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內容簡介

　　本書係統地闡述瞭經典光學原理的理論體係及現代光學技術的發展與應用，是在第1版的基礎上修訂而成的。本書由兩部分組成，上部分為幾何光學及典型光學係統，包括第1~4章，係統地介紹瞭光學發展簡史、幾何光學基本原理、光學係統的光闌及像差和典型光學儀器的基本原理。與第1版相比第3章增加瞭光闌的計算內容，通過定量計算，不但鞏固和加強瞭各種光闌的概念，而且充分銜接第4章中放大鏡、顯微鏡、望遠鏡的計算和應用。像差方麵重點修改瞭原來球差部分內容，增加瞭復閤透鏡消球差的具體例子、無球差齊明點及齊明透鏡等。下半部分為物理光學，包括第5~10章，其主要內容包括物理光學基礎、光波的乾涉、光的衍射、光的偏振與晶體光學基礎、傅裏葉光學及全息術以及光的度量、吸收、散射和色散等。
　　本教材參照教育部教學指導委員會的基本教學要求編寫而成，在注重基本理論闡述的同時，加強理論與工程實踐的結閤，並充分考慮當前光學原理教學過程中所需要掌握的重點和難點教學，每章都提齣瞭具體的學習目標，並針對每章的重點和難點，給齣瞭豐富的例題分析和解答。
　　本書可作為高等學校光電信息科學與工程、電子科學與技術、電子信息工程、測控技術與儀器等相關專業的光學及光學工程類課程教材，也可作為從事光電技術、儀器儀錶技術、精密測量、檢測技術等工程技術人員的參考書。

作者簡介

　　瀋常宇 男，1977年生，博士，教授，浙江省優秀教師，中國計量大學光電學院副院長。入選浙江省新世紀151人纔工程，長期從事“光學原理”課程教學，以及浙江省光學原理精品課程、浙江省“光學原理”教學團隊和國傢綜閤試點改革及浙江省優勢專業“光電信息科學與工程”負責人；獲得浙江省優秀教師、中國計量大學首屆教壇新秀、教師教學優秀奬、十大育人先鋒、優秀研究生導師等榮譽。主要從事光縴傳感、光縴光柵器件、固體照明、非綫性光學等方麵研究；主持和參與國傢自然科學基金重大儀器專項、十三五重點研發專項、國傢質檢公益專項、浙江省重大和重點專項、浙江省科技廳麵上項目、浙江省自然科學基金、浙江省優秀青年教師項目等20餘項；作為主持者或者參與者，先後獲得浙江省科學技術進步一等奬、浙江省自然科學三等奬、浙江省高校科研成果三等奬、浙江省高等學校教學成果二等奬與三等奬等；近年來在國內外重要學術期刊（如Appl. Phys. Lett.、Opt. Express、J. Opt. Soc. Am. B、IEEE Photonic. Tech. Lett.、Sens. Actuators. B）等發錶三大檢索論文80餘篇；獲授權國傢發明專利20餘項。

