近年来,
应用光学领域中出现了许多新技术。本书基于作者多年光学领域的研究和积累,系统阐述了应用光学的现代理论和应用,并引入这些新技术。全书内容包括波面像差理论及几何像差理论、以非球面和自由光学曲面简化光学系统设计、太阳能电站和现代高效
照明中的非成像光学等;反映了应用光学中的前沿技术,如光学系统焦深扩展与衍射极限的突破、微纳光子学和表面等离子体微纳光学设备中的光学系统、自适应光学等;叙述了现代物理光学仪器的光学系统原理,包括光电干涉光学系统、光电光谱仪及分光光度光学系统、偏振光电仪器光学系统及偏振光成像技术等。本书既讲解应用光学基础理论,又涵盖国内外应用光学领域*新的技术理论和实现方法,适合作为相关专业高校师生和广大科研人员的参考书。
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XZj3x',; e
J:#vX86
8FgF6ip UW-`k1 目 录
0MN)Z(Sa 第1章 现代应用光学基础理论概述 1
,-1d2y 1.1 概述 1
\d
QRQL{LL 1.1.1 本书的背景 1
9&1$\ZH 1.1.2 本书的内容安排 1
+jj] tJ$[ 1.2 光学系统设计中常用的光学材料特征参数 2
>,nK 1.2.1 光学材料的光学参量 2
4&H&zST//m 1.2.2 热系数及温度变化效应的消除 4
/cx
Ei6I- 1.2.3 其他玻璃数据 4
|kqRhR(Ei 1.3 新型光学材料 5
+(oExp(! 1.3.1 新型光学材料概述 5
j +Ro? 1.3.2 光学材料发展概况 6
+3?.Vb%jY 1.4 液晶材料及液晶显示器 12
~oeX0l>F 1.4.1 液晶材料及其分类 12
8!7`F.BX 1.4.2 常用液晶显示器件的基本结构和工作原理 16
Uk4G9}I 1.4.3 STN-LCD技术 27
ccgV-'IG9 1.4.4 液晶光阀技术 32
<Mf(2`T 1.4.5 硅上液晶(LCoS)反射式显示器 36
3q`Uq`t4mR 1.4.6 光计算用SLM 38
FK;2u$: 1.5 电
光源和光电探测器 38
I6[=tB 1.5.1 电光源 38
g3\13< 1.5.2
激光器 41
b%e7rY2 1.5.3 光电导探测器 48
r&nEM6 1.5.4 光伏探测器 49
-m Sf`1l0 1.5.5 位敏探测器 53
10r9sR 1.5.6 阵列型光电探测器 56
PAv<J<d 1.6 波像差像质评价基础知识 59
>@q4Uez 1.6.1 光学系统像差的坐标及符号规则 59
BzI( 1.6.2 无像差成像概念和完善
镜头聚焦衍射模式 60
DcEGIaW 参考文献 63
}1Pv6L(o) 第2章 光学非球面的应用 67
8<Ex` 2.1 概述 67
I.)9:7 2.2 非球面曲面方程 67
{D4N=#tl 2.2.1 旋转对称的非球面方程 67
)!d_Td\- 2.2.2 圆锥曲线的意义 68
/4,U@s)"/ 2.2.3 其他常见非球面方程 70
WsR4)U/]v 2.2.4 非球面的法线和曲率 71
pNc4o@- 2.3 非球面的初级像差 71
Z4tc3e
2.3.1 波像差及其与垂轴像差的关系 71
u1/q8'RW 2.3.2 非球面的初级像差 73
UUxP4 2.3.3 折射锥面轴上物点波像差 75
QHe: 2.3.4 折射锥面轴外物点波像差 76
"oT]_WHqo 2.4 微振(perturbed)光学系统的初级像差计算 77
KL8WT6!RZ 2.4.1 偏心(decentered)光学面 78
IYB;X 2.4.2 光学面的倾斜 80
