应用光学（第5版）

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丛书名：

• 作者：张以谟
• 出版时间：2021/7/1
• ISBN：9787121410710
• 出 版 社：电子工业出版社

适用读者: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。

• 中图法分类：O439 
• 页码：612
• 版次：01
• 开本：16开
• 字数：1530(单位：千字)

内容简介

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，包含了当前最新的光学系统，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。

作者介绍

张以谟，天津大学教授，博士生导师。获天津市特等劳动模范，国家有突出贡献的中青年科技专家称号，国务院政府津贴及证书获得者等称号，并曾被选为中共十四大代表。专长为应用光学与光学设计、光学信息处理和光互连技术。现为中国光学学会高级会员，光电专业委员会主任。中国仪器仪表学会光机电集成技术分会理事长，国际光电工程学会(SPIE)Fellow。科技部863计划光电子专家组成员，科技部973计划信息领域咨询组副组长等职。

目 录

目 录
第一部分 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 （8）
1.4 马吕斯定律 （10）
1.5 成像的概念 （11）
习题 （13）
第2章 球面和共轴球面系统 （14）
2.1 光线经过单个折射球面的折射 （14）
2.2 单个折射球面的成像倍率、拉赫
不变量 （16）
2.3 共轴球面系统 （18）
2.4 球面反射镜 （20）
习题 （21）
第3章 理想光学系统 （22）
3.1 理想光学系统和共线成像 （22）
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 （22）
3.3 理想光学系统的物像关系 （25）
3.4 理想光学系统的放大率 （29）
3.5 理想光学系统的物像关系特性曲线 （31）
3.6 光学系统的组合 （34）
3.6.1 两个光组的组合 （34）
3.6.2 多个光组的组合 （37）
3.7 透镜 （39）
3.8 实际光学系统焦点位置和焦距的计算 （43）
3.9 几种典型系统的理想光学系统性质 （45）
3.9.1 望远镜系统 （46）
3.9.2 显微镜系统 （47）
3.9.3 照相物镜系统 （48）
3.10 矩阵运算在几何光学中的应用 （49）
3.10.1 近轴光的矩阵表示 （49）
3.10.2 物像矩阵 （50）
3.10.3 用高斯常数表示系统的基点位置和
焦距 （51）
3.10.4 薄透镜系统的矩阵运算 （52）
习题 （53）
第4章 平面镜和平面系统 （55）
4.1 平面镜成像 （55）
4.2 双平面镜系统 （58）
4.3 反射棱镜 （61）
4.3.1 反射棱镜的类型 （61）
4.3.2 屋脊棱镜 （63）
4.3.3 三面直角棱镜（立方角锥棱镜） （64）
4.3.4 棱镜的组合 （65）
4.3.5 棱镜的展开及结构参数K （67）
4.3.6 棱镜成像方向辨别原则 （70）
4.4 折射棱镜 （70）
4.4.1 折射棱镜的最小偏角 （70）
4.4.2 折射棱镜的色散 （71）
4.4.3 色散棱镜的形式 （72）
4.5 光楔 （73）
4.6 光学材料 （74）
4.6.1 透明光学材料（透射材料） （74）
4.6.2 玻璃的选择 （75）
4.6.3 塑料光学材料 （76）
4.6.4 反射光学材料 （77）
习题 （78）
第5章 光学系统中的光阑 （79）
5.1 光阑在光学系统中的作用 （79）
5.2 光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射
光瞳 （80）
5.3 视场光阑 （83）
5.4 渐晕光阑 （84）
5.4.1 轴外点发出光束的渐晕 （84）
5.4.2 消除渐晕的条件 （86）
5.4.3 渐晕系数 （86）
5.5 光学系统的景深 （86）
5.5.1 光学系统的空间像 （86）
5.5.2 光学系统的景深 （88）
5.6 远心光路 （91）
5.7 消杂光光阑 （92）
5.8 几种典型系统的光束限制 （93）
习题 （96）
第6章 光能及其计算 （97）
6.1 光通量（Luminous Flux） （97）
6.2 发光强度 （99）
6.3 光照度和光出射度 （101）
6.4 光亮度 （103）
6.5 光通量和光亮度在光学系统中的传递、
像面光照度 （105）
6.6 光学系统中光能损失的计算 （109）
6.7 光能计算 （111）
习题 （115）
第7章 颜色 （116）
7.1 概述 （116）
7.2 颜色的特征和分类 （116）
7.3 色光混合与格拉斯曼定律 （117）
7.4 颜色的匹配 （118）
7.5 色度学基础 （118）
7.6 CIE标准色度学系统 （121）
7.6.1 1931CIE—RGB系统 （121）
7.6.2 1931CIE—XYZ系统 （122）
7.6.3 1931CIE—XYZ色品图 （126）
7.6.4 光源色和物体色的三刺激值 （127）
7.6.5 表示颜色特征的两个量—主波长和
颜色纯度 （127）
7.6.6 CIE1964补充标准色度学系统 （129）
7.6.7 CIE色度学系统表示颜色的方法 （129）
7.7 均匀颜色空间及色差公式 （129）
7.7.1 (x,y,Y)颜色空间是非均匀的颜色
空间 （129）
7.7.2 均匀颜色空间及对应的色差公式 （130）
7.8 光源 （131）
7.8.1 表示光源颜色特性的两个参量 （131）
7.8.2 CIE标准照明体和标准光源 （132）
7.9 色光混合匹配计算 （134）
7.10 中国颜色体系 （136）
习题 （137）
第二部分 像 差 理 论

