第1章 什麼是光 （1）
1．1 光是什麼 （1）
1．1．1 微粒說與波動說 （1）
1．1．2 電磁波譜 （2）
1．1．3 可見光 （3）
1．1．4 視見函數 （4）
1．2 光的傳播 （5）
1．2．1 光線和光束 （5）
1．2．2 光速 （5）
習題 （6）
第2章 幾何光學基本定律 （7）
2．1 光的直線傳播定律 （7）
2．1．1 光的直線傳播 （7）
2．1．2 直線傳播的破壞 （7）
2．2 光的獨立傳播定律 （7）
2．3 光的反射定律 （8）
2．4 光的折射定律 （8）
2．5 光路可逆 （9）
2．6 Snell定律 （9）
2．6．1 折射率 （9）
2．6．2 Snell定律的形式 （10）
2．6．3 Snell定律的討論 （10）
2．7 全反射 （11）
2．7．1 全反射現像 （11）
2．7．2 全反射的應用 （12）
習題 （13）
第3章 理想光學繫統 （14）
3．1 成像的概念 （14）
3．2 理想像 （15）
3．2．1 什麼是理想像 （15）
3．2．2 理想像的違背 （15）
3．3 理想光學繫統 （16）
3．3．1 光學繫統 （16）
3．3．2 理想光學繫統的成像特性 （17）
3．3．3 共軸理想光學繫統 （18）
習題 （19）
第4章 共軸球面繫統的光路計算 （20）
4．1 共軸球面繫統的光路計算公式 （20）
4．1．1 光路計算公式 （20）
4．1．2 轉面公式 （21）
4．2 符號規則 （22）
4．2．1 線量的符號規則 （22）
4．2．2 角量的符號規則 （23）
4．2．3 反射處理 （23）
4．2．4 有限遠成像 （24）
4．3 計算實例 （24）
4．3．1 單透鏡成像 （24）
4．3．2 圓柱形光纖焦點位置 （25）
習題 （26）
第5章 近軸光學 （27）
5．1 近軸成像理想 （27）
5．2 近軸光學基本公式 （28）
5．2．1 投射高及其符號規則 （28）
5．2．2 另一個近軸光路計算公式 （28）
5．2．3 近軸光學基本公式的推導 （29）
5．3 近軸物像關繫 （30）
5．3．1 物高、像高及其符號規則 （30）
5．3．2 垂軸放大率? （30）
5．3．3 垂軸放大率的討論 （31）
5．4 近軸光學的作用 （31）
習題 （32）
第6章 作圖法求理想光學繫統的
物像關繫 （33）
6．1 主點和主平面 （33）
6．2 焦點和焦平面 （33）
6．2．1 像方焦點和像方焦平面 （33）
6．2．2 物方焦點和物方焦平面 （34）
6．2．3 焦距 （34）
6．3 作圖法 （35）
6．3．1 常用兩條作圖光線 （35）
6．3．2 實例分析 （35）
6．3．3 課堂作圖訓練 （37）
習題 （37）
第7章 高斯光學 （38）
7．1 牛頓公式 （38）
7．2 高斯公式 （39）
7．3 兩套公式對比與例題 （40）
7．3．1 兩套公式對比 （40）
7．3．2 例題 （41）
7．4 拉格朗日不變量 （41）
7．5 物方焦距和像方焦距的關繫 （42）
習題 （43）
第8章 基點和基面 （44）
8．1 單折射球面的基點和基面 （44）
8．1．1 主點和主平面 （44）
8．1．2 焦點和焦平面 （45）
8．1．3 單反射面的基點和基面 （45）
8．2 共軸球面光學繫統的基點和基面 （45）
8．3 光學繫統的三種放大率 （46）
8．3．1 垂軸放大率? （46）
8．3．2 軸向放大率? （46）
8．3．3 角放大率? （47）
8．3．4 三種放大率的關繫 （47）
8．4 節點和節平面 （47）
8．5 無限遠共軛的理想像高與理想物高 （49）
8．5．1 無限遠共軛的理想像高 （49）
8．5．2 無限遠共軛的理想物高 （50）
習題 （50）
第9章 理想光學繫統的組合 （51）
9．1 兩個理想光學繫統的組合 （51）
