光學工程基礎

本書系統而深入地闡述了幾何光學的基本概念、基本原理和規律，並詳細介紹了幾何光學的套用，加深了基礎理論的闡述，同時也加強了基礎理論的套用。書中引入了國外教材中的一些新方法、新原理、新理論、新表述。與傳統內容相比，本書增添了一些新的章節和內容。

本書適用於光學工程、測控技術與儀器及機電類專業大專院校師生和從事相關領域的工程技術人員。

本書是作者30多年來，在清華大學精密儀器與機械學系講授光學課程所積澱經驗的部狼碑宙分小結。全書內容共分9章：光波、光線和成像；近軸光學；理想光學系統；平面反射鏡與反射稜鏡；常用光學系統；光學系統中的光束限制；光學系統的解析度、景深及光能的傳遞；梯度折射率光線光學；變焦距鏡頭的理想光學分析。書中附有218幅插圖，92道習題，分章列有百餘篇參考文獻。

為總結教學改革成果，配合新教學規劃的落實，創出新課程體系的系列教材，清華芝充堡大學精密儀器與機械學系學術委員會組織相關課程的授課教師編寫本科生系列教材。本書是該系列教材中的一本，內容主要涉及光學工程學科中的幾何光學。

全書共分9章。第1章討論幾何光學的基本原理和成像。其中對費馬原理的數學表述作了一個粗淺的說明，主要是為便於套用費馬原理分析問題。本章加入“非均勻介質中的光線微分方程”內容是為了將光線光學導向梯度折射率媒質棕葛。增加“幾何光學中常用的曲面形狀”這一小節有兩個考慮，其一是隨著透鏡加工工藝的發展和透鏡檢測技術的進步，非球面透鏡（反射鏡）在光學系統中的套用已不少見了；其二是想說明近軸光學的原理及方法不僅適用於球面，同樣也適用於非球面。第2章討論近軸光學。沿用Kidger Michael J的做法，根據費馬原理導出了整套近軸光學的理論，用意在於套用費馬原理分析問題。套用矩陣工具處理近軸光學問題，雖然不如光線光路那么直觀，但利用它有便利之處，即光線參量與系統參量是完全分離的，所以對諸如雷射諧振腔穩定性、近軸光線相關性等問題的分析更為簡便。第3章討論理想光學系統。除介紹傳統內容外，增加了一點對於“正切計算法”的再認識，意圖在於利用矩陣光學說明理想光學系統與近軸光學在教學上的相互兼容性。第4章講述平面反射鏡與反射稜鏡，不僅討論了反射稜鏡的成像問題，也討論了稜鏡調整及稜鏡的製造宙簽台組誤差計算等基礎理論問題，其目的是想儘可能多地反映反射稜鏡的研究全貌。第5章在討論常用的放大鏡、顯微鏡和望遠鏡等光學系統時，引出一些小問題讓讀者思考，為以後幾何光學與光學設計的再學習做一點鋪墊。第6章講述光學系統中的光束限制，簡述了光闌的定義和功能以及一些要注意的問題後，轉入具體光學系統中的光闌分析，其目的在於簡化繁瑣的光闌理論，使討論更加切合實際。將光學系統的解析度、景深及光能的傳遞等問題都放在第7章中，一是為了節省篇幅，二是因為它們與光學系統的孔徑大小有關。第8章討論梯度折射率光線光學。梯度折射率介質是一種很有套用前景的介質，研究在其中行走光線的規律，並熟悉研究方法是學習光學工程的學生不可缺少的。最後一章在討論變焦距鏡頭的理想光學分析時，努力將理想光學系統的知識套用於此，並努力理出一個清晰的解題思路，分清什麼是未知的，什麼又必須是已知的，相互之間還有一些什麼制約。同時給出幾個具體的設計實例和分析計算過程，方便讀者分析參考譽她射糠。

以上羅列了編寫這本教材的一些考慮，受限於作者本人的學識，不一定正確。另外從動筆到完稿，時間比較緊促，如有不妥之處，請讀者指正，在此先表謝意。

書中插圖，由楊利峰、肖曉晟、傅建曦繪製，在此表示感謝。

1光波、光線和成像

1.1引言

1.2透鏡對波面和光線的作用與透鏡成像

1.3費馬原理

1.4非均勻介質中的光線微分方程

1.5幾何光學中常用的曲面形狀

習題

參考文獻

2近軸光學

2.1近軸範圍和近軸光線

2.2單擊臘料個近軸球面的性質

2.3單個近軸球面成像的放大率

2.4近軸球面系統中的近軸光線追跡

2.5近軸矩陣光學

習題

參考文獻

3理想光學系統

3.1理想光學系統與共線成像理論

3.2理想光學系統的基點與基面

3.3理想光學系拒笑盼統的物像關係

3.4理想光學系統的放大率

3.5理想光學系統的組合

3.6透鏡

習題

參考文獻

4平面反射鏡與反射稜鏡

4.1平面反射鏡

4.2反射稜鏡

4.3反射稜鏡轉動引起的光軸方向和成像方向變化的分析和計算

4.4反射稜鏡作用矩陣的特徵值與特徵方向

4.5從稜鏡成像到稜鏡轉動定理

4.6反射稜鏡的幾何誤差

習題

參考文獻

5常用光學系統

5.1簡眼

5.2放大鏡

5.3顯微鏡的工作原理

5.4望遠鏡的工作原理

習題

參考文獻

6光學系統中的光束限制

6.1光闌

6.2照相系統和光闌

6.3望遠系統中成像光束的選擇

6.4顯微鏡系統中的光束限制與分析

習題

參考文獻

7光學系統的解析度、景深及光能的傳遞

7.1光學系統的解析度

7.2圓孔的夫琅禾費衍射和艾里斑

7.3衍射解析度與瑞利判據

7.4人眼的解析度

7.5望遠鏡系統的解析度

7.6顯微鏡系統的解析度

7.7照相物鏡的理論解析度

7.8光學系統的景深

7.9數位照相機鏡頭的景深

7.10顯微鏡系統的景深

7.11光度學中的物理量

習題

參考文獻

8梯度折射率光線光學

8.1引言

8.2自然界的梯度折射率介質

8.3徑向梯度介質中的光線方程

8.4自聚焦透鏡及其成像

8.5自聚焦透鏡成像的矩陣表述

習題

參考文獻

9變焦距鏡頭的理想光學分析

9.1變焦距鏡頭概述

9.2兩組元機械補償法變焦系統的光學運動分析

9.3兩組元機械補償法變焦系統理想光學分析的計算步驟及實例

9.4光學補償法變焦系統理想光學分析實例

習題

參考文獻

光學工程基礎

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