应用光学

本书以”讲座式”形式编排应用光学课程内容，每一章为一个讲座，2学时授课，全书共设计31个讲座。每一讲的内容详实、完整、篇幅适中。同时，在学期期中和期末，安排了两次课程设计，要求学生以论文的形式提交，对学生科研能力的训练起到了重要的作用。 本书包含了应用光学的基本知识和基本理论，如理想成像理论、目视光学仪器原理、平面镜棱镜系统、光阑、光度学基础、像差理论概述和常见光学仪器等。

硕士，副教授。发表论文20余篇，其中SCI/EI收录11篇。授权发明专利2项，实用新型1项。获河南省自然科学优秀学术论文二等奖2项、三等奖2项。Optical Engineering等杂志特约审稿人。主持省部级以上项目2项。中国宇航学会光电专业委员会委员。

目 录

第1章 什么是光 （1）
1.1 光是什么 （1）
1.1.1 微粒说与波动说 （1）
1.1.2 电磁波谱 （2）
1.1.3 可见光 （3）
1.1.4 视见函数 （4）
1.2 光的传播 （5）
1.2.1 光线和光束 （5）
1.2.2 光速 （5）
习题 （6）
第2章 几何光学基本定律 （7）
2.1 光的直线传播定律 （7）
2.1.1 光的直线传播 （7）
2.1.2 直线传播的破坏 （7）
2.2 光的独立传播定律 （7）
2.3 光的反射定律 （8）
2.4 光的折射定律 （8）
2.5 光路可逆 （9）
2.6 Snell定律 （9）
2.6.1 折射率 （9）
2.6.2 Snell定律的形式 （10）
2.6.3 Snell定律的讨论 （10）
2.7 全反射 （11）
2.7.1 全反射现象 （11）
2.7.2 全反射的应用 （12）
习题 （13）
第3章 理想光学系统 （14）
3.1 成像的概念 （14）
3.2 理想像 （15）
3.2.1 什么是理想像 （15）
3.2.2 理想像的违背 （15）
3.3 理想光学系统 （16）
3.3.1 光学系统 （16）
3.3.2 理想光学系统的成像特性 （17）
3.3.3 共轴理想光学系统 （18）
习题 （19）
第4章 共轴球面系统的光路计算 （20）
4.1 共轴球面系统的光路计算公式 （20）
4.1.1 光路计算公式 （20）
4.1.2 转面公式 （21）
4.2 符号规则 （22）
4.2.1 线量的符号规则 （22）
4.2.2 角量的符号规则 （23）
4.2.3 反射处理 （23）
4.2.4 有限远成像 （24）
4.3 计算实例 （24）
4.3.1 单透镜成像 （24）
4.3.2 圆柱形光纤焦点位置 （25）
习题 （26）
第5章 近轴光学 （27）
5.1 近轴成像理想 （27）
5.2 近轴光学基本公式 （28）
5.2.1 投射高及其符号规则 （28）
5.2.2 另一个近轴光路计算公式 （28）
5.2.3 近轴光学基本公式的推导 （29）
5.3 近轴物像关系 （30）
5.3.1 物高、像高及其符号规则 （30）
5.3.2 垂轴放大率? （30）
5.3.3 垂轴放大率的讨论 （31）
5.4 近轴光学的作用 （31）
习题 （32）
第6章 作图法求理想光学系统的
物像关系 （33）
6.1 主点和主平面 （33）
6.2 焦点和焦平面 （33）
6.2.1 像方焦点和像方焦平面 （33）
6.2.2 物方焦点和物方焦平面 （34）
6.2.3 焦距 （34）
6.3 作图法 （35）
6.3.1 常用两条作图光线 （35）
6.3.2 实例分析 （35）
6.3.3 课堂作图训练 （37）
习题 （37）
第7章 高斯光学 （38）
7.1 牛顿公式 （38）
7.2 高斯公式 （39）
7.3 两套公式对比与例题 （40）
7.3.1 两套公式对比 （40）
7.3.2 例题 （41）