9．1．1 主點和焦點位置 （51）
9．1．2 組合焦距 （52）
9．1．3 光焦度 （53）
9．1．4 實例 （55）
9．2 單透鏡計算 （55）
9．2．1 單透鏡的焦距 （55）
9．2．2 主面位置 （56）
9．2．3 薄透鏡 （57）
9．2．4 常見透鏡的主面 （57）
習題 （58）
第10章 矩陣光學基礎 （59）
10．1 光線的矩陣描述 （59）
10．2 物像關繫矩陣 （60）
10．2．1 物像關繫矩陣的形成 （60）
10．2．2 基點和基面 （61）
10．繫統 （62）
10．3．1 單透鏡 （62）
10．3．2 兩個理想光學繫統的組合 （62）
10．4 矩陣光學例題 （63）
習題 （64）
第11章 人眼的光學特性 （65）
11．1 人眼的結構 （65）
11．2 人眼的最小分辨角 （66）
11．3 人眼的調節 （67）
11．3．1 瞳孔調節 （67）
11．3．2 視度調節 （67）
11．4 人眼的缺陷及其校正 （68）
11．4．1 近視眼 （69）
11．4．2 遠視眼 （70）
11．4．3 眼鏡片的制作 （71）
習題 （71）
第12章 傳統光學繫統的原理 （72）
12．1 目視光學繫統的要求 （72）
12．2 放大鏡的原理 （73）
12．3 顯微鏡的原理 （73）
12．4 望遠鏡的原理 （75）
12．5 光學儀器的視度調節 （78）
習題 （78）
第13章 平面鏡稜鏡的應用 （79）
13．1 平面鏡成像性質 （79）
13．1．1 平面鏡成鏡像 （79）
13．1．2 平面鏡的旋轉 （80）
13．1．3 雙平面鏡 （80）
13．2 稜鏡及類型 （81）
13．3 平面鏡稜鏡的作用 （82）
13．4 最小偏向角 （83）
13．5 光楔 （84）
習題 （85）
第14章 稜鏡的展開 （86）
14．1 稜鏡展開的要求 （86）
14．2 直角稜鏡的展開 （87）
14．3 五角稜鏡的展開 （88）
14．4 靴形稜鏡的展開 （88）
14．5 平行平板的成像性質 （89）
14．5．1 平行平板的成像特性 （89）
14．5．2 等效空氣層 （90）
14．5．3 非近軸等效空氣層 （90）
習題 （92）
第15章 平面鏡稜鏡繫統成像方向 （93）
15．1 屋脊稜鏡 （93）
15．2 角隅稜鏡 （94）
15．3 平面鏡稜鏡成像方向 （95）
15．3．1 坐標鏡像法 （96）
15．3．2 畫線法 （96）
15．3．3 法則法 （97）
習題 （98）
第16章 稜鏡轉動定理 （99）
16．1 稜鏡轉動定理 （99）
16．1．1 稜鏡轉動定理的表達式 （99）
16．1．2 常見的稜鏡轉動 （100）
16．2 轉動矩陣 （101）
16．2．1 轉動矩陣的形式 （101）
16．2．2 作用矩陣 （101）
16．3 光軸偏與像傾斜 （102）
16．3．1 光軸偏與像傾斜的求解 （102）
16．3．2 特征方向和特征平面 （103）
16．4 稜鏡的偏差 （103）
16．4．1 光學平行差 （103）
16．4．2 屋脊稜鏡的雙像差 （104）
習題 （105）
第17章 期中課程設計 （106）
17．1 期中課程設計要求 （106）
17．2 雙分離望遠物鏡的參數 （107）
17．3 作圖法 （107）
17．4 光路計算公式 （107）
17．5 近軸光學 （108）
17．6 矩陣光學 （108）
17．7 高斯光學 （109）
17．8 稜鏡外形尺寸 （110）
第18章 光闌與光束選擇 （111）
18．1 為什麼用光闌 （111）
18．2 光闌分類 （112）
18．2．1 孔徑光闌 （112）
18．2．2 視場光闌 （112）
18．2．3 漸暈光闌 （113）
18．2．4 消雜光光闌 （113）
18．3 望遠繫統中成像光束的選擇 （114）
18．3．1 孔徑光闌 （114）
