应用光学与光学设计基础 第3版PDF电子书下载

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1 24

思考题1 25

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2 52

思考题2 53

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3 111

思考题3 114

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4 131

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5 191

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6 225

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7 250

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8 292

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α 353

10.5.2视放大率Γ 354

10.5.3视场角2ω 356

10.5.4出瞳直径D’ 356

10.5.5出瞳距离l’ z 357

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V 489

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