7.4 拉格朗日不变量 （41）
7.5 物方焦距和像方焦距的关系 （42）
习题 （43）
第8章 基点和基面 （44）
8.1 单折射球面的基点和基面 （44）
8.1.1 主点和主平面 （44）
8.1.2 焦点和焦平面 （45）
8.1.3 单反射面的基点和基面 （45）
8.2 共轴球面光学系统的基点和基面 （45）
8.3 光学系统的三种放大率 （46）
8.3.1 垂轴放大率? （46）
8.3.2 轴向放大率? （46）
8.3.3 角放大率? （47）
8.3.4 三种放大率的关系 （47）
8.4 节点和节平面 （47）
8.5 无限远共轭的理想像高与理想物高 （49）
8.5.1 无限远共轭的理想像高 （49）
8.5.2 无限远共轭的理想物高 （50）
习题 （50）
第9章 理想光学系统的组合 （51）
9.1 两个理想光学系统的组合 （51）
9.1.1 主点和焦点位置 （51）
9.1.2 组合焦距 （52）
9.1.3 光焦度 （53）
9.1.4 实例 （55）
9.2 单透镜计算 （55）
9.2.1 单透镜的焦距 （55）
9.2.2 主面位置 （56）
9.2.3 薄透镜 （57）
9.2.4 常见透镜的主面 （57）
习题 （58）
第10章 矩阵光学基础 （59）
10.1 光线的矩阵描述 （59）
10.2 物像关系矩阵 （60）
10.2.1 物像关系矩阵的形成 （60）
10.2.2 基点和基面 （61）
10.3 两元系统 （62）
10.3.1 单透镜 （62）
10.3.2 两个理想光学系统的组合 （62）
10.4 矩阵光学例题 （63）
习题 （64）
第11章 人眼的光学特性 （65）
11.1 人眼的结构 （65）
11.2 人眼的小分辨角 （66）
11.3 人眼的调节 （67）
11.3.1 瞳孔调节 （67）
11.3.2 视度调节 （67）
11.4 人眼的缺陷及其校正 （68）
11.4.1 近视眼 （69）
11.4.2 远视眼 （70）
11.4.3 眼镜片的制作 （71）
习题 （71）
第12章 传统光学系统的原理 （72）
12.1 目视光学系统的要求 （72）
12.2 放大镜的原理 （73）
12.3 显微镜的原理 （73）
12.4 望远镜的原理 （75）
12.5 光学仪器的视度调节 （78）
习题 （78）
第13章 平面镜棱镜的应用 （79）
13.1 平面镜成像性质 （79）
13.1.1 平面镜成镜像 （79）
13.1.2 平面镜的旋转 （80）
13.1.3 双平面镜 （80）
13.2 棱镜及类型 （81）
13.3 平面镜棱镜的作用 （82）
13.4 小偏向角 （83）
13.5 光楔 （84）
习题 （85）
第14章 棱镜的展开 （86）
14.1 棱镜展开的要求 （86）
14.2 直角棱镜的展开 （87）
14.3 五角棱镜的展开 （88）
14.4 靴形棱镜的展开 （88）
14.5 平行平板的成像性质 （89）
14.5.1 平行平板的成像特性 （89）
14.5.2 等效空气层 （90）
14.5.3 非近轴等效空气层 （90）
习题 （92）
第15章 平面镜棱镜系统成像方向 （93）
15.1 屋脊棱镜 （93）
15.2 角隅棱镜 （94）
15.3 平面镜棱镜成像方向 （95）
15.3.1 坐标镜像法 （96）
15.3.2 画线法 （96）
15.3.3 法则法 （97）
习题 （98）
第16章 棱镜转动定理 （99）
16.1 棱镜转动定理 （99）
16.1.1 棱镜转动定理的表达式 （99）
16.1.2 常见的棱镜转动 （100）
16.2 转动矩阵 （101）
16.2.1 转动矩阵的形式 （101）
16.2.2 作用矩阵 （101）
