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第1篇　现代光学基础 1

第1章　梯度折射率光学 1

1.1 梯度折射率介质中的光线追迹 1

1.1.1　径向梯度折射率 1

1.1.2　轴向梯度折射率 3

1.1.3　层状梯度折射率 3

1.1.4　球面梯度折射率 4

1.2　梯度折射率透镜的像差 5

1.3　梯度折射率透镜系统设计 6

1.3.1　径向梯度介质棒的几何光学 6

1.3.2　梯度折射率系统设计 7

1.4　光通信中梯度折射率光学系统 7

1.4.1 梯度折射率棒透镜的特点及损耗评价 8

1.4.2　耦合器及其他 9

1.4.3　光开关 11

1.4.4　波分复用器 14

参考文献 15

第2章　光的干涉 16

2.1　双光束干涉（波前分割） 16

2.1.1　杨氏干涉典型装置 16

2.1.2　可见度与相干度 17

2.1.3　光源单色性、相干长度、时间相干性 18

2.1.4　光源的临界宽度、空间相干性 19

2.1.5　应用于测量光程差、测量光源的角幅度 19

2.2　驻波 20

2.3　双光束干涉（振幅分割） 20

2.3.1 平行平板产生的干涉 20

2.3.2　薄膜产生的条纹 21

2.3.3　条纹的定域 22

2.3.4　迈克耳逊干涉仪 22

2.3.5　双光束干涉研究光谱线的精细结构 23

2.4　多光束干涉 23

2.4.1　多次反射光的干涉 23

2.4.2　法布里-珀罗干涉仪 24

参考文献 27

第3章　光的衍射 28

3.1惠　更斯-菲涅耳原理 28

3.2　菲涅耳衍射 28

3.2.1　菲涅耳积分、科纽蜷线 28

3.2.2　直边衍射 30

3.3　波带法与波带片 31

3.3.1　波带法 31

3.3.2　波带片 31

3.3.3　全息波带片 31

3.4　基尔霍夫衍射理论 32

3.4.1　菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 32

3.4.2　亥姆霍兹互易定理 32

3.4.3　巴比涅原理 32

3.5　夫琅和费衍射 32

3.5.1　单缝衍射 33

3.5.2　矩孔衍射 34

3.5.3　圆孔衍射 34

3.5.4　其他形状的开孔衍射 35

3.6　衍射成像理论 36

3.6.1　相干照明的阿贝成像理论 36

3.6.2　泽尼克相衬法 36

3.6.3　非相干照明成像理论 37

3.6.4　部分相干成像理论 37

第4章　光的偏振 39

4.1　偏振光的数学描述 39

4.1.1　完全偏振光的几何描述 39

4.1.2　（线）琼斯矢量 39

4.1.3　复数表示法 40

4.1.4　邦加球 40

4.1.5　j圆 40

4.1.6　相干矩阵 40

4.1.7　斯托克斯矢量 41

4.1.8　基态问题 42

4.1.9　换算公式 42

4.1.10 正交偏振态 43

4.2　琼斯计算法和穆勒计算法 44

4.2.1　琼斯计算法 44

4.2.2　穆勒计算法 44

4.2.3　穆勒矩阵和线琼斯矩阵间的换算 45

4.3　偏振光学系统的传递特性 45

4.3.1 非退偏振光学系统的各种传递函数 45

4.3.2　偏振光学系统透过率的计算 46

4.4　偏振元件的琼斯矩阵和穆勒矩阵 46

4.4.1　延迟器与旋光器 46

4.4.2　偏振器与退偏振器 47

4.4.3 各向同性媒质界面上反射时的琼斯矩阵 47

4.5　邦加球法和j圆法确定出射光的椭圆偏振态 47

4.5.1 经过延迟器后出射光椭圆偏振态的确定 47

4.5.2　理想偏振器透过率的计算 50

4.6　吸收媒质的菲涅耳公式 51

4.7　旋光性 52

参考文献 52

第5章　光谱学与应用光谱技术 53

5.1　光谱学基础 53

5.1.1　原子光谱 53

5.1.2　分子光谱 53

5.1.3　激光光谱 54

5.2　光谱分析基础 55

5.2.1　光谱分析 55

5.2.2　光谱定性分析 55

5.2.3　光谱定量分析 58

5.2.4　光谱结构分析 59

5.3　光谱仪器技术基础 59

5.3.1　光谱仪器基本原理 59

5.3.2　原子光谱仪器技术 67

5.3.3　分子光谱仪器技术 70

5.3.4　激光光谱仪器技术 76

5.3.5　光谱成像技术 76

参考文献 79

第6章　全息术及光学防伪技术 80

6.1 引言 80

6.1.1　全息术的发明和发展 80

