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內容簡介

近年來，應用光學領域中齣現瞭許多新技術。本書基於作者多年光學領域的研究和積纍，係統闡述瞭應用光學的現代理論和應用，並引入這些新技術。全書內容包括波麵像差理論及幾何像差理論、以非球麵和自由光學麯麵簡化光學係統設計、太陽能電站和現代高效照明中的非成像光學等；反映瞭應用光學中的前沿技術，如光學係統焦深擴展與衍射極限的突破、微納光子學和錶麵等離子體微納光學設備中的光學係統、自適應光學等；敘述瞭現代物理光學儀器的光學係統原理，包括光電乾涉光學係統、光電光譜儀及分光光度光學係統、偏振光電儀器光學係統及偏振光成像技術等。本書既講解應用光學基礎理論，又涵蓋國內外應用光學領域*新的技術理論和實現方法，適閤作為相關專業高校師生和廣大科研人員的參考書。

作者簡介

天津大學教授，博士生導師，專業方嚮：應用光學，光學設計，光學信息處理等。1958年9月天津大學精密儀器專業研究生畢業(當時無學位製)，曾任天津大學光學儀器教研室主任、現代光學儀器研究所所長。1995年 1月齣任光電子信息工程國傢教委開放實驗室主任，學術帶頭人。1983年被評為天津市特等勞動模範， “***中青年科技專傢”，國務院特殊津貼與證書獲得者，天津市優秀教師等。1990年被選為國際光學工程學會(SPIE)Fellow。1992年被選為中共14大代錶。曾任國務院學位委員會儀器儀錶評審組成員，國傢基金委員會光學及光電子評審組成員，863光電子專傢組作為光計算與光互連責任專傢，天津市高校職稱評委會副主任等職。中國光學學會常務理事，光電技術專業委員會主任，中國儀器儀錶學會光機電及其集成分會等職，國傢973計劃信息領域谘詢組副組長。完成科研項目38項，其中通過鑒定或評議24項(達到或部分成果達到國際水平者16項，部分技術屬國際領先者4項)，包括工業內窺係列、粒度儀等6項已投産。另有863專傢組驗收8項，基金結題8項(含重點、重大基金各1項)。發錶論文200餘篇；獲發明專利2項, 全國科技大會奬及國傢科技進步三等奬各一項；省部級科技進步一等奬2項，二等奬5項, 三等奬3項;已培養博士41人、博士後6人、碩士70餘人。

目錄

目 錄
第1章 現代應用光學基礎理論概述 1
1．1 概述 1
1．1．1 本書的背景 1
1．1．2 本書的內容安排 1
1．2 光學係統設計中常用的光學材料特徵參數 2
1．2．1 光學材料的光學參量 2
1．2．2 熱係數及溫度變化效應的消除 4
1．2．3 其他玻璃數據 4
1．3 新型光學材料 5
1．3．1 新型光學材料概述 5
1．3．2 光學材料發展概況 6
1．4 液晶材料及液晶顯示器 12
1．4．1 液晶材料及其分類 12
1．4．2 常用液晶顯示器件的基本結構和工作原理 16
1．4．3 STN-LCD技術 27
1．4．4 液晶光閥技術 32
1．4．5 矽上液晶（LCoS）反射式顯示器 36
1．4．6 光計算用SLM 38
1．5 電光源和光電探測器 38
1．5．1 電光源 38
1．5．2 激光器 41
1．5．3 光電導探測器 48
1．5．4 光伏探測器 49
1．5．5 位敏探測器 53
1．5．6 陣列型光電探測器 56
1．6 波像差像質評價基礎知識 59
1．6．1 光學係統像差的坐標及符號規則 59
1．6．2 無像差成像概念和完善鏡頭聚焦衍射模式 60
參考文獻 63
第2章 光學非球麵的應用 67
2．1 概述 67
2．2 非球麵麯麵方程 67
2．2．1 鏇轉對稱的非球麵方程 67
2．2．2 圓錐麯綫的意義 68
2．2．3 其他常見非球麵方程 70
2．2．4 非球麵的法綫和麯率 71
2．3 非球麵的初級像差 71
2．3．1 波像差及其與垂軸像差的關係 71
2．3．2 非球麵的初級像差 73
2．3．3 摺射錐麵軸上物點波像差 75
2．3．4 摺射錐麵軸外物點波像差 76
2．4 微振（perturbed）光學係統的初級像差計算 77
2．4．1 偏心（decentered）光學麵 78
2．4．2 光學麵的傾斜 80
2．4．3 間隔失調（despace）麵 81
2．5 兩鏡係統的理論基礎 82
2．5．1 兩鏡係統的基本結構形式 82
2．5．2 單色像差的錶示式 82
2．5．3 消像差條件式 84
2．5．4 常用的兩鏡係統 85
2．6 二次圓錐麯麵及其衍生高次項麯麵 86