16.3 光轴偏与像倾斜 （102）
16.3.1 光轴偏与像倾斜的求解 （102）
16.3.2 特征方向和特征平面 （103）
16.4 棱镜的偏差 （103）
16.4.1 光学平行差 （103）
16.4.2 屋脊棱镜的双像差 （104）
习题 （105）
第17章 期中课程设计 （106）
17.1 期中课程设计要求 （106）
17.2 双分离望远物镜的参数 （107）
17.3 作图法 （107）
17.4 光路计算公式 （107）
17.5 近轴光学 （108）
17.6 矩阵光学 （108）
17.7 高斯光学 （109）
17.8 棱镜外形尺寸 （110）
第18章 光阑与光束选择 （111）
18.1 为什么用光阑 （111）
18.2 光阑分类 （112）
18.2.1 孔径光阑 （112）
18.2.2 视场光阑 （112）
18.2.3 渐晕光阑 （113）
18.2.4 消杂光光阑 （113）
18.3 望远系统中成像光束的选择 （114）
18.3.1 孔径光阑 （114）
18.3.2 视场光阑 （115）
18.4 显微系统中成像光束的选择 （115）
习题 （117）
第19章 远心光路、场镜和景深 （118）
19.1 远心光路 （118）
19.1.1 物方远心光路 （118）
19.1.2 像方远心光路 （119）
19.2 场镜 （119）
19.3 景深 （120）
19.3.1 景深概念 （120）
19.3.2 景深计算 （120）
19.3.3 景深的基准物平面 （122）
习题 （123）
第20章 光度学基本量I （124）
20.1 立体角 （124）
20.1.1 立体角的概念 （124）
20.1.2 立体角的计算 （124）
20.2 光通量 （125）
20.2.1 辐射通量 （125）
20.2.2 光通量 （126）
20.2.3 光视效能 （126）
20.3 发光强度 （127）
20.4 光出射度 （128）
习题 （128）
第21章 光度学基本量II （129）
21.1 光照度 （129）
21.1.1 光照度的定义 （129）
21.1.2 光照度公式 （130）
21.2 光亮度 （131）
21.3 光学系统中的光亮度传递 （132）
21.3.1 同种介质中光亮度的传递 （132）
21.3.2 折射时光亮度的传递 （132）
习题 （134）
第22章 光学系统像平面照度 （135）
22.1 朗伯辐射体 （135）
22.1.1 朗伯辐射体 （135）
22.1.2 发光面的光通量 （136）
22.1.3 全扩散表面 （136）
22.2 光学系统像平面照度 （137）
22.2.1 像平面轴上点光照度 （137）
22.2.2 像平面轴外点光照度 （137）
22.3 照相物镜像平面照度 （138）
22.3.1 照相物镜的像平面照度 （138）
22.3.2 曝光量 （139）
习题 （140）
第23章 主观光亮度与光能损失 （141）
23.1 主观光亮度 （141）
23.1.1 人眼直接观察时的主观
光亮度 （141）
23.1.2 望远镜观察发光点的主观
光亮度 （142）
23.1.3 望远镜观察发光面的主观
光亮度 （143）
23.2 光学系统中光能损失 （143）
23.2.1 反射损失 （143）
23.2.2 吸收损失 （144）
23.2.3 光学系统的透过率 （144）
23.2.4 透过率计算实例 （145）
习题 （146）
第24章 两种视觉 体视与色觉 （147）
24.1 体视 （147）
24.1.1 空间深度感觉 （147）
24.1.2 双目立体视觉 （148）
24.1.3 双目观察仪器 （149）
24.2 色觉 （150）
