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。

張以謨，天津大學教授，博士生導師。獲天津市特等勞動模範，國家有突出貢獻的中青年科技專家稱號，國務院政府津貼及證書獲得者等稱號，並曾被選為中共十四大代表。專長為應用光學與光學設計、光學信息處理和光互連技術。現為中國光學學會高級會員，光電專業委員會主任。中國儀器儀表學會光機電集成技術分會理事長，國際光電工程學會(SPIE)Fellow。科技部863計劃光電子專家組成員，科技部973計劃信息領域咨詢組副組長等職。

目 錄
第一部分 幾 何 光 學

第1章 幾何光學的基本定律和成像的
概念\t（2）
1．1 幾何光學的基本概念\t（2）
1．2 幾何光學的基本定律\t（4）
1．3 費馬原理及其應用\t（8）
1．4 馬呂斯定律\t（10）
1．5 成像的概念\t（11）
習題\t（13）
第2章 球面和共軸球面繫統\t（14）
2．1 光線經過單個折射球面的折射\t（14）
2．2 單個折射球面的成像倍率、拉赫
不變量\t（16）
2．3 共軸球面繫統\t（18）
2．4 球面反射鏡\t（20）
習題\t（21）
第3章 理想光學繫統\t（22）
3．1 理想光學繫統和共線成像\t（22）
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\t（22）
3．3 理想光學繫統的物像關繫\t（25）
3．4 理想光學繫統的放大率\t（29）
3．5 理想光學繫統的物像關繫特性曲線\t（31）
3．6 光學繫統的組合\t（34）
3．6．1 兩個光組的組合\t（34）
3．6．2 多個光組的組合\t（37）
3．7 透鏡\t（39）
3．8 實際光學繫統焦點位置和焦距的計算\t（43）
3．9 幾種典型繫統的理想光學繫統性質\t（45）
3．9．1 望遠鏡繫統\t（46）
3．9．2 顯微鏡繫統\t（47）
3．9．3 照相物鏡繫統\t（48）
3．10 矩陣運算在幾何光學中的應用\t（49）
3．10．1 近軸光的矩陣表示\t（49）
3．10．2 物像矩陣\t（50）
3．10．3 用高斯常數表示繫統的基點位置和
焦距\t（51）
3．10．4 薄透鏡繫統的矩陣運算\t（52）
習題\t（53）
第4章 平面鏡和平面繫統\t（55）
4．1 平面鏡成像\t（55）
4．2 雙平面鏡繫統\t（58）
4．3 反射稜鏡\t（61）
4．3．1 反射稜鏡的類型\t（61）
4．3．2 屋脊稜鏡\t（63）
4．3．3 三面直角稜鏡（立方角錐稜鏡）\t（64）
4．3．4 稜鏡的組合\t（65）
4．3．5 稜鏡的展開及結構參數K\t（67）
4．3．6 稜鏡成像方向辨別原則\t（70）
4．4 折射稜鏡\t（70）
4．4．1 折射稜鏡的最小偏角\t（70）
4．4．2 折射稜鏡的色散\t（71）
4．4．3 色散稜鏡的形式\t（72）
4．5 光楔\t（73）
4．6 光學材料\t（74）
4．6．1 透明光學材料（透射材料）\t（74）
4．6．2 玻璃的選擇\t（75）
4．6．3 塑料光學材料\t（76）
4．6．4 反射光學材料\t（77）
習題\t（78）
第5章 光學繫統中的光闌\t（79）
5．1 光闌在光學繫統中的作用\t（79）
5．2 光學繫統的孔徑光闌、入射光瞳和出射
光瞳\t（80）
5．3 視場光闌\t（83）
5．4 漸暈光闌\t（84）
5．4．1 軸外點發出光束的漸暈\t（84）
5．4．2 消除漸暈的條件\t（86）
5．4．3 漸暈繫數\t（86）
5．5 光學繫統的景深\t（86）
5．5．1 光學繫統的空間像\t（86）
5．5．2 光學繫統的景深\t（88）
5．6 遠心光路\t（91）
