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绪论1

第一篇 几何光学的基本概念与成像理论4

第1章 几何光学基本定律与成像基本概念4

1.1几何光学的基本概念4

1.1.1光波4

1.1.2光源（发光体，发光点）5

1.1.3波面5

1.1.4光线6

1.1.5光束6

1.2光的传播规律——几何光学的基本定律7

1.2.1光的直线传播定律7

1.2.2光的独立传播定律8

1.2.3反射定律与折射定律8

1.2.4折射率10

1.2.5反射光与折射光的能量分布13

1.2.6全反射（完全内反射）及其应用14

1.2.7光路的可逆原理16

1.2.8光线在折射率连续变化的非均匀介质中的传播规律16

1.3费马原理（Δ）18

1.4马吕斯定律21

1.5光学系统及成像的基本概念22

1.5.1光学系统的基本概念22

1.5.2成像的基本概念23

习题124

思考题125

第2章 共轴球面系统的成像理论（近轴光学）26

2.1子午面内实际光线经共轴球面系统折射的光路计算公式27

2.1.1符号规则28

2.1.2实际光线经（单折射）球面折射的光路计算公式29

2.1.3实际光线经共轴球面系统的光路计算公式31

2.1.4轴上单色物点经单折射球面成像性质的分析32

2.2单折射球面的近轴光路计算公式与近轴成像规律36

2.2.1单个折射球面的近轴光路计算公式36

2.2.2单折射球面的近轴成像规律40

2.3共轴球面系统的近轴像面位置与放大率的计算46

2.3.1共轴球面系统近轴区的转面过渡公式组46

2.3.2共轴球面系统近轴像面位置的计算46

2.3.3共轴球面系统近轴区的拉-赫不变式与放大率计算48

2.4球面反射镜的成像规律50

2.4.1球面反射镜的物像位置关系式50

2.4.2球面反射镜的成像放大率与拉-赫不变式50

2.4.3球面反射镜的应用51

习题252

思考题253

第3章 理想光学系统的成像理论54

3.1理想光学系统与“共线成像”的基本概念54

3.2共轴理想光学系统的基点、基面与焦距55

3.2.1主面和主点56

3.2.2焦点和焦面56

3.2.3焦距57

3.2.4节点、节面58

3.3理想光学系统物像间的解析关系60

3.3.1决定光学系统物像共轭点位置的基本公式（牛顿公式、高斯公式）60

3.3.2理想光学系统拉-赫不变式与系统物方、像方的焦距比62

3.3.3理想光学系统的诸放大率及其相互关系64

3.3.4光束的会聚度与光学系统的光焦度、屈光度70

3.4理想光学系统的图解求像方法71

3.4.1光线描迹图解法71

3.4.2直角坐标图解法（Δ）75

3.5理想光学系统的物像关系特性曲线80

3.5.1物像位置共轭特性曲线80

3.5.2放大率特性曲线82

3.6光学系统的基本类型83

3.6.1焦距f和f’具有相反符号的系统——第一型系统84

3.6.2焦距f和f’具有相同符号的系统——第二型系统84

3.7理想光学系统的组合85

3.8透镜92

3.8.1单折射球面的基点、基面位置与焦距92

3.8.2透镜（厚透镜）的基点位置与焦距计算公式93

3.8.3薄透镜与薄透镜组100

3.9理想光学系统共轴多光组复合的实用方法（Δ）103

3.9.1正切计算法103

3.9.2截距计算法106

3.10实际光学系统基点位置和焦距的计算（Δ）107

3.10.1求像方基点位置与焦距——正向光路计算107

3.10.2求物方基点位置与焦距——反向光路计算109

习题3111

思考题3114

第4章 矩阵方法在近轴光学中的应用（*）116

4.1共轴球面系统的作用矩阵117

4.1.1折射矩阵117

4.1.2传递矩阵118

4.1.3共轴球面系统的作用矩阵119

4.2共轴球面系统的物像关系矩阵122

4.3矩阵方法在薄透镜系统中的应用129

习题4131

第5章 平面元件与棱镜系统133

5.1平面折射与平行平板玻璃的成像性质133

5.1.1光线经过平面的折射133

5.1.2光线经平行平板玻璃的折射135

5.1.3平行平板玻璃的“等效空气层”概念137

5.2折射棱镜138

5.3楔镜144

5.4平面反射镜与平面镜系统147

5.4.1平面镜的成像特性147

5.4.2平面镜的旋转效应149

5.4.3两面角镜的成像特性150

5.5反射棱镜151

5.5.1反射棱镜的基本概念151

5.5.2反射棱镜的视场角154

5.5.3平面反射系统的转像规律分析155

5.5.4反射棱镜的展开及其理论结构尺寸的计算162

5.5.5棱镜的偏差169

5.6光学铰链（Δ）172

5.7矢量分析计算方法在平面镜系中的应用（*）174

5.7.1矢量形式的反射定律175

5.7.2矢量形式的折射定律177

5.7.3矢量绕定轴转动公式178

