工程光學(第4版)（簡體書）

1999年，《工程光學》（第1版）正式出版。16年來，相繼出版了第2版、第3版，眾多學子已從學生時代成為社會中堅。今天，第4版以嶄新面貌，迎來《工程光學》的17歲生日。

第4版得益於移動互聯網新技術，使傳統紙質書具有了網絡支持功能。請大家按照以下步驟，通過手機等移動端設備獲得本書的圖片動畫演示、重要知識點講解等數字化學習資源。

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感謝天津大學的謝洪波老師，制作了本書上篇相關章節的圖形動畫，感謝天津大學的蔡懷宇老師為本書配套了教師授課課件。

機械工業出版社 第4版前言《工程光學(第4版)》是“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。根據高等教育國家級規劃教材的編寫要求，以及改進教學方法、更新教學內容、突出現代光學技術發展和應用的指導思想，在《工程光學(第3版)》的基礎上修訂而成。

《工程光學(第4版)》修訂的主要思路仍然是堅持既注重基本理論和概念的論述，又注重光學理論與工程實際的結合，並強調現代光學技術的發展和應用。

本書修訂後仍分上、下兩篇，上篇為幾何光學與光學設計，下篇為物理光學。

上篇主要修改內容為：在第三章光學材料一節中，增加了光學塑料和光學晶體材料的特性介紹。在第五章中增加了第十一節顏色測量。在第七章第七節投影系統，增加了數字光學投影系統，即基於DMD的投影光學系統和DMD空間光調制器的相關內容。在第八章第一節激光光學系統，增加了高斯光束的整形以及LD光束特性及其整形的內容，在第五節紅外光學系統一節中，增加了主動式和被動式紅外光學掃描系統的結構實例。在第十章中，刪除了HeNe激光光束聚焦物鏡優化設計內容，增加了第十節三片數碼相機物鏡優化設計實例和第十一節雙高斯物鏡優化設計實例。

下篇主要修改內容為：除對相關章節的文字描述做適當的修改和補充外，在第十二章光的幹涉和幹涉系統一章中，補充了白光幹涉的實際應用例子。在第十三章光的衍射一章中，增加了二元光學的應用實例。在第十五章光的偏振和晶體光學基礎一章中，引入了近年來由於激光技術發展而備受關注的徑向偏振光的概念。

本書由天津大學鬱道銀(上篇)和浙江大學談恒英(下篇)主編，上海理工大學莊松林院士(上篇)和廣州大學梁銓廷教授(下篇)主審。參加編寫的有天津大學鬱道銀、謝洪波(第八、九章)，田學飛、葛寶臻(第五章)，清華大學毛文煒(第二、四章、第十章七至十二節)，武漢大學何平安(第一、三章、第十章一至六節)，長春理工大學王文生(第六、七章)，浙江大學談恒英(第十一、十五章)，清華大學何慶聲、孫立群(第十三、十四章、附錄)，上海理工大學曹俊卿(第十二章)，南京理工大學趙琦(第十六、十七章)。此外，天津大學的汪毅等為本書的文字整理及校對工作付出了許多辛勞，在此一並感謝。

本書可作為高等學校光電信息科學與工程類、儀器儀表類及其相近專業的教材，亦可作為物理和光學類專業的選修課教材或參考書，也是從事光電信息科學與技術、儀器科學與技術等相關領域工作的工程技術人員的參考書。

書中的不足之處望廣大讀者指正。

編者2015年11月第3版前言《工程光學（第3版）》是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，是根據高等教育規劃教材的編寫要求，以及更新教材內容、反映現代科技發展和應用的原則，在普通高等教育“十五”國家級規劃教材《工程光學（第2版）》的基礎上重新修訂而成的。

本次修訂的指導思想仍然是堅持注重基本理論的論述，加強理論與工程實際的結合，突出現代光學與光學技術的發展。

本書修訂後仍分為上、下兩篇，上篇為幾何光學與光學設計，下篇為物理光學。

上篇主要修改內容為：在現代光學系統一章，將階躍型光纖與梯度折射率光纖合並為一節，並省略了梯度折射率光纖中的部分指導公式；增加了第五節紅外光學系統和第六節特殊面型及特殊結構光學系統；在紅外光學系統一節中，主要介紹紅外光學材料、紅外光學系統的結構形式以及紅外光學系統的冷闌效率與無熱化設計；在特殊面型及特殊結構光學系統一節，主要介紹自由曲面光學系統、折/衍混合光學系統、離軸反射式光學系統以及自適應光學系統等。在光學系統的像質評價一章，增加了近年來光學設計軟件中出現的新成像質量評價方法，如方均根統計評價方法、光程差曲線與光線差曲線、照度分析與光譜分析等。在光學設計一章，增加了光學系統的像差校正方法一節，主要介紹各種手工校正像差的方法，使讀者對像差理論有更進一步的理解；將第八節更改為-5×顯微物鏡的優化設計，與第五節的-5×顯微物鏡初始結構設計相呼應，使讀者全面了解一個顯微物鏡設計的全過程；此外，還增加了非球面鏡頭優化設計一節，介紹非球面成像的基本概念與兩種非球面物鏡的優化設計實例。