5．7 消雜光光闌\t（92）
5．8 幾種典型繫統的光束限制\t（93）
習題\t（96）
第6章 光能及其計算\t（97）
6．1 光通量（Luminous Flux）\t（97）
6．2 發光強度\t（99）
6．3 光照度和光出射度\t（101）
6．4 光亮度\t（103）
6．5 光通量和光亮度在光學繫統中的傳遞、
像面光照度\t（105）
6．6 光學繫統中光能損失的計算\t（109）
6．7 光能計算\t（111）
習題\t（115）
第7章 顏色\t（116）
7．1 概述\t（116）
7．2 顏色的特征和分類\t（116）
7．3 色光混合與格拉斯曼定律\t（117）
7．4 顏色的匹配\t（118）
7．5 色度學基礎\t（118）
7．6 CIE標準色度學繫統\t（121）
7．6．1 1931CIE―RGB繫統\t（121）
7．6．2 1931CIE―XYZ繫統\t（122）
7．6．3 1931CIE―XYZ色品圖\t（126）
7．6．4 光源色和物體色的三刺激值\t（127）
7．6．5 表示顏色特征的兩個量―主波長和
顏色純度\t（127）
7．6．6 CIE1964補充標準色度學繫統\t（129）
7．6．7 CIE色度學繫統表示顏色的方法\t（129）
7．7 均勻顏色空間及色差公式\t（129）
7．7．1 (x，y，Y)顏色空間是非均勻的顏色
空間\t（129）
7．7．2 均勻顏色空間及對應的色差公式\t（130）
7．8 光源\t（131）
7．8．1 表示光源顏色特性的兩個參量\t（131）
7．8．2 CIE標準照明體和標準光源\t（132）
7．9 色光混合匹配計算\t（134）
7．10 中國顏色體繫\t（136）
習題\t（137）
第二部分 像 差 理 論

第8章 光線的光路計算\t（139）
8．1 概述\t（139）
8．2 子午面內的光線光路計算\t（140）
8．3 軸外點細光束的光路計算\t（145）
8．4 空間光線的光路計算\t（148）
8．4．1 通過球面的空間光線的光路計算
（矢量公式）\t（148）
8．4．2 二次曲面的空間光線的光路計算
（矢量計算公式）\t（151）
8．4．3 細光束子午焦點和弧矢焦點位置的
計算\t（153）
8．4．4 高次非球面空間光線計算
（矢量計算公式）\t（154）
8．4．5 空間光線初始數據的確定和終結
公式\t（157）
習題\t（159）
第9章 光學繫統的像差\t（160）
9．1 軸上點球差\t（160）
9．1．1 球差的定義及其計算\t（160）
9．1．2 光學繫統的球差分布公式\t（161）
9．1．3 單個折射球面的球差分布繫數、
不暈點\t（163）
9．1．4 單個折射球面的球差正負和物體
位置的關繫\t（164）
9．2 彗差\t（166）
9．2．1 彗差及其計算\t（166）
9．2．2 光學繫統結構形式對彗差的影響\t（168）
9．2．3 弧矢彗差\t（169）
9．3 像散和像面彎曲\t（170）
9．3．1 像散（像散差）\t（170）
9．3．2 場曲（像面彎曲）\t（172）
9．3．3 寬光束的像散和場曲\t（173）
9．4 畸變\t（174）
9．5 正弦差\t（176）
9．6 位置色差\t（181）
9．7 倍率色差\t（182）
9．8 像差曲線的繪制及舉例\t（183）
9．8．1 像差曲線繪制\t（183）
9．8．2 繪制像差曲線舉例\t（185）
9．9 像差的級數展開\t（188）
9．10 像差分布公式\t（193）
習題\t（198）
第10章 初級單色像差\t（199）
10．1 初級單色像差的一般表示式\t（199）
10．1．1 軸向像差? L‘\t（199）
