第一部分 几何光学 2
第1章 几何光学的基本定律和成像的概念 2
1.1 几何光学的基本概念 2
1.2 几何光学的基本定律 4
1.3 费马原理及其应用 9
1.4 马吕斯定律 11
1.5 成像的概念 11
习题 13
第2章 球面和共轴球面系统 15
2.1 光线经过单个折射球面的折射 15
2.2 单个折射球面的成像倍率、拉赫不变量 17
2.3 共轴球面系统 19
2.4 球面反射镜 21
习题 22
第3章 理想光学系统 23
3.1 理想光学系统和共线成像 23
3.2 理想光学系统的焦点与焦平面、主点与主平面、焦距、节点 23
3.3 理想光学系统的物像关系 26
3.4 理想光学系统的放大率 30
3.5 理想光学系统的物像关系特性曲线 33
3.6 光学系统的组合 36
3.6.1 两个光组的组合 36
3.6.2 多个光组的组合 40
3.7 透镜 42
3.8 实际光学系统焦点位置和焦距的计算 47
3.9 几种典型系统的理想光学系统性质 49
3.9.1 望远镜系统 49
3.9.2 显微镜系统 50
3.9.3 照相物镜系统 51
3.10 矩阵运算在几何光学中的应用 52
3.10.1 近轴光的矩阵表示 52
3.10.2 物像矩阵 54
3.10.3 用高斯常数表示系统的基点位置和焦距 54
3.10.4 薄透镜系统的矩阵运算 56
习题 57
第4章 平面镜和平面系统 59
4.1 平面镜成像 59
4.2 双平面镜系统 62
4.3 反射棱镜 66
4.3.1 反射棱镜的类型 66
4.3.2 屋脊棱镜 68
4.3.3 三面直角棱镜（立方角锥棱镜） 69
4.3.4 棱镜的组合 70
4.3.5 棱镜的展开及结构参数K 71
4.3.6 棱镜成像方向辨别原则 75
4.4 折射棱镜 75
4.4.1 折射棱镜的最小偏角 75
4.4.2 折射棱镜的色散 76
4.4.3 色散棱镜的形式 77
4.5 光楔 78
4.6 光学材料 79
4.6.1 透明光学材料（透射材料） 79
4.6.2 玻璃的选择 80
4.6.3 塑料光学材料 81
4.6.4 反射光学材料 82
习题 83
第5章 光学系统中的光阑 84
5.1 光阑在光学系统中的作用 84
5.2 光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 85
5.3 视场光阑 88
5.4 渐晕光阑 89
5.4.1 轴外点发出光束的渐晕 89
5.4.2 消除渐晕的条件 91
5.4.3 渐晕系数 91
5.5 光学系统的景深 92
5.5.1 光学系统的空间像 92
5.5.2 光学系统的景深 93
5.6 远心光路 96
5.7 消杂光光阑 98
5.8 几种典型系统的光束限制 99
习题 102
第6章 光能及其计算 103
6.1 光通量（Luminous Flux） 103
6.2 发光强度 105
6.3 光照度和光出射度 108
6.4 光亮度 109
6.5 光通量和光亮度在光学系统中的传递、像面光照度 112
6.6 光学系统中光能损失的计算 116
6.7 光能计算 118
习题 122
第7章 颜色 123
7.1 概述 123
7.2 颜色的特征和分类 123
7.3 色光混合与格拉斯曼定律 124
7.4 颜色的匹配 125
7.5 色度学基础 125
7.6 CIE标准色度学系统 129
7.6.1 1931CIE—RGB系统 129
7.6.2 1931CIE—XYZ系统 129
7.6.3 1931CIE—XYZ色品图 134
7.6.4 光源色和物体色的三刺激值 134
7.6.5 表示颜色特征的两个量——主波长和颜色纯度 136
7.6.6 CIE1964补充标准色度学系统 137
7.6.7 CIE色度学系统表示颜色的方法 137
7.7 均匀颜色空间及色差公式 138
7.7.1 （x,y;Y）颜色空间是非均匀的颜色空间 138
7.7.2 均匀颜色空间及对应的色差公式 139
7.8 光源 140
7.8.1 表示光源颜色特性的两个参量 140
7.8.2 CIE标准照明体和标准光源 141
7.9 色光混合匹配计算 143
7.10 中国颜色体系 144
习题 146
第二部分 像差理论 148
第8章 光线的光路计算 148
8.1 概述 148
8.2 子午面内的光线光路计算 149
8.3 轴外点细光束的光路计算 154
8.4 空间光线的光路计算 157
8.4.1 通过球面的空间光线的光路计算（矢量公式） 157
8.4.2 二次曲面的空间光线的光路计算（矢量计算公式） 160
8.4.3 细光束子午焦点和弧矢焦点位置的计算 163
8.4.4 高次非球面空间光线计算（矢量计算公式） 163
