光学原理（第2版）/高等学校电子信息类专业系列教材 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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内容简介

　　本书系统地阐述了经典光学原理的理论体系及现代光学技术的发展与应用，是在第1版的基础上修订而成的。本书由两部分组成，上部分为几何光学及典型光学系统，包括第1~4章，系统地介绍了光学发展简史、几何光学基本原理、光学系统的光阑及像差和典型光学仪器的基本原理。与第1版相比第3章增加了光阑的计算内容，通过定量计算，不但巩固和加强了各种光阑的概念，而且充分衔接第4章中放大镜、显微镜、望远镜的计算和应用。像差方面重点修改了原来球差部分内容，增加了复合透镜消球差的具体例子、无球差齐明点及齐明透镜等。下半部分为物理光学，包括第5~10章，其主要内容包括物理光学基础、光波的干涉、光的衍射、光的偏振与晶体光学基础、傅里叶光学及全息术以及光的度量、吸收、散射和色散等。
　　本教材参照教育部教学指导委员会的基本教学要求编写而成，在注重基本理论阐述的同时，加强理论与工程实践的结合，并充分考虑当前光学原理教学过程中所需要掌握的重点和难点教学，每章都提出了具体的学习目标，并针对每章的重点和难点，给出了丰富的例题分析和解答。
　　本书可作为高等学校光电信息科学与工程、电子科学与技术、电子信息工程、测控技术与仪器等相关专业的光学及光学工程类课程教材，也可作为从事光电技术、仪器仪表技术、精密测量、检测技术等工程技术人员的参考书。

作者简介

　　沈常宇 男，1977年生，博士，教授，浙江省优秀教师，中国计量大学光电学院副院长。入选浙江省新世纪151人才工程，长期从事“光学原理”课程教学，以及浙江省光学原理精品课程、浙江省“光学原理”教学团队和国家综合试点改革及浙江省优势专业“光电信息科学与工程”负责人；获得浙江省优秀教师、中国计量大学首届教坛新秀、教师教学优秀奖、十大育人先锋、优秀研究生导师等荣誉。主要从事光纤传感、光纤光栅器件、固体照明、非线性光学等方面研究；主持和参与国家自然科学基金重大仪器专项、十三五重点研发专项、国家质检公益专项、浙江省重大和重点专项、浙江省科技厅面上项目、浙江省自然科学基金、浙江省优秀青年教师项目等20余项；作为主持者或者参与者，先后获得浙江省科学技术进步一等奖、浙江省自然科学三等奖、浙江省高校科研成果三等奖、浙江省高等学校教学成果二等奖与三等奖等；近年来在国内外重要学术期刊（如Appl. Phys. Lett.、Opt. Express、J. Opt. Soc. Am. B、IEEE Photonic. Tech. Lett.、Sens. Actuators. B）等发表三大检索论文80余篇；获授权国家发明专利20余项。

