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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125

思考题125

第2章 共轴球面系统的成像理论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252

思考题253

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3111

思考题3114

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4131

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平面反射系统中物像关系的矩阵表示方法183

习题5191

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6225

第7章 光学系统中光束的限制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）（*）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242

7.7物空间在平面上成像的清晰深度——光学系统的景深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7250

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272

8.2光学系统中光通量与光亮度的传递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8292

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-RCB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344

10.3望远系统的调焦方式 内调焦望远镜345

10.3.1外调焦系统345

10.3.2内调焦系统——内调焦望远镜346

10.4光学测距原理与系统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α354

10.5.2视放大率Г355

10.5.3视场角2ω356

10.5.4出瞳直径D′356

10.5.5出瞳距离l′z357

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358

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362

10.7.1光学系统外形尺寸计算的主要任务与内容362

10.7.2望远系统的外形尺寸计算举例363

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）378

第11章 显微镜386

11.1概述386

11.2显微镜光学系统的基本组成与光学连接尺寸386

11.2.1显微镜光学系统的基本组成387

11.2.2显微镜的光学连接尺寸387

11.3显微镜的光学特性与主要光学性能指标390

11.3.1显微镜的光束限制结构特点390

11.3.2显微镜的视场光阑和视场391

11.3.3显微镜的分辨率392

11.3.4显微镜的放大倍率及适用放大倍率394

11.3.5显微镜的成像深度（景深）397

11.4显微镜的物镜和目镜400

11.4.1显微物镜400

11.4.2显微目镜405

11.5显微镜的照明系统（*）408

11.5.1对照明系统的要求408

11.5.2主要的照明方式与照明系统408

第12章 照相与投影系统417

12.1照相机的工作原理417

12.2照相物镜的主要性能与基本类型419

12.2.1照相物镜的主要性能419

12.2.2照相物镜的基本类型422

12.2.3变焦距照相物镜（*）426

12.3照相机的分类和基本结构429

12.3.1照相机的分类429

12.3.2传统胶片式单反照相机的基本结构430

12.3.3数码照相机的原理、主要性能参数及特点432

12.4放映投影系统的工作原理及其类别436

12.5投影系统与投影物镜的主要光学性能参数438

12.6微显示投影机（★）440

第13章 纤维光学与光纤传像系统449

13.1阶跃光纤的传光机理与主要性能参数450

13.1.1阶跃光纤中光波传播规律分析——表面波机理450

13.1.2光在阶跃直圆柱光纤中的传播规律及主要性能参数453

13.2阶跃多模光纤与单模光纤461

13.2.1阶跃多模光纤传输的模式与归一化波导常数V461

13.2.2单模光纤464

13.3渐变折射率光纤的传光机理与自聚焦透镜的成像特性466

13.3.1非均匀介质中的光线理论——程函方程与光线微分方程466

13.3.2平方律分布的自聚焦光纤中的光线传播轨迹与规律分析468

13.3.3自聚焦透镜的成像规律——近轴成像472

13.4无源光纤传像原理、器件与系统477

13.4.1光纤传像束的传像机理与主要性能指标477

13.4.2光纤传像系统（光纤望远系统，光纤内窥镜）483

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490

第14章 光学系统的像质评价490

14.1用儿何像差表征光学系统像质的基本概念与方法490

14.1.1轴上点的光束结构与像差491

14.1.2轴外点的子午与弧矢光束结构与像差表示494

14.1.3垂轴几何像差502

14.2几何点列图的像质评价方法505

14.3光学系统成像质量的波像差表示与瑞利判据506

14.4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508

14.5光学传递函数评价像质的基本概念512

14.6典型光学系统成像质量评价与指标515

14.6.1望远镜与显微镜成像质量评价515

14.6.2照相系统与摄影物镜像质评价518

14.7 ZEMAX中的像质评价方法520

第15章 应用ZEMAX的光学自动设计原理与方法527

15.1光学自动设计基本概念528

15.1.1光学自动设计基本原理528

15.1.2阻尼最小二乘法530

15.1.3评价函数的构成与权因子532

15.2 ZEMAX评价函数534

15.2.1 ZEMAX评价函数的构建534

15.2.2 ZEMAX评价函数中的操作符536

15.2.3默认评价函数548

15.3常用几何像差控制在评价函数中的实现553

15.3.1 ZEMAX中内建几何像差控制符与特点553

15.3.2评价函数中常用独立几何像差复合控制操作符的构建554

15.4利用ZEMAX像质优化与设计举例560

15.4.1消色差双胶合望远镜物镜设计560

15.4.2光路中有棱镜的望远物镜设计566

15.4.3显微物镜设计572

15.4.4目镜设计580

15.4.5变焦物镜设计586

参考文献592