本書將基礎性光學原理用于光學系統設計和像差平衡，定位于闡述光學設備的光學系統總體設計原理與光學鏡頭設計基礎。本書分為幾何光學、像差理論、典型光學系統和光學系統設計四部分，各部分均反映了光學與光電子學的進展和光學系統設計的新發展。其中，幾何光學和像差理論詳細講述了光學系統設計基本理論；典型光學系統包括眼睛，顯微和望遠光學系統，攝影及投影光學系統，自由曲面及其在光學系統中的應用，以及特殊光學系統，包含了當前最新的光學系統，例如全息術補償像差、3D打印光學系統、3D顯示光學系統、太赫茲光學系統、折衍混合光學系統、共形自由曲面光學系統、復眼仿生光學系統和自適應光學系統等；光學設計部分包括光學系統初始結構求解、像質評價和像差平衡，并輔以光學設計實例。 本書可作為高等學校光電類相關專業的教材或教學參考書，也可供從事光學設計和光學儀器設計工作的科技人員參考。
張以謨，天津大學精密儀器與光電子工程學院 教授，博導。主要從事應用光學方面的教學科研等工作，主編了《應用光學》等教材。
目 錄
第一部分 幾 何 光 學
第1章 幾何光學的基本定律和成像的
概念 （1）
1.1 幾何光學的基本概念 （1）
1.2 幾何光學的基本定律 （3）
1.3 費馬原理及其應用 （8）
1.4 馬呂斯定律 （10）
1.5 成像的概念 （10）
習題 （12）
第2章 球面和共軸球面系統 （14）
2.1 光線經過單個折射球面的折射 （14）
2.2 單個折射球面的成像倍率、拉赫
不變量 （16）
2.3 共軸球面系統 （18）
2.4 球面反射鏡 （20）
習題 （21）
第3章 理想光學系統 （23）
3.1 理想光學系統和共線成像 （23）
3.2 理想光學系統的焦點與焦平面、主點
與主平面、焦距、節點 （23）
3.3 理想光學系統的物像關系 （26）
3.4 理想光學系統的放大率 （30）
3.5 多個光組的組合 （34）
3.6 透鏡 （36）
3.7 實際光學系統焦點位置和焦距的
計算 （38）
3.8 幾種典型系統的理想光學系統性質 （40）
3.8.1 望遠鏡系統 （40）
3.8.2 顯微鏡系統 （41）
3.8.3 照相物鏡系統 （42）
習題 （43）
第4章 平面鏡和平面系統 （44）
4.1 平面鏡成像 （44）
4.2 雙平面鏡系統 （46）
4.3 反射棱鏡 （49）
4.3.1 反射棱鏡的類型 （49）
4.3.2 屋脊棱鏡 （50）
4.3.3 三面直角棱鏡（立方角錐棱鏡） （51）
4.3.4 棱鏡的組合 （52）
4.3.5 棱鏡的展開及結構參數K （52）
4.4 折射棱鏡 （54）
4.4.1 折射棱鏡的最小偏角 （55）
4.4.2 折射棱鏡的色散 （55）
4.5 光楔 （56）
4.6 光學材料 （57）
4.6.1 透明光學材料（透射材料） （57）
4.6.2 玻璃的選擇 （59）
4.6.3 塑料光學材料 （59）
4.6.4 反射光學材料 （59）
習題 （60）
第5章 光學系統中的光闌 （61）
5.1 光闌在光學系統中的作用 （61）
5.2 光學系統的孔徑光闌、入射光瞳和
出射光瞳 （62）
5.3 視場光闌 （65）
5.4 漸暈光闌 （66）
5.4.1 軸外點發出光束的漸暈 （66）
5.4.2 消除漸暈的條件 （67）
5.4.3 漸暈系數 （68）
5.5 光學系統的景深 （68）
5.5.1 光學系統的空間像 （68）
5.5.2 光學系統的景深 （70）
5.6 遠心光路 （72）
5.7 消雜光光闌 （73）
習題 （74）
第6章 光能及其計算 （76）
6.1 光通量 （76）
6.2 發光強度 （77）
6.3 光照度和光出射度 （80）
6.4 光亮度 （81）
6.5 光通量和光亮度在光學系統中的傳遞、
像面光照度 （83）
6.6 光學系統中光能損失的計算 （87）
習題 （89）
第7章 顏色 （90）
7.1 概述 （90）
7.2 顏色的特征和分類 （90）