目錄

第1章緒論
1.1光學發展簡史
1.2本書的內容和知識框圖
第2章幾何光學基本原理
2.1幾何光學的基本定律
2.1.1光綫、光波與波麵
2.1.2幾何光學的基本定律
2.1.3費馬原理——光綫傳播的普遍規律
2.2物、像的基本概念和完善成像條件
2.3單摺射球麵成像
2.3.1符號法則
2.3.2單個摺射球麵的光路計算公式
2.3.3近軸光綫的光路計算
2.3.4單摺射球麵成像特性
2.3.5近軸條件下球麵反射鏡的物像關係
2.4摺射球麵成像係統
2.5理想光學係統
2.5.1理想光學係統基本概念
2.5.2理想光學係統的物像關係
2.5.3透鏡成像
2.6平麵反射鏡與反射棱鏡
2.6.1平麵反射鏡
2.6.2平行平闆
2.6.3反射棱鏡
2.7例題解析
習題
第3章光闌與像差
3.1光闌
3.1.1光闌的分類
3.1.2光闌的計算
3.1.3遠心光路
3.2光學係統的景深
3.3像差概述
3.3.1軸上點球差
3.3.2軸外點像差
3.3.3色差
3.3.4波像差
3.4例題解析
習題
第4章典型光學儀器的基本原理
4.1眼睛
4.1.1人眼構造
4.1.2眼睛的調節
4.1.3眼睛的缺陷和矯正
4.1.4眼睛的分辨率
4.1.5眼睛的對準
4.2放大鏡
4.2.1放大鏡的視覺放大率
4.2.2放大鏡的光束限製和綫視場
4.3顯微鏡係統
4.3.1顯微鏡的視覺放大率
4.3.2顯微鏡的分辨率
4.3.3顯微鏡中的光束限製
4.3.4工作距離
4.3.5顯微鏡的照明
4.4望遠鏡係統
4.4.1望遠鏡係統的結構
4.4.2望遠鏡係統的分辨率及有效放大率
4.4.3望遠鏡中的光束限製
4.4.4場鏡
4.5例題解析
習題
第5章物理光學基礎
5.1光波的電磁理論描述
5.1.1光波的電磁特性
5.1.2光波的波動方程
5.1.3平麵單色光波解
5.1.4平麵波的性質
5.1.5球麵波和柱麵波
5.1.6群速度和相速度
5.2光的反射和摺射的波動描述
5.2.1光在兩電介質分界麵上的反射和摺射
5.2.2菲涅爾公式
5.2.3反射波和透射波的性質
5.3例題解析
習題
第6章光波的乾涉
6.1光波乾涉的條件
6.1.1光波的疊加
6.1.2光波的乾涉條件
6.2分波麵乾涉
6.3影響雙光束乾涉條紋清晰度的因素
6.3.1兩相乾光波的振幅比對條紋對比度的影響
6.3.2光源寬度對條紋對比度的影響和空間相乾性
6.3.3光源的非單色性對條紋對比度的影響和時間相乾性
6.4分振幅雙光束乾涉
6.4.1平行平闆雙光束等傾乾涉
6.4.2楔形平闆雙光束等厚乾涉
6.5典型雙光束乾涉係統及應用
6.5.1邁剋爾遜乾涉儀
6.5.2菲索乾涉儀
6.5.3泰曼�哺窳指繕嬉�
6.5.4馬赫�蒼�德乾涉儀
6.5.5傅裏葉變換光譜儀
6.6多光束乾涉及應用
6.6.1平行平闆的多光束乾涉
6.6.2多光束乾涉儀
6.7例題解析
習題
第7章光波的衍射
7.1惠更斯�蔔頗�爾原理
7.2基爾霍夫衍射理論與索末菲衍射理論
7.3菲涅爾衍射和夫琅和費衍射
7.4典型孔徑的夫琅和費衍射
7.5矩形孔徑和單縫夫琅和費衍射
7.6圓形孔徑的夫琅和費衍射
7.7多縫的夫琅和費衍射
7.8衍射光柵
7.8.1光柵的色散
7.8.2光柵的光譜分辨本領
7.8.3光柵的自由光譜範圍
7.9光學成像係統的分辨本領
7.10菲涅爾衍射
7.11乾涉和衍射的區彆和聯係
7.12例題解析
習題
第8章光的偏振與晶體光學基礎
8.1偏振光概述
8.1.1偏振光和自然光
8.1.2從自然光獲得偏振光的方法
8.1.3馬呂斯定律和消光比
8.2晶體的雙摺射
8.3雙摺射的電磁理論
8.3.1晶體的各嚮異性與介電張量
8.3.2單色平麵波在晶體中的傳播
8.4晶體光學性質的圖形錶示
8.4.1摺射率橢球
8.4.2摺射率麵和波矢麵
8.4.3法綫麵
8.4.4光綫麵
8.5平麵光波在晶體錶麵的反射和摺射
8.5.1光在晶體錶麵的摺射和反射定律
8.5.2光在單軸晶體中傳播方嚮的確定
8.6晶體偏振器件
8.6.1偏振棱鏡
8.6.2波片
8.6.3補償器
8.7偏振的瓊斯矢量錶示
8.7.1瓊斯矢量
8.7.2偏振態的瓊斯矢量錶示
8.7.3偏振器件的瓊斯矩陣錶示
8.8偏振光的乾涉
8.8.1平行光的偏光乾涉
8.8.2會聚偏振光的乾涉
8.9晶體的電光、磁光和聲光效應及鏇光性
8.9.1電光效應
8.9.2磁光效應
8.9.3聲光效應
8.10例題解析
習題
第9章傅裏葉光學及全息術
9.1平麵波的復振幅分布和空間頻率
9.2透鏡的傅裏葉變換性質和成像性質
9.2.1透鏡的相位變換作用
9.2.2透鏡的傅裏葉變換性質
9.2.3透鏡的成像性質
9.3相乾成像係統及相乾傳遞函數
9.4非相乾成像係統及光學傳遞函數*
9.4.1非相乾成像係統的光學傳遞函數（OTF）
9.4.2衍射受限係統的OTF
9.5阿貝成像理論與波特實驗
9.5.1阿貝成像理論
9.5.2波特實驗
9.5.3空間頻譜濾波係統
9.5.4空間濾波的傅裏葉分析
9.5.5濾波器的種類及應用舉例
9.5.6空間濾波的應用
9.6全息術
9.6.1波前記錄
9.6.2波前再現
9.7例題解析
習題
第10章光的度量、吸收、散射和色散
10.1輻射度量與光度量
10.1.1輻射度量
10.1.2光度量
10.1.3光視效率
10.1.4顔色與視覺
10.2光的吸收
10.2.1吸收定律
10.2.2吸收光譜
10.3光的色散
10.4光的散射
10.4.1瑞利散射
10.4.2米氏散射
10.4.3分子散射
10.4.4拉曼散射
10.5例題解析
習題
部分習題參考答案
參考文獻

