【现货速发】现代光学工程

译者序

近几年，光学技术发展非常快，特别是现代光学技术与光电子技术的紧密结合，使光电子元器件、光学系统和仪器发生了很大变化，应用于当代各种高科技领域（如航空航天技术、信息传输和通信技术、生化和材料技术等），设计了诸多新型光电子装置，创立了新的光学原理和方法，开辟了更多、更新的应用领域，其在国民经济中的作用显得愈加重要和不可缺少。
光学技术的快速发展有几个显著特征：在经典光学基础上创立了新的光学技术，熟悉和实用的是二元光学（或衍射光学）和全息光学；在传统光学元件基础上创造出新的光学元件，为典型的是非球面透镜、全息透镜（或衍射透镜）、二元光学元件和微光学阵列透镜；在一般光学研磨技术基础上发展和采用光学和计算全息加工、衍射光学元件和微光学元件加工以及精密模压成型等近代高新制造技术。
促使光学技术迅速发展的重要因素是：利用大容量、高运算速度的计算机及功能强大的光机设计软件可以设计出更为完善的光学系统、光机系统和光电子系统；工业领域不断研制出新的光学材料，使光学零件和光电子元件的选材不会局限于玻璃和光学晶体，光学塑料、光学乳胶、金属、陶瓷及半导体材料都得到了广泛应用。
光学技术的快速发展，使越来越多的科技人员从事光学及其相关专业，光学工程的研究领域也逐渐扩大，包括许多新的、无法预料的应用。随着对新型光学仪器可应用性的认识，人们会更迫切需要熟悉光学技术，尤其是近代光学工程方面的知识。由SPIE和McGraw-Hill出版社出版、WarrenJ. Smith 教授（美国）编写的《近代光学工程（Modern Optical Engineering，FourthEdition），第四版》一书，就是献给特别需要光学系统与设计技术信息、从事实际工作的工程师和科学家的一本好书。正如该书“前言”所述：国际上普遍认为，《近代光学工程》是光学工程技术人员的“书”。
《近代光学工程》一书内容丰富，不仅有成熟的光学工程理论基础、计算公式和分析方法，而且包括对光学工程问题的讨论和解决方案；不仅考虑到光学技术问题，而且还有经济成本的分析。一经出版，此书便受到国内外读者好评，连续出了四版。与其它同类书籍相比，本书全面考虑到设计、制造和测量技术，首次介绍使用“库存透镜”，从而“变废为宝”。作者既阐述了普通的球面透镜系统、棱镜系统、反射及折反系统，同时又讨论了非球面和衍射系统。为使读者全面了解近代光学工程的含义，书中还介绍了光学材料、光学镀膜、人眼特性和光度学技术。书后所附全新的术语表，作者力图做成光学系统设计文献中好、完整、权威和准确的术语表。两个附录分别列出了光线追迹和像差计算公式（附录A）以及一些器件的标准尺寸（附录B），非常方便光学工程设计师应用。
阅读《近代光学工程》一书，使人感觉到正在阅读一个光学工程师的工作札记，通俗易懂，提纲携领，方法扎实，结果实用。该书的重点不在纯理论阐述和像差分析，而是在工程应用上，是Smith先生60年呕心沥血工作的总结，其集中代表就是第十四章对系统总体布局的经典案例分析、第二十章对光学工程中存在的实际问题的分析以及第二十一章有效地利用现有“库存”透镜。第十九章给出了62种光学系统的设计实例，不仅提供了常规的结构布局和像差曲线图，还以列表形式给出系统的结构参数（表面曲率半径、透镜厚度、空气间隔、光阑位置、透镜（反射镜）直径和光学材料），尤其是对同一结构类型给出了不同的结构形式，并分析不同形式的元件对光学性能的影响，如何采用简单可行的测量方法评估“库存透镜”的性能，怎样确定透镜和系统的公差范围，这些都是光学工程人员迫切需要的。
本书可供光电子学领域中从事光学仪器设计、光学系统和光机结构设计的设计师、光学零件制造工艺师和工程师阅读，也可以作为大专院校相关专业本科生、研究生和教师的参考书。希望本书提供的材料和例子能够对军事、航空航天和民用光学仪器的设计提供有益指导。