第8章 光线的光路计算 （139）
8.1 概述 （139）
8.2 子午面内的光线光路计算 （140）
8.3 轴外点细光束的光路计算 （145）
8.4 空间光线的光路计算 （148）
8.4.1 通过球面的空间光线的光路计算
（矢量公式） （148）
8.4.2 二次曲面的空间光线的光路计算
（矢量计算公式） （151）
8.4.3 细光束子午焦点和弧矢焦点位置的
计算 （153）
8.4.4 高次非球面空间光线计算
（矢量计算公式） （154）
8.4.5 空间光线初始数据的确定和终结
公式 （157）
习题 （159）
第9章 光学系统的像差 （160）
9.1 轴上点球差 （160）
9.1.1 球差的定义及其计算 （160）
9.1.2 光学系统的球差分布公式 （161）
9.1.3 单个折射球面的球差分布系数、
不晕点 （163）
9.1.4 单个折射球面的球差正负和物体
位置的关系 （164）
9.2 彗差 （166）
9.2.1 彗差及其计算 （166）
9.2.2 光学系统结构形式对彗差的影响 （168）
9.2.3 弧矢彗差 （169）
9.3 像散和像面弯曲 （170）
9.3.1 像散（像散差） （170）
9.3.2 场曲（像面弯曲） （172）
9.3.3 宽光束的像散和场曲 （173）
9.4 畸变 （174）
9.5 正弦差 （176）
9.6 位置色差 （181）
9.7 倍率色差 （182）
9.8 像差曲线的绘制及举例 （183）
9.8.1 像差曲线绘制 （183）
9.8.2 绘制像差曲线举例 （185）
9.9 像差的级数展开 （188）
9.10 像差分布公式 （193）
习题 （198）
第10章 初级单色像差 （199）
10.1 初级单色像差的一般表示式 （199）
10.1.1 轴向像差? L‘ （199）
10.1.2 初级垂轴像差的一般表示式 （201）
10.1.3 空间光线通过光学系统的像差的
一般表示式 （202）
10.2 五种初级像差 （204）
10.3 具有初级像差的光束结构 （208）
10.4 赛得和数的表示形式 （211）
10.4.1 阿贝不变量表示的赛得和数 （211）
10.4.2 PW形式的赛得和数 （213）
10.4.3 薄透镜系统初级像差的PW
表示式 （214）
10.4.4 单个薄透镜的P和W （216）
10.4.5 密接双薄透镜系统的初级像差 （218）
习题 （221）
第11章 初级色差 （222）
11.1 消像差谱线选择 （222）
11.2 初级色差 （223）
11.3 薄透镜系统的初级色差 （226）
11.3.1 薄透镜系统的初级位置色差 （226）
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 （227）
11.3.3 薄透镜系统的初级倍率色差 （230）
11.3.4 对几种薄透镜系统的初级倍率
色差的讨论 （231）
11.4 二级光谱 （233）
11.4.1 密接双透镜系统 （233）
11.4.2 密接三薄透镜系统的复消色差 （234）
习题 （236）
第12章 像差综述及计算结果处理 （237）
12.1 概述 （237）
12.2 初级像差系数和光阑位置的关系 （239）
12.3 光阑像差与物面像差的关系 （241）
12.4 初级像差系数与物面位置的关系 （242）
12.5 折射平面和平行平板的初级像差 （243）
12.6 反射光学元件的初级像差 （245）
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 （246）
12.8 对称式系统的像差特性 （249）
12.9 光学系统像差特性曲线 （250）
12.10 像差特性曲线的分析 （253）
12.11 全息术补偿像差 （258）
12.11.1 全息术补偿像差原理 （258）
12.11.2 全息术补偿像差的实例 （260）
习题 （262）
第13章 光学系统的波像差 （263）
13.1 概述 （263）
13.2 轴上点的波像差及其与球差的关系 （263）
13.3 轴外点的波像差及其与垂轴像差的
关系 （267）
13.3.1 轴外点波像差表示式 （267）
13.3.2 轴外点波像差求解 （269）
13.4 波像差的一般表示式 （270）
13.5 参考点移动产生的波像差和焦深 （271）
13.6 色差的波像差表示 （272）
13.6.1 用(D-d)方法计算波色差 （272）
13.6.2 二级光谱 （274）
13.6.3 波色差和初级几何色差的关系 （274）
13.6.4 色球差 （275）
13.7 光学系统的像差容限 （275）
13.7.1 球差的容限公式 （276）
13.7.2 球差以外其他相差的容限公式 （276）
习题 （277）
第三部分 典型光学系统