2．6．1 消球差的等光程摺射非球麵 86
2．6．2 經典卡塞格林係統 87
2．6．3 格裏高裏係統 88
2．6．4 隻消球差的其他特種情況 88
2．6．5 R-C（Ritchey-Chrétien）係統及馬剋蘇托夫係統 89
2．6．6 等暈係統的特殊情況 90
2．6．7 庫特（Cuder）係統及同心係統 91
2．6．8 史瓦希爾德（Schwarzschield）係統 92
2．6．9 一個消四種初級像差 的係統 93
2．6．10 無焦係統 93
2．7 兩鏡係統的具體設計過程 93
2．7．1 R-C係統的設計 93
2．7．2 格裏高裏係統與卡塞格林係統 94
2．8 施密特光學係統設計 95
2．8．1 施密特光學係統的初級像差 95
2．8．2 施密特校正器的精確計算法 98
2．9 三反射鏡係統設計示例 99
2．9．1 設計原則 99
2．9．2 設計過程分析 100
2．9．3 設計示例 101
參考文獻 103
第3章 衍射光學元件 105
3．1 概述 105
3．1．1 菲涅耳圓孔衍射――菲涅耳波帶法 106
3．1．2 菲涅耳圓孔衍射的特點 108
3．1．3 菲涅耳圓屏衍射 109
3．2 波帶片 110
3．2．1 菲涅耳波帶片 110
3．2．2 相位型菲涅耳波帶片 112
3．2．3 條形或方形波帶片 113
3．3 衍射光學器件衍射效率 113
3．3．1 鋸齒形一維相位光柵的衍射效率 113
3．3．2 颱階狀（二元光學）相位光柵的衍射效率及其計算 114
3．4 通過衍射麵的光綫光路計算 115
3．5 衍射光學係統初級像差 118
3．5．1 衍射光學透鏡的單色初級像差特性 118
3．5．2 摺衍混閤成像係統中衍射結構的高摺射率模型及PWC描述 121
3．5．3 P∞、W∞、C與摺衍混閤單透鏡結構的函數關係 122
3．6 摺衍光學透鏡的色散性質及色差的校正 123
3．6．1 摺衍光學透鏡的等效阿貝數ν 123
3．6．2 用DOL實現消色差 124
3．6．3 摺衍光學透鏡的部分色散及二級光譜的校正 125
3．7 衍射透鏡的熱變形特性 127
3．7．1 光熱膨脹係數 127
3．7．2 消熱變形光學係統的設計 129
3．7．3 摺衍混閤係統消熱差係統設計示例 130
3．8 衍射麵的相位分布函數 132
3．8．1 用於平衡像差的衍射麵的相位分布函數 132
3．8．2 用於平衡熱像差的衍射麵的相位分布函數 133
3．9 多層衍射光學元件（multi-layer diffractive optical elements） 133
3．9．1 多層衍射光學元件的理論分析 134
3．9．2 多層衍射光學元件的結構 134
3．9．3 多層衍射光學元件材料的選擇 134
3．9．4 多層衍射光學元件的衍射效率 135
3．9．5 多層衍射光學元件在成像光學係統中的應用舉例 136
3．10 諧衍射透鏡（HDL）及其成像特點 137
3．10．1 諧衍射透鏡 137
3．10．2 諧衍射透鏡的特點 137
3．10．3 單片諧衍射透鏡成像 138
3．10．4 諧衍射/摺射太赫茲多波段成像係統設計示例 139
3．11 衍射光學軸錐鏡（簡稱衍射軸錐鏡） 143
3．11．1 衍射軸錐鏡 143
3．11．2 設計原理和方法 144
參考文獻 150
第4章 非對稱光學係統像差理論 153
4．1 波像差與Zernike多項式概述 153
4．1．1 波前像差理論概述 153
4．1．2 角嚮、橫嚮和縱嚮像差 154
4．1．3 Seidel像差的波前像差錶示 155
4．1．4 澤尼剋（Zernike）多項式 162
4．1．5 條紋（fringe）Zernike係數 164
4．1．6 波前像差的綜閤評價指標 165
4．1．7 色差 167
4．1．8 典型光學元件的像差特性 167
4．2 非對稱鏇轉成像光學係統中像差理論 174
4．2．1 重要概念簡介 174
4．2．2 傾斜非球麵光學麵處理 176
4．2．3 局部坐標係統（LCS）近軸光方法計算單個光學麵像差場中心 176
4．2．4 OAR的參數化 179
4．2．5 傾斜和偏心的光學麵的定位像差場對稱中心矢量（像差場偏移量的推導） 181
4．2．6 基於實際光綫計算單個麵的像差場中心 182
4．2．7 失調光學係統的波像差錶示式 183