5.8矩阵方法在平面反射系统中的应用（求系统作用矩阵）（*）183

习题5191

第6章 眼睛与典型目视光学系统的工作原理194

6.1眼睛194

6.1.1眼睛的构造和主要光学常数194

6.1.2模型眼与简化眼197

6.1.3眼睛的主要特性199

6.2放大镜和显微镜系统的工作原理211

6.2.1放大镜的工作原理211

6.2.2显微镜的工作原理213

6.3望远系统的工作原理215

6.3.1望远系统的工作原理与主要性质215

6.3.2望远系统的视角放大率218

6.3.3望远（镜）系统的基本类型220

6.4目视光学仪器的视度调节221

6.5理想光学系统的分辨率223

习题6225

第7章 光学系统中的光阑与光束限制的基本概念226

7.1实际光学系统中的光阑及其作用226

7.2光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳227

7.3视场光阑、窗以及渐晕的概念229

7.3.1视场光阑、入射窗和出射窗229

7.3.2渐晕230

7.4光阑设置的原则和几种典型系统光束限制的分析235

7.4.1光阑设置的原则235

7.4.2几种典型光学系统的光阑设置与光束限制236

7.5远心光路（焦阑光路）（Δ）239

7.5.1物方远心光路239

7.5.2像方远心光路241

7.6场镜（Δ）242

7.7物空间在平面上成像的清晰深度——光学系统的景深（Δ）244

7.7.1照相物镜的成像空间深度245

7.7.2望远系统的成像空间深度249

习题7250

第二篇 光度学与色度学基础252

第8章 光度学的基本概念与光学系统中光能损失的计算252

8.1光能与光度学的基本概念252

8.1.1立体角的概念与计算253

8.1.2辐[射能]通量、光谱光视效率（视见函数）与光通量254

8.1.3发光强度260

8.1.4[光]照度263

8.1.5光出射度266

8.1.6[光]亮度267

8.1.7光度学各主要光度量名称、单位及其换算关系271

8.2光学系统中光通量与光亮度的传递（Δ）275

8.2.1光束在均匀透明的同种介质中的传播275

8.2.2光束在介质分界面折射、反射后，光亮度的变化规律276

8.3光学系统中光能损失的计算278

8.3.1光学系统中光能损失的分析与计算278

8.3.2光学系统透过率的计算282

8.4像平面的照度283

8.4.1轴上像点照度公式283

8.4.2轴外像点的照度公式285

8.5眼睛直接观察与通过仪器观察时像的主观亮度（Δ）287

8.5.1眼睛直接观察物体时像的主观亮度287

8.5.2通过仪器观察时像的主观亮度288

习题8292

第9章 色度学基础（*）293

9.1颜色视觉与色度学的基本概念293

9.1.1人眼的颜色视觉特性294

9.1.2颜色的分类与彩色的三特性297

9.1.3颜色的混合与匹配298

9.2标准色度系统与色度计算305

9.2.1 CIE1931-RGB色度系统306

9.2.2 CIE1931标准色度系统308

9.2.3 CIE1964补充标准色度系统316

9.2.4均匀色品图及均匀颜色空间318

9.2.5 CIE标准施照体与标准光源322

9.2.6 CIE色度计算举例325

第三篇 典型应用光学系统338

第10章 望远镜与望远系统外形尺寸计算338

10.1望远镜中的转像系统338

10.1.1棱镜转像系统338

10.1.2透镜转像系统338

10.2望远镜的变倍——可变放大率的望远镜341

10.2.1间断变倍望远系统341

10.2.2连续变倍望远系统343

10.3望远系统的调焦方式 内调焦望远镜344

10.3.1外调焦系统345

10.3.2内调焦系统——内调焦望远镜345

10.4光学测距原理与系统（Δ）348

10.4.1单眼（合像）测距仪349

10.4.2双眼体视测距仪350

10.5望远（镜）系统的光学性能与主要技术要求353

10.5.1分辨率α353

10.5.2视放大率Γ354

10.5.3视场角2ω356

10.5.4出瞳直径D’356

10.5.5出瞳距离l’ z357

10.6望远系统的物镜和目镜357

10.6.1望远物镜的光学特性和类型357

10.6.2望远系统目镜的特点及常用类型359

10.7望远系统的外形尺寸计算361

10.7.1光学系统外形尺寸计算的主要任务与内容361

10.7.2望远系统（具有棱镜及透镜转像系统）的外形尺寸计算举例362

10.8光学天文望远镜的发展与LAMOST的创新（*）372

10.8.1光学天文望远镜的简要发展历程372

10.8.2大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）377

第11章 显微镜385

11.1概述385

