现代应用光学（张以谟）

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。 V4kt&61  
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TV#X@jQ  
目 录 ##Jg>HL'  
第1章 现代应用光学基础理论概述 1 ^p3"_;p)h  
1．1 概述 1 }cUq1r-bW  
1．1．1 本书的背景 1 @AM;58.  
1．1．2 本书的内容安排 1 $e>(
M&9,  
1．2 光学系统设计中常用的光学材料特征参数 2 <49Gsm&0  
1．2．1 光学材料的光学参量 2 .URCuB\{  
1．2．2 热系数及温度变化效应的消除 4 _Ec9g^I10  
1．2．3 其他玻璃数据 4 V?x&.C2Z  
1．3 新型光学材料 5 ft
$@':F  
1．3．1 新型光学材料概述 5 CHxu%-g  
1．3．2 光学材料发展概况 6 mOm_a9ML  
1．4 液晶材料及液晶显示器 12 AG?cI@',  
1．4．1 液晶材料及其分类 12 h$3o]~t  
1．4．2 常用液晶显示器件的基本结构和工作原理 16 f'501MJu  
1．4．3 STN-LCD技术 27 };{V]f 0  
1．4．4 液晶光阀技术 32 Lh eOGM  
1．4．5 硅上液晶（LCoS）反射式显示器 36 wQ!C9Gp3e  
1．4．6 光计算用SLM 38 <OF2\#Nh  
1．5 电光源和光电探测器 38 _`'VOY`o  
1．5．1 电光源 38 [N]5)n  
1．5．2 激光器 41 iKs @oHW  
1．5．3 光电导探测器 48 PtP{_9%Dz  
1．5．4 光伏探测器 49 F\LAw#IJ  
1．5．5 位敏探测器 53 j0^%1  
1．5．6 阵列型光电探测器 56 prJ]uH,  
1．6 波像差像质评价基础知识 59 3QNu7oo  
1．6．1 光学系统像差的坐标及符号规则 59 ']]Czze  
1．6．2 无像差成像概念和完善镜头聚焦衍射模式 60 9eG{"0)  
参考文献 63 :xqhPr]e  
第2章 光学非球面的应用 67 ,ddoI
I  
2．1 概述 67 _Z9H
Ol@  
2．2 非球面曲面方程 67 aNd6#yU$  
2．2．1 旋转对称的非球面方程 67 ddR*&.Y!a  
2．2．2 圆锥曲线的意义 68 LBO3){=J  
2．2．3 其他常见非球面方程 70 ~< ~PaP$=\  
2．2．4 非球面的法线和曲率 71 (6b*
JQ^^  
2．3 非球面的初级像差 71 ^g^R[8  
2．3．1 波像差及其与垂轴像差的关系 71 &~9'7 n!  
2．3．2 非球面的初级像差 73 zn!H&!8&  
2．3．3 折射锥面轴上物点波像差 75 .K I6<k/  
2．3．4 折射锥面轴外物点波像差 76 'E_M,Y  
2．4 微振（perturbed）光学系统的初级像差计算 77 dXwfOC\\  
2．4．1 偏心（decentered）光学面 78 VTM*=5|c  
2．4．2 光学面的倾斜 80 zVeQKN
9^Z  
2．4．3 间隔失调（despace）面 81 : T` Ni  
2．5 两镜系统的理论基础 82 G)<NzZo  
2．5．1 两镜系统的基本结构形式 82 AcRrk  
2．5．2 单色像差的表示式 82 $@WqM$  
2．5．3 消像差条件式 84 hDPZj#(c  
2．5．4 常用的两镜系统 85 `;X~$uS  
2．6 二次圆锥曲面及其衍生高次项曲面 86 }bkQr)us  
2．6．1 消球差的等光程折射非球面 86 V?_:-!NJ(  
2．6．2 经典卡塞格林系统 87 l:' 0  
2．6．3 格里高里系统 88 Q:nBx[%  
2．6．4 只消球差的其他特种情况 88 k&oq6!ix  
2．6．5 R-C（Ritchey-Chrétien）系统及马克苏托夫系统 89 NOzAk%s3I  
2．6．6 等晕系统的特殊情况 90 H@-txO1`::  
2．6．7 库特（Cuder）系统及同心系统 91 kMJf!%L(  
2．6．8 史瓦希尔德（Schwarzschield）系统 92 ^v5v7\!  
2．6．9 一个消四种初级像差 的系统 93 A@:h
\<  
2．6．10 无焦系统 93 8
:D|[u;iG  
2．7 两镜系统的具体设计过程 93 i\h"N K  
2．7．1 R-C系统的设计 93 [Un~]E.'J  
2．7．2 格里高里系统与卡塞格林系统 94 `lI(SS]w  
2．8 施密特光学系统设计 95 q4Rvr[  
2．8．1 施密特光学系统的初级像差 95 /"Z6\T9  
2．8．2 施密特校正器的精确计算法 98 /y2)<{{I  
2．9 三反射镜系统设计示例 99 q:iB}ch5R  
2．9．1 设计原则 99 9n\b
!*x  
2．9．2 设计过程分析 100 utH/E7^8  
2．9．3 设计示例 101 G6*P]<  
参考文献 103 !L|}/u3v  
第3章 衍射光学元件 105 8ch^e[U`  
3．1 概述 105 [unK5l4_!  