18．3．2 視場光闌 （115）
18．4 顯微繫統中成像光束的選擇 （115）
習題 （117）
第19章 遠心光路、場鏡和景深 （118）
19．1 遠心光路 （118）
19．1．1 物方遠心光路 （118）
19．1．2 像方遠心光路 （119）
19．2 場鏡 （119）
19．3 景深 （120）
19．3．1 景深概念 （120）
19．3．2 景深計算 （120）
19．3．3 景深的基準物平面 （122）
習題 （123）
第20章 光度學基本量I （124）
20．1 立體角 （124）
20．1．1 立體角的概念 （124）
20．1．2 立體角的計算 （124）
20．2 光通量 （125）
20．2．1 輻射通量 （125）
20．2．2 光通量 （126）
20．2．3 光視效能 （126）
20．3 發光強度 （127）
20．4 光出射度 （128）
習題 （128）
第21章 光度學基本量II （129）
21．1 光照度 （129）
21．1．1 光照度的定義 （129）
21．1．2 光照度公式 （130）
21．2 光亮度 （131）
21．3 光學繫統中的光亮度傳遞 （132）
21．3．1 同種介質中光亮度的傳遞 （132）
21．3．2 折射時光亮度的傳遞 （132）
習題 （134）
第22章 光學繫統像平面照度 （135）
22．1 朗伯輻射體 （135）
22．1．1 朗伯輻射體 （135）
22．1．2 發光面的光通量 （136）
22．1．3 全擴散表面 （136）
22．2 光學繫統像平面照度 （137）
22．2．1 像平面軸上點光照度 （137）
22．2．2 像平面軸外點光照度 （137）
22．3 照相物鏡像平面照度 （138）
22．3．1 照相物鏡的像平面照度 （138）
22．3．2 曝光量 （139）
習題 （140）
第23章 主觀光亮度與光能損失 （141）
23．1 主觀光亮度 （141）
23．1．1 人眼直接觀察時的主觀
光亮度 （141）
23．1．2 望遠鏡觀察發光點的主觀
光亮度 （142）
23．1．3 望遠鏡觀察發光面的主觀
光亮度 （143）
23．2 光學繫統中光能損失 （143）
23．2．1 反射損失 （143）
23．2．2 吸收損失 （144）
23．2．3 光學繫統的透過率 （144）
23．2．4 透過率計算實例 （145）
習題 （146）
第24章 兩種視覺 體視與色覺 （147）
24．1 體視 （147）
24．1．1 空間深度感覺 （147）
24．1．2 雙目立體視覺 （148）
24．1．3 雙目觀察儀器 （149）
24．2 色覺 （150）
24．2．1 顏色色覺 （150）
24．2．2 格拉斯曼定律 （150）
24．2．3 顏色匹配 （151）
24．3 色度學 （151）
24．3．1 色度學基礎 （151）
24．3．2 CIE標準色度學繫統 （152）
24．3．3 光源的顏色特性 （155）
習題 （155）
第25章 像質評價 （156）
25．1 光學繫統的要求 （156）
25．2 後評價方法 （157）
25．2．1 一階特性測量評價 （157）
25．2．2 像質評價之分辨率 （158）
25．2．3 像質評價之星點檢驗 （158）
25．3 理想光學繫統的分辨率 （159）
25．3．1 瑞利判據 （159）
25．3．2 望遠鏡分辨率 （160）
25．3．3 照相物鏡分辨率 （160）
25．3．4 顯微鏡分辨率 （161）
習題 （161）
第26章 設計評價Ⅰ 塞德像差 （162）
26．1 球差 （162）
26．2 場曲和彗差 （163）
26．2．1 子午面內場曲和彗差 （163）
26．2．2 弧矢面內場曲和彗差 （164）
26．2．3 像散 （164）
26．3 畸變 （165）
26．4 色差 （165）