8.4.5 空间光线初始数据的确定和终结公式 166
习题 169
第9章 光学系统的像差 170
9.1 轴上点球差 170
9.1.1 球差的定义及其计算 170
9.1.2 光学系统的球差分布公式 171
9.1.3 单个折射球面的球差分布系数、不晕点 173
9.1.4 单个折射球面的球差正负和物体位置的关系 174
9.2 彗差 176
9.2.1 彗差及其计算 176
9.2.2 光学系统结构形式对彗差的影响 178
9.2.3 弧矢彗差 179
9.3 像散和像面弯曲 180
9.3.1 像散（像散差） 180
9.3.2 场曲（像面弯曲） 182
9.3.3 宽光束的像散和场曲 184
9.4 畸变 184
9.5 正弦差 186
9.6 位置色差 191
9.7 倍率色差 193
9.8 像差曲线的绘制及举例 194
9.8.1 像差曲线绘制 194
9.8.2 绘制像差曲线举例 196
9.9 像差的级数展开 199
9.10 像差分布公式 204
习题 209
第10章 初级单色像差 210
10.1 初级单色像差的一般表示式 210
10.1.1 轴向像差△L' 210
10.1.2 初级垂轴像差的一般表示式 212
10.1.3 空间光线通过光学系统的像差的一般表示式 214
10.2 五种初级像差 215
10.3 具有初级像差的光束结构 219
10.4 赛得和数的表示形式 222
10.4.1 阿贝不变量表示的赛得和数 222
10.4.2 PW形式的赛得和数 224
10.4.3 薄透镜系统初级像差的PW表示式 225
10.4.4 单个薄透镜的P和W 227
10.4.5 密接双薄透镜系统的初级像差 230
习题 232
第11章 初级色差 233
11.1 消像差谱线选择 233
11.2 初级色差 234
11.3 薄透镜系统的初级色差 238
11.3.1 薄透镜系统的初级位置色差 238
11.3.2 由消色差要求决定光学系统中各透镜的光焦度分配 239
11.3.3 薄透镜系统的初级倍率色差 242
11.3.4 对几种薄透镜系统的初级倍率色差的讨论 243
11.4 二级光谱 244
11.4.1 密接双透镜系统 245
11.4.2 密接三薄透镜系统的复消色差 246
习题 248
第12章 像差综述及计算结果处理 249
12.1 概述 249
12.2 初级像差系数和光阑位置的关系 251
12.3 光阑像差与物面像差的关系 253
12.4 初级像差系数与物面位置的关系 254
12.5 折射平面和平行平板的初级像差 255
12.6 反射光学元件的初级像差 257
12.7 单个折射球面和一些典型折射光学元件的初级像差分析 259
12.8 对称式系统的像差特性 262
12.9 光学系统像差特性曲线 263
12.10 像差特性曲线的分析 266
12.11 全息术补偿像差 272
12.11.1 全息术补偿像差原理 272
12.11.2 全息术补偿像差的实例 274
习题 276
第13章 光学系统的波像差 277
13.1 概述 277
13.2 轴上点的波像差及其与球差的关系 277
13.3 轴外点的波像差及其与垂轴像差的关系 281
13.3.1 轴外点波像差表示式 281
13.3.2 轴外点波像差求解 283
13.4 波像差的一般表示式 284
13.5 参考点移动产生的波像差和焦深 286
13.6 色差的波像差表示 286
13.6.1 用（D-d）方法计算波色差 286
13.6.2 二级光谱 288
13.6.3 波色差和初级几何色差的关系 288
13.6.4 色球差 289
13.7 光学系统的像差容限 290
13.7.1 球差的容限公式 290
13.7.2 球差以外其他相差的容限公式 291
习题 291
第三部分 典型光学系统 293
第14章 眼睛 293
14.1 概述 293
14.2 眼睛构造和标准眼 293
14.2.1 眼睛的构造 293
14.2.2 标准眼 295
14.3 眼睛的调节和聚散 297
14.3.1 眼睛的调节 297
14.3.2 眼睛的聚散 298
14.4 眼睛的适应 298
14.5 眼睛的视角分辨率 299
14.6 眼睛像差的表述 301
14.6.1 眼睛像差的描述 301
14.6.2 极坐标Zernike多项式 301
14.7 人眼波前像差测量方法 303
14.7.1 基于Scheiner原理的光线追迹方法 303
14.7.2 基于Tscherning原理的网格视网膜成像方法 304
14.7.3 基于Hartmann-Shack（H-S）原理的波前传感方法 304
14.7.4 角膜波前像差的测量 305
14.8 眼睛的缺陷与校正 306
14.8.1 近视 306
14.8.2 远视 307
