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第1章 几何光学原理1

1.1光的波动性与费马原理1

1.2反射和折射定律6

1.2.1反射定律6

1.2.2折射定律7

1.2.3折射定律的矢量形式8

1.3基本子午光线追迹方程组8

1.3.1子午光线追迹的L-U方法11

1.3.2子午光线追迹的Q-U方法11

1.4高斯光学或者一阶光学12

1.5成像14

1.6孔径光阑、光瞳和主光线16

1.7德拉诺关系20

1.8光学正弦定理20

1.9拉格朗日不变量22

1.10赫歇尔不变量和成像放大率23

参考文献25

第2章 薄透镜和球面镜26

2.1薄透镜26

2.2薄透镜的成像公式28

2.3薄透镜的节点29

2.4会聚透镜的成像30

2.5发散透镜的成像30

参考文献31

第3章 透镜组和厚透镜32

3.1焦距和光焦度32

3.2厚透镜或透镜系统的成像33

3.3基点34

3.4倾斜或弯曲物体的成像36

3.5厚透镜38

3.6薄透镜系统40

3.7薄透镜系统中的拉格朗日-亥姆霍兹不变式42

3.8物或者光阑的平移效应43

3.8.1光阑的移动43

3.8.2物和像平面的移动44

3.9德拉诺y-y图45

3.9.1光阑的移动47

3.9.2物和像的移动47

参考文献48

第4章 色差50

4.1引言50

4.2近轴色差（位置色差）51

4.2.1薄透镜的近轴色差52

4.2.2消色差双胶合透镜53

4.2.3两块具有一定空气间隔的薄透镜组的消色差系统（消色差双分离透镜）54

4.2.4同种材料制造的两块透镜校正轴向色差54

4.2.5色球差56

4.3用D-d方法消色差57

4.4二级光谱58

4.5倍率色差60

4.5.1光阑位置对色差的影响61

4.5.2倍率色差的校正62

4.5.3同种材料制造的透镜校正倍率色差64

参考文献65

第5章 球差67

5.1球差计算67

5.2初级球差70

5.2.1薄透镜的球差72

5.2.2薄透镜系统75

5.2.3会聚光通过平行平面板的球差75

5.3非球面76

5.4非球面的球差76

5.5无球差的面77

5.5.1折射球面77

5.5.2二次曲面的反射78

5.5.3笛卡儿卵形78

5.6球差的多项式展开79

5.7高阶球差82

5.8用梯度折射率校正球差84

参考文献85

第6章 单色轴外像差86

6.1介绍86

6.1.1轴外像差介绍86

6.1.2倾斜光线87

6.1.3轴外像差定义90

6.2佩兹伐场曲91

6.3彗差93

6.3.1反正弦条件93

6.3.2每个面的彗差贡献95

6.3.3单个薄透镜的彗差95

6.4像散96

6.4.1 Coddington方程97

6.4.2佩兹伐场曲和像散间的关系100

6.4.3有彗差和像散的像101

6.5齐明面105

6.5.1球面透镜的齐明面105

6.5.2 Wassermann-Wolf齐明面106

6.6畸变106

6.7齐明面上的轴外像差108

6.8对称原则和Bow-Sutton条件110

6.9光阑平移方程111

6.10光瞳像差113

参考文献114

第7章 像差多项式和高阶像差117

7.1光学系统中的波面117

7.2几何像差和波像差117

7.3波像差多项式118

7.3.1共轴系统的霍普金斯波像差多项式119

7.3.2共轴系统的Kingslake波像差多项式121

7.3.3共轴系统的塞德尔波像差多项式123

7.3.4共轴系统的高阶Buchdahl像差多项式123

7.3.5非共轴对称系统的波像差多项式126

7.4泽尼克多项式128

7.5波面变形拟合到多项式132

7.6高斯函数阵列表示波面133

7.7折射面的波像差134

7.8反射面的波像差139

7.9 Aldis理论142

参考文献143

第8章 光学系统的计算机评估145

8.1横向像差多项式145

8.1.1轴向像差曲线146

8.1.2子午像差曲线147

8.1.3弧矢像差曲线148

8.2横向像差的H.H.Hopkins， Seidel和Buchdahl系数150