目录

第1章绪论
1.1光学发展简史
1.2本书的内容和知识框图
第2章几何光学基本原理
2.1几何光学的基本定律
2.1.1光线、光波与波面
2.1.2几何光学的基本定律
2.1.3费马原理——光线传播的普遍规律
2.2物、像的基本概念和完善成像条件
2.3单折射球面成像
2.3.1符号法则
2.3.2单个折射球面的光路计算公式
2.3.3近轴光线的光路计算
2.3.4单折射球面成像特性
2.3.5近轴条件下球面反射镜的物像关系
2.4折射球面成像系统
2.5理想光学系统
2.5.1理想光学系统基本概念
2.5.2理想光学系统的物像关系
2.5.3透镜成像
2.6平面反射镜与反射棱镜
2.6.1平面反射镜
2.6.2平行平板
2.6.3反射棱镜
2.7例题解析
习题
第3章光阑与像差
3.1光阑
3.1.1光阑的分类
3.1.2光阑的计算
3.1.3远心光路
3.2光学系统的景深
3.3像差概述
3.3.1轴上点球差
3.3.2轴外点像差
3.3.3色差
3.3.4波像差
3.4例题解析
习题
第4章典型光学仪器的基本原理
4.1眼睛
4.1.1人眼构造
4.1.2眼睛的调节
4.1.3眼睛的缺陷和矫正
4.1.4眼睛的分辨率
4.1.5眼睛的对准
4.2放大镜
4.2.1放大镜的视觉放大率
4.2.2放大镜的光束限制和线视场
4.3显微镜系统
4.3.1显微镜的视觉放大率
4.3.2显微镜的分辨率
4.3.3显微镜中的光束限制
4.3.4工作距离
4.3.5显微镜的照明
4.4望远镜系统
4.4.1望远镜系统的结构
4.4.2望远镜系统的分辨率及有效放大率
4.4.3望远镜中的光束限制
4.4.4场镜
4.5例题解析
习题
第5章物理光学基础
5.1光波的电磁理论描述
5.1.1光波的电磁特性
5.1.2光波的波动方程
5.1.3平面单色光波解
5.1.4平面波的性质
5.1.5球面波和柱面波
5.1.6群速度和相速度
5.2光的反射和折射的波动描述
5.2.1光在两电介质分界面上的反射和折射
5.2.2菲涅尔公式
5.2.3反射波和透射波的性质
5.3例题解析
习题
第6章光波的干涉
6.1光波干涉的条件
6.1.1光波的叠加
6.1.2光波的干涉条件
6.2分波面干涉
6.3影响双光束干涉条纹清晰度的因素
6.3.1两相干光波的振幅比对条纹对比度的影响
6.3.2光源宽度对条纹对比度的影响和空间相干性
6.3.3光源的非单色性对条纹对比度的影响和时间相干性
6.4分振幅双光束干涉
6.4.1平行平板双光束等倾干涉
6.4.2楔形平板双光束等厚干涉
6.5典型双光束干涉系统及应用
6.5.1迈克尔逊干涉仪
6.5.2菲索干涉仪
6.5.3泰曼�哺窳指缮嬉�
6.5.4马赫�苍�德干涉仪
6.5.5傅里叶变换光谱仪
6.6多光束干涉及应用
6.6.1平行平板的多光束干涉
6.6.2多光束干涉仪
6.7例题解析
习题
第7章光波的衍射
7.1惠更斯�卜颇�尔原理
7.2基尔霍夫衍射理论与索末菲衍射理论
7.3菲涅尔衍射和夫琅和费衍射
7.4典型孔径的夫琅和费衍射
7.5矩形孔径和单缝夫琅和费衍射
7.6圆形孔径的夫琅和费衍射
7.7多缝的夫琅和费衍射
7.8衍射光栅
7.8.1光栅的色散
7.8.2光栅的光谱分辨本领
7.8.3光栅的自由光谱范围
7.9光学成像系统的分辨本领
7.10菲涅尔衍射
7.11干涉和衍射的区别和联系
7.12例题解析
习题
第8章光的偏振与晶体光学基础
8.1偏振光概述
8.1.1偏振光和自然光
8.1.2从自然光获得偏振光的方法
8.1.3马吕斯定律和消光比
8.2晶体的双折射
8.3双折射的电磁理论
8.3.1晶体的各向异性与介电张量
8.3.2单色平面波在晶体中的传播
8.4晶体光学性质的图形表示
8.4.1折射率椭球
8.4.2折射率面和波矢面
8.4.3法线面
8.4.4光线面
8.5平面光波在晶体表面的反射和折射
8.5.1光在晶体表面的折射和反射定律
8.5.2光在单轴晶体中传播方向的确定
8.6晶体偏振器件
8.6.1偏振棱镜
8.6.2波片
8.6.3补偿器
8.7偏振的琼斯矢量表示
8.7.1琼斯矢量
8.7.2偏振态的琼斯矢量表示
8.7.3偏振器件的琼斯矩阵表示
8.8偏振光的干涉
8.8.1平行光的偏光干涉
8.8.2会聚偏振光的干涉
8.9晶体的电光、磁光和声光效应及旋光性
8.9.1电光效应
8.9.2磁光效应
8.9.3声光效应
8.10例题解析
习题
第9章傅里叶光学及全息术
9.1平面波的复振幅分布和空间频率
9.2透镜的傅里叶变换性质和成像性质
9.2.1透镜的相位变换作用
9.2.2透镜的傅里叶变换性质
9.2.3透镜的成像性质
9.3相干成像系统及相干传递函数
9.4非相干成像系统及光学传递函数*
9.4.1非相干成像系统的光学传递函数（OTF）
9.4.2衍射受限系统的OTF
9.5阿贝成像理论与波特实验
9.5.1阿贝成像理论
9.5.2波特实验
9.5.3空间频谱滤波系统
9.5.4空间滤波的傅里叶分析
9.5.5滤波器的种类及应用举例
9.5.6空间滤波的应用
9.6全息术
9.6.1波前记录
9.6.2波前再现
9.7例题解析
习题
第10章光的度量、吸收、散射和色散
10.1辐射度量与光度量
10.1.1辐射度量
10.1.2光度量
10.1.3光视效率
10.1.4颜色与视觉
10.2光的吸收
10.2.1吸收定律
10.2.2吸收光谱
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例题解析
习题
部分习题参考答案
参考文献