10．1．2 初級垂軸像差的一般表示式\t（201）
10．1．3 空間光線通過光學繫統的像差的
一般表示式\t（202）
10．2 五種初級像差\t（204）
10．3 具有初級像差的光束結構\t（208）
10．4 賽得和數的表示形式\t（211）
10．4．1 阿貝不變量表示的賽得和數\t（211）
10．4．2 PW形式的賽得和數\t（213）
10．4．3 薄透鏡繫統初級像差的PW
表示式\t（214）
10．4．4 單個薄透鏡的P和W\t（216）
10．4．5 密接雙薄透鏡繫統的初級像差\t（218）
習題\t（221）
第11章 初級色差\t（222）
11．1 消像差譜線選擇\t（222）
11．2 初級色差\t（223）
11．3 薄透鏡繫統的初級色差\t（226）
11．3．1 薄透鏡繫統的初級位置色差\t（226）
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\t（227）
11．3．3 薄透鏡繫統的初級倍率色差\t（230）
11．3．4 對幾種薄透鏡繫統的初級倍率
色差的討論\t（231）
11．4 二級光譜\t（233）
11．4．1 密接雙透鏡繫統\t（233）
11．4．2 密接三薄透鏡繫統的復消色差\t（234）
習題\t（236）
第12章 像差綜述及計算結果處理\t（237）
12．1 概述\t（237）
12．2 初級像差繫數和光闌位置的關繫\t（239）
12．3 光闌像差與物面像差的關繫\t（241）
12．4 初級像差繫數與物面位置的關繫\t（242）
12．5 折射平面和平行平板的初級像差\t（243）
12．6 反件的初級像差\t（245）
12．7 單個折射球面和一些典型折件的
初級像差分析\t（246）
12．8 對稱式繫統的像差特性\t（249）
12．9 光學繫統像差特性曲線\t（250）
12．10 像差特性曲線的分析\t（253）
12．11 全息術補償像差\t（258）
12．11．1 全息術補償像差原理\t（258）
12．11．2 全息術補償像差的實例\t（260）
習題\t（262）
第13章 光學繫統的波像差\t（263）
13．1 概述\t（263）
13．2 軸上點的波像差及其與球差的關繫\t（263）
13．3 軸外點的波像差及其與垂軸像差的
關繫\t（267）
13．3．1 軸外點波像差表示式\t（267）
13．3．2 軸外點波像差求解\t（269）
13．4 波像差的一般表示式\t（270）
13．5 參考點移動產生的波像差和焦深\t（271）
13．6 色差的波像差表示\t（272）
13．6．1 用(D-d)方法計算波色差\t（272）
13．6．2 二級光譜\t（274）
13．6．3 波色差和初級幾何色差的關繫\t（274）
13．6．4 色球差\t（275）
13．7 光學繫統的像差容限\t（275）
13．7．1 球差的容限公式\t（276）
13．7．2 球差以外其他相差的容限公式\t（276）
習題\t（277）
第三部分 典型光學繫統

第14章 眼睛\t（279）
14．1 概述\t（279）
14．2 眼睛構造和標準眼\t（279）
14．2．1 眼睛的構造\t（279）
14．2．2 標準眼\t（281）
14．3 眼睛的調節和聚散\t（282）
14．3．1 眼睛的調節\t（282）
14．3．2 眼睛的聚散\t（283）
14．4 眼睛的適應\t（284）
14．5 眼睛的視角分辨率\t（285）
14．6 眼睛像差的表述\t（286）
14．6．1 眼睛像差的描述\t（286）
14．6．2 極坐標Zernike多項式\t（287）
14．7 人眼波前像差測量方法\t（289）
14．8 眼睛的缺陷與校正\t（291）