3．1．1 菲涅耳圆孔衍射――菲涅耳波带法 106 zYCS K~-GW  
3．1．2 菲涅耳圆孔衍射的特点 108 vOF"p4 ^3  
3．1．3 菲涅耳圆屏衍射 109 0`=>/Wr39  
3．2 波带片 110 'MWu2L!F  
3．2．1 菲涅耳波带片 110 ff{L=uj  
3．2．2 相位型菲涅耳波带片 112 uT\|jv,  
3．2．3 条形或方形波带片 113 \vKKq/f  
3．3 衍射光学器件衍射效率 113 ~4T:v_Q7g  
3．3．1 锯齿形一维相位光栅的衍射效率 113 CC,f*I  
3．3．2 台阶状（二元光学）相位光栅的衍射效率及其计算 114 f+WN=-F\  
3．4 通过衍射面的光线光路计算 115 r2h{#2  
3．5 衍射光学系统初级像差 118 vV
(?A  
3．5．1 衍射光学透镜的单色初级像差特性 118 YA?46[:  
3．5．2 折衍混合成像系统中衍射结构的高折射率模型及PWC描述 121 ktEdbALK  
3．5．3 P∞、W∞、C与折衍混合单透镜结构的函数关系 122 t_Q\uo}  
3．6 折衍光学透镜的色散性质及色差的校正 123 !e<D2><^  
3．6．1 折衍光学透镜的等效阿贝数ν 123 REK(^1 h  
3．6．2 用DOL实现消色差 124 &/\Q6$a  
3．6．3 折衍光学透镜的部分色散及二级光谱的校正 125 Kw/7X[|'G  
3．7 衍射透镜的热变形特性 127 oh?@[U  
3．7．1 光热膨胀系数 127 j0X Jf<  
3．7．2 消热变形光学系统的设计 129  K}OY!|  
3．7．3 折衍混合系统消热差系统设计示例 130 X~o6Xkg  
3．8 衍射面的相位分布函数 132 N4L#$\M  
3．8．1 用于平衡像差的衍射面的相位分布函数 132 Y8s.Q  
3．8．2 用于平衡热像差的衍射面的相位分布函数 133 A.8[FkiNmD  
3．9 多层衍射光学元件（multi-layer diffractive optical elements） 133 #a$k3C  
3．9．1 多层衍射光学元件的理论分析 134 3hD
\6,@  
3．9．2 多层衍射光学元件的结构 134 w>TlM*3D/  
3．9．3 多层衍射光学元件材料的选择 134 (X{o =co,  
3．9．4 多层衍射光学元件的衍射效率 135 wf,B/[,d  
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 ?as1^~  
3．10 谐衍射透镜（HDL）及其成像特点 137 i(9 5=t(  
3．10．1 谐衍射透镜 137 Y}n$s/O:u8  
3．10．2 谐衍射透镜的特点 137 t ;-U   
3．10．3 单片谐衍射透镜成像 138 @OB7TI_/
 
3．10．4 谐衍射/折射太赫兹多波段成像系统设计示例 139 5Z<y
||=  
3．11 衍射光学轴锥镜（简称衍射轴锥镜） 143 E3~Wyfd7  
3．11．1 衍射轴锥镜 143 .7`c(9<  
3．11．2 设计原理和方法 144 0Mo?9??  
参考文献 150 %b1NlzB+  
第4章 非对称光学系统像差理论 153 3~ptD5@WF  
4．1 波像差与Zernike多项式概述 153 h1U8z)D#   
4．1．1 波前像差理论概述 153 @
5,Xr`]  
4．1．2 角向、横向和纵向像差 154 02F\1fXS  
4．1．3 Seidel像差的波前像差表示 155 9sId2py]W  
4．1．4 泽尼克（Zernike）多项式 162 vMHJgpd&j  
4．1．5 条纹（fringe）Zernike系数 164 ],l}J'.8<V  
4．1．6 波前像差的综合评价指标 165 6!|/(~  
4．1．7 色差 167 i^Ip+J+[  
4．1．8 典型光学元件的像差特性 167 )wb&kug-  
4．2 非对称旋转成像光学系统中像差理论 174 B]lM69Hz  
4．2．1 重要概念简介 174 3[UB3F4K  
4．2．2 倾斜非球面光学面处理 176 '[zy%<2sL  
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 AEw~LF2w  
4．2．4 OAR的参数化 179 6|@\\\l  
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 ej;\a:JL  
4．2．6 基于实际光线计算单个面的像差场中心 182 <fm<UO,%  
4．2．7 失调光学系统的波像差表示式 183 h3YWqSj  
4．2．8 举例：LCS近轴计算与其实际光线等价计算的比较 185 Pe`eF(J  
4．3 近圆光瞳非对称光学系统三级像差的描述 187 py':UQS*q  
4．3．1 光学系统的像差场为各个面的贡献之和 187 vdFP ^06  
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 *f*o ,~8V1  
4．3．3 节点像差场 191
%-Oo92tP  
4．3．4 波前误差以及光线的横向像差 194 $OP w$  
4．3．5 非对称光学系统中的三级畸变 195 D"vl$BX  
4．4 非旋转对称光学系统的多节点五级像差：球差 197 @@pI>~#zh  
4．4．1 非旋转对称光学系统像差概述 197 8Rric[v  
4．4．2 非旋转对称光学系统的五级像差 198 }M|,Z'@*  
4．4．3 五级像差的特征节点行为：球差族包括的各项 199 T@?uA*J  
参考文献 203 tvEf-z  
第5章 光学自由曲面的应用 205  jT$  
5．1 光学自由曲面概述 205 [39  
5．2 参数曲线和曲面 206 (O`2$~mIM  
5．2．1 曲线和曲面的参数表示 206 cd3;uB4\,  
5．2．2 参数曲线的代数和几何形式 210 Pu`;B  
5．3 Bézier曲线与曲面 212 ;UPI%DnE]  
5．3．1 Bézier曲线的数学描述和性质 212 T8US` MZ  