7.3 色光混合與格拉斯曼定律 （90）
7.4 顏色的匹配 （91）
7.5 色度學基礎 （92）
7.6 CIE標準色度學系統 （94）
7.6.1 1931CIE—RGB系統 （94）
7.6.2 1931CIE—XYZ系統 （94）
7.6.3 1931CIE—XYZ色品圖 （95）
7.6.4 表示顏色特征的兩個量——主波長
和顏色純度 （96）
7.7 光源 （97）
7.7.1 表示光源顏色特性的兩個參量 （97）
7.7.2 CIE標準照明體和標準光源 （98）
7.8 中國顏色體系 （99）
習題 （100）
第二部分 像 差 理 論
第8章 光線的光路計算 （102）
8.1 概述 （102）
8.2 子午面內的光線光路計算 （102）
8.3 軸外點細光束的光路計算 （107）
8.4 空間光線的光路計算 （110）
8.4.1 通過球面的空間光線的光路
計算（矢量計算公式） （110）
8.4.2 二次曲面的空間光線的光路
計算（矢量計算公式） （112）
8.4.3 細光束子午焦點和弧矢焦點
位置的計算 （114）
8.4.4 高次非球面空間光線計算
（矢量計算公式） （114）
8.4.5 空間光線初始數據的確定和
終結公式 （116）
習題 （118）
第9章 光學系統的像差 （119）
9.1 軸上點球差 （119）
9.1.1 球差的定義及其計算 （119）
9.1.2 光學系統的球差分布公式 （120）
9.1.3 單個折射球面的球差分布系數、
不暈點 （122）
9.2 彗差 （123）
9.2.1 彗差及其計算 （123）
9.2.2 光學系統結構形式對彗差的影響 （125）
9.2.3 弧矢彗差 （126）
9.3 像散和像面彎曲 （127）
9.3.1 像散（像散差） （127）
9.3.2 場曲（像面彎曲） （129）
9.3.3 寬光束的像散和場曲 （130）
9.4 畸變 （131）
9.5 正弦差 （132）
9.6 位置色差 （137）
9.7 倍率色差 （139）
9.8 像差的級數展開 （140）
9.9 像差分布公式 （144）
習題 （148）
第10章 初級單色像差及初級色差 （149）
10.1 初級單色像差的一般表示式 （149）
10.1.1 軸向像差 （149）
10.1.2 初級垂軸像差的一般表示式 （151）
10.1.3 空間光線通過光學系統的像差的
一般表示式 （153）
10.2 五種初級像差 （154）
10.3 具有初級像差的光束結構 （156）
10.4 賽得和數的表示形式 （160）
10.4.1 阿貝不變量表示的賽得和數 （160）
10.4.2 PW形式的賽得和數 （160）
10.4.3 薄透鏡系統初級像差的PW
表示式 （161）
10.4.4 單個薄透鏡的P和W （163）
10.4.5 密接雙薄透鏡系統的初級像差 （165）
10.5 消像差譜線選擇 （168）
10.6 初級色差 （169）
10.7 薄透鏡系統的初級色差 （172）
10.7.1 薄透鏡系統的初級位置色差 （172）
10.7.2 由消色差要求決定光學系統中各
透鏡的光焦度分配 （173）
10.7.3 薄透鏡系統的初級倍率色差 （176）
10.7.4 對幾種薄透鏡系統的初級倍率
色差的討論 （176）
10.8 二級光譜 （178）
10.8.1 密接雙透鏡系統 （178）
10.8.2 密接三薄透鏡系統的復消色差 （180）
習題 （182）
第11章 像差綜述、計算結果處理及
波像差分析 （183）
11.1 概述 （183）
11.2 初級像差系數和光闌位置的關系 （183）
11.3 光闌像差與物面像差的關系 （185）
11.4 反射光學元件的初級像差 （187）
11.5 一些典型折射光學元件的初級
像差分析 （188）
11.6 對稱式系統的像差特性 （190）
11.7 光學系統像差特性曲線 （191）
11.8 像差特性曲線的分析 （194）