14.8.3 散光 307
14.9 双目立体视觉 307
14.9.1 双目视觉特征 307
14.9.2 双目空间视觉 308
14.10 体视测距原理 310
14.10.1 体视测距原理概述 310
14.10.2 体视光学系统 311
14.11 颜色视觉 311
14.11.1 简述颜色的三个基本特征 311
14.11.2 色觉现象解释 312
14.12 视觉质量的评价 313
习题 315
第15章 显微和望远光学系统 316
15.1 放大镜 316
15.1.1 放大镜的放大率 316
15.1.2 放大镜的光束限制和视场 317
15.2 显微镜系统及其特性 317
15.2.1 显微镜的成像原理 318
15.2.2 显微镜的机械筒长 318
15.2.3 显微镜的孔径光阑 319
15.2.4 显微镜的视场光阑和视场 320
15.2.5 显微镜的景深 320
15.3 显微镜的分辨率和有效放大率 321
15.3.1 点源通过透镜的衍射 322
15.3.2 光学仪器的分辨率 322
15.3.3 显微镜的分辨率 323
15.3.4 显微镜的有效放大率 323
15.4 显微镜物镜 323
15.4.1 显微镜物镜的光学特性 323
15.4.2 显微镜物镜的基本类型 324
15.5 显微镜的照明系统 326
15.5.1 照明方法 326
15.5.2 暗视场照明方法 327
15.5.3 聚光镜 327
15.6 望远系统 328
15.6.1 望远镜的视觉放大率 329
15.6.2 望远镜的分辨率及工作放大率 329
15.6.3 主观亮度 330
15.6.4 望远镜的视场 331
15.6.5 望远镜的出瞳距和调焦 332
15.7 望远物镜 335
15.7.1 折射式望远物镜 335
15.7.2 反射式望远物镜 335
15.7.3 折反射式望远物镜 336
15.8 目镜 337
15.8.1 目镜的光学特性 337
15.8.2 目镜的像差特性 338
15.9 透镜转像系统和场镜 341
15.10 望远系统的外形尺寸计算 343
15.10.1 由物镜和目镜组成的望远系统 343
15.10.2 带有棱镜转像系统的望远系统 344
15.10.3 带有透镜转像系统的望远系统 346
15.11 3D打印光学系统 348
15.12 3D显示光学系统 348
15.12.1 3D显示技术 348
15.12.2 3D显示光学系统 354
习题 358
第16章 摄影及投影光学系统 359
16.1 摄影系统的光学特性 359
16.1.1 分辨率（解像力） 360
16.1.2 摄影系统的光谱能量特性 360
16.1.3 几何焦深 362
16.1.4 景深 363
16.2 摄影镜头（镜头） 363
16.2.1 大孔径镜头 363
16.2.2 广角镜头 366
16.3 取景和测距系统 371
16.3.1 自动调焦的概念 371
16.3.2 照相机中的取景、测距、调焦及其综合系统的结构 373
16.4 感光胶片 375
16.4.1 感光胶片概述 375
16.4.2 感光胶片特性 377
16.5 光电传感器 379
16.6 放映和投影镜头 382
16.6.1 放映和投影镜头的特性 382
16.6.2 普通放映镜头 383
16.6.3 投影镜头 385
16.7 放映和投影系统的照明 386
16.8 太赫兹摄影光学系统 388
习题 390
第17章 自由曲面及其在光学系统中的应用 391
17.1 概述 391
17.1.1 自由曲面概念 391
17.1.2 非球面应用概述 391
17.2 非球面曲面方程 392
17.2.1 旋转对称的非球面方程 392
17.2.2 其他常见非球面方程 393
17.2.3 非球面的法线及曲率 394
17.3 非球面的初级像差 395
17.4 二次圆锥曲面及其衍生高次项曲面 396
17.4.1 消球差的等光程折射非球面 396
17.5 施密特校正器的设计 398
17.5.1 施密特校正器的基本工作原理及其近似计算法 398
17.5.2 施密特校正器的精确计算法 400
17.6 柱面、超环面、离轴曲面及微结构阵列 401
17.6.1 柱面 401
17.6.2 超环面 401
17.6.3 离轴曲面 402
17.6.4 微结构阵列 402
17.7 衍射光学元件及折衍混合光学系统 403
17.7.1 概述 403
17.7.2 菲涅耳透镜（Fresnel Lens） 404
17.7.3 达曼光栅（Dammann Ggrating） 405
17.7.4 混合光学成像系统中的衍射光学元件 406
17.7.5 折衍混合光学系统 409
17.8 自由曲面 411