26．4．1 色散與玻璃圖 （165）
26．4．2 軸向色差 （166）
26．4．3 垂軸色差 （167）
26．5 像差分類 （168）
26．6 像差曲線 （168）
習題 （169）
第27章 設計評價Ⅱ 綜合方法 （170）
27．1 斯特列爾比 （170）
27．2 光線扇形圖 （171）
27．3 點列圖 （171）
27．4 能量環 （172）
27．5 波像差 （173）
27．6 調制傳遞函數 （174）
27．6．1 MTF曲線 （174）
27．6．2 MTF在像質評價中的應用 （176）
習題 （176）
第28章 望遠鏡和顯微鏡 （177）
28．1 望遠鏡的技術要求 （177）
28．2 望遠鏡的物鏡 （178）
28．2．1 望遠物鏡技術參數 （178）
28．2．2 望遠物鏡類型 （179）
28．3 顯微鏡的技術要求 （180）
28．4 顯微鏡的物鏡 （181）
28．5 目鏡 （182）
28．5．1 目鏡技術參數 （182）
28．5．2 目鏡類型 （183）
習題 （184）
第29章 照相機和投影儀 （185）
29．1 照相物鏡 （185）
29．1．1 照相物鏡的技術要求 （185）
29．1．2 照相物鏡的類型 （187）
29．2 照相機取景繫統 （189）
29．3 投影儀照明繫統 （191）
29．4 投影物鏡 （192）
29．4．1 投影物鏡的技術要求 （192）
29．4．2 投影物鏡的類型 （193）
習題 （193）
第30章 新型光學繫統 （194）
30．1 紅外光學繫統 （194）
30．1．1 概述 （194）
30．1．2 紅外物鏡 （196）
30．1．3 紅外光學繫統的應用 （196）
30．2 激光光學繫統 （197）
30．2．1 激光束特性 （197）
30．2．2 激光光學繫統 （198）
30．3 數碼影像光學繫統 （199）
30．3．1 光電感光器件與攝像物鏡 （199）
30．3．2 數碼影像繫統 （200）
習題 （200）
第31章 梯度折射率成像 （201）
31．1 大氣折射率 （201）
31．2 梯度折射率材料分類 （202）
31．2．1 徑向梯度折射率材料 （202）
31．2．2 軸向梯度折射率材料 （202）
31．2．3 球向梯度折射率材料 （203）
31．2．4 層狀梯度折射率材料 （203）
31．3 梯度折射率的光線方程 （203）
31．3．1 程函方程 （203）
31．3．2 光線方程 （204）
31．3．3 費馬原理 （204）
31．3．4 光學方向餘弦 （204）
31．4 GRIN透鏡成像 （205）
31．4．1 GRIN光線方程 （205）

31．4．2 光線方程的解 （206）
31．4．3 GRIN成像特性 （207）
習題 （209）
第32章 ZEMAX軟件概述 （210）
32．1 數據輸入 （210）
32．1．1 ZEMAX軟件交互界面 （210）
32．1．2 輸入鏡頭參數 （211）
32．1．3 通用對話框 （212）
32．1．4 視場數據對話框 （213）
32．1．5 波長數據對話框 （215）
32．1．6 玻璃庫對話框 （216）
32．2 查看輸入結果 （216）
32．2．1 鏡頭結構參數 （216）
32．2．2 輪廓圖 （216）
32．2．3 查看一階特性 （217）
32．3 分析輸入結果 （218）
習題 （219）
第33章 期末課程設計 （220）
33．1 期末課程設計要求 （220）
33．2 周視瞄準鏡結構 （220）
33．3 周視瞄準鏡計算 （221）
33．3．1 一階特性參數計算 （221）
33．3．2 外形尺寸計算 （222）
33．3．3 成像方向與稜鏡轉動 （225）
33．3．4 光能計算 （226）
附錄A 中英文術語 （227）
附錄B 習題參考答案 （232）
參考文獻 （237）?