第14章 眼睛 （279）
14.1 概述 （279）
14.2 眼睛构造和标准眼 （279）
14.2.1 眼睛的构造 （279）
14.2.2 标准眼 （281）
14.3 眼睛的调节和聚散 （282）
14.3.1 眼睛的调节 （282）
14.3.2 眼睛的聚散 （283）
14.4 眼睛的适应 （284）
14.5 眼睛的视角分辨率 （285）
14.6 眼睛像差的表述 （286）
14.6.1 眼睛像差的描述 （286）
14.6.2 极坐标Zernike多项式 （287）
14.7 人眼波前像差测量方法 （289）
14.8 眼睛的缺陷与校正 （291）
14.9 双目立体视觉 （292）
14.9.1 双目视觉特征 （292）
14.9.2 双目空间视觉 （293）
14.10 体视测距原理 （294）
14.10.1 体视测距原理概述 （294）
14.10.2 体视光学系统 （295）
14.11 颜色视觉 （296）
14.11.1 简述颜色的三个基本特征 （296）
14.11.2 色觉现象解释 （296）
14.12 视觉质量的评价 （298）
习题 （299）
第15章 显微和望远光学系统 （301）
15.1 放大镜 （301）
15.1.1 放大镜的放大率 （301）
15.1.2 放大镜的光束限制和视场 （302）
15.2 显微镜系统及其特性 （302）
15.2.1 显微镜的成像原理 （303）
15.2.2 显微镜的机械筒长 （303）
15.2.3 显微镜的孔径光阑 （304）
15.2.4 显微镜的视场光阑和视场 （305）
15.2.5 显微镜的景深 （305）
15.3 显微镜的分辨率和有效放大率 （306）
15.3.1 点源通过透镜的衍射 （306）
15.3.2 光学仪器的分辨率 （307）
15.3.3 显微镜的分辨率 （307）
15.3.4 显微镜的有效放大率 （308）
15.4 显微镜物镜 （308）
15.4.1 显微镜物镜的光学特性 （308）
15.4.2 显微镜物镜的基本类型 （309）
15.5 显微镜的照明系统 （310）
15.5.1 照明方法 （310）
15.5.2 暗视场照明方法 （311）
15.5.3 聚光镜 （312）
15.6 超分辨显微技术 （313）
15.6.1 超衍射极限近场显微术概述 （313）
15.6.2 近场扫描光学显微镜（NSOM） （321）
15.6.3 远场超分辨成像 （326）
15.6.4 远场超高分辨率显微术 （327）
15.7 望远系统 （331）
15.7.1 望远镜的视觉放大率 （331）
15.7.2 望远镜的分辨率及工作放大率 （332）
15.7.3 主观亮度 （332）
15.7.4 望远镜的视场 （334）
15.7.5 望远镜的出瞳距和调焦 （335）
15.8 望远物镜 （337）
15.8.1 折射式望远物镜 （337）
15.8.2 反射式望远物镜 （338）
15.8.3 折反射式望远物镜 （338）
15.9 目镜 （339）
15.9.1 目镜的光学特性 （339）
15.9.2 目镜的像差特性 （340）
15.10 透镜转像系统和场镜 （343）
15.11 望远系统的外形尺寸计算 （344）
15.11.1 由物镜和目镜组成的望远系统 （344）
15.11.2 带有棱镜转像系统的望远系统 （345）
15.11.3 带有透镜转像系统的望远系统 （347）
15.12 3D显示光学系统 （349）
15.12.1 3D显示技术 （349）
15.12.2 3D显示光学系统 （354）
习题 （357）
第16章 摄影及投影光学系统 （359）
16.1 摄影系统的光学特性 （359）
16.1.1 分辨率（解像力） （360）
16.1.2 摄影系统的光谱能量特性 （360）
16.1.3 几何焦深 （362）
16.1.4 景深 （362）
16.2 摄影镜头（镜头） （363）
16.2.1 大孔径镜头 （363）
16.2.2 广角镜头 （366）
16.3 取景和测距系统 （370）
16.3.1 自动调焦的概念 （370）
16.3.2 照相机中的取景、测距、调焦及其
综合系统的结构 （372）
16.4 感光胶片 （374）
16.4.1 感光胶片概述 （374）
16.4.2 感光胶片特性 （376）
16.5 光电传感器 （378）
16.6 放映和投影镜头 （381）
