作的科技人員參考。

本書盡管經歷三次修訂，但其中不妥和錯誤之處仍在所難免，懇請廣大教師和讀者批評指正。

張以謨

張紅霞，賈大功

於天津大學

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