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| 內容簡介： |
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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*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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| 關於作者： |
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天津大学教授，博士生导师，专业方向：应用光学，光学设计，光学信息处理等。1958年9月天津大学精密仪器专业研究生毕业当时无学位制，曾任天津大学光学仪器教研室主任、现代光学仪器研究所所长。1995年 1月出任光电子信息工程国家教委开放实验室主任，学术带头人。1983年被评为天津市特等劳动模范， 国家级中青年科技专家，国务院特殊津贴与证书获得者，天津市优秀教师等。1990年被选为国际光学工程学会SPIEFellow。1992年被选为中共14大代表。曾任国务院学位委员会仪器仪表评审组成员，国家基金委员会光学及光电子评审组成员，863光电子专家组作为光计算与光互连责任专家，天津市高校职称评委会副主任等职。中国光学学会常务理事，光电技术专业委员会主任，中国仪器仪表学会光机电及其集成分会等职，国家973计划信息领域咨询组副组长。完成科研项目38项，其中通过鉴定或评议24项达到或部分成果达到国际水平者16项，部分技术属国际领先者4项，包括工业内窥系列、粒度仪等6项已投产。另有863专家组验收8项，基金结题8项含重点、重大基金各1项。发表论文200余篇；获发明专利2项, 全国科技大会奖及国家科技进步三等奖各一项；省部级科技进步一等奖2项，二等奖5项, 三等奖3项;已培养博士41人、博士后6人、硕士70余人。
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| 目錄：
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目录
第1章现代应用光学基础理论概述1
1.1概述1
1.1.1本书的背景1
1.1.2本书的内容安排1
1.2光学系统设计中常用的光学材料特征参数2
1.2.1光学材料的光学参量2
1.2.2热系数及温度变化效应的消除4
1.2.3其他玻璃数据4
1.3新型光学材料5
1.3.1新型光学材料概述5
1.3.2光学材料发展概况6
1.4液晶材料及液晶显示器12
1.4.1液晶材料及其分类12
1.4.2常用液晶显示器件的基本结构和工作原理16
1.4.3STN-LCD技术27
1.4.4液晶光阀技术32
1.4.5硅上液晶（LCoS）反射式显示器36
1.4.6光计算用SLM38
1.5电光源和光电探测器38
1.5.1电光源38
1.5.2激光器41
1.5.3光电导探测器48
1.5.4光伏探测器49
1.5.5位敏探测器53
1.5.6阵列型光电探测器56
1.6波像差像质评价基础知识59
1.6.1光学系统像差的坐标及符号规则59
1.6.2无像差成像概念和完善镜头聚焦衍射模式60
参考文献63
第2章光学非球面的应用67
2.1概述67
2.2非球面曲面方程67
2.2.1旋转对称的非球面方程67
2.2.2圆锥曲线的意义68
2.2.3其他常见非球面方程70
2.2.4非球面的法线和曲率71
2.3非球面的初级像差71
2.3.1波像差及其与垂轴像差的关系71
2.3.2非球面的初级像差73
2.3.3折射锥面轴上物点波像差75
2.3.4折射锥面轴外物点波像差76
2.4微振（perturbed）光学系统的初级像差计算77
2.4.1偏心（decentered）光学面78
2.4.2光学面的倾斜80
2.4.3间隔失调（despace）面81
2.5两镜系统的理论基础82
2.5.1两镜系统的基本结构形式82
2.5.2单色像差的表示式82
2.5.3消像差条件式84
2.5.4常用的两镜系统85
2.6二次圆锥曲面及其衍生高次项曲面86
2.6.1消球差的等光程折射非球面86
2.6.2经典卡塞格林系统87
2.6.3格里高里系统88
2.6.4只消球差的其他特种情况88
2.6.5R-C（Ritchey-Chrtien）系统及马克苏托夫系统89
2.6.6等晕系统的特殊情况90
2.6.7库特（Cuder）系统及同心系统91
2.6.8史瓦希尔德（Schwarzschield）系统92
2.6.9一个消四种初级像差 的系统93
2.6.10无焦系统93
2.7两镜系统的具体设计过程93
2.7.1R-C系统的设计93
2.7.2格里高里系统与卡塞格林系统94
2.8施密特光学系统设计95
2.8.1施密特光学系统的初级像差95
2.8.2施密特校正器的精确计算法98
2.9三反射镜系统设计示例99
2.9.1设计原则99
2.9.2设计过程分析100
2.9.3设计示例101
参考文献103
第3章衍射光学元件105
3.1概述105
3.1.1菲涅耳圆孔衍射菲涅耳波带法106
3.1.2菲涅耳圆孔衍射的特点108
3.1.3菲涅耳圆屏衍射109
3.2波带片110
3.2.1菲涅耳波带片110