5．3．2 Bézier曲面 215 -8%[7Z]  
5．4 B样条（B-spline）曲线与曲面 217 Qs #7<NQ  
5．4．1 B样条曲线的数学描述和性质 217 EpdSsfDP  
5．4．2 B样条曲线的性质 219 C/{%f,rU  
5．4．3 B样条曲面的表示 220 LmjzH@3  
5．5 双三次均匀B样条曲面 221 ;Svs|]d  
5．5．1 B 样条曲面 221 %7[Z/U=  
5．5．2 双三次均匀B样条曲面的矩阵公式 223 s+7#Tdh
A  
5．6 非均匀有理B样条（NURBS）曲线与曲面 224 !W48sZr1&  
5．6．1 NURBS曲线与曲面 224 .{-C*  
5．6．2 NURBS曲线的定义 224 d>k"#|  
5．6．3 NURBS表示 226 tO8<N'TD  
5．6．4 非均匀有理B样条曲面 228 WcZck{ehd  
5．7 Coons曲面 229 VqBb=1r%o7  
5．7．1 基本概念 229 >u/ T`$  
5．7．2 双线性Coons曲面 230 =1e>$E
#  
5．7．3 双三次Coons曲面 231 #57D10j  
5．8 自由曲面棱镜光学系统 232 0hoi=W6AQ  
5．8．1 自由曲面棱镜概述 232 $9PscubM4  
5．8．2 矢量像差理论及初始结构确定方法 233 J<27w3bs~p  
5．8．3 自由曲面棱镜设计 236 jFPD SR5  
5．8．4 用光学设计软件设计含自由曲面的光学系统 238 j" ~gEGfK  
参考文献 239 m0[JiwPI  
第6章 共形光学系统 241 d"~-D;  
6．1 概述 241 o3kVcX^  
6．1．1 共形光学系统的一般要求 241 }MCJ$=5  
6．1．2 共形光学系统的主要参量 244 %D $+Z(  
6．1．3 共形光学系统中的像差校正 250 /j(3 ~%]o4  
6．1．4 共形光学系统实际应用须考虑的问题 252 p0bMgP  
6．2 椭球整流罩的几何特性及消像差条件在共形光学系统中的应用 253 }3
5HKgqX  
6．2．1 椭球面几何特性分析 253 T/Fj0'  
6．2．2 椭球整流罩的几何特性 256 1_V',0|`>  
6．2．3 利用矢量像差理论分析椭球整流罩结构的像差特性 258 %5rC`9^  
6．3 基于Wassermann-Wolf方程的共形光学系统设计 259 0k):OVfm=  
6．3．1 共形光学系统解决像差动态变化的方法概述 259 KoF_G[m  
6．3．2 共形光学系统的像差分析 260 n[tES6u  
6．3．3 Wassermann-Wolf非球面理论 261 LqcHsUFj  
6．3．4 利用Wassermann-Wolf原理设计共形光学系统 265 Xn3 \a81  
6．4 折/反射椭球形整流罩光学系统的设计 268 qdY*y&}"J  
6．4．1 折/反射椭球形整流罩光学系统的设计原则 269 *fg|HH+i  
6．4．2 椭球形整流罩像差分析 269 ,3p$Z  
6．4．3 两镜校正系统初始结构设计原理 269 hJkF-yW  
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 9n!IdqKN  
6．4．5 设计结果 275 \$[; d:9j  
6．5 共形光学系统的动态像差校正技术 276 YfZ96C[a  
6．5．1 共形光学系统的固定校正器 276 DVLF8]
5  
6．5．2 弧形校正器 278 ;rjd?r  
6．5．3 基于轴向移动柱面―泽尼克校正元件的动态像差校正技术 280 ,d~6LXr<fM  
6．6 二元光学元件在椭球整流罩导引头光学系统中的应用 283 D N#OLk  
6．6．1 二元光学元件的光学特性 284 ON q=bI*  
6．6．2 二元衍射光学元件在椭球形整流罩导引头光学系统中的应用 286 VyWPg7}e  
6．6．3 利用衍/射光学元件进行共形整流罩像差校正的研究 288 3Sh#7"K3  
6．6．4 折/衍混合消热差共形光学系统的设计 291 m%[`NP (  
6．7 利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计 295 l.@&B@5F  
6．7．1 自由曲面进行微变焦共形光学系统的特点 295 H){lXR/#u  
6．7．2 利用自由曲面的像差校正方法 295 '3eL^Aq  
6．8 基于实际光线追迹的共形光学系统设计概述 298 N&K`bmtD  
6．8．1 实际光线追迹设计方法可在共形光学系统整个观察视场内得到较好像质 298 Trz41g  
6．8．2 实际光线追迹方法概述 299 ~ u',Way  
参考文献 302 vpL3XYs`  
第7章 非成像光学系统 308 X\ bXat+  
7．1 引言 308 c D0-g=&   
7．1．1 太阳能热发电技术简介 308 >2[nTfS  
7．1．2 太阳能光伏发电 311 f\]spl
L  
7．1．3 照明非成像光学 312 9Atnnx]n  
7．2 非成像光学概述 314 5ON\Ve_H  
7．2．1 非成像会聚器特性 314 .sE5QRVc  
7．2．2 光学扩展不变量 314 Z@d(0 z  
7．2．3 会聚度的定义 315 Qqn9nO9  
7．3 会聚器理论中的一些几何光学概念 316
Z(0sMOaX  
7．3．1 光学扩展量的几何光学概念 316 4ht+u  
7．3．2 在成像光学系统中像差对会聚度的影响 317 3qNLosm#M  
7．3．3 光学扩展量（拉氏不变量）和相空间的广义概念 318 7v{s?h->$  
7．3．4 斜不变量 320 TeXt'G=M  
7．4 非成像光学的边缘光线原理 322 GRq0nhJ  
7．4．1 边缘光线原理 322 KCc7u8   
7．4．2 边缘光线原理应用――“拉线”方法 322 zc#$hIi  
7．5 复合抛物面会聚器（CPC） 324 " _{o}
8L  
7．5．1 光锥会聚器 324 d@aPhzLu  
