应用光学（第4版）

本书将基础性光学原理用于光学系统设计和像差平衡，定位于阐述光学设备的光学系统总体设计原理与光学镜头设计基础。本书分为几何光学、像差理论、典型光学系统和光学系统设计四部分，各部分均反映了光学与光电子学的进展和光学系统设计的新发展。其中，几何光学和像差理论详细讲述了光学系统设计基本理论；典型光学系统包括眼睛，显微和望远光学系统，摄影和投影光学系统，自由曲面及其在光学系统中的应用，以及特殊光学系统，包含了当前*的光学系统，例如全息术补偿像差、3D打印光学系统、3D显示光学系统、太赫兹光学系统、折衍混合光学系统、共形自由曲面光学系统、复眼仿生光学系统和自适应光学系统等；光学设计部分包括光学系统初始结构求解、像质评价和像差平衡，并辅以光学设计实例。
本书可作为高等学校光电类相关专业的教材或教学参考书，也可供从事光学设计和光学仪器设计工作的科技人员参考。

张以谟，天津大学精密仪器与光电子工程学院，教授、博士生导师，主要研究应用光学，编写了《应用光学》等教材，发表论文100多篇。

部分 几 何 光 学

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

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 （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

本书编写目的是培养光学仪器或光学工程有关专业人才，在光学仪器设计、光学系统设计和光学镜头设计方面的技术基础知识和能力，是一本技术基础教材和科技参考书。
本书第1版于1982年出版；第2版于1987年出版。
在随后中断的近20年中，本书的广大老读者，以及曾经学习本书受益的学生，因在市面上无法买到本书，感到十分惋惜，希望修订的呼声一直不断（不少高校，也一直是内部翻印作为学生教材的）；2006年初，伴随着光学学科、光电产业的大发展，为适应高等学校光电类专业人才培养的要求，在电子工业出版社的热情鼓励和支持下，本书开始编写第3版，并于2008年出版，第3版一面市，本书的不少老读者感到十分亲切，并从不同侧面、角度给予了积极的、很好的评价。
总之，在近30年的教学实践中形成、完善，并历经波折延续下来的这本书，对培养一批光学技术人才起到了应有的作用，这也是本书作者感到欣慰，并愿意继续修订下去的驱动力。
本书在不断的修订和完善中，每次都有精简并增加当代新内容，形成了本书的特色：
(1) 适于教学和加强光学工程或光学仪器专业基础：时间上历经近30多年的教学考验，在空间上参考了全国各院校光学仪器专业成功的教学经验。
(2) 强调了在光学中的应用技术：使基础性光学原理用于光学系统设计，定位于阐述光学设备原理、光学系统总体设计和像差平衡，并能为镜头设计打下扎实基础。
(3) 符合教学认识论：本书仍分为四个部分，即几何光学、像差理论、典型光学系统和光学系统设计，每次修订，都适当地反映了当时的前沿光学技术。
(4) 本书在教学中注重实践性，保证实验、习题和课程设计等环节。
(5) 本书具有很好的声誉，几十年来同行们团结合作，作者队伍稳定，老中青结合，合作愉快，尽职尽责地保证了教材的整体性和“无缝结合”。
第4版在保持第3版基本结构、基本内容的基础上，主要的修订内容有：
(1) 充分反映当前光学系统设计前沿，增加了全息术补偿像差、太赫兹光学系统、折衍混合光学系统、共形自由曲面光学系统、复眼仿生光学系统和自适应光学系统等的设计理论。
(2) 由于光电探测器的广泛使用，显微和望远光学系统已越来越重要，故将“目视光学系统”修改为“显微和望远系统”，并增加3D打印光学系统和3D显示光学系统。
(3) 在文字上尽量精练，并尽量剔除原来的一些文字错误。
本书由天津大学张以谟教授主编。第4版由天津大学张红霞博士、贾大功博士修订。
本教材可作为高等学校光学仪器专业以及其他光学专业的教材或教学参考书，也可供从事光学设计和光学仪器设计工作的科技人员参考。
本书尽管经历三次修订，但其中不妥和错误之处仍在所难免，恳请广大教师和读者批评指正。

张以谟
张红霞，贾大功
于天津大学