11.9 波像差概述 （198）
11.10 軸上點的波像差及其與球差的關系 （199）
11.11 軸外點的波像差及其與垂軸像差的
關系 （201）
11.11.1 軸外點波像差表示式 （201）
11.11.2 軸外點波像差求解 （202）
11.12 波像差的一般表示式 （203）
11.13 參考點移動產生的波像差和
焦深 （204）
11.14 色差的波像差表示 （205）
11.14.1 用(D-d)方法計算波色差 （205）
11.14.2 二級光譜的波像差計算 （207）
11.14.3 波色差和初級幾何色差的關系 （207）
11.14.4 色球差 （207）
習題 （208）
第三部分 典型光學系統
第12章 眼睛 （210）
12.1 概述 （210）
12.2 眼睛構造和標準眼 （210）
12.2.1 眼睛的構造 （210）
12.2.2 標準眼 （211）
12.3 眼睛的調節和聚散 （211）
12.3.1 眼睛的調節 （211）
12.3.2 眼睛的聚散 （212）
12.4 眼睛的適應 （212）
12.5 眼睛的視角分辨率 （212）
12.6 眼睛的缺陷與校正 （213）
12.7 雙目立體視覺 （214）
12.7.1 雙目視覺特征 （214）
12.7.2 雙目空間視覺 （215）
12.8 體視測距原理 （216）
12.8.1 體視測距原理概述 （216）
12.8.2 體視光學系統 （217）
12.9 顏色視覺 （217）
習題 （218）
第13章 顯微和望遠光學系統 （219）
13.1 放大鏡 （219）
13.1.1 放大鏡的放大率 （219）
13.1.2 放大鏡的光束限制和視場 （220）
13.2 顯微鏡系統及其特性 （220）
13.2.1 顯微鏡的成像原理 （220）
13.2.2 顯微鏡的機械筒長 （221）
13.2.3 顯微鏡的視場光闌和視場 （222）
13.2.4 顯微鏡的景深 （222）
13.3 顯微鏡的分辨率和有效放大率 （222）
13.3.1 點源通過透鏡的衍射 （222）
13.3.2 光學儀器的分辨率 （223）
13.3.3 顯微鏡的分辨率 （223）
13.3.4 顯微鏡的有效放大率 （224）
13.4 顯微鏡物鏡 （224）
13.4.1 顯微鏡物鏡的光學特性 （224）
13.4.2 顯微鏡物鏡的基本類型 （225）
13.5 顯微鏡的照明系統 （226）
13.5.1 照明方法 （226）
13.5.2 暗視場照明方法 （227）
13.5.3 聚光鏡 （228）
13.6 望遠系統 （229）
13.6.1 望遠鏡的視覺放大率 （229）
13.6.2 望遠鏡的分辨率及工作放大率 （229）
13.6.3 主觀亮度 （230）
13.6.4 望遠鏡的視場 （232）
13.6.5 望遠鏡的出瞳距和調焦 （233）
13.7 望遠物鏡 （235）
13.7.1 折射式望遠物鏡 （235）
13.7.2 反射式望遠物鏡 （236）
13.7.3 折反射式望遠物鏡 （236）
13.8 目鏡 （237）
13.8.1 目鏡的光學特性 （237）
13.8.2 目鏡的像差特性 （238）
13.9 透鏡轉像系統和場鏡 （240）
13.10 望遠系統的外形尺寸計算 （241）
13.10.1 由物鏡和目鏡組成的望遠系統 （241）
13.10.2 帶有棱鏡轉像系統的望遠系統 （242）
13.10.3 帶有透鏡轉像系統的望遠系統 （243）
習題 （245）
第14章 攝影及投影光學系統 （246）
14.1 攝影系統的光學特性 （246）
14.1.1 分辨率（解像力） （247）
14.1.2 攝影系統的光譜能量特性 （247）
14.1.3 幾何焦深 （249）
14.1.4 景深 （249）
14.2 攝影鏡頭(鏡頭) （250）
14.2.1 大孔徑鏡頭 （250）
14.2.2 廣角鏡頭 （252）