[I%'\CI; 2.4.3 间隔失调(despace)面 81
$kn"S>jV 2.5 两镜系统的理论基础 82
T$s )aM 2.5.1 两镜系统的基本结构形式 82
:*)b<:4 2.5.2 单色像差的表示式 82
mp17d$R- 2.5.3 消像差条件式 84
1DM$FG_Z- 2.5.4 常用的两镜系统 85
$EPDa?$* 2.6 二次圆锥曲面及其衍生高次项曲面 86
u9%AK g}~ 2.6.1 消球差的等光程折射非球面 86
Bt"*a=t; 2.6.2 经典卡塞格林系统 87
h]?[}& 2.6.3 格里高里系统 88
f9J]-#I if 2.6.4 只消球差的其他特种情况 88
j'&a)-Wx_
2.6.5 R-C(Ritchey-Chrétien)系统及马克苏托夫系统 89
B-aJn8>/ 2.6.6 等晕系统的特殊情况 90
f'B#h;` 2.6.7 库特(Cuder)系统及同心系统 91
IR<*OnKn 2.6.8 史瓦希尔德(Schwarzschield)系统 92
rYk 2.6.9 一个消四种初级像差 的系统 93
8^"P'XQ 2.6.10 无焦系统 93
B~/ejC! 2.7 两镜系统的具体设计过程 93
?=\_U 2.7.1 R-C系统的设计 93
d,%@*v]S 2.7.2 格里高里系统与卡塞格林系统 94
~aRcA|` 2.8 施密特光学系统设计 95
DqlspT 2.8.1 施密特光学系统的初级像差 95
*(]@T@yN 2.8.2 施密特校正器的精确计算法 98
s h^&3} 2.9 三反射镜系统设计示例 99
D_Cd^;b 2.9.1 设计原则 99
aFwfF^\(|, 2.9.2 设计过程分析 100
b. oA}XP 2.9.3 设计示例 101
n"Q fW~ U 参考文献 103
AJ-~F>gn 第3章 衍射光学元件 105
;/<J. 3.1 概述 105
_K|513I 3.1.1 菲涅耳圆孔衍射――菲涅耳波带法 106
K>fY9`Whm 3.1.2 菲涅耳圆孔衍射的特点 108
OPwO`pN 3.1.3 菲涅耳圆屏衍射 109
Vch!&8xii 3.2 波带片 110
&li&P5!i 3.2.1 菲涅耳波带片 110
=8)q-{p3 3.2.2 相位型菲涅耳波带片 112
Ok2>%e 3.2.3 条形或方形波带片 113
*ocbV` 3.3 衍射光学器件衍射效率 113
nH]F$'rtA 3.3.1 锯齿形一维相位光栅的衍射效率 113
YKs^aQm# 3.3.2 台阶状(二元光学)相位光栅的衍射效率及其计算 114
&`4v,l^Zi6 3.4 通过衍射面的光线光路计算 115
Bn_@R` 3.5 衍射光学系统初级像差 118
=1Mh%/y 3.5.1 衍射光学
透镜的单色初级像差特性 118
$di8#O* 3.5.2 折衍混合成像系统中衍射结构的高折射率模型及PWC描述 121
="*8ja-K 3.5.3 P∞、W∞、C与折衍混合单透镜结构的函数关系 122
B?tO&$s 3.6 折衍光学透镜的色散性质及色差的校正 123
@7aSq-(_l* 3.6.1 折衍光学透镜的等效阿贝数ν 123
4l*4wx""v 3.6.2 用DOL实现消色差 124
.5x+FHu7 3.6.3 折衍光学透镜的部分色散及二级光谱的校正 125
"?Cx4<nsM 3.7 衍射透镜的热变形特性 127
D*R49hja{ 3.7.1 光热膨胀系数 127
9
6'{ES9D 3.7.2 消热变形光学系统的设计 129
ard<T}|N 3.7.3 折衍混合系统消热差系统设计示例 130
Qm X(s 3.8 衍射面的相位分布函数 132