7．5．2 复合抛物面会聚器（CPC）概述 324 "B"Yfg[  
7．5．3 复合抛物面会聚器的性质 326 8\])p sb9  
7．5．4 增加复合抛物面会聚器的最大会聚角 328 T**v!Ls  
7．6 同步多曲面设计方法 331 `Eq~W@';Q0  
7．6．1 SMS方法设计会聚器概述 331 ?Ja&LNI9S  
7．6．2 一个非成像透镜的设计：RR会聚器 332 ^p}|""\j  
7．6．3 XR会聚器 335 /.>
8e%)  
7．6．4 RX会聚器 337 VsR8|Hn$  
7．7 XX类会聚器 340 m.EIMuj  
7．7．1 XX类会聚器的原理 340 _&xi})E^O]  
7．7．2 RX1会聚器 341 ] lONi  
7．7．3 RX1会聚器的三维分析 341 5zk^zn)  
7．8 非成像光学用于LED照明 343 v"3($?au0  
7．8．1 边缘光线扩展度守恒原理和控制网格算法 344 l Taw6;  
7．8．2 LED的非成像光学系统设计实例 346 C0v1x=(xiM  
7．8．3 大范围照明光源设计（二维给定光分布设计） 347 b`yb{& ,?  
7．9 非成像光学用于LED均匀照明的自由曲面透镜 348 Lw_s'QNWR  
7．9．1 均匀照明的自由曲面透镜概述 348 j$ h>CZZ  
7．9．2 LED浸没式自由曲面透镜设计方法 349 A$Tp0v`t  
7．9．3 设计示例 351 k?7V#QW(  
参考文献 353 <)am]+Lswy  
第8章 光电光学系统中紧凑型照相光学系统设计 356 op5G}QZ  
8．1 概述 356 s.qo
/o\b  
8．1．1 数码相机的组成 356 glo Y@k~  
8．1．2 数码相机中图像传感器CCD和CMOS的比较 357 ) u Sg;B4  
8．1．3 数码相机的分类 359 Pua|Z x  
8．1．4 数码相机的光学性能 364 ]~!?(d!J/  
8．1．5 数码相机镜头的分类和特点 365 {Z!x]}{M  
8．2 数码相机镜头设计示例 367 ?=#vp /  
8．2．1 球面定焦距镜头设计示例 367 s.]<r5v7  
8．2．2 非球面定焦距镜头设计示例 370 DITo.PU  
8．3 变焦距镜头设计示例 372 3 jRI@  
8．3．1 变焦透镜组原理 373 SSo7 U  
8．3．2 非球面变倍镜头初始数据 373 p;0p!~F=49  
8．3．3 折叠式（潜望式）变焦镜头示例 376 mJN*DP{  
8．4 手机照相光学系统 378 rO3.%B}  
8．4．1 手机照相光学系统概述 378 7uq/C#N  
8．4．2 两片型非球面手机物镜设计示例 379 *3Qwmom  
8．4．3 三片型手机物镜设计 382 t]14bf$*Q  
8．5 手机镜头新技术概述 385 =R6IW,*  
8．5．1 自由曲面在手机镜头中的应用 385 R q |,@  
8．5．2 液体镜头 385 Ql8s7%  
8．6 鱼眼镜头概述 388 kVeR{i<*(  
8．6．1 鱼眼镜头是“仿生学的示例” 388 u(W+hdTap=  
8．6．2 鱼眼镜头基本结构的像差校正 390 [~&yLccN  
8．6．3 鱼眼镜头基本光学结构的演变 391 (2uF<$7(  
8．6．4 鱼眼镜头的发展 391  oo4aw1d  
8．6．5 鱼眼镜头的光学性能 393 8gn12._x  
8．6．6 光阑球差与入瞳位置的确定 396 ~H4wsa39  
8．6．7 光阑彗差与像差渐晕 398 M%(^GdI#Vf  
8．6．8 鱼眼镜头示例与投影方式比较 399 "\`>Ll  
参考文献 402 E>I\m!ue  
第9章 光学系统焦深的扩展与衍射极限的突破 405 UYw=i4J'  
9．1 概述 405 ~;S  
9．1．1 扩展焦深概述 405 -g\;B  
9．1．2 超衍射极限近场显微术概述 409 "&Rt&S  
9．1．3 远场超分辨成像 418 sFbN)Cx  
9．2 光学成像系统景深的延拓 420 ZULnS*V;5  
9．2．1 景深延拓概述 420 ?DrA@;IB  
9．2．2 延拓景深的方形孔径相位模板 425 JEh(A=Eu>  
9．2．3 增大景深的圆对称相位模板 438 dtx3;d<NsJ  
9．3 多环分区圆对称相位模板设计 442 kJ[r.)HU  
9．3．1 多环分区圆对称相位模板的概念 442 {16]8-pe  
9．3．2 多环分区圆对称相位模板对应系统的特性 448 ? dh  
9．3．3 圆对称相位模板成像系统的优缺点 450 AC&)FY
  
9．3．4 初级像差的影响以及延拓景深图像的复原 451 ;1AXu/  
9．3．5 延拓景深相位模板系统的图像复原与其光学成像系统的光学设计 456 -\[H>)z]RB  
9．3．6 延拓景深光学成像系统的光学设计 460 $+  
9．4 轴锥镜（axicon）扩展焦深 468 r\T'_wo  
9．4．1 轴锥镜 468 %5$)w;p.$'  
9．4．2 小焦斑长焦深激光焦点的衍射轴锥镜的设计 476 /N9ct4 {^  
9．5 近场光学与近场光学显微镜 478 m"/ o4  
9．5．1 近场光学概念 478 Aw$+Ew[8 2  
9．5．2 近场扫描光学显微镜（NSOM） 482 Lvd es.0|  
9．6 扫描探针显微镜 488 q5xF~SQGw2  
9．6．1 与隧道效应有关的显微镜 489 w<&R|= 93  
9．6．2 原子力显微镜（AFM） 491 Lm3~< vP1e  
9．6．3 扫描力显微镜（SFM） 495 ^V7'
S<  
9．6．4 检测材料不同组分的SFM技术 498 z3Zo64V~7  
9．6．5 光子扫描隧道显微镜（PSTM） 499 g^: &D
h  
9．7 原子力显微镜 504 zvbO q  
9．7．1 原子力显微镜的基本组成 504 G_]zymXQ  
9．7．2 近场力 505 c> 0R_  
9．7．3 微悬臂力学 507 ,n3e8qd  
9．7．4 AFM探测器信号 508 x/dyb.  