11.2显微镜光学系统的基本组成与光学连接尺寸385

11.2.1显微镜光学系统的基本组成386

11.2.2显微镜的光学连接尺寸386

11.3显微镜的光学特性与主要光学性能指标（Δ）389

11.3.1显微镜的光束限制结构特点389

11.3.2显微镜的视场光阑和视场390

11.3.3显微镜的分辨率391

11.3.4显微镜的放大倍率及适用放大倍率393

11.3.5显微镜的成像深度（景深）396

11.4显微镜的物镜和目镜（Δ）399

11.4.1显微物镜399

11.4.2显微目镜404

11.5显微镜的照明系统（Δ）407

11.5.1对照明系统的要求407

11.5.2主要的照明方式与照明系统407

第12章 照相与投影系统416

12.1照相机的工作原理416

12.2照相物镜的主要性能与基本类型418

12.2.1照相物镜的主要性能418

12.2.2照相物镜的基本类型421

12.2.3变焦距照相物镜（Δ）425

12.3照相机的分类和基本结构428

12.3.1照相机的分类428

12.3.2传统胶片式单反照相机的基本结构429

12.3.3数码照相机的原理、主要性能参数及特点430

12.4放映投影系统的工作原理及其类别435

12.5投影系统与投影物镜的主要光学性能参数437

12.6微显示投影机（Δ）439

第13章 激光光学的基本概念与典型激光应用系统（*）447

13.1激光概述447

13.1.1激光的本质、激光器的结构、工作原理与分类447

13.1.2激光的特点449

13.2高斯光束的特性与传播变换规律450

13.2.1高斯光束的光束结构特点与传播特性450

13.2.2高斯光束通过光学系统的变换特性与规律454

13.3典型激光应用系统459

13.3.1激光测距系统459

13.3.2激光跟踪雷达463

13.3.3激光扫描技术与激光打印机465

13.3.4激光在光纤通信系统中的应用——激光器与激光放大器470

第14章 光纤光学的基础理论与无源光纤传像系统（*）477

14.1阶跃光纤的传光机理与主要性能参数478

14.1.1阶跃光纤中光波传播规律分析——表面波机理478

14.1.2光在阶跃直圆柱光纤中的传播规律及主要性能参数481

14.2阶跃多模光纤与单模光纤489

14.2.1阶跃多模光纤传输的模式与归一化波导常数V489

14.2.2单模光纤492

14.3渐变折射率光纤的传光机理与自聚焦透镜的成像特性494

14.3.1非均匀介质中的光线理论——程函方程与光线微分方程495

14.3.2平方律分布的自聚焦光纤中的光线传播轨迹与规律分析496

14.3.3自聚焦透镜的成像规律——近轴成像500

14.4无源光纤传像原理、器件与系统505

14.4.1光纤传像束的传像机理与主要性能指标505

14.4.2光纤传像系统（光纤望远系统，光纤内窥镜）511

第四篇 光学系统的像质评价与应用ZEMAX软件进行光学设计的基本方法518

第15章 光学系统的像质评价（*）518

15.1用几何像差表征光学系统像质的基本概念与方法518

15.1.1轴上点的光束结构与像差519

15.1.2轴外点的子午与弧矢光束结构与像差表示522

15.1.3垂轴几何像差530

15.2几何点列图的像质评价方法533

15.3光学系统成像质量的波像差表示与瑞利判据534

15.4基于点扩散函数的空域像质评价方法（中心点亮度）与斯特列尔准则536

15.5光学传递函数评价像质的基本概念540

15.6典型光学系统成像质量评价与指标543

15.6.1望远镜与显微镜成像质量评价543

15.6.2照相系统与摄影物镜像质评价546

15.7 ZEMAX中的像质评价方法548

第16章 应用ZEMAX的光学自动设计原理与方法（*）555

16.1光学自动设计基本概念556

16.1.1光学自动设计基本原理556

16.1.2阻尼最小二乘法558

16.1.3评价函数的构成与权因子560

16.2 ZEMAX评价函数562

16.2.1 ZEMAX评价函数的构建562

16.2.2 ZEMAX评价函数中的操作符564

16.2.3默认评价函数576

16.3常用几何像差控制在评价函数中的实现581

16.3.1 ZEMAX中内建几何像差控制符与特点581

16.3.2评价函数中常用独立几何像差复合控制操作符的构建582

16.4利用ZEMAX像质优化与设计举例588

16.4.1消色差双胶合望远镜物镜设计588

16.4.2光路中有棱镜的望远物镜设计594

16.4.3显微物镜设计600

16.4.4目镜设计608

16.4.5变焦物镜设计614

16.5应用ZEMAX进行光学系统公差分析与设计619

16.5.1 ZEMAX中公差数据设置620

16.5.2 ZEMAX中公差分析623

部分习题参考答案635

参考文献639