H]7;OM/g 3.8.1 用于平衡像差的衍射面的相位分布函数 132
C,xM)V^a 3.8.2 用于平衡热像差的衍射面的相位分布函数 133
LGm>x 3.9 多层衍射光学元件(multi-layer diffractive optical elements) 133
$}/ !mXI5 3.9.1 多层衍射光学元件的理论分析 134
(fjAsbT 3.9.2 多层衍射光学元件的结构 134
iZ3%'~K<3J 3.9.3 多层衍射光学元件材料的选择 134
bNG;`VZ% 3.9.4 多层衍射光学元件的衍射效率 135
|E)Es!dr 3.9.5 多层衍射光学元件在成像光学系统中的应用举例 136
dik+BBu5z 3.10 谐衍射透镜(HDL)及其成像特点 137
zW_V)UNe 3.10.1 谐衍射透镜 137
)k8=< =s 3.10.2 谐衍射透镜的特点 137
ec4jiE 3.10.3 单片谐衍射透镜成像 138
lr[a~ca\ 3.10.4 谐衍射/折射太赫兹多波段成像系统设计示例 139
=x4:jas 3.11 衍射光学轴锥镜(简称衍射轴锥镜) 143
^ )Lh5 3.11.1 衍射轴锥镜 143
<}3c%Q1 3.11.2 设计原理和方法 144
$GyO+xF 参考文献 150
-T4{PM 第4章 非对称光学系统像差理论 153
$C UmRi{T 4.1 波像差与Zernike多项式概述 153
:Gh*
d) 4.1.1 波前像差理论概述 153
:4"SJ 4.1.2 角向、横向和纵向像差 154
Vs~^r> 4.1.3 Seidel像差的波前像差表示 155
3:i4DBp,i 4.1.4 泽尼克(Zernike)多项式 162
Hut
au^l 4.1.5 条纹(fringe)Zernike系数 164
%6}S'yL 4.1.6 波前像差的综合评价指标 165
_XtLO-D 4.1.7 色差 167
x=yU
}lsV 4.1.8 典型光学元件的像差特性 167
~ySmN}3~' 4.2 非对称旋转成像光学系统中像差理论 174
Z1FO.[FV 4.2.1 重要概念简介 174
.$DB\jJXjV 4.2.2 倾斜非球面光学面处理 176
:".:Wd 4.2.3 局部坐标系统(LCS)近轴光方法计算单个光学面像差场中心 176
Tv<iHHp 4.2.4 OAR的参数化 179
I?v)>||Q 4.2.5 倾斜和偏心的光学面的定位像差场对称中心矢量(像差场偏移量的推导) 181
~F*pV* 4.2.6 基于实际光线计算单个面的像差场中心 182
V#1_jxP)Q 4.2.7 失调光学系统的波像差表示式 183
0}q ij 4.2.8 举例:LCS近轴计算与其实际光线等价计算的比较 185
a}a_&rf~Z 4.3 近圆光瞳非对称光学系统三级像差的描述 187
pr\yc 4.3.1 光学系统的像差场为各个面的贡献之和 187
l^ni"X 4.3.2 带有近圆光瞳的非旋转对称光学系统中的三级像差 187
^ 3LM%B 4.3.3 节点像差场 191
5j`"@C5;O 4.3.4 波前误差以及光线的横向像差 194
<pGPuw|~I 4.3.5 非对称光学系统中的三级畸变 195
-Q;5A;sr2 4.4 非旋转对称光学系统的多节点五级像差:球差 197
t'4hWNR'
4.4.1 非旋转对称光学系统像差概述 197
%4 cUa| =? 4.4.2 非旋转对称光学系统的五级像差 198
}1w[G;$ 4.4.3 五级像差的特征节点行为:球差族包括的各项 199
0\wMlV`F 参考文献 203
?V#%^ 57p 第5章 光学自由曲面的应用 205