精彩書摘

　　第5章物理光學基礎
　　學習目標
　　理解光波的電磁性質； 掌握光波相位的概念； 掌握平麵單色光波的錶達和應用； 理解摺射率和速度的關係； 理解球麵波和柱麵波的錶示； 理解群速度和相速度的概念； 理解菲涅爾公式及其應用； 能運用菲涅爾公式理解半波損失； 理解全反射和倏逝波的概念和應用。
　　19世紀70年代，麥剋斯韋（Maxwell）在電磁學理論的研究基礎上，從理論上總結齣瞭描述電磁現象的麥剋斯韋方程組，指齣瞭電磁波的傳播速度等於光速，並把光學現象和電磁現象聯係起來，並預言光波就是一種電磁波。赫茲（Hertz）第一次在實驗上證實瞭光波的速度與電磁波的傳播速度相同，證實瞭麥剋斯韋的預言，逐步形成瞭光的電磁理論，奠定瞭整個物理光學的基礎，並推動瞭光學及整個物理學的發展。
　　本章基於光的電磁理論性質，討論光波的基本特性，光波在均勻介質中傳播的基本規律，光波在介質分界麵上的反射和摺射等。
　　5.1光波的電磁理論描述
　　5.1.1光波的電磁特性
　　目前光學領域內遇到的絕大部分現象和技術，都能從電磁學得到很好的解釋。錶5.1.1
　　給齣瞭整個電磁波的波譜範圍，其覆蓋瞭從γ射綫到無綫電波的一個相當廣闊的範圍，在整
　　錶5.1.1電磁波的波譜範圍
　　電磁波
　　頻率範圍（Hz）
　　波長範圍（m）
　　無綫電波
　　微波
　　光波
　　紅外光
　　可見光
　　紫外光
　　射綫
　　χ射綫
　　γ射綫
　　<109
　　109~1012
　　1012~4.3×1014
　　4.3×1014~7.5×1014
　　7.5×1014~1016
　　1016~1019
　　>1019
　　>300×10-3
　　(300~0.3)×10-3
　　(300~0.7) ×10-6
　　(0.7~0.4) ×10-6
　　(0.4~0.03) ×10-6
　　(30~0.03)×10-9
　　<0.03×10-9
　　個電磁頻譜中，光學頻譜隻占很窄的一部分，而其中能夠引起人眼視覺的可見光頻率範圍很窄，波長為390~760nm，相應的頻率範圍為8×1014~ 4×1014Hz。在可見光範圍內，隨著波長從小到大，所引起的視覺顔色從紫色逐漸過渡到紅色。而通常意義上的光波段，除瞭可見光外，還包括紫外綫和紅外綫，波長範圍為1nm~1mm。
　　電磁光學反映瞭光的矢量本質，能夠演繹齣幾何光學、波動光學的全部理論，能夠解釋光的偏振、色散、散射、雙摺射和鏇光等現象，能夠從定性和定量兩個方麵給齣宏觀光學過程的精確結果。但是電磁光學不能解釋量子光學所能處理的光的微觀特性，不能閤理地包含光的波動性質和微粒性質，因此要瞭解光的微觀性質，請參考其他量子光學書籍。圖5.1.1給齣瞭幾何光學、波動光學、電磁學和量子光學之間的聯係和各個學科的研究重點。
　　圖5.1.1幾何光學、波動光學、電磁學和量子光學之間的聯係
　　光是電磁波的一種，其本質與電磁波相同。麥剋斯韋在前人的電磁學研究成果的基礎上，把普遍電磁現象的基本規律歸納為以下四個方程，稱為麥剋斯韋方程組。
　　N~·D=ρ（5.1.1）
　　N~·B=0（5.1.2）
　　N~×E=-
　　�礏�禕
　　（5.1.3）
　　N~×H=j+
　　�礑�禕
　　（5.1.4）
　　式中，D、E、B、H分彆錶示電感強度（電位移矢量）、電場強度、磁感強度和磁場強度； ρ錶示封閉麯麵內的電荷密度； J為積分閉閤迴路上的傳導電流密度，�礑�禕
　　為位移電流密度。
　　N~為哈密頓算符，在直角坐標係下的錶達式為
　　N~=i-�氮祒+j-�氮祔+k-�氮祕
　　（5.1.5）
　　D、E、B、H、J之間有如下關係，稱為物質方程：
　　J=σE（5.1.6）
　　D=εE（5.1.7）
　　B=μH
　　（5.1.8）
　　式中，σ是電導率； ε和μ是兩個標量，分彆稱為介電常數（或電容率）和磁導率。在各嚮同性均勻介質中，ε、μ是常數，σ＝０。在真空中，
　　ε=ε0=8.8542×10-12C2/N·m2,μ=μ0=
　　……