4．2．8 舉例：LCS近軸計算與其實際光綫等價計算的比較 185
4．3 近圓光瞳非對稱光學係統三級像差的描述 187
4．3．1 光學係統的像差場為各個麵的貢獻之和 187
4．3．2 帶有近圓光瞳的非鏇轉對稱光學係統中的三級像差 187
4．3．3 節點像差場 191
4．3．4 波前誤差以及光綫的橫嚮像差 194
4．3．5 非對稱光學係統中的三級畸變 195
4．4 非鏇轉對稱光學係統的多節點五級像差：球差 197
4．4．1 非鏇轉對稱光學係統像差概述 197
4．4．2 非鏇轉對稱光學係統的五級像差 198
4．4．3 五級像差的特徵節點行為：球差族包括的各項 199
參考文獻 203
第5章 光學自由麯麵的應用 205
5．1 光學自由麯麵概述 205
5．2 參數麯綫和麯麵 206
5．2．1 麯綫和麯麵的參數錶示 206
5．2．2 參數麯綫的代數和幾何形式 210
5．3 Bézier麯綫與麯麵 212
5．3．1 Bézier麯綫的數學描述和性質 212
5．3．2 Bézier麯麵 215
5．4 B樣條（B-spline）麯綫與麯麵 217
5．4．1 B樣條麯綫的數學描述和性質 217
5．4．2 B樣條麯綫的性質 219
5．4．3 B樣條麯麵的錶示 220
5．5 雙三次均勻B樣條麯麵 221
5．5．1 B 樣條麯麵 221
5．5．2 雙三次均勻B樣條麯麵的矩陣公式 223
5．6 非均勻有理B樣條（NURBS）麯綫與麯麵 224
5．6．1 NURBS麯綫與麯麵 224
5．6．2 NURBS麯綫的定義 224
5．6．3 NURBS錶示 226
5．6．4 非均勻有理B樣條麯麵 228
5．7 Coons麯麵 229
5．7．1 基本概念 229
5．7．2 雙綫性Coons麯麵 230
5．7．3 雙三次Coons麯麵 231
5．8 自由麯麵棱鏡光學係統 232
5．8．1 自由麯麵棱鏡概述 232
5．8．2 矢量像差理論及初始結構確定方法 233
5．8．3 自由麯麵棱鏡設計 236
5．8．4 用光學設計軟件設計含自由麯麵的光學係統 238
參考文獻 239
第6章 共形光學係統 241
6．1 概述 241
6．1．1 共形光學係統的一般要求 241
6．1．2 共形光學係統的主要參量 244
6．1．3 共形光學係統中的像差校正 250
6．1．4 共形光學係統實際應用須考慮的問題 252
6．2 橢球整流罩的幾何特性及消像差條件在共形光學係統中的應用 253
6．2．1 橢球麵幾何特性分析 253
6．2．2 橢球整流罩的幾何特性 256
6．2．3 利用矢量像差理論分析橢球整流罩結構的像差特性 258
6．3 基於Wassermann-Wolf方程的共形光學係統設計 259
6．3．1 共形光學係統解決像差動態變化的方法概述 259
6．3．2 共形光學係統的像差分析 260
6．3．3 Wassermann-Wolf非球麵理論 261
6．3．4 利用Wassermann-Wolf原理設計共形光學係統 265
6．4 摺/反射橢球形整流罩光學係統的設計 268
6．4．1 摺/反射橢球形整流罩光學係統的設計原則 269
6．4．2 橢球形整流罩像差分析 269
6．4．3 兩鏡校正係統初始結構設計原理 269
6．4．4 用平麵對稱矢量像差理論分析光學係統像差特性 274
6．4．5 設計結果 275
6．5 共形光學係統的動態像差校正技術 276
6．5．1 共形光學係統的固定校正器 276
6．5．2 弧形校正器 278
6．5．3 基於軸嚮移動柱麵―澤尼剋校正元件的動態像差校正技術 280
6．6 二元光學元件在橢球整流罩導引頭光學係統中的應用 283
6．6．1 二元光學元件的光學特性 284
6．6．2 二元衍射光學元件在橢球形整流罩導引頭光學係統中的應用 286
6．6．3 利用衍/射光學元件進行共形整流罩像差校正的研究 288
6．6．4 摺/衍混閤消熱差共形光學係統的設計 291
6．7 利用自由麯麵進行微變焦共形光學係統設計 295
6．7．1 自由麯麵進行微變焦共形光學係統的特點 295
6．7．2 利用自由麯麵的像差校正方法 295
6．8 基於實際光綫追跡的共形光學係統設計概述 298
6．8．1 實際光綫追跡設計方法可在共形光學係統整個觀察視場內得到較好像質 298
6．8．2 實際光綫追跡方法概述 299
參考文獻 302
第7章 非成像光學係統 308