9．7．5 原子力显微镜的测量模式 509 ^).  
9．7．6 原子力显微镜检测成像技术 512 Qg]+&8!*  
9．7．7 AFM的优点和正在改进之处 513 p|+TgOYOc  
9．7．8 电力显微镜（EFM） 513 '\M]$`Et  
9．8 远场超高分辨率显微术 516 alH6~  
9．8．1 远场超高分辨率显微术概述 516 ?[<#>,W  
9．8．2 4Pi显微镜 517 cDIZkni=  
9．8．3 3D随机光学重建显微镜（STORM） 519 FDal;T  
9．8．4 平面光显微镜（SPIM）基本原理 520 +Ly@5y"  
9．8．5 福斯特共振能量转移显微镜（FRETM） 521 Ge7Uety  
9．8．6 全内反射荧光显微镜（TIRFM） 522 Vbv)C3ezD  
9．9 衍射光学组件用于扫描双光子显微镜的景深扩展 524 HA74s':FN  
9．9．1 远场超分辨显微镜扩展焦深概述 524 *7o@HBbF  
9．9．2 扩展焦深显微光学系统设计 525 p"
"\uG'  
9．9．3 扫描双光子显微成像系统的扩展景深实验 528 T5Iz{Ha  
参考文献 532 H/U.Bg 4  
第10章 自适应光学技术应用概述 542 $p|Im,  
10．1 引言 542 s}F.D^^G  
10．1．1 自适应光学技术的发展 542 m6uFmU*<M}  
10．1．2 自适应光学系统 544 OcLahz6  
10．1．3 自适应光学应用技术 545 "H#pN;)+  
10．1．4 自适应光学在相控阵系统中的应用 547 *,|x p  
10．1．5 高能激光相控阵系统简介 549 [/o BjiBA  
10．2 自适应光学系统原理 553 iNr&;  
10．2．1 自适应光学概念 553 H'+3
<t>  
10．2．2 共光路/共模块自适应光学原理及衍生光路 557 lVCnu>8  
10．3 自适应光学系统的基本组成原理和应用 569 q|V|Jl  
10．3．1 波前传感器 569 =o4gW`\z  
10．3．2 波前校正器 578 WjguM  
10．3．3 波前控制器及控制算法 584 ,rV;T";r  
10．3．4 激光导星原理及系统 589 L*OG2liJ  
10．4 天文望远镜及其自适应光学系统 601 8*;>:g  
10．4．1 2．16 m望远镜及其自适应光学系统 601 2@W`OW Njm  
10．4．2 37单元自适应光学系统 608 EU7nS3K)O~  
10．4．3 1．2 m望远镜61单元自适应光学系统 612 EW`3$J;  
10．5 锁相光纤准直器的自适应阵列实验系统 620 R"j<C13;%  
10．5．1 概述 620 T|,/C|L  
10．5．2 光纤准直器的自适应阵列中的反馈控制 626 w75Ro6y  
10．6 阵列光束优化式自适应光学的原理与算法 631 )t((x  
10．6．1 光学相控阵技术基本概念 631 VTU(C&"S  
10．6．2 优化算法自适应光学 633 aJ@lT&.  
10．6．3 阵列光束优化式自适应光学的原理与发展 634 *j(UAVp  
10．6．4 阵列光束优化式自适应光学算法 635 fZoQQ[s  
10．7 自适应光学技术在自由空间光通信中的应用 642 zm8k,e +5-  
10．7．1 自由空间光通信概述 642 g&{CEfw&  
10．7．2 自由空间光通信系统概述 643 a6@k*9D>  
10．7．3 一些自由空间光通信的示例 649 "~S2XcR[ E  
10．7．4 自适应光学结合脉冲位置调制（PPM）改善光通信性能 653 BiDyr  
10．7．5 无波前传感自适应光学（AO）系统 656 #&ei  
10．8 自由空间激光通信终端系统原理 659 \H&;.??W  
10．8．1 终端系统结构和工作原理 659 Lr9E02  
10．8．2 激光收发子系统 660 k!bG![Ie|  
10．8．3 捕获跟踪瞄准（ATP）子系统 662 I@5$<SN  
10．8．4 光学平台子系统 662 1]9l SE!E7  
10．8．5 卫星终端系统概述 666 :|8!w  
10．8．6 基于自适应光学技术的星载终端光学系统方案示例 673 ;66{S'*[  
10．9 自适应光学技术的其他典型应用举例 675 *pDS%,$xe  
10．9．1 自适应光学技术在惯性约束聚变技术中的应用概述 675 $&!|G-0'  
10．9．2 自适应光学用于月球激光测距 679 #l
h' !  