　　本书由21章和2个附录组成，内容丰富，实用性强。是世界著名光学专家Warren J. Smith先生60多年丰富工作经验的总结，颇受读者青睐，连续四版。该书内容不仅有成熟的光学工程理论基础、计算公式和分析方法，而且包括对光学工程问题的讨论和解决方案；不仅考虑到光学技术问题，而且还有经济成本的分析。与其它同类书籍相比，该书全面考虑到设计、制造和测量技术，尤其是对系统总体布局的经典案例分析（14章）、对光学工程中存在的实际问题的分析（20章）、*有效地利用现有“库存”透镜（21章），以及62种光学系统的设计实例（19章）都使该书颇具特色。作者既阐述了普通的球面透镜系统、棱镜系统、反射及折反系统，同时又讨论了非球面和衍射系统。为使读者全面了解现代光学工程的含义，书中还介绍了光学材料、光学镀膜、人眼特性和光度学方面的有关内容。是献给特别需要光学系统与设计技术信息、从事实际工作的工程师和科学家的一本好书。

　　Warren J. Smith先生毕业于罗彻斯特（Rochester）大学光学工程学院，在光学领域有60多年的工作经验，是世界上非常有声望的科学家。先后在田纳西州（TN）Oakridge的柯达（EastmanKodak）公司、伊利诺伊州（IL）芝加哥市Simpson光学制造公司（光学总工程师）；加州（CA）SantaBarbara市的Raytheon公司（光学部经理）、Santa Barbara红外公司（研究和发展部主任）和SantaBarbara应用光学研究开发部（副总经理）工作。
　　Warren J. Smith先生是美国光学协会（OSA）芝加哥分部的创始人和主席；先后担任过南加州（OSSC）光学协会主席、美国光学协会主席、SPIE美国协会主席，是美国光学协会（OSA）、国际工程师协会（SPIE）和南加州光学协会资深会员，获得SPIE颁发的终身金奖。
　　著有“近代光学工程—光学系统设计（Modern optical engineering-The design of opticalsystems）”，“近代光学系统设计手册（Modern lens design-A resourcemanual）”和“实用光学系统总体布局（Practical optical systems layout）”等著作。
Warren J. Smith先生是一位资深教育家，在威斯康星（Wisconsin）大学教授光学课程，并为SPIE、OSA和世界各地的公司和政府机构传授光学知识。