下篇主要修改內容為：在光的電磁理論基礎一章，對波函數的復數表示、復振幅、波的疊加原理等內容作了補充描述與討論，對光的吸收、色散和散射現象做了補充描述。在光的幹涉和幹涉系統一章，以復數形式的矢量波疊加對光波幹涉條件進行了分析，補充了白光幹涉及其應用的內容，增加了現代幹涉技術及系統一節。在光的衍射一章，側重於從波動光學的角度討論光波場的衍射分布。在傅裡葉光學一章，增加了復雜光波的復振幅分布與分解和光波衍射的傅裡葉分析方法兩節，以便加深對傅裡葉分析方法處理光學問題的理解。在光的偏振和晶體光學基礎一章，增加了若幹偏振器件的介紹，並補充了液晶的雙折射特性和各種電光效應特性的描述。

本書由天津大學鬱道銀（上篇）和浙江大學談恒英（下篇）主編，上海理工大學莊松林院士（上篇）和廣州大學梁銓廷教授（下篇）主審。參加編寫的有天津大學鬱道銀、謝洪波（第八、九章），田學飛（第五章），清華大學毛文煒（第二、四章、第十章七至十一節），武漢大學何平安（第一、三章、第十章一至六節），長春理工大學王文生（第六、七章），浙江大學談恒英（第十一、十五章），清華大學何慶聲、孫立群（第十三、十四章、附錄），上海理工大學曹俊卿（第十二章），南京理工大學趙琦（第十六、十七章）。此外，天津大學的陳曉冬，汪毅和雷湧等為本書的文字整理及校對工作付出了許多辛勞，在此一並感謝。

本書可作為高等學校光電信息科學與工程類、儀器儀表類及其相近專業的教材，亦可作為物理和光學類專業的選修課教材或參考書，也是從事光電信息科學與技術、儀器科學與技術等相關領域工作的工程技術人員的參考書。

書中的不足之處望廣大讀者指正。

編者2011年6月第3版前言工程光學第4版Ⅵ第2版前言《工程光學第2版》是“十五”國家級規劃教材。為適應21世紀高等學校教學改革需要，使工程光學的教學內容和課程體系更適用於儀器儀表類及其相近專業的教學要求，對《工程光學第1版》進行了重新編寫與修訂。

重新編寫與修訂的指導思想仍然是既注重論述光學的基本原理，又更加緊密聯系工程實際，並努力反映現代光學的發展和應用。

本書修訂後仍分為上、下兩篇，上篇為幾何光學與光學設計，下篇為物理光學。

上篇在光學系統中的光束限制一章，單獨介紹了光闌、出、入瞳和出、入窗的概念；在像差理論一章，補充了相關的像差特征曲線及其分析內容；在典型光學系統一章增加了變焦距光學系統的高斯光學成像原理；在像質評價一章，增加了現代光學設計軟件中各種像質評價方法；上篇增加了第十章光學設計，主要介紹光學鏡頭的初始結構參數求解方法(PW法)和光學鏡頭的優化設計方法，並列舉了多種光學鏡頭的優化設計過程。

下篇在光的電磁理論基礎一章，補充了光傳播時光的吸收、色散和散射的內容；在光的偏振和晶體光學基礎一章，增加了液晶的內容；導波光學基礎一章的敘述將更為簡明易懂；下篇刪去了光的量子性和激光基礎一章，新增作為光子技術理論基礎的光子學基礎一章，主要介紹電磁場的量子化和光子特性，並指出光子學的廣泛應用前景。下篇還增加了近場光學、二元光學、光調制、光存儲、光子通信、光子晶體和激光器等相關內容。