3.2.2相位型菲涅耳波带片112
3.2.3条形或方形波带片113
3.3衍射光学器件衍射效率113
3.3.1锯齿形一维相位光栅的衍射效率113
3.3.2台阶状（二元光学）相位光栅的衍射效率及其计算114
3.4通过衍射面的光线光路计算115
3.5衍射光学系统初级像差118
3.5.1衍射光学透镜的单色初级像差特性118
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
3.5.3P、W、C与折衍混合单透镜结构的函数关系122
3.6折衍光学透镜的色散性质及色差的校正123
3.6.1折衍光学透镜的等效阿贝数123
3.6.2用DOL实现消色差124
3.6.3折衍光学透镜的部分色散及二级光谱的校正125
3.7衍射透镜的热变形特性127
3.7.1光热膨胀系数127
3.7.2消热变形光学系统的设计129
3.7.3折衍混合系统消热差系统设计示例130
3.8衍射面的相位分布函数132
3.8.1用于平衡像差的衍射面的相位分布函数132
3.8.2用于平衡热像差的衍射面的相位分布函数133
3.9多层衍射光学元件（multi-layer diffractive optical elements）133
3.9.1多层衍射光学元件的理论分析134
3.9.2多层衍射光学元件的结构134
3.9.3多层衍射光学元件材料的选择134
3.9.4多层衍射光学元件的衍射效率135
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
3.10谐衍射透镜（HDL）及其成像特点137
3.10.1谐衍射透镜137
3.10.2谐衍射透镜的特点137
3.10.3单片谐衍射透镜成像138
3.10.4谐衍射折射太赫兹多波段成像系统设计示例139
3.11衍射光学轴锥镜（简称衍射轴锥镜）143
3.11.1衍射轴锥镜143
3.11.2设计原理和方法144
参考文献150
第4章非对称光学系统像差理论153
4.1波像差与Zernike多项式概述153
4.1.1波前像差理论概述153
4.1.2角向、横向和纵向像差154
4.1.3Seidel像差的波前像差表示155
4.1.4泽尼克（Zernike）多项式162
4.1.5条纹（fringe）Zernike系数164
4.1.6波前像差的综合评价指标165
4.1.7色差167
4.1.8典型光学元件的像差特性167
4.2非对称旋转成像光学系统中像差理论174
4.2.1重要概念简介174
4.2.2倾斜非球面光学面处理176
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
4.2.4OAR的参数化179
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
4.2.6基于实际光线计算单个面的像差场中心182
4.2.7失调光学系统的波像差表示式183
4.2.8举例：LCS近轴计算与其实际光线等价计算的比较185
4.3近圆光瞳非对称光学系统三级像差的描述187
4.3.1光学系统的像差场为各个面的贡献之和187
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
4.3.3节点像差场191
4.3.4波前误差以及光线的横向像差194
4.3.5非对称光学系统中的三级畸变195
4.4非旋转对称光学系统的多节点五级像差：球差197
4.4.1非旋转对称光学系统像差概述197
4.4.2非旋转对称光学系统的五级像差198
4.4.3五级像差的特征节点行为：球差族包括的各项199
参考文献203
第5章光学自由曲面的应用205
5.1光学自由曲面概述205
5.2参数曲线和曲面206
5.2.1曲线和曲面的参数表示206
5.2.2参数曲线的代数和几何形式210
5.3Bzier曲线与曲面212
5.3.1Bzier曲线的数学描述和性质212
5.3.2Bzier曲面215
5.4B样条（B-spline）曲线与曲面217
5.4.1B样条曲线的数学描述和性质217
5.4.2B样条曲线的性质219
5.4.3B样条曲面的表示220
5.5双三次均匀B样条曲面221
5.5.1B 样条曲面221
5.5.2双三次均匀B样条曲面的矩阵公式223
5.6非均匀有理B样条（NURBS）曲线与曲面224
5.6.1NURBS曲线与曲面224
5.6.2NURBS曲线的定义224
5.6.3NURBS表示226
5.6.4非均匀有理B样条曲面228
5.7Coons曲面229
5.7.1基本概念229
5.7.2双线性Coons曲面230
5.7.3双三次Coons曲面231
5.8自由曲面棱镜光学系统232
5.8.1自由曲面棱镜概述232
5.8.2矢量像差理论及初始结构确定方法233
5.8.3自由曲面棱镜设计236
5.8.4用光学设计软件设计含自由曲面的光学系统238
参考文献239
第6章共形光学系统241
6.1概述241
6.1.1共形光学系统的一般要求241
6.1.2共形光学系统的主要参量244
6.1.3共形光学系统中的像差校正250
6.1.4共形光学系统实际应用须考虑的问题252
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
6.2.1椭球面几何特性分析253
6.2.2椭球整流罩的几何特性256