14.3 取景和測距系統 （256）
14.3.1 自動調焦的概念 （257）
14.3.2 照相機中的取景、測距、調焦
及其綜合系統的結構 （258）
14.4 感光膠片 （259）
14.4.1 感光膠片概述 （259）
14.4.2 感光膠片特性 （260）
14.5 光電傳感器 （261）
14.6 放映和投影鏡頭 （264）
14.6.1 放映和投影鏡頭的特性 （264）
14.6.2 普通放映鏡頭 （265）
14.6.3 投影鏡頭 （266）
14.7 放映和投影系統的照明 （267）
習題 （268）
第15章 非球面及其在光學系統中的
應用 （270）
15.1 概述 （270）
15.1.1 自由曲面概念 （270）
15.1.2 非球面應用概述 （270）
15.2 非球面曲面方程 （271）
15.2.1 旋轉對稱的非球面方程 （271）
15.2.2 其他常見非球面方程 （272）
15.2.3 非球面的法線及曲率 （273）
15.3 二次圓錐曲面及其衍生高次項曲面 （274）
15.4 施密特校正器的設計 （276）
15.4.1 施密特校正器的基本工作原理
及其近似計算法 （276）
15.4.2 施密特校正器的精確計算法 （278）
15.5 衍射光學元件及折衍混合光學系統 （279）
15.5.1 概述 （279）
15.5.2 菲涅耳透鏡 （280）
15.5.3 達曼光柵 （281）
習題 （282）
第四部分 光 學 設 計
第16章 以初級像差求取光學系統的
初始結構 （283）
16.1 光學系統的基本像差參量及其規化 （283）
16.1.1 光學系統的基本像差參量 （283）
16.1.2 反向光路計算和正向光路計算的
P和W之間關系 （286）
16.1.3 用P, W, C表示的初級像差系數 （286）
16.2 雙膠合透鏡組 , 和CⅠ與結構
參數的關系 （287）
16.2.1 雙膠合透鏡組的基本像差參量 （287）
16.2.2 雙膠合透鏡組玻璃的選擇 （289）
16.3 單薄透鏡的 和結構參數的
關系 （290）
16.4 用PW方法求解簡單物鏡的結構 （291）
習題 （300）
第17章 光學系統設計示例 （301）
17.1 中倍平場顯微物鏡設計 （301）
17.1.1 用PW方法進行中倍平場顯微
物鏡設計 （301）
17.1.2 對各透鏡組PW規范化 （303）
17.2 雙高斯型物鏡設計 （312）
17.2.1 攝影物鏡設計的一般原則 （312）
17.2.2 雙高斯型物鏡初始結構參數的
確定 （313）
17.2.3 雙高斯物鏡設計實例 （316）
習題 （323）
第18章 光學系統像質評價及像差
自動平衡 （324）
18.1 光學系統設計像質評價的概述 （324）
18.2 瑞利判斷用于光學系統像質評價 （324）
18.3 中心點亮度 （324）
18.4 分辨率 （325）
18.5 點列圖 （326）
18.6 邊界曲線 （326）
18.7 光學傳遞函數 （328）
18.7.1 光學傳遞函數的基本概念 （328）
18.7.2 光學傳遞函數的表達式 （331）
18.7.3 光學傳遞函數在像質評價中的
應用 （334）
18.8 像差自動平衡概述 （336）
18.9 像差自動平衡評價函數 （336）
18.10 阻尼最小二乘法光學自動設計原理 （339）
18.10.1 阻尼最小二乘法原理 （340）
18.10.2 阻尼最小二乘法 （341）
18.10.3 阻尼最小二乘法的特點 （342）
18.11 光學設計軟件及流程 （345）
18.11.1 ZEMAX光學設計軟件 （345）
18.11.2 CODE V （347）
18.12 像差自動平衡計算實例 （348）
18.12.1 中倍平場顯微物鏡設計 （348）
習題 （350）
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