6.1.2　全息术原理 80

6.2　全息图的基本类型 80

6.2.1　全息图的分类 80

6.2.2　菲涅耳全息图 81

6.2.3　像全息图 81

6.2.4　傅里叶变换全息图 81

6.2.5　体积全息图 82

6.2.6　全息图的衍射效率 82

6.3　全息图的记录介质 83

6.3.1 特性 83

6.3.2　常用记录介质 84

6.4　全息显示技术 84

6.4.1　反射全息 84

6.4.2　彩虹全息 86

6.4.3　合成全息（准三维显示） 87

6.4.4　彩色全息 88

6.4.5　数字像素全息 91

6.4.6　全息电影 93

6.5　全息产业（全息图的模压复制） 95

6.5.1　基本生产流程 95

6.5.2　全息图模压复制的主要设备 96

6.6　光学防伪技术 96

6.6.1　衍射光变图像（DOVID） 96

6.6.2　干涉光变图像（IOVID） 99

6.6.3 零级衍射光变图像（Z-DOVID） 100

6.6.4　DOVID、IOVID和Z-DOVID的比较 101

6.6.5　光学防伪技术的发展趋势 101

6.7　光学防伪产品 103

6.7.1　产品分类 103

6.7.2　烫印标识的结构和生产流程框图 103

6.7.3　光学防伪产品的应用 103

6.8　计算全息 106

6.8.1　计算全息图 106

6.8.2　计算全息的应用 107

6.9　全息干涉计量 108

6.9.1　单次曝光法 108

6.9.2　二次曝光全息干涉 108

6.9.3　时间平均值干涉 108

6.9.4　双波长干涉法 109

6.9.5　数字全息干涉计量 109

6.10　全息存储 109

6.10.1　平面全息存储 109

6.10.2　体全息存储 109

6.11　数字全息显微术 110

6.12　全息光学元件 110

6.12.1　全息透镜 110

6.12.2　全息光栅 110

6.12.3　平视显示器 111

参考文献 111

第7章　散斑 113

7.1　散斑的基本性质 113

7.1.1　散斑的形成 113

7.1.2　散斑的尺寸 113

7.1.3　相关性、变换和成像 114

7.1.4　散斑的运动规律 114

7.2　散斑干涉术 114

7.2.1　单光束干涉 114

7.2.2　双光束干涉 115

7.2.3　剪切于涉 115

7.3　散斑的应用 116

7.3.1　位移和变形测量 116

7.3.2　振动分析 116

7.3.3 表面粗糙度和感光材料粒度的测量 116

7.3.4　透镜检验和视力检查 117

7.3.5　图形的比较（图像相减） 117

7.3.6　天文散斑 118

参考文献 118

第8章　光学材料 119

8.1　无色光学玻璃 119

8.1.1　各牌号玻璃的性能及成分 119

8.1.2　质量指标、类别和级别 128

8.2　滤光玻璃 130

8.2.1　滤光玻璃的牌号 130

8.2.2　滤光玻璃的技术要求及性能指标 133

8.3　其他光学玻璃 136

8.3.1　光学石英玻璃 136

8.3.2　透气玻璃TQ1 138

8.3.3　乳白玻璃 138

8.3.4　激光玻璃 138

8.4　光学晶体 138

参考文献 147

第2篇　显示技术 148

第1章　等离子显示技术 148

1.1　等离子显示的特点与发展 148

1.1.1　等离子显示的特点 148

1.1.2　等离子显示技术的发展 149

1.2　等离子显示的原理 150

1.2.1　PDP的物理现象 150

1.2.2　荧光粉发光过程 151

1.3　等离子显示屏的结构 152

1.3.1　DC-PDP的结构 152

1.3.2　AC-PDP的结构 152

1.4　等离子显示屏的制造工艺 152

1.4.1　前基板制造工艺 152

1.4.2　后基板制造工艺 156

1.4.3　总装工艺 158

1.5　等离子显示的驱动技术 159

1.5.1　PDP接口电路 160

1.5.2　脉冲产生电路 160

1.5.3　数据存储与控制逻辑电路 161

1.5.4　PDP高压驱动集成电路设计研究 162

参考文献 162

第2章　液晶显示技术 164

2.1　液晶显示器的近期发展 164

2.2　液晶显示器的优点 164

2.3　液晶显示器的种类 164

2.4　液晶的分类 165

2.5　对显示材料液晶的要求 165

2.6　液晶的特性 165

