高等学校仪器仪表及自动化类专业规划教材 工程光学PDF电子书下载

上篇 应用光学 3

第1章 几何光学的基本定律与成像概念 3

1.1　几何光学的基本概念 3

1.2　几何光学的基本定律及可逆性原理 4

1.2.1　几何光学的基本定律 4

1.2.2　全反射 5

1.2.3　光路的可逆性原理 6

1.3　费马原理 6

1.4　成像的概念 7

1.4.1　光学系统的基本概念 7

1.4.2　物和像的概念 8

第2章　球面和球面系统 10

2.1　光线经单个折射球面的折射 10

2.1.1　符号规则 10

2.1.2　光线经单个折射球面的实际光路的计算公式 11

2.1.3　光线经单个折射球面的近轴光路的计算公式 12

2.2　单个折射球面成像放大率及拉赫不变量 13

2.2.1　垂轴放大率 13

2.2.2　轴向放大率 14

2.2.3　角放大率 15

2.2.4　三种放大率之间的关系 15

2.2.5　拉赫不变量J 16

2.3　共轴球面系统 16

2.3.1　转面公式 16

2.3.2　共轴球面系统的拉赫公式 17

2.3.3　共轴球面系统的放大率公式 17

2.4　球面反射镜 18

2.4.1　球面反射镜的物像位置公式 18

2.4.2　球面反射镜的成像放大率 19

2.4.3　球面反射镜的拉赫不变量 19

第3章　理想光学系统 20

3.1 理想光学系统的基本特性 20

3.2　理想光学系统的基点和基面 21

3.3　理想光学系统的物像关系式 23

3.3.1 牛顿公式 23

3.3.2 高斯公式 23

3.4　理想光学系统两焦距之间的关系及拉赫公式 24

3.4.1　理想光学系统两焦距之间的关系 24

3.4.2　理想光学系统的拉赫公式 25

3.5　理想光学系统的放大率 25

3.5.1　垂轴放大率 25

3.5.2　轴向放大率 26

3.5.3　角放大率 27

3.5.4　三种放大率之间的关系 27

3.6　光学系统的节点和节平面 28

3.7　光学系统的图解求像 29

3.8　光学系统的光焦度 31

3.9　理想光学系统的组合 32

3.9.1　双光组组合 33

3.9.2　多光组组合 35

3.10　透镜与薄透镜 37

3.10.1　单个折射球面的基点和基面 38

3.10.2　透镜的基点和基面 39

3.10.3　薄透镜 43

3.10.4　实际光学系统基本量的计算 43

第4章　平面与平面系统 45

4.1 平面反射镜 45

4.1.1　单平面镜成像 45

4.1.2　双平面镜成像 47

4.2　平行平板 47

4.3　反射棱镜 50

4.3.1　反射棱镜的分类 50

4.3.2　反射棱镜的展开 53

4.3.3　反射棱镜成像方向的判定 54

4.4　折射棱镜 54

4.5　光楔 56

第5章　光学系统中的光束限制 58

5.1　光阑及其作用 58

5.2　孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 60

5.3　视场光阑、入射窗和出射窗 61

5.4　光学系统的景深 64

5.5　远心光路 67

第6章　光度学和色度学基础 70

6.1　辐射量和光学量及其之间的关系 70

6.1.1　辐射量 70

6.1.2　光学量 71

6.1.3　光谱光视效率及光学量和辐射量之间的关系 73

6.2　光传播过程中光学量的变化规律 74

6.2.1　点光源在与之距离为r处的表面上形成的照度 74

6.2.2　面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度 75

6.2.3　在同一介质的元光管中光通量和光亮度的传递 75

6.2.4　光束经界面反射和折射后光通量和光亮度的传递 76

6.2.5　余弦辐射体 77

6.3　成像系统像面的光照度 79

6.3.1　轴上像点的光照度 79

6.3.2　轴外像点的光照度 80

6.3.3　光通过光学系统时的能量损失 81

6.4　色度学基础 82

6.4.1　颜色的视觉 82

6.4.2　颜色匹配实验和颜色的表示方法 84

6.4.3　CIE标准照明体和标准光源 92

第7章　光线的光路计算及像差 93

7.1　像差概述 93

7.2　光线的光路计算 94

7.2.1　子午面内光线的光路计算 94

7.2.2　轴上点远轴光线的光路计算 95

7.2.3　轴外点远轴光线的光路计算 96

7.2.4　沿轴外点主光线细光束的光路计算 97

7.3　轴上点球差 99

7.4　正弦差及彗差 101

7.4.1　正弦差 101