17.8.1 自由曲面概述 411
17.8.2 自由曲面光学元件 412
17.8.3 自由曲面的描述 412
17.9 共形自由曲面光学系统 416
17.9.1 共形光学系统概念 416
17.9.2 瞬间视场和目标视场参量对共形光学系统像差的描述 416
17.9.3 扩展形式的Wassermann-Wolf自由曲面建立像差评价体系 418
习题 420
第18章 几种特殊光学系统 421
18.1 光电接收器的主要特点 421
18.2 光电光学系统 428
18.2.1 光电能量转换系统 428
18.2.2 聚光透射接收式光电系统 430
18.2.3 光电图像转换系统 432
18.2.4 光学机械扫描系统 433
18.2.5 电视摄像和显像系统 434
18.2.6 红外夜视系统 435
18.3 光学薄膜选择 436
18.3.1 光学薄膜的概念和分类 436
18.3.2 光学薄膜的应用和选择 437
18.4 梯度折射率光学系统设计 439
18.4.1 梯度折射率光学的起源 439
18.4.2 不同梯度折射率介质中的光线方程 440
18.4.3 自聚焦透镜及其成像系统 442
18.4.4 变折射率介质的应用 446
18.4.5 光纤准直器设计示例 446
18.5 激光仪器光学系统概述 449
18.5.1 激光高斯光束的传输规律 449
18.5.2 激光光学系统的选择和计算 452
18.5.3 激光光学系统及其应用 454
18.6 光纤成像光学系统 462
18.6.1 光纤束的特点和参数 462
18.6.2 光纤成像系统的光学设计 463
18.7 中、远热红外成像基础 466
18.7.1 热红外成像基础 466
18.7.2 热红外成像光学系统的特点 467
18.7.3 红外材料 473
18.7.4 系统设计举例 476
18.8 紫外（UV）光学系统概述 477
18.8.1 概述 477
18.8.3 紫外光学系统示例 479
18.9 复眼仿生光学系统 482
18.9.1 生物复眼 482
18.9.2 多孔径光学系统设计 483
18.10 自适应光学系统 496
18.10.1 自适应光学系统及其分类 496
18.10.2 自适应光学系统举例 497
习题 509
第四部分 光学设计 511
第19章 以初级像差求取光学系统的初始结构 511
19.1 光学系统的基本像差参量及其规化 511
19.1.1 光学系统的基本像差参量 511
19.1.2 反向光路计算和正向光路计算的P和W之间关系 514
19.1.3 用P,W,C表示的初级像差系数 514
19.2 双胶合透镜组P∞,W∞和CI与结构参数的关系 515
19.2.1 双胶合透镜组的基本像差参量 515
19.2.2 双胶合透镜组玻璃的选择 517
19.3 单薄透镜的P∞,W∞,CI和结构参数的关系 519
19.4 用PW方法求解简单物镜的结构 521
习题 529
第20章 光学系统设计示例 531
20.1 中倍平场显微物镜设计 531
20.1.1 用PW方法进行中倍平场显微物镜设计 531
20.1.2 对各透镜组PW规范化 533
20.2 双高斯型物镜设计 542
20.2.1 摄影物镜设计的一般原则 542
20.2.2 双高斯型物镜初始结构参数的确定 543
20.2.3 双高斯物镜设计实例 546
20.3 变焦距物镜 556
20.3.1 变焦距物镜的概况 556
20.3.2 二组元机械补偿变焦系统的高斯光学 558
20.3.3 二组元机械补偿变焦距物镜设计 565
20.3.4 凸轮曲线计算 569
习题 573
第21章 系统设计的像质评价 574
21.1 概述 574
21.2 瑞利判断用于光学系统像质评价 574
21.3 中心点亮度 575
21.4 分辨率 576
21.5 点列图 576
21.6 边界曲线 577
21.7 光学传递函数 578
21.7.1 光学传递函数的基本概念 578
21.7.2 光学传递函数的表达式 581
21.7.3 光学传递函数在像质评价中的应用 584
习题 589
第22章 像差自动平衡 590
22.1 概述 590
22.2 像差自动平衡评价函数 590
22.3 阻尼最小二乘法光学自动设计原理 593
22.3.1 阻尼最小二乘法原理 594
22.3.2 阻尼最小二乘法 595
22.3.3 阻尼最小二乘法的特点 596
22.4 光学设计软件及流程 599
22.4.1 ZEMAX 599
22.4.2 CODE V 601
22.5 像差自动平衡计算实例 602
22.5.1 中倍平场显微物镜设计 602
22.5.2 双高斯型物镜设计 603
22.5.3 变焦距物镜设计 605
习题 609