2.7　扭曲向列相液晶显示 167

2.8　薄膜晶体管液晶显示器 168

2.9　工程分类 171

参考文献 174

第3章　场致发光显示技术 175

3.1　概述 175

3.2　场致发光显示的工作原理 176

3.2.1　场致电子发射现象 176

3.2.2　逸出功 176

3.2.3　场致电子发射方程 176

3.2.4　场致发射性能评价指标 177

3.3　场致发光显示的类型与结构 177

3.3.1　FEA 178

3.3.2　CNT 178

3.3.3　MIM和MISM 178

3.3.4　SED 179

3.3.5　BSD 179

3.3.6　DLC 179

3.4　场致发光显示屏的制造工艺 180

参考文献 181

第3篇　环境光学和技术 182

第1章　环境光学基础 182

1.1　环境物理学 182

1.2　吸收光谱 182

1.2.1　紫外吸收光谱 182

1.2.2　红外吸收光谱 182

1.2.3　激光吸收光谱 183

1.3　发射光谱 184

1.3.1　荧光光谱 184

1.3.2　激光诱导击穿光谱 184

1.3.3 光的散射 185

1.4　大气辐射传输 187

1.4.1　大气的组成与结构 187

1.4.2　大气的吸收和散射 189

1.4.3　湍流对辐射传输的影响 190

1.4.4　相关辐射传输软件介绍 191

第2章　环境光学技术及应用 194

2.1　差分光学吸收光谱技术及应用 195

2.1.1　DOAS测量原理 195

2.1.2　典型DOAS系统 196

2.1.3　DOAS技术在环境监测中的应用 200

2.2　红外光谱技术及应用 202

2.2.1 傅里叶变换红外光谱仪基本原理 202

2.2.2　典型的FTIR光谱学检测技术 204

2.2.3　FTIR在环境检测中的应用 204

2.2.4　非分散红外吸收光谱仪基本原理 206

2.2.5　NDIR在环境检测中的应用 207

2.3 可调谐半导体管激光吸收光谱技术及应用 208

2.3.1　TDLAS基本原理 208

2.3.2　TDLAS长光程技术 212

2.3.3　TDLAS技术的应用 213

2.4　激光雷达技术及应用 216

2.4.1　米散射激光雷达原理 216

2.4.2　米散射激光雷达应用 216

2.4.3　拉曼激光雷达原理 219

2.4.4　拉曼激光雷达应用 219

2.4.5　荧光雷达系统应用 220

2.5　激光诱导击穿光谱技术及应用 221

2.5.1　仪器原理 221

2.5.2　LIBS的应用 225

参考文献 227

第3章　海洋光学 229

3.1　海洋的光学性质 229

3.1.1　海洋中的辐射场 229

3.1.2　海洋光学中的基本辐射度量参数 229

3.1.3　海水的固有光学性质 229

3.1.4　海洋的表观光学性质 232

3.1.5　海洋固有光学性质和表观光学性质的关系 233

3.2　海洋中的辐射传递 234

3.2.1　海洋辐射传递的基本问题 234

3.2.2　光辐射与海表面的相互作用 234

3.2.3　海洋两流辐射传递理论 235

3.2.4　海洋辐射传递的辐亮度传递过程 237

3.2.5　海面向上辐射 238

3.3　水中能见度 239

3.3.1 引言 239

3.3.2　水中对比度传输 240

3.4　海水的光学传递函数 241

3.4.1　定义 241

3.4.2　现场测量 241

3.4.3　海洋水体的光学传递函数OTF与PSF的关系 241

3.4.4　水下图像系统 241

3.5　海洋光学仪器 243

3.5.1　海水透射率仪 243

3.5.2　海水光散射仪 244

3.5.3　海水光谱辐照度仪 245

3.5.4　海面高光谱辐射计 246

3.5.5　荧光仪 247

3.5.6　量子计 248

参考文献 249

第4篇　数码技术 250

第1章　数码技术基本原理 250

1.1　数码概述 250

1.1.1　什么是“数码技术” 250

1.1.2　多媒体信息与信息数码化 250

1.2　数码设备的一般工作原理 251

1.2.1　用作输入设备的数码产品 252

1.2.2　用作输出设备的数码产品 252

1.3　数据传输 253

1.3.1　并行传输 253

1.3.2　串行传输 253

第2章　数码技术的应用实例 254

2.1 扫描仪的工作原理及结构特点 254

2.1.1　扫描仪的结构 254

2.1.2　扫描仪的工作原理 254