前言/序言

　　第2版前言
　　為適應“十三五”高等學校教學改革需要，《光學原理(第2版)》針對作為“十一五”浙江省重點建設教材的《光學原理(第1版)》進行瞭修訂，使光學原理的教學內容和課程體係更適應於光電類及相近專業的教學要求。
　　修訂的指導思想仍然是在注重論述光學的基本原理的同時，緊密聯係光學工程實踐問題，並努力注重工具的應用。本書修訂後仍由上下兩部分組成，上部分為幾何光學及典型光學係統，下半部分為物理光學。
　　第3章中各節原結構為光闌的分類，孔徑光闌、入瞳及齣瞳，視場光闌、入射窗和齣射窗，漸暈光闌，遠心光路，其中各部分內容不是並立關係，內容有重復。現修改為光闌的分類、光闌的計算、遠心光路三部分。在“光闌的計算”中，通過定量計算，不但鞏固和加強“光闌的分類”中的概念，而且與後續內容（包括第4章放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等）銜接較好，補充瞭“像方遠心光路”的概念。像差概念很多，我們注重掌握球差和位置色差，理解子午慧差、畸變和倍率色差，瞭解弧矢慧差及正弦差、像散、場麯等。3.3節結構修改為軸上點球差，軸外點像差，像散和場麯，畸變，色差，波像差。重點修改瞭原來球差部分內容，增加瞭復閤透鏡消球差的具體例子、無球差齊明點及齊明透鏡等。正弦差作為慧差的一個特例，減少瞭較多內容；色差部分補充後麵要用的D光、F光、C光以及阿貝數等概念。在4.2.2節中，原綫視場推導隻針對像在無限遠，給齣的物方綫視場與像方視場角的關係隻適用像在無限遠、漸暈係統50%的情況，本版進行瞭修訂，給齣瞭有限遠、無限遠以及各種漸暈情況下的視場推導，獲得瞭任意成像位置、任意漸暈情況推導的普適公式，並獲得瞭按成像於明視距離和成像於無限遠兩種情況推導任意漸暈時的直接計算公式。顯微鏡中的光束限製部分中，修改後視場部分擴展到漸暈問題，並補充相關重要公式。下部分物理光學中，在第5~8章中，對概念的完整性、印刷錯誤以及部分例題和習題進行瞭增刪，物理光學基礎一章的敘述更加簡明易懂；光的偏振及晶體光學基礎一章中關於光波和光綫在晶體中的傳播的解釋及計算更加清晰明瞭。本書由中國計量大學瀋常宇和金尚忠編著，浙江大學馮華君教授主審。參加編寫的有中國計量大學瀋常宇（第1、2、5、6章），中國計量大學金尚忠、李晨霞（第10章），中國計量大學董前民（第8章），華南理工大學葛鵬（第4章），浙江大學雷華（第7章），中國計量大學李勁鬆（第9章），中國計量大學瀋為民（第3章及第4章修改部分）。本書由瀋常宇和金尚忠定稿。此外，中國計量大學井旭峰、張艷、李曉艷、樓俊、李晨霞、孔明審閱瞭本書，並提齣瞭許多寶貴意見，在此一並緻謝。本書可作為高等學校光電信息科學與工程、電子科學與技術、光信息科學與技術、光學、儀器儀錶類專業的教材，亦可作為物理和測控技術及儀器專業的選修課教材，也可作為從事光學、光電技術、儀器儀錶技術和精密測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2017年7月


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