本書由天津大學鬱道銀(上篇)和浙江大學談恒英(下篇)主編，上海理工大學莊松林院士(上篇)和廣州大學梁銓廷教授(下篇)主審。參加編寫的有天津大學鬱道銀、謝洪波(第八、九章) ，田學飛(第五章) ，清華大學毛文煒（第二、四章、第十章6～10節），武漢大學何平安(第一、三章、第十章1～5節)，長春理工大學王文生(第六、七章)，浙江大學談恒英(第十一、十五章)，清華大學何慶生(第十三、十四章、附錄)，上海理工大學曹俊卿(第十二章)，南京理工大學趙琦(第十六、十七章)。此外天津大學張以謨教授審閱了上篇的修改內容，並提出了許多寶貴意見，葛寶臻、陳曉冬為本書的校對及文字工作付出辛勞，在此一並致謝。

本書可作為高等學校儀器儀表類、光電信息科學與工程及其相近專業的教材，亦可作為物理和光學專業的選修教材或參考書，也是從事光電信息技術科學、儀器科學與技術等工程技術人員的參考書。

希望廣大讀者對書中的不足給予指正。

編者2005年10月第1版前言本書是根據國家教育部確定的國家級重點教材和原機械部確定的部級重點教材精神，並根據拓寬專業口徑的原則而編寫的。

本教材充分體現了高等學校教學改革對教學內容和課程體系改革的需要，在注重論述光學基本原理的同時，緊密結合工程實際，列舉了大量的實際應用例子，有利於讀者較全面地掌握光學基本理論和實際應用。在內容安排上，既包含有傳統的光學理論和光學系統，又涉及現代光學的發展及其應用，努力反映光學的現代面貌。為了配合教學改革的要求，本教材擬配備多媒體教學光盤，以達到更新教學手段，增加課堂信息量，提高教學質量的目的。

本教材分為上、下兩篇，上篇為幾何光學與成像理論，下篇為物理光學。

上篇共分九章，系統地介紹了幾何光學的基本定律與成像理論、理想光學系統的光學參數與成像特性、平面與平面鏡成像系統、光學系統中的成像光束限制、光度學和色度學的基本原理、光學系統的光線光路計算和像差基本理論、典型光學系統和現代光學系統的成像特性和設計要求、光學系統的像質評價和像差公差。與以往教材不同的是增加了現代光學系統原理一章，簡要地介紹了激光光學系統、傅裡葉變換光學系統、掃描光學系統、階躍型光纖光學系統、梯度折射率光纖光學系統和光電光學系統的光學成像特性及其應用。這些新型的光學系統與經典光學系統相比，其光學成像特性與設計要求等方面均有較大差異，且近年來在光電儀器和光電系統中經常應用。

下篇共分七章，詳細地闡述了光的電磁性質、光在各向同性介質界面上的傳播規律和光波的疊加與分析、光波的幹涉和典型幹涉裝置與應用、光波的衍射和傅裡葉光學的基本原理、光的偏振及其在晶體中的傳播、光的量子性和激光、光纖和導波光學。除了傳統內容之外，進一步充實了傅裡葉光學、全息術、光學信息處理、光學傳遞函數和晶體光學的內容。考慮到現代光學的發展及其應用，增加了二元光學、光調制、半導體激光、導波光學和光子學方面的基本概念。

本書由天津大學鬱道銀(上篇)和浙江大學談恒英(下篇)主編，上海理工大學莊松林院士(上篇)和廣州師範學院梁銓廷教授(下篇)主審。參加編寫的有天津大學鬱道銀(八、九章)、田學飛(五章)，清華大學毛文煒(二、四章)，武漢測繪科學大學何平安(一、三章)，長春光機學院王文生(六、七章)，浙江大學談恒英(十、十四章)，清華大學何慶聲(十二、十三章、附錄)，上海理工大學曹俊卿(十一章)，南京理工大學趙琦(十五、十六章)。本書上篇由鬱道銀定稿，下篇由談恒英定稿。此外，天津大學的張以謨教授、胡鴻章教授審閱了本書，並提出了許多寶貴意見，毛義和於為為本書的繪圖及校對工作付出了辛勞，在此一並致謝。

本書可作為高等學校儀器儀表類、測控技術及儀器、光電信息工程和其他相近專業的教材，亦可作為物理和光學專業的選修課教材或參考書，也是從事光學和光電技術、儀器儀表技術和精密計量及檢測技術的工程技術人員的參考書。