2.1.3　扫描仪的几个指标 255

2.2　数码相机的工作原理及结构特点 256

2.2.1　数码相机的工作原理 256

2.2.2　数码相机的主要部件及有关光学参数 256

2.3　数码摄像机的构成和工作原理 258

2.3.1　摄像系统 258

2.3.2　镜头（物镜） 258

2.3.3　图像传感器 259

2.3.4　液晶显示屏 259

2.3.5　电子取景器 259

2.3.6　录像系统 259

2.4　数码多功能机的特点、原理和结构 260

2.4.1　数码多功能机的主要特点 260

2.4.2　数码多功能机的工作原理 260

2.4.3　数码多功能机的结构 261

参考文献 261

第5篇　光学信息 262

第1章　光学信息基础 262

1.1　概述 262

1.1.1　光学信息处理简述 262

1.1.2　若干常用函数 262

1.1.3　卷积 263

1.1.4　相关 264

1.1.5　傅里叶变换及其相关性质和定理 264

1.2　光学信息处理有关的基本理论和基本概念 266

1.2.1　线性系统 266

1.2.2　空间频率、频谱（角谱） 266

1.2.3　抽样定理 267

1.2.4　光学成像系统的光瞳函数及其影响位相因子 268

1.2.5　光学成像系统的频率特性及其传递函数 268

1.2.6　相干光成像和非相干光成像的比较 269

1.2.7　球面波照明时的傅里叶变换 270

1.2.8　光波场的部分相干理论 270

第2章　光学信息处理 273

2.1　相干光处理 273

2.1.1　相干光处理系统 273

2.1.2　空间滤波器 275

2.1.3　相干光学处理系统应用 276

2.2　非相干光处理 280

2.2.1 相干光处理和非相干光处理的比较 280

2.2.2　非相干光空间滤波 281

2.2.3　功率谱相关器 281

2.2.4 以几何成像为基础的非相干光处理 281

2.2.5 基于投影原理的非相干光处理器 282

2.3　白光信息处理 282

2.3.1　概况 282

2.3.2　复空间滤波 283

2.3.3　黑白图像的假彩色化 285

2.4　光电混合处理 286

2.4.1　概况 286

2.4.2　实时空间光调制器 286

2.4.3　光电混合处理系统 288

参考文献 290

第6篇　视光技术 292

第1章　新型光学镜片 292

1.1　光学树脂镜片 292

1.2　光学树脂防护镜片 294

1.2.1　光对人眼的危害 294

1.2.2　光辐射对人眼损伤的类型 295

1.2.3　几种光学树脂防护镜片 295

1.3　几种红色镜片 297

1.3.1　颜色视觉 297

1.3.2　颜色对人的心理状态和工作效率的影响 297

1.3.3　几种红色镜片的光谱特性及用途 298

1.4　激光护目镜 299

1.4.1　激光护目镜的要求 299

1.4.2　激光护目镜的现状 300

1.4.3　结束语 301

1.5　CR39镀膜镜片 302

1.5.1　镜片的清洗 302

1.5.2　镜片的化学镀膜 302

1.5.3　镜片的真空镀膜 302

1.6　光学树脂镜片的测试 303

1.6.1　抗冲力、刚度、耐磨性的测试 303

1.6.2　特征值、内应力和发黄度的测试 304

参考文献 305

第2章　视光技术应用 306

2.1 准分子激光在视光学中的应用 306

2.1.1　ArF准分子激光的特点 306

2.1.2　应用准分子激光进行屈光矫正 306

2.1.3　应用波前像差来分析眼球的像差 306

2.1.4　波（前）像差的测量 308

2.1.5　应用准分子激光进行眼球像差的矫正 309

2.2　隐形眼镜光学 310

2.2.1　隐形眼镜设计原理 310

2.2.2　隐形眼镜的加工工艺 314

参考文献 317

第3章　渐进加光镜片 318

3.1　渐进加光镜片概述 318

3.1.1　渐进加光镜片特征分区 318

3.1.2　渐进加光镜片的标识 319

3.1.3　渐进加光镜片的特点 319

3.1.4　国内外研究现状和发展趋势 320

3.2　渐进加光镜片设计 320

3.2.1　渐进加光镜片设计目标 320

3.2.2　渐进加光镜片设计分类 321

3.2.3　渐进加光镜片的数学模型与设计方法 323

参考文献 328

第7篇　光学软件应用技术 329

第1章 光学薄膜软件功能及应用 329

1.1　Essential Macleod软件 329