16.6.1 放映和投影镜头的特性 （381）
16.6.2 普通放映镜头 （382）
16.6.3 投影镜头 （384）
16.7 放映和投影系统的照明 （384）
16.8 手机照相光学系统 （386）
16.8.1 手机照相光学系统概述 （386）
16.8.2 两片型非球面手机物镜设计示例 （387）
16.8.3 三片型手机物镜设计 （389）
16.8.4 一款1650万像素手机镜头的
设计 （391）
16.8.5 手机镜头当前的新技术概述 （395）
16.9 太赫兹摄影光学系统 （397）
习题 （399）
第17章 非球面及其在光学系统中的
应用 （400）
17.1 概述 （400）
17.1.1 自由曲面概念 （400）
17.1.2 非球面应用概述 （400）
17.2 非球面曲面方程 （401）
17.2.1 旋转对称的非球面方程 （401）
17.2.2 其他常见非球面方程 （402）
17.2.3 非球面的法线及曲率 （403）
17.3 非球面的初级像差 （403）
17.4 二次圆锥曲面及其衍生高次项曲面 （405）
17.5 施密特校正器的设计 （407）
17.5.1 施密特校正器的基本工作原理及其
近似计算法 （407）
17.5.2 施密特校正器的精确计算法 （408）
17.6 柱面、超环面、离轴曲面及微结构
阵列 （409）
17.7 衍射光学元件及折衍混合光学系统 （411）
17.7.1 概述 （411）
17.7.2 菲涅耳透镜(Fresnel Lens) （412）
17.7.3 达曼光栅(Dammann Ggrating) （413）
17.7.4 混合光学成像系统中的衍射
光学元件 （414）
17.7.5 折衍混合光学系统 （417）
17.8 自由曲面 （419）
17.8.1 自由曲面概述 （419）
17.8.2 自由曲面光学元件 （419）
17.8.3 自由曲面的描述 （420）
17.9 共形自由曲面光学系统 （424）
17.9.1 共形光学系统概念 （424）
17.9.2 瞬间视场和目标视场参量对共形光学
系统像差的描述 （424）
17.9.3 扩展形式的Wassermann-Wolf自由
曲面建立像差评价体系 （425）
习题 （428）
第18章 几种特殊光学系统 （429）
18.1 光电接收器的主要特点 （429）
18.2 光电光学系统 （435）
18.2.1 光电能量转换系统 （435）
18.2.2 聚光透射接收式光电系统 （437）
18.2.3 光电图像转换系统 （439）
18.2.4 光学机械扫描系统 （440）
18.2.5 电视摄像和显像系统 （440）
18.2.6 红外夜视系统 （441）
18.3 光学薄膜选择 （442）
18.3.1 光学薄膜的概念和分类 （442）
18.3.2 光学薄膜的应用和选择 （443）
18.4 梯度折射率光学系统设计 （445）
18.4.1 梯度折射率光学的起源 （445）
18.4.2 不同梯度折射率介质中的
光线方程 （446）
18.4.3 自聚焦透镜及其成像系统 （448）
18.4.4 变折射率介质的应用 （451）
18.4.5 光纤准直器设计示例 （452）
18.5 激光仪器光学系统概述 （455）
18.5.1 激光高斯光束的传输规律 （455）
18.5.2 激光光学系统的选择和计算 （458）
18.5.3 激光光学系统及其应用 （459）
18.6 光纤成像光学系统 （466）
18.6.1 光纤束的特点和参数 （466）
18.6.2 光纤成像系统的光学设计 （468）
18.7 中、远热红外成像基础 （470）
18.7.1 热红外成像基础 （470）
18.7.2 热红外成像光学系统的特点 （471）
18.7.3 红外材料 （477）
18.7.4 系统设计举例 （480）
18.8 紫外(UV)光学系统概述 （480）
18.8.1 概述 （480）
18.8.2 紫外光学材料 （481）
18.8.3 紫外光学系统示例 （483）
18.9 复眼仿生光学系统 （486）
18.9.1 生物复眼 （486）
18.9.2 多孔径光学系统设计 （486）
18.10 自适应光学系统 （499）
18.10.1 自适应光学系统及其分类 （499）
18.10.2 自适应光学系统举例 （500）
习题 （510）
第四部分 光 学 设 计