精彩书摘

　　第5章物理光学基础
　　学习目标
　　理解光波的电磁性质； 掌握光波相位的概念； 掌握平面单色光波的表达和应用； 理解折射率和速度的关系； 理解球面波和柱面波的表示； 理解群速度和相速度的概念； 理解菲涅尔公式及其应用； 能运用菲涅尔公式理解半波损失； 理解全反射和倏逝波的概念和应用。
　　19世纪70年代，麦克斯韦（Maxwell）在电磁学理论的研究基础上，从理论上总结出了描述电磁现象的麦克斯韦方程组，指出了电磁波的传播速度等于光速，并把光学现象和电磁现象联系起来，并预言光波就是一种电磁波。赫兹（Hertz）第一次在实验上证实了光波的速度与电磁波的传播速度相同，证实了麦克斯韦的预言，逐步形成了光的电磁理论，奠定了整个物理光学的基础，并推动了光学及整个物理学的发展。
　　本章基于光的电磁理论性质，讨论光波的基本特性，光波在均匀介质中传播的基本规律，光波在介质分界面上的反射和折射等。
　　5.1光波的电磁理论描述
　　5.1.1光波的电磁特性
　　目前光学领域内遇到的绝大部分现象和技术，都能从电磁学得到很好的解释。表5.1.1
　　给出了整个电磁波的波谱范围，其覆盖了从γ射线到无线电波的一个相当广阔的范围，在整
　　表5.1.1电磁波的波谱范围
　　电磁波
　　频率范围（Hz）
　　波长范围（m）
　　无线电波
　　微波
　　光波
　　红外光
　　可见光
　　紫外光
　　射线
　　χ射线
　　γ射线
　　<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
　　个电磁频谱中，光学频谱只占很窄的一部分，而其中能够引起人眼视觉的可见光频率范围很窄，波长为390~760nm，相应的频率范围为8×1014~ 4×1014Hz。在可见光范围内，随着波长从小到大，所引起的视觉颜色从紫色逐渐过渡到红色。而通常意义上的光波段，除了可见光外，还包括紫外线和红外线，波长范围为1nm~1mm。
　　电磁光学反映了光的矢量本质，能够演绎出几何光学、波动光学的全部理论，能够解释光的偏振、色散、散射、双折射和旋光等现象，能够从定性和定量两个方面给出宏观光学过程的精确结果。但是电磁光学不能解释量子光学所能处理的光的微观特性，不能合理地包含光的波动性质和微粒性质，因此要了解光的微观性质，请参考其他量子光学书籍。图5.1.1给出了几何光学、波动光学、电磁学和量子光学之间的联系和各个学科的研究重点。
　　图5.1.1几何光学、波动光学、电磁学和量子光学之间的联系
　　光是电磁波的一种，其本质与电磁波相同。麦克斯韦在前人的电磁学研究成果的基础上，把普遍电磁现象的基本规律归纳为以下四个方程，称为麦克斯韦方程组。
　　N~·D=ρ（5.1.1）
　　N~·B=0（5.1.2）
　　N~×E=-
　　�礏�祎
　　（5.1.3）
　　N~×H=j+
　　�礑�祎
　　（5.1.4）
　　式中，D、E、B、H分别表示电感强度（电位移矢量）、电场强度、磁感强度和磁场强度； ρ表示封闭曲面内的电荷密度； J为积分闭合回路上的传导电流密度，�礑�祎
　　为位移电流密度。
　　N~为哈密顿算符，在直角坐标系下的表达式为
　　N~=i-�氮祒+j-�氮祔+k-�氮祕
　　（5.1.5）
　　D、E、B、H、J之间有如下关系，称为物质方程：
　　J=σE（5.1.6）
　　D=εE（5.1.7）