8.2.1球差150

8.2.2彗差150

8.2.3像散151

8.2.4畸变152

8.3子午光线的追迹和光阑位置的分析153

8.4点列图155

8.4.1几何光点尺寸155

8.4.2径向能量分布158

8.5波阵面的形变159

8.5.1通过横向像差计算159

8.5.2通过光程直接计算159

8.5.3 Conrady方法计算波阵面的形变161

8.6点扩散函数和线扩散函数162

8.7光学传递函数164

8.8像差的容限165

参考文献166

第9章 光学系统中的衍射168

9.1惠更斯-菲涅耳原理168

9.2菲涅耳衍射169

9.3夫琅禾费衍射171

9.3.1圆形孔径172

9.3.2环形孔径173

9.4存在像差的衍射像174

9.5斯特列尔比175

9.6光学传递函数176

9.7分辨率标准179

9.8高斯光束181

参考文献182

第10章 棱镜185

10.1展开图185

10.2偏转光束185

10.3图像变换186

10.4棱镜的偏转和变换188

10.4.1偏转棱镜188

10.4.2反射系统189

10.5保向变换棱镜191

10.5.1上下镜像和左右镜像棱镜191

10.5.2转像棱镜组192

10.6分束棱镜195

10.7色散棱镜195

10.7.1等边棱镜196

10.7.2恒偏向棱镜197

10.7.3不偏转的色散棱镜198

10.8非成像棱镜199

参考文献199

第11章 基本的光学系统和简单照相镜头201

11.1光学系统分类201

11.2放大镜和单片成像镜头202

11.2.1放大镜202

11.2.2双目放大镜204

11.2.3单片成像镜头206

11.3风景镜头209

11.4周视镜头211

11.5消色差风景镜头212

11.6双胶合透镜214

11.6.1未消球差的双胶合透镜214

11.6.2双分离透镜217

11.6.3消球差双胶合透镜219

11.6.4复消色差透镜220

11.7激光准直器220

11.8球面和抛物面反射镜222

11.8.1球面镜的离轴像差223

11.8.2凹球面镜224

11.8.3凹抛物面镜226

11.8.4凸球面镜227

11.9一些反射和折反系统229

11.9.1孟琴反射镜229

11.9.2戴森（Dyson ）系统230

11.9.3奥夫纳（Offner）系统231

11.10 f-θ透镜231

11.11菲涅耳透镜和伽柏平板232

参考文献233

第12章 复杂摄影镜头235

12.1引言235

12.2不对称系统236

12.2.1佩兹伐镜头236

12.2.2远摄镜头237

12.2.3库克（Cooke）三片式镜头239

12.2.4天塞（Tessar）镜头243

12.3对称去像散系统244

12.3.1 Dagor镜头244

12.3.2分离镜头246

12.3.3双高斯镜头246

12.4可变焦面镜头和变焦镜头248

参考文献252

第13章 人眼和眼镜255

13.1人眼255

13.2眼镜片257

13.3眼镜片设计260

13.3.1 Tscherning椭圆262

13.3.2非球面眼镜片263

13.4楔形镜片264

13.5球柱镜片265

参考文献266

第14章 天文望远镜268

14.1分辨率和集光能力268

14.1.1衍射效应和大气扰动268

14.1.2望远镜的视觉限制269

14.1.3望远镜的拍摄和CCD限制等级269

14.2双反射式相机镜头和望远镜270

14.2.1双反射镜系统的一阶近似设计271

14.2.2双反射镜望远镜遮光罩273

14.3折反相机镜头273

14.3.1施密特相机镜头274

14.3.2鲍沃斯（Bouwers）相机镜头276

14.3.3鲍沃斯-马克苏托夫相机镜头277

14.3.4去像散同心施密特-卡塞格林相机镜头277

14.3.5平面场去像散施密特-卡塞格林相机镜头278

14.4天文望远镜280

14.4.1牛顿望远镜280

14.4.2卡塞格林望远镜281

14.4.3 RC望远镜284

14.4.4达-客（Dall - Kirkham）望远镜286