第19章 以初级像差求取光学系统的
初始结构 （512）
19.1 光学系统的基本像差参量及其规化 （512）
19.1.1 光学系统的基本像差参量 （512）
19.1.2 反向光路计算和正向光路计算的
P和W之间关系 （514）
19.1.3 用P, W, C表示的初级像差系数 （515）
19.2 双胶合透镜组 , 和CI与结构
参数的关系 （515）
19.2.1 双胶合透镜组的基本像差参量 （515）
19.2.2 双胶合透镜组玻璃的选择 （517）
19.3 单薄透镜的 , ,CⅠ和结构
参数的关系 （519）
19.4 用PW方法求解简单物镜的结构 （521）
习题 （529）
第20章 光学系统设计示例 （530）
20.1 中倍平场显微物镜设计 （530）
20.1.1 用PW方法进行中倍平场显微
物镜设计 （530）
20.1.2 对各透镜组PW规范化 （532）
20.2 双高斯型物镜设计 （540）
20.2.1 摄影物镜设计的一般原则 （540）
20.2.2 双高斯型物镜初始结构参数的
确定 （541）
20.2.3 双高斯物镜设计实例 （543）
20.3 变焦距物镜 （553）
20.3.1 变焦距物镜的概况 （553）
20.3.2 二组元机械补偿变焦系统的
高斯光学 （555）
20.3.3 二组元机械补偿变焦距物镜设计 （562）
20.3.4 凸轮曲线计算 （565）
习题 （568）
第21章 系统设计的像质评价 （569）
21.1 概述 （569）
21.2 瑞利判断用于光学系统像质评价 （569）
21.3 中心点亮度 （570）
21.4 分辨率 （571）
21.5 点列图 （571）
21.6 边界曲线 （572）
21.7 光学传递函数 （573）
21.7.1 光学传递函数的基本概念 （573）
21.7.2 光学传递函数的表达式 （576）
21.7.3 光学传递函数在像质评价中的
应用 （579）
习题 （583）
第22章 像差自动平衡 （584）
22.1 概述 （584）
22.2 像差自动平衡评价函数 （584）
22.3 阻尼最小二乘法光学自动设计原理 （587）
22.3.1 阻尼最小二乘法原理 （587）
22.3.2 阻尼最小二乘法 （589）
22.3.3 阻尼最小二乘法的特点 （590）
22.4 光学设计软件及流程 （592）
22.4.1 ZEMAX （592）
22.4.2 CODE V （594）
22.5 像差自动平衡计算实例 （596）
22.5.1 中倍平场显微物镜设计 （596）
22.5.2 双高斯型物镜设计 （597）
22.5.3 变焦距物镜设计 （599）
习题 （602）