24.2.1 颜色色觉 （150）
24.2.2 格拉斯曼定律 （150）
24.2.3 颜色匹配 （151）
24.3 色度学 （151）
24.3.1 色度学基础 （151）
24.3.2 CIE标准色度学系统 （152）
24.3.3 光源的颜色特性 （155）
习题 （155）
第25章 像质评价 （156）
25.1 光学系统的要求 （156）
25.2 后评价方法 （157）
25.2.1 2

前    言
我曾经见到过一本美国的Lens Design教材，它以照相物镜的发展历史为主线，利用38章共38个讲座，每个讲座就着一个主题，以2小时报告的形式进行讲授。Lens Design已经成为光学设计初学者的一本“宝典”。我深读此书，觉得它十分适合用作教材，它的授课形式很值得借鉴。于是，在我给大学本科生讲授“应用光学”数年之后，就有了一个冲动：将《应用光学》也写成报告形式的教材，以便更加有利于授课。事实上，国内有很多优秀的《应用光学》教材，经过几十年的使用，证明是经典的，也很值得借鉴。我对《应用光学》教材的改造，权作一种尝试，它的成功与否将会在后续的授课中来验证。
本教材包含了基础的《应用光学》知识和理论，如理想成像理论、高斯光学、眼视光学、目视光学仪器原理、平面镜棱镜系统、光栏、光度学基础、像差理论概述和常见光学仪器等。同时，增加了部分实用性较强、与新技术和新理论有密切关系的知识，如矩阵光学、梯度折射率光学和ZEMAX软件概述等。矩阵光学在激光传输理论、张量光学、离轴非对称光学系统设计中都有重要应用。梯度折射率材料虽然发展较早，但是未受到重视，对于我们熟知的大气层的梯度折射率理论，很少有在应用光学课程中体现。国内外近期研究发现，随着梯度折射率材料制造技术的改进，梯度折射率材料还可能全面替代非球面，在未来光学设计中有可能占据重要的地位。同时，梯度折射率理论，在眼视光学、激光晶体热效应分布等方面也有应用。ZEMAX软件已经不仅仅是光学设计师的专有软件，对于从事光学工程的研究者或者工程师，它的使用已经是必不可少的工具之一。
本书在编写过程中尽量梳理各种理论之间的关系，尽量做到前后顺序的科学化，保证后面使用时前面要讲授过。同时，对于每一章，要力求一定的完整性，就着一个课题做深入的讲授，避免知识点成散状分布，使学生更能系统理解知识点之间的关联性，不容易混乱。内容安排不多不少，两个小时一个报告，讲授一章，教师可根据基本理论扩展讲授一些自己科研、现实生活或者经典文献中的光学现象，以便引起学生浓厚的学习兴趣。
为了与国际教学理念接轨，也便于学生养成研究的良好习惯，本书在第17章和第33章分别安排了期中课程设计和期末课程设计，让学生以写论文的形式提交作业。我们认为，严格认真的课程设计比课后作业会获得更好的教学效果。
全书共33章，除去两个课程设计，共31个讲座或报告，如果全讲授，需要62个学时。一般平均每学期18周，如果安排每周4学时，则共授课时72个学时，除去讲座余下的10个学时，可开设为实验课。部分学校安排《应用光学》课时为54学时，可以考虑舍去部分内容，比如传统《应用光学》教材中很少出现的第10章、第31章和第32章，或者略去部分  内容。
本书第1～8章由丁超亮编写，第9～33章由赵存华编写，全书由赵存华统稿。贾红撰写了第25章中的部分内容，本书中的所有图表由孙梅霞和杜娟绘制，张相辉在本书的编写过程中提出了十分有意义的建议。本书的成功出版得到了广泛的支持，包括学校院系领导的关心，同行老师的重要意见和建议，以及几届学生讲授中的互动，他们对本书质量的提高起到了重要的作用，在此一并感谢。另外，家人也十分支持我们的工作，忍受了我们全身心的投入，并且给予我们很大的帮助，在此表示深深的感谢。
本书是一个新的尝试和探索，一定有很多不当之处，欢迎读者不吝珠玉，给予批评指正。作者的联系方式为：。

编著者