14．9 雙目立體視覺\t（292）
14．9．1 雙目視覺特征\t（292）
14．9．2 雙目空間視覺\t（293）
14．10 體視測距原理\t（294）
14．10．1 體視測距原理概述\t（294）
14．10．2 體視光學繫統\t（295）
14．11 顏色視覺\t（296）
14．11．1 簡述顏色的三個基本特征\t（296）
14．11．2 色覺現像解釋\t（296）
14．12 視覺質量的評價\t（298）
習題\t（299）
第15章 顯微和望遠光學繫統\t（301）
15．1 放大鏡\t（301）
15．1．1 放大鏡的放大率\t（301）
15．1．2 放大鏡的光束限制和視場\t（302）
15．2 顯微鏡繫統及其特性\t（302）
15．2．1 顯微鏡的成像原理\t（303）
15．2．2 顯微鏡的機械筒長\t（303）
15．2．3 顯微鏡的孔徑光闌\t（304）
15．2．4 顯微鏡的視場光闌和視場\t（305）
15．2．5 顯微鏡的景深\t（305）
15．3 顯微鏡的分辨率和有效放大率\t（306）
15．3．1 點源通過透鏡的衍射\t（306）
15．3．2 光學儀器的分辨率\t（307）
15．3．3 顯微鏡的分辨率\t（307）
15．3．4 顯微鏡的有效放大率\t（308）
15．4 顯微鏡物鏡\t（308）
15．4．1 顯微鏡物鏡的光學特性\t（308）
15．4．2 顯微鏡物鏡的基本類型\t（309）
15．5 顯微鏡的照明繫統\t（310）
15．5．1 照明方法\t（310）
15．5．2 暗視場照明方法\t（311）
15．5．3 聚光鏡\t（312）
15．6 超分辨顯微技術\t（313）
15．6．1 超衍射極限近場顯微術概述\t（313）
15．6．2 近場掃描光學顯微鏡（NSOM）\t（321）
15．6．3 遠場超分辨成像\t（326）
15．6．4 遠場超高分辨率顯微術\t（327）
15．7 望遠繫統\t（331）
15．7．1 望遠鏡的視覺放大率\t（331）
15．7．2 望遠鏡的分辨率及工作放大率\t（332）
15．7．3 主觀亮度\t（332）
15．7．4 望遠鏡的視場\t（334）
15．7．5 望遠鏡的出瞳距和調焦\t（335）
15．8 望遠物鏡\t（337）
15．8．1 折射式望遠物鏡\t（337）
15．8．2 反射式望遠物鏡\t（338）
15．8．3 折反射式望遠物鏡\t（338）
15．9 目鏡\t（339）
15．9．1 目鏡的光學特性\t（339）
15．9．2 目鏡的像差特性\t（340）
15．10 透鏡轉像繫統和場鏡\t（343）
15．11 望遠繫統的外形尺寸計算\t（344）
15．11．1 由物鏡和目鏡組成的望遠繫統\t（344）
15．11．2 帶有稜鏡轉像繫統的望遠繫統\t（345）
15．11．3 帶有透鏡轉像繫統的望遠繫統\t（347）
15．12 3D顯示光學繫統\t（349）
15．12．1 3D顯示技術\t（349）
15．12．2 3D顯示光學繫統\t（354）
習題\t（357）
第16章 攝影及投影光學繫統\t（359）
16．1 攝影繫統的光學特性\t（359）
16．1．1 分辨率（解像力）\t（360）
16．1．2 攝影繫統的光譜能量特性\t（360）
16．1．3 幾何焦深\t（362）
16．1．4 景深\t（362）
16．2 攝影鏡頭（鏡頭）\t（363）
16．2．1 大孔徑鏡頭\t（363）
16．2．2 廣角鏡頭\t（366）
16．3 取景和測距繫統\t（370）
16．3．1 自動調焦的概念\t（370）
16．3．2 照相機中的取景、測距、調焦及其
綜合繫統的結構\t（372）
16．4 感光膠片\t（374）