由於作者水平有限，衷心希望廣大讀者對書中的不足之處給予批評指正。

編者1998年11月

新版網絡支持功能介紹

第4版前言

第3版前言

第2版前言

第1版前言

上篇幾何光學與光學設計第一章幾何光學基本定律與成像

概念1

第一節幾何光學的基本定律和原理1

一、光波與光線1

二、幾何光學的基本定律2

三、費馬原理5

四、馬呂斯定律6

第二節成像的基本概念與完善成像

條件6

一、光學系統與成像概念6

二、完善成像條件6

三、物、像的虛實7

第三節光路計算與近軸光學系統7

一、基本概念與符號規則7

二、實際光線的光路計算8

三、近軸光線的光路計算9

第四節球面光學成像系統10

一、單個折射面成像10

二、球面反射鏡成像11

三、共軸球面系統12

習題14

第二章理想光學系統16

第一節理想光學系統與共線成像

理論16

第二節理想光學系統的基點與基面18

一、無限遠的軸上物點對應的像點F′18

二、無限遠軸上像點對應的物點F19

三、物方主平面與像方主平面間的關係，

理想光學系統的基點和基面19

四、實際光學系統的基點位置和焦

距的計算20

第三節理想光學系統的物像關係21

一、圖解法求像21

二、解析法求像22

三、由多個光組組成的理想光學系

統的成像24

四、理想光學系統兩焦距之間的

關係25

第四節理想光學系統的放大率26

一、軸向放大率26

二、角放大率27

三、光學系統的節點27

四、用平行光管測定焦距的依據28

第五節理想光學系統的組合28

一、兩個光組組合分析29

二、多光組組合計算31

三、舉例32

第六節透鏡35

習題37

第三章平面與平面系統39

第一節平面鏡成像39

一、平面鏡成像原理39

二、平面鏡旋轉特性40

三、雙平面鏡成像40

第二節平行平板41

一、平行平板的成像特性42

二、平行平板的等效光學系統42

第三節反射棱鏡43

一、反射棱鏡的類型43

二、棱鏡系統的成像方向判斷47

三、反射棱鏡的等效作用與展開48

第四節折射棱鏡與光楔50

一、折射棱鏡的偏向角50

二、光楔及其應用52

三、棱鏡色散52

第五節光學材料53

一、透射材料的光學特性53

二、反射光學材料的光學特性56

習題56

Ⅹ工程光學第4版目錄

Ⅺ第四章光學系統中的光闌與

光束限制59

第一節光闌59

一、孔徑光闌59

二、視場光闌62

第二節照相系統中的光闌62

第三節望遠鏡系統中成像光束的

選擇64

第四節顯微鏡系統中的光束限制

與分析66

一、簡單顯微鏡系統中的光束限制66

二、遠心光路67

三、場鏡的應用67

第五節光學系統的景深68

一、光學系統的空間像68

二、光學系統的景深69

第六節數碼照相機鏡頭的景深73

習題74

第五章光度學和色度學基礎77

第一節輻射量和光學量及其單位77

一、輻射量77

二、光學量78

三、光學量和輻射量間的關係79

第二節光傳播過程中光學量的變化

規律80

一、點光源在與之距離為r處的表面上

形成的照度80

二、面光源在與之距離為r處的表面上

形成的照度81

三、單一介質元光管內光亮度的

傳遞81

四、光束經界面反射和折射後的

亮度81

五、餘弦輻射體83

第三節成像系統像面的光照度84

一、軸上像點的光照度84

二、軸外像點的光照度84

三、光通過光學系統時的能量損失85

四、光學系統的總透射比87

第四節顏色的分類及顏色的表觀特征87

一、顏色及其分類87

二、顏色的表觀特征87

第五節顏色混合及格拉斯曼顏色混合

定律88

一、顏色混合88

二、格拉斯曼顏色混合定律88

第六節顏色匹配89

一、顏色匹配和顏色匹配實驗89

二、顏色方程式90

三、顏色匹配實驗的結論90

第七節色度學中的幾個概念90

一、顏色刺激90

二、三原色90

三、三刺激值90

四、光譜三刺激值或顏色匹配函數91

五、色品坐標及色品圖91

六、色度學中常用的光度學概念91

第八節顏色相加原理及光源色和物體

色的三刺激值93

一、顏色相加原理93

二、光源色和物體色的三刺激值93

第九節CIE標準色度學系統94

一、 CIE1931標準色度學系統94

二、 CIE1964補充標準色度學系統100

三、 CIE標準照明體和標準光源101

四、 CIE關於照明和觀察條件的規定102

五、 CIE色度學系統表示顏色的方法102

第十節均勻顏色空間及色差公式103

一、（x,y,Y）顏色空間是非均勻

顏色空間103

二、均勻顏色空間及相應的色差

公式104

第十一節顏色測量105

一、顏色測量原理105

二、顏色測量方法分類106

三、顏色測量方法106

習題107

第六章光線的光路計算及像差

理論108

第一節概述108

一、基本概念108

二、像差計算的譜線選擇109