10．9．3 自适应光学系统在战术激光武器中的应用简介 682 3,EtyJ3[Bh  
10．9．4 自适应光学在医学眼科成像中的应用 689 -BSO$'{7  
参考文献 696 cY Qm8TR<  
第11章 微纳投影光刻技术导论 711 Nv|0Z'M  
11．1 引言 711 F("|SOhc  
11．2 光刻离轴照明技术 717 M2;6Cz>,P  
11．3 投影光刻掩模误差补偿 721 q6b&b^r+H  
11．4 投影光刻相移掩模 728 4 L 5$=V  
11．5 电子投影光刻（EPL） 735 _Fn`G.r<  
11．6 离子束曝光技术 750 :wEy""*N0  
11．7 纳米压印光刻（NIL）技术 754 f$5\ b[O
 
参考文献 761 VoQhzp6&  
第12章 投影光刻物镜 769 ]q"y P0  
12．1 概述 769 Yg}b%u,Q  
12．1．1 光刻技术简介 769
Z +O<IF%  
12．1．2 提高光刻机性能的关键技术 769 @iMF&\KC  
12．1．3 ArF光刻机研发进展 771 kkW}:dBl  
12．1．4 下一代光刻技术的研究进展 772 9-vQn/O^D  
12．2 投影光刻物镜的光学参量 772 oIQ$98M  
12．2．1 投影光刻物镜的光学特征 772 Q,Y^9g"B`~  
12．2．2 工作波长与光学材料 774 >^
IUS8v  
12．3 投影光刻物镜结构形式 784 I-=Ieq"R9  
12．3．1 折射式投影物镜结构形式 784 !]5V{3  
12．3．2 折射式光刻投影物镜 785 52
NI{"  
12．3．3 深紫外（DUV）投影光刻物镜设计要求 786
LM 1Vsh<  
12．3．4 深紫外（DUV）非球面的投影光刻物镜 786 4CtWEq  
12．3．5 光阑移动对投影光刻物镜尺寸的影响 787 |lk:(~DM  
12．4 光刻物镜的像质评价 788 pe>?m^gz[  
12．4．1 波像差与分辨率 788 7F_N{avr  
12．4．2 基于Zernike多项式的波像差分解 791 ?G<?:/CU  
12．4．3 条纹Zernike多项式的不足与扩展 794 f@$kK?c?  
12．5 运动学安装机理与物镜像质精修 795 gX$gUB) x  
12．5．1 运动学安装机理 795 $~j9{*
]5  
12．5．2 物镜像质精修 796 4#.Q|vyl]"  
12．5．3 投影光刻物镜的像质补偿 796 ]vPdj"7  
12．6 进一步扩展NA 801 g_!xD;0  
12．6．1 用Rayleigh公式中的因子扩展NA 801 mxu!$wx  
12．6．2 非球面的引入 802 ic4hO>p&  
12．6．3 反射光学元件的引入 802 zD<8.AIGC  
12．6．4 两次曝光或两次图形曝光技术 803 
:6&#u.\u  
12．7 浸没式光刻技术 803 :t;i2Ck  
12．7．1 浸没式光刻的原理 803 /{
/mwS"W  
12．7．2 浸没液体 804 @,}tY ?>a  
12．7．3 浸没式大数值孔径投影光刻物镜 805 +JM@kdE5b  
12．7．4 偏振光照明 806 Ra6}<
o  
12．7．5 投影光刻物镜的将来趋势 808 U_.}V  
12．8 极紫外（EUV）光刻系统 810 `Q/\w1-Q  
12．8．1 极紫外（EUV）光源 810 .JJ50p  
12．8．2 EUVL（extreme ultraviolet lithography）投影光刻系统的主要技术要求 813 f! )yE`4-  
12．8．3 两镜EUV投影光刻物镜 815 cct/mX2&~  
12．8．4 ETS 4镜原型机 819 SSyARR+;c  
12．9 EUVL6镜投影光学系统设计 820 Zz]/4 4t  
12．9．1 非球面6镜投影光学系统结构 820 ITEf Q@#jU  
12．9．2 分组设计法――渐进式优化设计6片（22 nm技术节点） +EqL|  
反射式非球面投影光刻物镜 821 \rg;xZa5  
12．9．3 EUVL照明系统设计要求 825
B/^o$i  
12．10 鞍点构建方法用于光刻物镜设计 827 :zvAlt'q=  
12．10．1 构建鞍点的价值函数的基本性质 827 IS`ADDU[S  
12．10．2 鞍点构建 828 c/:k|x  
12．10．3 DUV光刻物镜的枢纽 830 HD1/1?y!@q  
12．10．4 深紫外（DUV）光刻物镜设计举例 832 |5&7;;$  
12．10．5 用鞍点构建方法设计EUV投影光刻系统 835 q}0I`$MU  
12．10．6 极紫外（EUV）光刻物镜举例 836 iel@"E 4  
12．10．7 鞍点构建设计方法中加入非球面设计概述 837 !&`\MD>;~R  
参考文献 840 c,M"a  
第13章 表面等离子体纳米光子学应用 850  B@*!>R  
13．1 表面等离子体概述 850 }RYPr  
13．1．1 表面等离子体相关概念 850 Ts|;5ya5m  
13．1．2 表面等离子体激发方式 852 yF_/.mI  
13．2 SPP产生条件和色散关系 854 -j:yEZ4Oy  
13．2．1 电荷密度波（CWD）与激发SPP的条件 854 )K`tnb.Pf  
13．2．2 介电质/金属结构中典型的SPP色散曲线 856 AxF$7J(  
13．3 SPP的特征长度 858 rusYNb1J  
13．3．1 概述 858 QFoCi&  
13．3．2 SPP的波长λSPP 859 
6D`.v@  
13．3．3 SPP的传播距离δSPP 860 JsMN_%y?  