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
6.3基于Wassermann-Wolf方程的共形光学系统设计259
6.3.1共形光学系统解决像差动态变化的方法概述259
6.3.2共形光学系统的像差分析260
6.3.3Wassermann-Wolf非球面理论261
6.3.4利用Wassermann-Wolf原理设计共形光学系统265
6.4折反射椭球形整流罩光学系统的设计268
6.4.1折反射椭球形整流罩光学系统的设计原则269
6.4.2椭球形整流罩像差分析269
6.4.3两镜校正系统初始结构设计原理269
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
6.4.5设计结果275
6.5共形光学系统的动态像差校正技术276
6.5.1共形光学系统的固定校正器276
6.5.2弧形校正器278
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
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
6.6.1二元光学元件的光学特性284
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
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
6.6.4折衍混合消热差共形光学系统的设计291
6.7利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计295
6.7.1自由曲面进行微变焦共形光学系统的特点295
6.7.2利用自由曲面的像差校正方法295
6.8基于实际光线追迹的共形光学系统设计概述298
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
6.8.2实际光线追迹方法概述299
参考文献302
第7章非成像光学系统308
7.1引言308
7.1.1太阳能热发电技术简介308
7.1.2太阳能光伏发电311
7.1.3照明非成像光学312
7.2非
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前 言
近年来，应用光学中出现了许多新技术，如自由光学曲面、衍射光学、非成像光学、非对称光学系统像差理论、共形光学系统、紧凑型光学系统，以及扩展和提高光学系统性能的原理与技术、微纳光子学技术和表面等离子体微纳技术等。国内外已有相关研究和论文发表，也有一些单项内容的图书出版，如《Non-imaging Optics》《二元光学》《自适应光学理论》等。本书延续了已出版30多年的《应用光学》，并考虑引入上述应用光学的新技术，故定名为现代应用光学。
本书基于作者多年光学领域的研究和积累，对有关光学系统设计进行阐述，并介绍国内外最新的技术理论和方法。本书主要特点：
（1）本书是张以谟主编的《应用光学》的延伸，重点叙述现代应用光学新技术理论和应用。
（2）突出波面像差理论及几何像差理论，因其贯穿于各类光学系统的像质设计，如非对称光学系统、微型光学成像系统和鱼眼成像光学系统等。
（3）以非球面和自由光学曲面为线索，将大部分章节中的现代光学系统设计联系起来，简化了光学系统，提高了性能。
（4）突出现代应用光学技术，如非成像光学在太阳能电站和现代高效照明中的光学应用等。
（5）反映了现代应用光学中的前沿技术，如光学系统的焦深扩展与衍射极限的突破，微纳光子学、表面等离子体微纳技术、光学设备中的光学系统，以及自适应光学与相控阵光学导论等。
（6）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。
（7）以应用光学基础理论为主题，体现了多学科交叉，突出了光学的应用理论和技术。
（8）本书是在国内外科研单位及天津大学光学研究成果和资料的基础上编写的，颇有它山之石以攻玉之感。
全书共16章，主要内容和结构如下：
第1章在理论和方法上与《应用光学》紧密联系，介绍现代应用光学基础理论。
第2～5章给出常规光学球面以外的特殊光学面及其光学系统设计原理和示例。
第6～8章讨论当前光学系统的某些特殊应用技术。
第9、10章叙述对光学系统的某些性能指标的提高和扩展。
第11～13章讨论光学在微纳光子学技术中的应用。
第14～16章阐述了三种物理光学仪器及其光学系统的设计原理。
本书的编写者均从事过多年光学科研和教学工作，具有严谨的工作作风、深厚的专业背景和语言文字功底，确保了本书能准确地反映本领域的新技术内容。其中，吕且妮编写了第3章中的部分内容；张红霞、谢洪波为第8章示例做了计算；贾大功编写了第8章中的部分内容，并审核了第10章；蔡怀宇编写了第9章中的部分内容，并审核了该章全部内容；张红霞编写了第11章；范世福编写了第12章；张以谟完成了其他章节的撰写和全书统稿工作。本书在撰写过程中参考了很多国内外同行的研究成果和资料，他们开创性的工作和贡献使本书的内容更加丰富，在此谨向他们表示诚挚的感谢。
现代应用光学是一个快速发展的学科，它与众多其他学科交叉的新兴研究课题更是层出不穷。由于我们的水平有限，书中难免有疏漏或错误之处，敬请读者不吝指正。
张以谟
2017年10月
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