第二節光線的光路計算109

一、子午面內的光線光路計算110

二、沿軸外點主光線細光束的光路

計算112

三、計算舉例113

第三節軸上點的球差114

一、球差的定義和表示方法114

二、球差的校正116

第四節正弦差和彗差118

一、正弦差118

二、彗差120

第五節場曲和像散121

一、場曲與軸外球差121

二、像散123

第六節畸變124

第七節色差126

一、位置色差、色球差和二級光譜126

二、倍率色差128

第八節像差特征曲線與分析129

一、像差特征曲線129

二、像差特征曲線分析130

第九節波像差132

習題134

第七章典型光學系統137

第一節眼睛及其光學系統137

一、眼睛的結構——成像光學系統137

二、眼睛的調節及校正137

三、眼睛——輻射接收器139

四、眼睛的分辨率139

五、眼睛的對準精度140

六、眼睛的景深140

七、雙目立體視覺141

第二節放大鏡142

一、視覺放大率142

二、光束限制和線視場143

第三節顯微鏡系統144

一、顯微鏡的視覺放大率144

二、顯微鏡的線視場145

三、顯微鏡的出瞳直徑145

四、顯微鏡的分辨率和有效放大率145

五、顯微鏡的景深146

六、顯微鏡的照明方法147

七、顯微鏡的物鏡149

第四節望遠鏡系統149

一、望遠系統的分辨率及工作放

大率150

二、望遠鏡的視場151

第五節目鏡152

第六節攝影系統155

一、攝影物鏡的光學特性155

二、攝影物鏡的景深157

三、攝影物鏡的類型157

四、數碼相機(digital camera)159

第七節投影系統160

一、基本參數160

二、投影物鏡的結構型式161

三、照明系統162

四、基於DMD的投影光學系統162

五、DMD空間光調制器163

第八節變焦距光學系統164

一、變焦距光學系統的原理164

二、變焦距系統的變焦方程166

三、機械補償變焦系統169

第九節光學系統的外形尺寸計算171

一、轉像系統和場鏡171

二、帶有對稱透鏡轉像系統的望

遠鏡172

習題175

第八章現代光學系統179

第一節激光光學系統179

一、高斯光束的特性179

二、高斯光束的傳播179

三、高斯光束的透鏡變換181

四、高斯光束的聚焦和準直183

五、高斯光束的整形184

六、LD光束特性及其整形186

第二節傅裡葉（Fourier）變換光學

系統187

一、相幹光學處理系統187

二、傅裡葉變換物鏡的光學設計要求及

結構型式188

第三節掃描光學系統189

一、掃描方程式190

二、常用光學掃描形式190

三、掃描物鏡——fθ物鏡191

第四節光纖光學系統193

一、階躍型光纖的基本原理193

二、梯度折射率光纖194

三、光纖束的傳光、傳像特性197

四、光纖光學系統200

五、光纖面板與光錐201

第五節紅外光學系統201

一、紅外光學材料202

二、紅外光學系統的結構型式204

三、紅外光學系統的冷闌與冷闌

效率206

四、紅外光學系統的無熱化設計206

第六節特殊面型及特殊結構光學

系統207

一、自由曲面光學系統207

二、折/衍混合成像光學系統209

三、離軸反射式光學系統210

四、微透鏡及微透鏡陣列211

五、共形光學系統211

六、自適應光學系統212

習題213

Ⅻ第九章光學系統的像質評價214

第一節瑞利判斷與波前圖214

一、瑞利判斷（Rayleigh Judgement）214

二、波前圖（Wavefront Map）215

第二節中心點亮度與能量包容圖215

一、中心點亮度（Brightness

of Center Disk）215

二、能量包容圖（Encircled

Energy）215

第三節分辨率與點擴散函數216

一、分辨率（Resolving Power）216

二、點擴散函數（Point Spread

Function）218

第四節星點檢測法與點列圖218

一、星點檢測法（Star Test）218

二、點列圖（Spot Diagram）219

第五節光學傳遞函數評價成像質量220

一、利用MTF曲線來評價成像質量221

二、利用MTF曲線的積分值來評價

成像質量221

第六節其他像質評價方法222

一、方均根（RootMeanSquare，RMS）

統計評價222

二、光程差曲線與光線差曲線223

三、照度分析與光譜分析224

四、雜散光分析225

第七節光學系統的像差公差226

一、望遠物鏡和顯微物鏡的像差

公差226

二、望遠目鏡和顯微目鏡的像差

公差227

三、照相物鏡的像差公差228

習題228

第十章光學設計229

第一節PW形式的初級像差系數229

一、 PW的定義及PW形式的初級

像差系數229

......