章 光学基础知识
　1.1 电磁光谱
　1.2 光波的传播
　1.3 Snell 折射定律
　1.4 简单透镜和棱镜对波前的作用
　1.5 干涉和衍射
　1.6 光电效应
　练习
　参考文献
第二章 高斯光学：基点
  2.1 概述
  2.2 光学系统的基点
  2.3 像的位置和大小
  2.4 成像公式汇总
  2.5不在空气中的光学系统
　练习
　参考文献
第三章 近轴光学和计算
  3.1 光线在一个表面上的折射
  3.2 近轴区域
  3.3 通过几个表面的近轴光线追迹
  3.4 焦点和主点的计算
  3.5 “薄透镜”
  3.6 反射镜
　练习
　参考文献
第四章 光学系统方面的考虑
  4.1 分离透镜系统
  4.2 光学不变量
  4.3 矩阵光学
  4.4  y-y bar图
  4.5 Scheimpflug条件
  4.6 符号规则总结
　练习
　参考文献
第五章 初级像差
  5.1 概述
  5.2 像差多项式和塞德像差
  5.3 色差
  5.4 透镜形状和光阑位置对像差的影响
  5.5 像差随孔径和视场的变化
  5.6 光程差（波前像差）
  5.7 像差校正和剩余像差
  5.8 光线交点曲线和像差的“级”
  5.9 纵向像差、横向像差、波前像差（OPD）与角像差之间的关系
　练习
　参考文献
第六章 三级像差理论和计算
  6.1 概述
  6.2 近轴光线追迹
  6.3 三级像差：表面贡献量
  6.4 三级像差：薄透镜，光阑移动公式
  6.5 计算实例
　参考文献
第七章 棱镜和反射镜系统
  7.1 概述
  7.2 色散棱镜
  7.3 “薄棱镜”
  7.4 小偏折量
  7.5 消色差棱镜和直视棱镜
  7.6 全内反射
  7.7 一块平面的反射
  7.8 平面平行板
  7.9 直角棱镜
  7.10 屋脊棱镜
  7.11 正像棱镜系统
  7.12 倒像棱镜
  7.13五（角）棱镜
  7.14菱形棱镜和分束镜
  7.15 平面反射镜
  7.16 棱镜和反射镜系统的设计
  7.17 制造误差分析
　参考文献
第八章 人眼特性
  8.1 概述
  8.2 眼睛的构造
  8.3 眼睛的特性
  8.4 眼睛的缺陷
  实验
  练习
　参考文献
第九章 光阑、孔径、光瞳和衍射
  9.1 概述
  9.2 孔径光阑和光瞳
  9.3 视场光阑
  9.4 渐晕
  9.5消杂散光光阑，冷光阑和挡光板
  9.6 远心光阑
  9.7 孔径和像的照度－ 数和余弦四次方定律
  9.8 焦深
  9.9 孔径的衍射效应
  9.10 光学系统的分辨率
  9.11 高斯（激光）光束的衍射
  9.12 傅立叶变换透镜和空间滤波
  练习
　参考文献
第十章 光学材料
  10.1 反射、吸收和色散
  10.2 光学玻璃
  10.3 特种玻璃
  10.4 晶体材料
  10.5 光学塑料
  10.6 吸收滤波片
  10.7 散射材料和投影屏
  10.8 偏振材料
  10.9 光学胶和溶剂
  练习
　参考文献
第十一章 光学镀膜
  11.1 介电质反射和干涉滤光片
  11.2 反射膜
  11.3 分划板
  练习
　参考文献
第十二章 辐射度学和光度学原理
  12.1 概述
  12.2 逆平方定律：光强度
  12.3 辐射率和郎伯（Lambert）定律
  12.4 半球内的辐射
  12.5 散射光源产生的辐照度
  12.6 像的辐射度学
  12.7 光谱辐射度学
  12.8 黑体辐射
  12.9 光度学
  12.10 照明装置
  练习
　参考文献
第十三章 光学系统总体布局
  13.1 望远镜和无焦系统
  13.2 场镜和中继系统
  13.3 出瞳，眼睛和分辨率
  13.4 简单显微镜和放大镜
  13.5 复式显微镜
  13.6 测距机
  13.7辐射计和医用光学
  13.8 光纤光学
  13.9 变形系统
  13.10 变光焦度（变焦）系统
  13.11 衍射表面
  练习
　参考文献
第十四章 系统总体布局中的案例分析（经典案例）
  14.1 概述
  14.2摄远物镜
  14.3 反摄远物镜
  14.4 转像系统（中继系统）
  14.5  转像系统（14.4节中）的孔径光阑
  14.6  短距离望远镜
  14.7  14.6节的场镜
  14.8  14.7节的光线追迹
  14.9  125倍显微镜
  14.10  Brueke 125x显微镜
  14.11  4×机械补偿变焦物镜
  14.12  计算机绘制系统布局图
  14.13 设计有外部冷光阑的消色差中红外系统
第十五章 波前像差和调制传递函数（MTF）
  15.1 概述
  15.2 光程差：焦点漂移
  15.3 光程差：球差
  15.4 像差（容限）公差
  15.5 像的能量分布（几何）
  15.6 点和线扩散函数
  15.7 由于球差造成光斑的几何尺寸
  15.8 调制传递函数
  15.9 方波与正弦波靶标
  15.10 特殊调制传递函数：衍射受限系统
  15.11 径向能量分布
  15.12 具有初级像差光学系统的点扩散函数
  练习
  参考文献
第十六章 光学设计的基础知识
  16.1 概述
  16.2 简单的弯月形照相物镜
  16.3 对称原理
  16.4 消色差望远物镜（薄透镜理论）
  16.5 消色差望远物镜（设计形式）
  16.6 光学设计中的衍射表面
  16.7 库克（Cooke）三分离消像散物镜：三级理论
  16.8 自动设计
  16.9 对一些实际问题的考虑
  练习
  参考文献
第十七章 目镜，显微镜和照相物镜头的设计
  17.1 望远系统和目镜
  17.2 显微物镜
  17.3 照相物镜
  17.4 聚光镜系统
  17.5 简单透镜的像差特性
  练习
　参考文献
第十八章 反射镜和折反式系统的设计
  18.1 反射系统
  18.2 球面反射镜
  18.3 抛物面反射镜
  18.4 椭球面和双曲面反射镜
  18.5 双反射镜系统的公式
  18.6 过原点的锥面截面
  18.7  施密特（Schmidt）系统
  18.8  Mangin反射镜（内表面镀膜反射镜）
  18.9 Bouwers（或马克苏托夫 (Maksutov)）系统
  18.10 对简单光学系统弥散斑尺寸的快速计算
  练习
  参考文献
第十九章 物镜设计实例集，分析和说明
  1 9.1 概述
  19.2 物镜的数据表
  19.3 光线追迹图
  19.4 关于调制传递函数的注释
  19.5 物镜目录
  19.6  物镜设计实例
  参考文献
第二十章 光学工程中的实际问题
  20.1 光学加工
  20.2 光学技术要求和公差
  20.3 光学装配技术
  20.4 光学实验室中的实际问题
  20.5 公差预算实例
  参考文献
第二十一章 有效地利用“库存”镜头
  21.1 概述
  21.2 库存透镜
  21.3 一些简单的测量
  21.4 系统原理样机和测试
  21.5 像差方面的考虑
  21.6 如何利用单透镜（单块零件）
  21.7如何使用双胶合透镜
  21.8 库存透镜的组合
  21.9 库存透镜的供应商
附录A 光线追迹和像差计算
附录B 一些器件的标准尺寸