1.1.1　主要功能及特点 329

1.1.2　简单膜系的设计与分析 331

1.1.3　多层膜与膜堆的建立 334

1.2　Tfcalc软件 336

1.2.1　使用介绍 337

1.2.2　优化 338

第2章 光通信仿真软件功能及应用 340

2.1 VPI的发展史 340

2.2　主要功能 340

2.3　应用实例 341

2.3.1　系统的全局设计 341

2.3.2　光发送系统 341

2.3.3　信号传输系统 342

2.3.4　实验结果及性能分析 342

参考文献 344

第3章 ZEMAX软件功能及应用 345

3.1　成像质量的分析功能 346

3.1.1　调制传递函数 346

3.1.2　点扩散函数 347

3.1.3　像分析 349

3.1.4　照度（光照度） 352

3.2　鬼像分析 355

3.3　热分析 356

3.4　公差分析 357

3.5　物理光学传播 361

3.5.1　近轴高斯光束的模拟 361

3.5.2　空间高斯光束的模拟 362

3.5.3　物理光学传播 363

3.6　ZEMAX软件的设计功能 370

3.6.1　优化功能 371

3.6.2　设计技巧 372

3.6.3　优化实例 379

3.7　ZEMAX软件支持的光学面型 385

3.7.1　标准面 386

3.7.2　偶次方非球面 386

3.7.3　“奇次非球面” 387

3.7.4　环形表面（复曲面） 388

3.7.5　衍射光栅表面 390

3.7.6　Zernike位相表面 390

3.7.7　二元光学面 392

3.7.8　菲涅耳表面 395

3.7.9　全息面 396

3.8　ZEMAX软件支持的光学材料 397

3.8.1　梯度折射率材料 397

3.8.2　双折射晶体材料 398

3.9　若干光学元件的设计实例 399

3.9.1 平面反射镜成像 399

3.9.2　梯度折射率透镜 399

3.9.3　透镜阵列 401

3.9.4　“转像”棱镜 401

3.9.5　分光板 402

3.9.6　分光棱镜 404

3.9.7　折射棱镜 405

3.9.8　双折射偏振棱镜 405

3.9.9　光栅 406

3.10　ZEMAX软件的扩展功能 406

3.10.1　程序设计语言ZPL介绍与应用实例 406

3.10.2　ZEMAX软件的扩展命令 407

3.10.3　用户自定义面型（USD）——动态链接库（DLL）技术 407

3.11　非序列性（NSC）模式的应用实例 410

3.11.1　衍射相干全息系统模拟 410

3.11.2　非序列（Non-Seguential）光源 412

3.11.3　照明光管 413

3.12　序列性模式或者序列性和非序列性的混合模式 414

3.13 若干成像光学系统与非成像光学系统的设计实例 415

3.13.1　大齿距菲涅耳透镜 415

3.13.2　变焦距光学系统 416

3.13.3　红外热成像光学系统 418

3.13.4　混合光学系统 420

3.13.5　光盘读写系统 427

3.13.6　光纤光学系统 430

3.13.7　激光系统 434

3.13.8　微光夜视成像系统 436

3.13.9　车灯设计与照明系统分析 437

3.13.10　平场复消色差物镜的成像质量分析 440

3.13.11　经典（传统）光学系统的发展趋向 448

3.13.12　非同轴光学系统的成像质量分析 453

附录 456

附录A　一个表示分辨率板的像文件 456

附录B　一个“齿加工角度”的ZPL计算程序 456

附录C　自定义面形的C语言文本实例 457

参考文献 463

第4章　菲涅耳透镜的设计 464

4.1 用ZEMAX程序进行菲涅耳透镜设计 464

4.1.1　平面菲涅耳面型 464

4.1.2　曲面菲涅耳面型 465

4.1.3　广义菲涅耳面型 465

4.2　ZEMAX序列模式的菲涅耳透镜设计举例 465

4.2.1 用于光束准直的菲涅耳透镜设计 465

4.2.2　用于光束准直的曲面菲涅耳透镜设计 467

4.2.3　用于线聚焦的柱面菲涅耳透镜设计 467

4.2.4　菲涅耳棱镜的设计 468

4.2.5　大齿槽菲涅耳透镜的设计 470

4.3　ZEMAX非序列模式的菲涅耳透镜模拟 472

4.3.1 等齿距柱面菲涅耳透镜的建模 472

4.3.2　大齿槽菲涅耳透镜的建模与分析 472

4.3.3　环曲菲涅耳透镜的建模 473

参考文献 474