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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J16

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