16．4．1 感光膠片概述\t（374）
16．4．2 感光膠片特性\t（376）
16．5 光電傳感器\t（378）
16．6 放映和投影鏡頭\t（381）
16．6．1 放映和投影鏡頭的特性\t（381）
16．6．2 普通放映鏡頭\t（382）
16．6．3 投影鏡頭\t（384）
16．7 放映和投影繫統的照明\t（384）
16．8 手機照相光學繫統\t（386）
16．8．1 手機照相光學繫統概述\t（386）
16．8．2 兩片型非球面手機物鏡設計示例\t（387）
16．8．3 三片型手機物鏡設計\t（389）
16．8．4 一款1650萬像素手機鏡頭的
設計\t（391）
16．8．5 手機鏡頭當前的新技術概述\t（395）
16．9 太赫茲攝影光學繫統\t（397）
習題\t（399）
第17章 非球面及其在光學繫統中的
應用\t（400）
17．1 概述\t（400）
17．1．1 自由曲面概念\t（400）
17．1．2 非球面應用概述\t（400）
17．2 非球面曲面方程\t（401）
17．2．1 旋轉對稱的非球面方程\t（401）
17．2．2 其他常見非球面方程\t（402）
17．2．3 非球面的法線及曲率\t（403）
17．3 非球面的初級像差\t（403）
17．4 二次圓錐曲面及其衍生高次項曲面\t（405）
17．5 施密特校正器的設計\t（407）
17．5．1 施密特校正器的基本工作原理及其
近似計算法\t（407）
17．5．2 施密特校正器的精確計算法\t（408）
17．6 柱面、超環面、離軸曲面及微結構
陣列\t（409）
17．7 衍件及折衍混合光學繫統\t（411）
17．7．1 概述\t（411）
17．7．2 菲涅耳透鏡(Fresnel Lens)\t（412）
17．7．3 達曼光柵(Dammann Ggrating)\t（413）
17．7．4 混合光學成像繫統中的衍射17．7．5 折衍混合光學繫統\t（417）
17．8 自由曲面\t（419）
17．8．1 自由曲面概述\t（419）
17．8．2 自由曲件\t（419）
17．8．3 自由曲面的描述\t（420）
17．9 共形自由曲面光學繫統\t（424）
17．9．1 共形光學繫統概念\t（424）
17．9．2 瞬間視場和目標視場參量對共形光學
繫統像差的描述\t（424）
17．9．3 擴展形式的Wassermann-Wolf自由
曲面建立像差評價體繫\t（425）
習題\t（428）
第18章 幾種特殊光學繫統\t（429）
18．1 光電接收器的主要特點\t（429）
18．2 光電光學繫統\t（435）
18．2．1 光電能量轉換繫統\t（435）
18．2．2 聚光透射接收式光電繫統\t（437）
18．2．3 光電圖像轉換繫統\t（439）
18．2．4 光學機械掃描繫統\t（440）
18．2．5 電視攝像和顯像繫統\t（440）
18．2．6 紅外夜視繫統\t（441）
18．3 光學薄膜選擇\t（442）
18．3．1 光學薄膜的概念和分類\t（442）
18．3．2 光學薄膜的應用和選擇\t（443）
18．4 梯度折射率光學繫統設計\t（445）
18．4．1 梯度折射率光學的起源\t（445）
18．4．2 不同梯度折射率介質中的
光線方程\t（446）
18．4．3 自聚焦透鏡及其成像繫統\t（448）
18．4．4 變折射率介質的應用\t（451）
18．4．5 光纖準直器設計示例\t（452）
18．5 激光儀器光學繫統概述\t（455）
18．5．1 激光高斯光束的傳輸規律\t（455）
18．5．2 激光光學繫統的選擇和計算\t（458）
18．5．3 激光光學繫統及其應用\t（459）
18．6 光纖成像光學繫統\t（466）