我曾經見到過一本美國的LensDesign教材，它以照相物鏡的發展歷史為主線，利用38章共38個講座，每個講座就著一個主題，以2小時報告的形式進行講授。LensDesign已經成為光學設計初學者的一本“寶典”。我深讀此書，覺得它十分適合用作教材，它的授課形式很值得借鋻。於是，在我給大學本科生講授“應用光學”數年之後，就有了一個衝動：將《應用光學》也寫成報告形式的教材，以便更加有利於授課。事實上，國內有很多優秀的《應用光學》教材，經過幾十年的使用，證明是經典的，也很值得借鋻。我對《應用光學》教材的改造，權作一種嘗試，它的成功與否將會在後續的授課中來驗證。
本教材包含了基礎的《應用光學》知識和理論，如理想成像理論、高斯光學、眼視光學、目視光學儀器原理、平面鏡稜鏡繫統、光欄、光度學基礎、像差理論概述和常見光學儀器等。同時，增加了部分實用性較強、與新技術和新理論有密切關繫的知識，如矩陣光學、梯度折射率光學和ZEMAX軟件概述等。矩陣光學在激光傳輸理論、張量光學、離軸非對稱光學繫統設計中都有重要應用。梯度折射率材料雖然發展較早，但是未受到重視，對於我們熟知的大氣層的梯度折射率理論，很少有在應用光學課程中體現。國內外近期研究發現，隨著梯度折射率材料制造技術的改進，梯度折射率材料還可能全面替代非球面，在未來光學設計中有可能占據重要的地位。同時，梯度折射率理論，在眼視光學、激光晶體熱效應分布等方面也有應用。ZEMAX軟件已經不僅僅是光學設計師的專有軟件，對於從事光學工程的研究者或者工程師，它的使用已經是必不可少的工具之一。
本書在編寫過程中盡量梳理各種理論之間的關繫，盡量做到前後順序的科學化，保證後面使用時前面要講授過。同時，對於每一章，要力求一定的完整性，就著一個課題做深入的講授，避免知識點成散狀分布，使學生更能繫統理解知識點之間的關聯性，不容易混亂。內容安排不多不少，兩個小時一個報告，講授一章，教師可根據基本理論擴展講授一些自己科研、現實生活或者經典文獻中的光學現像，以便引起學生濃厚的學習興趣。
為了與國際教學理念接軌，也便於學生養成研究的良好習慣，本書在第17章和第33章分別安排了期中課程設計和期末課程設計，讓學生以寫論文的形式提交作業。我們認為，嚴格認真的課程設計比課後作業會獲得更好的教學效果。
全書共33章，除去兩個課程設計，共31個講座或報告，如果全講授，需要62個學時。一般平均每學期18周，如果安排每周4學時，則共授課時72個學時，除去講座餘下的10個學時，可開設為實驗課。部分學校安排《應用光學》課時為54學時，可以考慮舍去部分內容，比如傳統《應用光學》教材中很少出現的第10章、第31章和第32章，或者略去部分內容。
本書第1～8章由丁超亮編寫，第9～33章由趙存華編寫，全書由趙存華統稿。賈紅撰寫了第25章中的部分內容，本書中的所有圖表由孫梅霞和杜娟繪制，張相輝在本書的編寫過程中提出了十分有意義的建議。本書的成功出版得到了廣泛的支持，包括學校院繫領導的關心，同行老師的重要意見和建議，以及幾屆學生講授中的互動，他們對本書質量的提高起到了重要的作用，在此一並感謝。另外，家人也十分支持我們的工作，忍受了我們全身心的投入，並且給予我們很大的幫助，在此表示深深的感謝。
本書是一個新的嘗試和探索，一定有很多不當之處，歡迎讀者不吝珠玉，給予批評指正。
編著者