　　本书由21章和2个附录组成，内容丰富，实用性强。是世界著名光学专家Warren J. Smith先生60多年丰富工作经验的总结，颇受读者青睐，连续四版。该书内容不仅有成熟的光学工程理论基础、计算公式和分析方法，而且包括对光学工程问题的讨论和解决方案；不仅考虑到光学技术问题，而且还有经济成本的分析。与其它同类书籍相比，该书全面考虑到设计、制造和测量技术，尤其是对系统总体布局的经典案例分析（14章）、对光学工程中存在的实际问题的分析（20章）、*有效地利用现有“库存”透镜（21章），以及62种光学系统的设计实例（19章）都使该书颇具特色。作者既阐述了普通的球面透镜系统、棱镜系统、反射及折反系统，同时又讨论了非球面和衍射系统。为使读者全面了解现代光学工程的含义，书中还介绍了光学材料、光学镀膜、人眼特性和光度学方面的有关内容。是献给特别需要光学系统与设计技术信息、从事实际工作的工程师和科学家的一本好书。

　　Warren J. Smith先生毕业于罗彻斯特（Rochester）大学光学工程学院，在光学领域有60多年的工作经验，是世界上非常有声望的科学家。先后在田纳西州（TN）Oakridge的柯达（EastmanKodak）公司、伊利诺伊州（IL）芝加哥市Simpson光学制造公司（光学总工程师）；加州（CA）SantaBarbara市的Raytheon公司（光学部经理）、Santa Barbara红外公司（研究和发展部主任）和SantaBarbara应用光学研究开发部（副总经理）工作。
　　Warren J. Smith先生是美国光学协会（OSA）芝加哥分部的创始人和主席；先后担任过南加州（OSSC）光学协会主席、美国光学协会主席、SPIE美国协会主席，是美国光学协会（OSA）、国际工程师协会（SPIE）和南加州光学协会资深会员，获得SPIE颁发的终身金奖。
　　著有“近代光学工程—光学系统设计（Modern optical engineering-The design of opticalsystems）”，“近代光学系统设计手册（Modern lens design-A resourcemanual）”和“实用光学系统总体布局（Practical optical systems layout）”等著作。
Warren J. Smith先生是一位资深教育家，在威斯康星（Wisconsin）大学教授光学课程，并为SPIE、OSA和世界各地的公司和政府机构传授光学知识。

13.8 光纤光学

 若光线通过一根长的抛过光的玻璃圆柱体时，其投射到圆柱体管壁上的入射角要比全内反射的临界角大，那么，就可以毫无泄漏地将光从一端传输到另一端。一条子午光线通过该圆柱体的光路表示在图13.22中。子午光线通过此装置的几何光学比较简单，如果圆柱体的长度是L，子午光线传播的路程长度就是：

             路程长度=                                （13.23）

光线的反射次数是：

                 反射次数     &nbs