　　B=μH
　　（5.1.8）
　　式中，σ是电导率； ε和μ是两个标量，分别称为介电常数（或电容率）和磁导率。在各向同性均匀介质中，ε、μ是常数，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
　　为适应“十三五”高等学校教学改革需要，《光学原理(第2版)》针对作为“十一五”浙江省重点建设教材的《光学原理(第1版)》进行了修订，使光学原理的教学内容和课程体系更适应于光电类及相近专业的教学要求。
　　修订的指导思想仍然是在注重论述光学的基本原理的同时，紧密联系光学工程实践问题，并努力注重工具的应用。本书修订后仍由上下两部分组成，上部分为几何光学及典型光学系统，下半部分为物理光学。
　　第3章中各节原结构为光阑的分类，孔径光阑、入瞳及出瞳，视场光阑、入射窗和出射窗，渐晕光阑，远心光路，其中各部分内容不是并立关系，内容有重复。现修改为光阑的分类、光阑的计算、远心光路三部分。在“光阑的计算”中，通过定量计算，不但巩固和加强“光阑的分类”中的概念，而且与后续内容（包括第4章放大镜、显微镜、望远镜等）衔接较好，补充了“像方远心光路”的概念。像差概念很多，我们注重掌握球差和位置色差，理解子午慧差、畸变和倍率色差，了解弧矢慧差及正弦差、像散、场曲等。3.3节结构修改为轴上点球差，轴外点像差，像散和场曲，畸变，色差，波像差。重点修改了原来球差部分内容，增加了复合透镜消球差的具体例子、无球差齐明点及齐明透镜等。正弦差作为慧差的一个特例，减少了较多内容；色差部分补充后面要用的D光、F光、C光以及阿贝数等概念。在4.2.2节中，原线视场推导只针对像在无限远，给出的物方线视场与像方视场角的关系只适用像在无限远、渐晕系统50%的情况，本版进行了修订，给出了有限远、无限远以及各种渐晕情况下的视场推导，获得了任意成像位置、任意渐晕情况推导的普适公式，并获得了按成像于明视距离和成像于无限远两种情况推导任意渐晕时的直接计算公式。显微镜中的光束限制部分中，修改后视场部分扩展到渐晕问题，并补充相关重要公式。下部分物理光学中，在第5~8章中，对概念的完整性、印刷错误以及部分例题和习题进行了增删，物理光学基础一章的叙述更加简明易懂；光的偏振及晶体光学基础一章中关于光波和光线在晶体中的传播的解释及计算更加清晰明了。本书由中国计量大学沈常宇和金尚忠编著，浙江大学冯华君教授主审。参加编写的有中国计量大学沈常宇（第1、2、5、6章），中国计量大学金尚忠、李晨霞（第10章），中国计量大学董前民（第8章），华南理工大学葛鹏（第4章），浙江大学雷华（第7章），中国计量大学李劲松（第9章），中国计量大学沈为民（第3章及第4章修改部分）。本书由沈常宇和金尚忠定稿。此外，中国计量大学井旭峰、张艳、李晓艳、楼俊、李晨霞、孔明审阅了本书，并提出了许多宝贵意见，在此一并致谢。本书可作为高等学校光电信息科学与工程、电子科学与技术、光信息科学与技术、光学、仪器仪表类专业的教材，亦可作为物理和测控技术及仪器专业的选修课教材，也可作为从事光学、光电技术、仪器仪表技术和精密测量及检测技术的工程技术人员的参考书。由于作者水平有限，衷心希望广大读者对书中的不足之处给予批评指正。编者2017年7月


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