13．3．4 实验 862 }
W[=O:p  
13．3．5 SPP场的穿透深度δd和δm 863 OsVz[wN  
13．4 SPP的透射增强 864 J4z&J SY  
13．4．1 透射增强 864 s8qpK; O  
13．4．2 围绕单孔的同心环槽状结构 865 \" m&WFm  
13．4．3 平行于单狭缝的对称线性槽阵列 866 '<*%<J{(  
13．5 突破衍射极限的超高分辨率成像和银超透镜的超衍射极限成像 867 ,^<39ng  
13．5．1 超透镜的构成 867 <X
5ge>.  
13．5．2 银超透镜 868 Asq&Z$bB_  
13．5．3 银超透镜成像实验 869 v6E5#pse8  
13．6 SPP纳米光刻技术 870 zy8+~\a+Y&  
13．6．1 表面等离子体共振干涉纳米光刻技术 870 =NnG[#n%  
13．6．2 基于背面曝光的无掩模表面等离子体激元干涉光刻 871 qSD3]Dv"  
13．6．3 在纳米球―金属表面系统中激发间隙模式用于亚30 nm表面等离子体激元光刻 873 Ir*{IV
vej  
13．6．4 用介电质―金属多层结构等离子体干涉光刻 875 gw%L M7yQR  
13．7 高分辨率并行写入无掩模等离子体光刻 879 
a
1[J>  
13．7．1 无掩模等离子体光刻概述 879 yJlRW!@&:  
13．7．2 传播等离子体（PSP）和局域等离子体（LSP） 879 UlKg2p  
13．7．3 纳米等离子体光刻渐进式多阶聚焦方案 880 "A5z!6T{  
参考文献 885 jqTK7b  
第14章 干涉技术与光电系统 892 d>c`hQ(V  
14．1 概述 892 i }Zz[b  
14．1．1 经典干涉理论 892 kho0@o+'^  
14．1．2 光的相干性 893 %|f@WxNrU  
14．1．3 常用的激光器及其相干性 894 HqV4!o9'  
14．2 传统干涉仪的光学结构 897 8493O x4 O  
14．2．1 迈克尔逊（Michelson）干涉仪 897 0AoWw-H6V  
14．2．2 斐索（Fizeau）干涉仪 898 J~ +p7S  
14．2．3 泰曼-格林（Twyman-Green）干涉仪 899
Ad>@8^  
14．2．4 雅敏（Jamin）干涉仪 900 *YX:e@Fm.a  
14．2．5 马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪 901 KZaiy*
>)  
14．3 激光干涉仪的光学结构 901 nrXKS&6  
14．3．1 激光偏振干涉仪 902 F&3:]1  
14．3．2 激光外差干涉仪 904 =)N6R  
14．3．3 半导体激光干涉仪光学系统 906 9(_n8br1  
14．3．4 激光光栅干涉仪光学系统 907 g:p`.KuB  
14．3．5 激光多波长干涉仪 912 [D?d~pB  
14．3．6 红外激光干涉仪 916 V>UlL&V  
14．3．7 双频激光干涉仪 919 8= 82x
 
14．4 波面与波形干涉系统光学结构 921 >fkV65w{*  
14．4．1 棱镜透镜干涉仪光学系统 922 {~(XO@;b  
14．4．2 波前剪切干涉仪 923 D`.\c#;cN  
14．4．3 三光束干涉仪与多光束干涉仪 926 hAP2DeT$  
14．4．4 数字波面干涉系统 928 $YJi]:3&  
14．4．5 锥度的干涉测量光学结构 930 |RqCI9N6  
14．5 表面微观形貌的干涉测量系统 931 Ys?0hd<cn  
14．5．1 相移干涉仪光学结构 931 0Jd>V  
14．5．2 锁相干涉仪光学结构 931 z U*Mk  
14．5．3 干涉显微系统光学结构 933 4<5*HpW  
14．5．4 双焦干涉显微镜光学结构 936 9+.3GRt7  
14．6 亚纳米检测干涉光学系统 937 #!_ViG )2^  
14．6．1 零差检测干涉系统 937 qDfhR`1k  
14．6．2 外差检测干涉系统 939 (l(d0g&p>  
14．6．3 自混频检测系统 940 Z-" NLwt[  
14．6．4 自适应检测系统 942 o4L
VG  
14．7 X射线干涉仪系统光学结构 943 L&]{GNw  
14．7．1 X射线干涉仪的特点 943 }/IP\1bG  
14．7．2 X射线干涉仪的原理 944 nf:wJ-;*  
14．7．3 X射线干涉仪的应用 944 {?A/1q4rr  
14．8 瞬态光电干涉系统 945 e"p){)*$  
14．8．1 瞬态干涉光源 945 -b?s\X  
14．8．2 序列脉冲激光的高速记录 946 E5*pD*#  
14．9 数字全息干涉仪光学结构 948 ltkA7dUbu  
14．10 光纤干涉光学系统 952 fl4'dv  
14．10．1 光纤干涉基本原理 952 e<~bDFH  
14．10．2 光纤干涉光学系统结构 952 1:u~T@;" `  
14．10．3 Sagnac干涉仪：光纤陀螺仪和激光陀螺仪 957 gh `_{l  
14．10．4 微分干涉仪光学结构 959 ,Hp7`I>/  
14．10．5 全保偏光纤迈克尔逊干涉仪光学结构 961 SaRn>n\
 
14．10．6 三光束光纤干涉仪光学结构 962 (&_^1  
14．10．7 全光纤白光干涉仪光学结构 963 1&Mpx!K*T  
14．10．8 相位解调技术 965 Wrt5eYy  
参考文献 969 SK*<H~2  
第15章 光电光谱仪与分光光学系统设计 972 0[8uuqV[cB  
15．1 光谱与光谱分析概述 972 O >@Q>Z8W?  