14.4.5格里（Gregory）望远镜286

14.4.6施密特-卡塞格林望远镜287

14.4.7马克苏托夫-卡塞格林望远镜288

14.4.8折轴焦点结构和内氏焦点结构289

14.5像场校正镜289

14.5.1单视场致平器290

14.5.2罗斯（Ross）校正器290

14.5.3韦恩（Wynne）校正器291

14.5.4非球面校正器291

14.6多镜面望远镜293

14.7主动光学和自适应光学294

参考文献295

第15章 目视系统和无焦系统299

15.1目视光学系统299

15.1.1在目视光学系统中出瞳的位置299

15.1.2人眼的光学模型300

15.2望远系统的基本原理301

15.3无焦系统303

15.4目视望远镜305

15.4.1伽利略望远镜306

15.4.2含正像目镜的望远镜309

15.4.3含倒像棱镜的望远镜310

15.5望远镜目镜311

15.5.1惠更斯目镜和冉斯登目镜312

15.5.2克耳纳目镜313

15.5.3对称或普罗素目镜314

15.5.4无畸变目镜315

15.5.5埃尔弗目镜316

15.6中继镜和潜望镜317

15.6.1无影检眼镜318

15.6.2内窥镜319

参考文献320

第16章 显微镜322

16.1显微镜组成322

16.2显微物镜325

16.2.1低倍物镜327

16.2.2李斯特物镜327

16.2.3阿米西物镜329

16.2.4油浸物镜329

16.2.5其他类型的物镜330

16.2.6反射式物镜330

16.2.7紧凑型读写镜头330

16.3显微目镜331

16.3.1惠更斯目镜331

16.3.2广角目镜334

16.4显微镜照明335

参考文献336

第17章 投影系统338

17.1成像投影仪338

17.2投影仪的主要元件339

17.2.1灯339

17.2.2聚光镜340

17.2.3投影镜头340

17.3投影仪中的相干效应343

17.4变形投影343

17.5幻灯片和电影投影仪345

17.6高射投影仪345

17.7轮廓投影仪346

17.8电视投影仪347

17.9液晶电脑和家庭影院投影仪347

参考文献348

第18章 镜头设计优化350

18.1基本原则350

18.2优化方法351

18.3格拉策尔自适应法352

18.4约束阻尼最小二乘优化法352

18.4.1问题线性化353

18.4.2使用拉格朗日乘数法354

18.4.3矩阵形式355

18.4.4矩阵解的数值计算356

18.4.5使用权重因子357

18.5评价函数和边界条件358

18.5.1评价函数358

18.5.2边界条件360

18.6现代光学设计的趋势361

18.7镜头优化程序的流程362

18.8镜头评估程序的实用技巧362

18.8.1曲率、厚度和间隔符号约定362

18.8.2指定曲率或者曲率363

18.8.3指定厚度和间隔364

18.8.4一些有用的技巧364

18.9一些商业镜头设计程序364

参考文献365

附录368

附录A符号规则和初级像差系数概述368

A.1符号规则368

A.2初级像差系数概述370

A.2.1 Conrady形式370

A.2.2数值计算371

附录B光学表面的数学表示372

B.1非球面法线的偏差374

B.2二次曲面的一些参数375

B.3离轴抛物面376

B.4环面和球柱面377

参考文献378

附录C光学材料379

C.1光学玻璃379

C.2光学塑料383

C.3红外材料和紫外材料384

参考文献384

附录D偏斜光线的精确光线追迹385

D.1精确光线追迹385

D.1.1从第一个表面转换到正切于下一个表面的平面385

D.1.2从正切平面转换到密切球面386

D.1.3从密切球面转换到非球面388

D.1.4在非球面上折射390

D.1.5环形面或者球柱面的折射391

D.2光线追迹结果一览391

D.3倾斜或者偏心表面的光线追迹393

参考文献395

附录E镜头设计方面的一些专业书籍395

E.1书籍395

E.2综述文章和一些书籍中的章节397