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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TQ1138

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　FEA178

3.3.2　CNT178

3.3.3　MIM和MISM178

3.3.4　SED179

3.3.5　BSD179

3.3.6　DLC179

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