BnqAv xX 5.1 光学自由曲面概述 205
(`4^|_gw 5.2 参数曲线和曲面 206
+Bv{A3E9 5.2.1 曲线和曲面的参数表示 206
m~r^@D 5.2.2 参数曲线的代数和几何形式 210
@y->4`N 5.3 Bézier曲线与曲面 212
h|dVVCsN 5.3.1 Bézier曲线的数学描述和性质 212
wCeSs=[ 5.3.2 Bézier曲面 215
e}f!zA 5.4 B样条(B-spline)曲线与曲面 217
C;wN>HE 5.4.1 B样条曲线的数学描述和性质 217
`8\pihww 5.4.2 B样条曲线的性质 219
AZorz Q]s 5.4.3 B样条曲面的表示 220
d7^:z%Eb| 5.5 双三次均匀B样条曲面 221
6<NaME 5.5.1 B 样条曲面 221
DyG3|5s1R 5.5.2 双三次均匀B样条曲面的矩阵公式 223
wlC_rRj~ 5.6 非均匀有理B样条(NURBS)曲线与曲面 224
H]"Z_n_ 5.6.1 NURBS曲线与曲面 224
2#@S6zc 5.6.2 NURBS曲线的定义 224
?;+=bKw0 5.6.3 NURBS表示 226
}{:H0)H* 5.6.4 非均匀有理B样条曲面 228
W$B>O 5.7 Coons曲面 229
h -+vM9j 5.7.1 基本概念 229
Ws4aCH 1 5.7.2 双线性Coons曲面 230
jr*A1y* 5.7.3 双三次Coons曲面 231
tn6\0_5n 5.8 自由曲面棱镜光学系统 232
f_9%kEXICt 5.8.1 自由曲面棱镜概述 232
:De}5BMy 5.8.2 矢量像差理论及初始结构确定方法 233
x<P$$G/ 5.8.3 自由曲面棱镜设计 236
D._q'v< 5.8.4 用
光学设计软件设计含自由曲面的光学系统 238
5ts8o&|
参考文献 239
D^04b<O<x 第6章 共形光学系统 241
WHvN6 6.1 概述 241
w%VHq z$ 6.1.1 共形光学系统的一般要求 241
|
3!a= 6.1.2 共形光学系统的主要参量 244
Y@TZReb 6.1.3 共形光学系统中的像差校正 250
5(%+8<2 6.1.4 共形光学系统实际应用须考虑的问题 252
37a"< 6.2 椭球整流罩的几何特性及消像差条件在共形光学系统中的应用 253
TWQf2 6.2.1 椭球面几何特性分析 253
Mm:6+ 6.2.2 椭球整流罩的几何特性 256
Od^y&$|_%` 6.2.3 利用矢量像差理论分析椭球整流罩结构的像差特性 258
pxM^|?Hxc 6.3 基于Wassermann-Wolf方程的共形光学系统设计 259
PX(.bP2^Lq 6.3.1 共形光学系统解决像差动态变化的方法概述 259
68*h#& 6.3.2 共形光学系统的像差分析 260
v~?d7p{ 6.3.3 Wassermann-Wolf非球面理论 261
'vhgR2/ 6.3.4 利用Wassermann-Wolf原理设计共形光学系统 265
]V<[W,*(5 6.4 折/反射椭球形整流罩光学系统的设计 268
hc"+6xc 6.4.1 折/反射椭球形整流罩光学系统的设计原则 269
YCj"^RC^ 6.4.2 椭球形整流罩像差分析 269
C^aP)&
qt 6.4.3 两镜校正系统初始结构设计原理 269
UVUbxFq: 6.4.4 用平面对称矢量像差理论分析光学系统像差特性 274
AGx]srl 6.4.5 设计结果 275
S3MMyS8 6.5 共形光学系统的动态像差校正技术 276
mF%>pj&