18．6．1 光纖束的特點和參數\t（466）
18．6．2 光纖成像繫統的光學設計\t（468）
18．7 中、遠熱紅外成像基礎\t（470）
18．7．1 熱紅外成像基礎\t（470）
18．7．2 熱紅外成像光學繫統的特點\t（471）
18．7．3 紅外材料\t（477）
18．7．4 繫統設計舉例\t（480）
18．8 紫外(UV)光學繫統概述\t（480）
18．8．1 概述\t（480）
18．8．2 紫外光學材料\t（481）
18．8．3 紫外光學繫統示例\t（483）
18．9 復眼仿生光學繫統\t（486）
18．9．1 生物復眼\t（486）
18．9．2 多孔徑光學繫統設計\t（486）
18．10 自適應光學繫統\t（499）
18．10．1 自適應光學繫統及其分類\t（499）
18．10．2 自適應光學繫統舉例\t（500）
習題\t（510）
第四部分 光 學 設 計

第19章 以初級像差求取光學繫統的
初始結構\t（512）
19．1 光學繫統的基本像差參量及其規化\t（512）
19．1．1 光學繫統的基本像差參量\t（512）
19．1．2 反向光路計算和正向光路計算的
P和W之間關繫\t（514）
19．1．3 用P， W， C表示的初級像差繫數\t（515）
19．2 雙膠合透鏡組 ， 和CI與結構
參數的關繫\t（515）
19．2．1 雙膠合透鏡組的基本像差參量\t（515）
19．2．2 雙膠合透鏡組玻璃的選擇\t（517）
19．3 單薄透鏡的 ， ，CⅠ和結構
參數的關繫\t（519）
19．4 用PW方法求解簡單物鏡的結構\t（521）
習題\t（529）
第20章 光學繫統設計示例\t（530）
20．1 中倍平場顯微物鏡設計\t（530）
20．1．1 用PW方法進行中倍平場顯微
物鏡設計\t（530）
20．1．2 對各透鏡組PW規範化\t（532）
20．2 雙高斯型物鏡設計\t（540）
20．2．1 攝影物鏡設計的一般原則\t（540）
20．2．2 雙高斯型物鏡初始結構參數的
確定\t（541）
20．2．3 雙高斯物鏡設計實例\t（543）
20．3 變焦距物鏡\t（553）
20．3．1 變焦距物鏡的概況\t（553）
20．3．2 機械補償變焦繫統的
高斯光學\t（555）
20．3．3 機械補償變焦距物鏡設計\t（562）
20．3．4 凸輪曲線計算\t（565）
習題\t（568）
第21章 繫統設計的像質評價\t（569）
21．1 概述\t（569）
21．2 瑞利判斷用於光學繫統像質評價\t（569）
21．3 中心點亮度\t（570）
21．4 分辨率\t（571）
21．5 點列圖\t（571）
21．6 邊界曲線\t（572）
21．7 光學傳遞函數\t（573）
21．7．1 光學傳遞函數的基本概念\t（573）
21．7．2 光學傳遞函數的表達式\t（576）
21．7．3 光學傳遞函數在像質評價中的
應用\t（579）
習題\t（583）
第22章 像差自動平衡\t（584）
22．1 概述\t（584）
22．2 像差自動平衡評價函數\t（584）
22．3 阻尼最小二乘法光學自動設計原理\t（587）
22．3．1 阻尼最小二乘法原理\t（587）
22．3．2 阻尼最小二乘法\t（589）
22．3．3 阻尼最小二乘法的特點\t（590）
22．4 光學設計軟件及流程\t（592）
22．4．1 ZEMAX\t（592）
22．4．2 CODE V\t（594）
22．5 像差自動平衡計算實例\t（596）
22．5．1 中倍平場顯微物鏡設計\t（596）
22．5．2 雙高斯型物鏡設計\t（597）
22．5．3 變焦距物鏡設計\t（599）
習題\t（602）