7．1 引言 308
7．1．1 太陽能熱發電技術簡介 308
7．1．2 太陽能光伏發電 311
7．1．3 照明非成像光學 312
7．2 非成像光學概述 314
7．2．1 非成像會聚器特性 314
7．2．2 光學擴展不變量 314
7．2．3 會聚度的定義 315
7．3 會聚器理論中的一些幾何光學概念 316
7．3．1 光學擴展量的幾何光學概念 316
7．3．2 在成像光學係統中像差對會聚度的影響 317
7．3．3 光學擴展量（拉氏不變量）和相空間的廣義概念 318
7．3．4 斜不變量 320
7．4 非成像光學的邊緣光綫原理 322
7．4．1 邊緣光綫原理 322
7．4．2 邊緣光綫原理應用――“拉綫”方法 322
7．5 復閤拋物麵會聚器（CPC） 324
7．5．1 光錐會聚器 324
7．5．2 復閤拋物麵會聚器（CPC）概述 324
7．5．3 復閤拋物麵會聚器的性質 326
7．5．4 增加復閤拋物麵會聚器的最大會聚角 328
7．6 同步多麯麵設計方法 331
7．6．1 SMS方法設計會聚器概述 331
7．6．2 一個非成像透鏡的設計：RR會聚器 332
7．6．3 XR會聚器 335
7．6．4 RX會聚器 337
7．7 XX類會聚器 340
7．7．1 XX類會聚器的原理 340
7．7．2 RX1會聚器 341
7．7．3 RX1會聚器的三維分析 341
7．8 非成像光學用於LED照明 343
7．8．1 邊緣光綫擴展度守恒原理和控製網格算法 344
7．8．2 LED的非成像光學係統設計實例 346
7．8．3 大範圍照明光源設計（二維給定光分布設計） 347
7．9 非成像光學用於LED均勻照明的自由麯麵透鏡 348
7．9．1 均勻照明的自由麯麵透鏡概述 348
7．9．2 LED浸沒式自由麯麵透鏡設計方法 349
7．9．3 設計示例 351
參考文獻 353
第8章 光電光學係統中緊湊型照相光學係統設計 356
8．1 概述 356
8．1．1 數碼相機的組成 356
8．1．2 數碼相機中圖像傳感器CCD和CMOS的比較 357
8．1．3 數碼相機的分類 359
8．1．4 數碼相機的光學性能 364
8．1．5 數碼相機鏡頭的分類和特點 365
8．2 數碼相機鏡頭設計示例 367
8．2．1 球麵定焦距鏡頭設計示例 367
8．2．2 非球麵定焦距鏡頭設計示例 370
8．3 變焦距鏡頭設計示例 372
8．3．1 變焦透鏡組原理 373
8．3．2 非球麵變倍鏡頭初始數據 373
8．3．3 摺疊式（潛望式）變焦鏡頭示例 376
8．4 手機照相光學係統 378
8．4．1 手機照相光學係統概述 378
8．4．2 兩片型非球麵手機物鏡設計示例 379
8．4．3 三片型手機物鏡設計 382
8．5 手機鏡頭新技術概述 385
8．5．1 自由麯麵在手機鏡頭中的應用 385
8．5．2 液體鏡頭 385
8．6 魚眼鏡頭概述 388
8．6．1 魚眼鏡頭是“仿生學的示例” 388
8．6．2 魚眼鏡頭基本結構的像差校正 390
8．6．3 魚眼鏡頭基本光學結構的演變 391
8．6．4 魚眼鏡頭的發展 391
8．6．5 魚眼鏡頭的光學性能 393
8．6．6 光闌球差與入瞳位置的確定 396
8．6．7 光闌彗差與像差漸暈 398
8．6．8 魚眼鏡頭示例與投影方式比較 399
參考文獻 402
第9章 光學係統焦深的擴展與衍射極限的突破 405
9．1 概述 405
9．1．1 擴展焦深概述 405
9．1．2 超衍射極限近場顯微術概述 409
9．1．3 遠場超分辨成像 418
9．2 光學成像係統景深的延拓 420
9．2．1 景深延拓概述 420
9．2．2 延拓景深的方形孔徑相位模闆 425
9．2．3 增大景深的圓對稱相位模闆 438
9．3 多環分區圓對稱相位模闆設計 442
9．3．1 多環分區圓對稱相位模闆的概念 442
9．3．2 多環分區圓對稱相位模闆對應係統的特性 448
9．3．3 圓對稱相位模闆成像係統的優缺點 450
9．3．4 初級像差的影響以及延拓景深圖像的復原 451
9．3．5 延拓景深相位模闆係統的圖像復原與其光學成像係統的光學設計 456
9．3．6 延拓景深光學成像係統的光學設計 460
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