7.4.2　彗差 103

7.5　像散与像面弯曲（场曲） 105

7.5.1　像散 105

7.5.2　像面弯曲（场曲）和轴外球差 106

7.6　畸变 108

7.7　色差 109

7.7.1　位置色差、色球差和二级光谱 110

7.7.2　倍率色差 111

7.8　波像差 112

第8章　典型光学系统 114

8.1　眼睛的构造及光学特性 114

8.1.1　眼睛的构造 114

8.1.2　眼睛的调节和适应 115

8.1.3　眼睛的缺陷和校正 116

8.1.4　眼睛的分辨率 117

8.2　放大镜 118

8.2.1　放大镜的放大率 118

8.2.2　放大镜的光束限制和视场 119

8.3　显微镜系统 121

8.3.1　显微镜的基本原理 121

8.3.2　显微镜的放大率 122

8.3.3　显微镜的结构 122

8.3.4　显微镜的光束限制 123

8.3.5　显微镜的分辨率 125

8.3.6　显微物镜 126

8.4　望远镜系统 127

8.4.1　望远镜的一般特性 127

8.4.2　望远系统的结构形式 128

8.4.3　望远系统的视觉放大率 128

8.4.4　望远系统的分辨率和工作放大率 129

8.4.5　望远镜物镜 129

8.4.6　望远镜目镜 130

8.5　摄影系统 133

8.5.1　摄像物镜的光学特性 133

8.5.2　摄影物镜的景深 135

8.5.3　摄影物镜的类型 136

8.6　投影系统 137

8.6.1　投影系统的基本参数 137

8.6.2　投影物镜的结构形式 138

8.6.3　照明系统 139

8.7　光学系统的外形尺寸计算 140

8.7.1　转像系统和场镜 140

8.7.2　带有对称透镜转像系统的望远镜 141

第9章　光学系统的像质评价和像差容限 145

9.1　几何像差的曲线表示 145

9.1.1　独立几何像差的曲线表示 145

9.1.2　垂轴几何像差的曲线（像差特征曲线）表示 147

9.2　瑞利（Reyleigh）判断和中心点亮度 149

9.2.1　瑞利判断 149

9.2.2　中心点亮度 150

9.3　分辨率 151

9.4　点列图 153

9.5　光学传递函数与成像质量 154

9.5.1　利用MTF曲线来评价成像质量 155

9.5.2　利用MTF曲线的积分值来评价成像质量 155

9.6　其它像质评价方法 156

9.6.1　基于几何光学的方法 156

9.6.2　基于衍射理论的方法 157

9.6.3　其它需要评价的成像质量 158

9.7　光学系统的像差公差 159

9.7.1　望远物镜和显微物镜的像差公差 160

9.7.2　望远目镜和显微目镜的像差公差 161

9.7.3　照相物镜的像差公差 161

下篇 波动光学 165

第10章　波动光学通论 165

10.1　波的概念与光的电磁理论基础 165

10.1.1　波的概念 165

10.1.2　光的电磁理论基础 166

10.2　波的数学描述 172

10.2.1　波的实数表示与时空周期性 172

10.2.2　波的复数表示与复振幅 179

10.2.3　波的矢量表示 183

10.3　波的叠加 183

10.3.1　波的独立传播定律与叠加原理 183

10.3.2　同频率简谐波叠加的一般分析及干涉概念 184

10.3.3　两列同频率、同向振动的平面波的叠加 185

10.3.4　两列同频率、同向振动、反向传播的平面波的叠加——光驻波 189

10.3.5　两列同频率、振动方向互相垂直、同向传播的平面波的叠加——椭圆偏振光 191

10.3.6　两列频率相近、同向振动、同向传播的平面波的叠加——光学拍 195

10.4　光的偏振态 198

10.4.1　完全偏振光——线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光 198

10.4.2　非偏振光——自然光 199

10.4.3　部分偏振光及偏振度 200

10.4.4　偏振片及其光强响应 201

10.5　波的傅里叶分析及时空域中的反比关系 204

10.5.1　波的傅里叶分析 204

10.5.2　波在空域和时域中的反比关系 208

10.6　光在两种各向同性介质界面的反射与折射 210

10.6.1 电磁场的连续条件与反射和折射定律 210

10.6.2　反射与折射时光的振幅比及菲涅耳公式 212

10.6.3　反射与折射时光的能流比与光强比 214

10.6.4　反射光与折射光的相位变化 218

10.6.5　反射光与折射光的偏振态 221