15．1．1 光谱的形成和特点 972 Fa{[kJ8z  
15．1．2 光谱仪器 975 'I>geW?{QK  
15．1．3 光谱分析 977 V,?])=Ax  
15．2 光电光谱仪器的色散系统 978 'mF&`BN}b  
15．2．1 棱镜系统 978 6J cXhlB`  
15．2．2 平面衍射光栅 983 @Yw42`>!s  
15．2．3 凹面衍射光栅 989 tCu.
Fc@  
15．2．4 阶梯光栅 992 eF4f7>5Cv  
15．3 光电光谱仪器的光学系统设计 993 a,n#E!zT?w  
15．3．1 常用的光谱仪器光学系统 993 U_UN& /f  
15．3．2 光谱仪器光学系统的初级像差 994 NZ+TTMv  
15．3．3 光谱仪器光学系统的像差校正 997 %"|W qxv  
15．3．4 反射式准直和成像系统的像差 998 6;M{suG|  
15．3．5 常用平面光栅装置类型 1001 gTdr  
15．3．6 凹面光栅光谱装置光学系统 1007 ~Ds3-#mMy  
15．4 典型光电光谱仪器光学系统设计 1008 xlc2,L;i  
15．4．1 摄谱仪和光电直读光谱仪光学系统设计 1008 z.tN<P7  
15．4．2 单色仪和分光光度计光学系统设计 1015 C[><m2T  
15．4．3 干涉光谱仪光学系统设计 1027 V~$?]Z%_  
15．5 激光光谱仪光学系统设计 1030 tK6=F63e  
15．5．1 激光光谱仪 1030 MaF4lFmS  
15．5．2 傅里叶变换光谱仪光学系统设计 1032 /HdjPxH  
15．5．3 光谱成像仪光学系统设计 1039 7IrH(~Fo  
参考文献 1042 :+8qtIytKX  
第16章 光波的偏振态及其应用 1043 0E@
*&Ru  
16．1 光波的偏振态 1043 +{%)}?F  
16．1．1 椭圆偏振电磁场 1044 HY(XI u  
16．1．2 线偏振和圆偏振电磁场 1045 Fnd_\`9{  
16．1．3 偏振光的描述 1046 z]&?}o  
16．1．4 偏振光的分解 1051 ^3QJv{)Q  
16．1．5 琼斯矩阵与穆勒矩阵（Mueller matrix） 1052 zT>BC}~.b  
16．2 偏振光学元件 1056 lnK#q.]  
16．2．1 偏振片 1056 %{?9#))  
16．2．2 偏振棱镜 1062 fGWXUJ
 
16．2．3 退偏器 1067 /*t H$\6*  
16．3 偏振棱镜设计与应用示例 1070 a.
a ,_  
16．3．1 偏振耦合测试系统中偏振棱镜的设计 1070 |FSp`P  
16．3．2 高透射比偏光棱镜 1073 WS%yV|e  
16．3．3 高功率YVO4晶体偏振棱镜 1075 *n6L3"cO  
16．4 相位延迟器 1077 7j
88^59  
16．4．1 相位延迟器概述 1077 d-z[=1m  
16．4．2 双折射型消色差相位延迟器 1078 ,E"n7*6mr  
16．4．3 全反射型消色差相位延迟器原理 1080 }L=Qp
=4  
16．5 偏振光学用于水下成像 1085 pm[+xM9PB  
16．5．1 斯托克斯（Stokes）矢量法 1085 E;An':j  
16．5．2 水下偏振图像采集光学系统的设计 1088 MSB/O.  
16．5．3 斯托克斯图像的测量方案 1091 NPDMv |4  
16．6 椭圆偏振薄膜测厚技术 1095 hS&.-5v  
16．6．1 薄膜测量方法概述 1095 :#D~j]pP  
16．6．2 椭偏测量技术的特点和原理 1096 B&<P>AZ  
16．6．3 椭偏测量系统类型 1097 rbl^ aik  
16．6．4 干涉式椭偏测量技术 1100 #7KR`H  
16．6．5 外差干涉椭圆偏振测量原理及光学系统 1102 Pc<0kQg  
16．6．6 外差椭偏测量仪 1106 /Pg)@*~  
16．7 基于斯托克斯矢量的偏振成像仪器 1109 RE1M4UV.  
16．7．1 斯托克斯矢量偏振成像仪器概述 1109 4um^7Ns)7  
16．7．2 多角度偏振辐射计 1114 z[y
  
16．8 共模抑制干涉及其应用 1118 '*Ld,`  
16．8．1 共模抑制干涉技术概述 1118 E'NS$,h  
16．8．2 偏振光在零差激光干涉仪中的应用 1122 G,<l}(tEG  
16．8．3 利用偏振干涉原理测量表面粗糙度的方法 1126 9'@G7*Yn  
16．8．4 光功率计分辨率对测量结果的影响 1130 vKfjP_0$  
16．8．5 在线测量表面粗糙度的共光路激光外差干涉仪 1132 ZT8LMPC  
参考文献 1134 F!p;]B  
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