10.6.6　全反射与倏逝波 223

第11章 光的干涉理论及其应用 228

11.1　产生光波干涉的条件及双光束干涉的一般理论 228

11.1.1　产生光波干涉的条件 228

11.1.2　双光束干涉的一般理论 230

11.2　分波面双光束干涉装置与杨氏实验 236

11.2.1　分波面双光束干涉 236

11.2.2　分波面双光束干涉的其它实验装置 238

11.2.3　干涉条纹清晰程度的影响因素 243

11.3　分振幅双光束干涉 250

11.3.1　平板分振幅干涉 250

11.3.2　等倾干涉 251

11.3.3　等厚干涉 255

11.4　双光束干涉仪 260

11.4.1　迈克尔逊干涉仪 261

11.4.2　斐索干涉仪 265

11.4.3　马赫-曾德尔干涉仪 265

11.4.4　赛格纳克干涉仪 266

11.5　平行平板的多光束干涉 269

11.5.1　多光束干涉的光强分布 270

11.5.2　多光束干涉仪 274

11.5.3　多光束干涉的应用 278

11.6　薄膜光学简介 280

11.6.1　单层光学膜 281

11.6.2　多层光学膜 284

第12章　光的衍射理论及其应用 288

12.1　衍射的基本原理及分类 288

12.1.1　衍射现象概述 288

12.1.2　惠更斯-菲涅耳原理及平面屏衍射理论 289

12.1.3　衍射问题的近似处理及分类 294

12.2 菲涅耳衍射 297

12.2.1　菲涅耳衍射的分析方法 297

12.2.2　圆孔、圆屏及某些环扇形孔径的衍射 300

12.2.3　菲涅耳波带片 305

12.3　矩孔和单缝的夫琅和费衍射 309

12.3.1　夫琅和费衍射装置 309

12.3.2　夫琅和费衍射公式的意义 310

12.3.3　矩孔衍射 312

12.3.4　单缝衍射 315

12.4　圆孔夫琅和费衍射与光学仪器分辨率 317

12.4.1　圆孔夫琅和费衍射 317

12.4.2　光学成像系统的衍射和分辨本领 320

12.5　夫琅和费双缝和多缝衍射 325

12.5.1　双缝衍射光强的计算 325

12.5.2　多缝的干涉和衍射 328

12.6　衍射光栅与光栅光谱仪 331

12.6.1　平面衍射光栅 331

12.6.2　闪耀光栅 335

12.6.3　光栅光谱仪 337

12.7　夫琅和费衍射的一般性质及其它孔径的衍射 339

12.7.1　夫琅和费衍射的一般性质 339

12.7.2　某些其它孔径的夫琅和费衍射 340

12.8　全息技术 341

12.8.1　全息原理和全息图的种类 341

12.8.2　全息技术应用举例 344

12.9　傅里叶光学 347

12.9.1　傅里叶光学概述 347

12.9.2　薄透镜的傅里叶变换性质 347

12.9.3　光学傅里叶变换 349

12.9.4　光信息处理及其应用 351

12.10　二元光学 352

12.10.1　二元光学概述 352

12.10.2　二元光学的特点 353

12.10.3　二元光学器件的制作 354

12.10.4　二元光学的应用 355

12.11　近场光学 357

12.11.1　近场光学概述 357

12.11.2　近场光学原理 357

12.11.3　近场光学应用举例 358

第13章　光在晶体中的传播 360

13.1　平面光波在晶体中的传播 360

13.1.1　晶体双折射 360

13.1.2　平面光波在晶体中的传播特性 362

13.1.3　单轴晶体中的波面——惠更斯假设 372

13.1.4　平面波在单轴晶体内的传播——惠更斯作图法 374

13.1.5　单轴晶体中的光路计算 376

13.2　晶体光学器件及偏振光的检验 377

13.2.1　晶体光学器件 377

13.2.2　光通过波晶片后偏振态的变化和偏振光的检验 386

13.3　偏振光的干涉 390

13.3.1　平行偏振光的干涉 390

13.3.2　会聚偏振光的干涉 394

13.4　偏振态及其变换的矩阵描述 396

13.4.1　偏振态的表示——琼斯矢量 396

13.4.2　正交偏振 398

13.4.3　偏振器件的表示——琼斯矩阵 399

13.4.4　琼斯矢量和琼斯矩阵的运算 402

13.5　晶体的磁光、电光和声光效应 403

13.5.1　旋光和磁光效应 403

13.5.2　电光效应 407

13.5.3　声光效应 413

13.6　偏振光仪器 418

13.6.1　旋光仪 418

13.6.2　椭偏仪 419

参考文献 422