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郁道银，谈恒英 著

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• 工程光学
• 光学基础
• 光学教程
• 物理光学
• 几何光学
• 光电探测
• 激光原理
• 光学仪器
• 现代光学
• 光学工程

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111575733

版次：2

商品编码：12259904

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 普通高等教育“十一五”国家级规划教材

开本：16开

出版时间：2017-11-01

用纸：胶版纸

页数：391

内容简介

本书分上、下两篇，上篇为几何光学与成像理论，下篇为物理光学。上篇分8章，主要介绍几何光学的基本定律和成像特性、理想光学系统的光学参数和成像关系、平面与平面镜成像、光学系统中的光阑与光束限制、光度学和色度学的基本原理、光学系统的光路计算和像差理论、典型光学系统的成像特性和设计要求、光学系统的成像质量评价和像差公差。下篇分4章，主要介绍光的电磁性质、光在各向同性介质界面上的传播规律、光波的叠加与分析、光波的干涉和典型干涉装置与应用、光波的衍射原理与应用(其中融人了傅里叶光学的基本理论与概念)、光的偏振及其在晶体中的传播等，还涵盖了近场光学、二元光学、光调制、光波导、液晶、光学信息处理和光学全息等现代光学的内容。

目录

第2 版前言
第1 版前言
上篇　几何光学与成像理论
第一章　几何光学基本定律与成像
概念 2
第一节　几何光学的基本定律和原理 2
第二节　成像的基本概念与完善成像条件 6
第三节　光路计算与近轴光学系统 8
第四节　球面光学成像系统 10
习题 14
第二章　理想光学系统 16
第一节　理想光学系统与共线成像理论 16
第二节　理想光学系统的基点与基面 18
第三节　理想光学系统的物像关系 21
第四节　理想光学系统的放大率 25
第五节　理想光学系统的组合 28
第六节　透镜 34
习题 36
第三章　平面与平面系统 38
第一节　平面镜成像 38
第二节　平行平板 40
第三节　反射棱镜 42
第四节　折射棱镜与光楔 48
第五节　光学材料 51
习题 54
第四章　光学系统中的光阑与光束
限制 57
第一节　光阑 57
第二节　照相系统中的光阑 60
第三节　望远镜系统中成像光束的选择 62
第四节　显微镜系统中的光束限制与分析 64
第五节　光学系统的景深 66
第六节　数码照相机镜头的景深 69
习题 71
第五章　光度学和色度学基础 74
第一节　辐射量和光学量及其单位 74
第二节　光传播过程中光学量的变化规律 77
第三节　成像系统像面的光照度 80
第四节　颜色的分类及颜色的表观特征 83
第五节　颜色混合及格拉斯曼颜色混合
定律 84
第六节　颜色匹配 85
第七节　色度学中的几个概念 86
第八节　颜色相加原理及光源色和物体色的
三刺激值 89
第九节　CIE 标准色度学系统 90
第十节　均匀颜色空间及色差公式 98
第十一节　颜色测量 100
习题 102
第六章　光线的光路计算及像差理论 103
第一节　概述 103
第二节　光线的光路计算 104
第三节　轴上点的球差 109
第四节　正弦差和彗差 112
第五节　场曲和像散 116
第六节　畸变 118
第七节　色差 120
第八节　像差特征曲线与分析 123
第九节　波像差 126
习题 127
第七章　典型光学系统 131
第一节　眼睛及其光学系统 131
第二节　放大镜 136
第三节　显微镜系统 138
第四节　望远镜系统 143
第五节　目镜 146
第六节　摄影系统 148
第七节　投影系统 153
第八节　变焦距光学系统 157
第九节　现代光学系统 163
第十节　光学系统的外形尺寸计算 179
习题 183
第八章　光学系统的像质评价 186
第一节　瑞利判断与波前图 186
第二节　中心点亮度与能量包容图 187
第三节　分辨率与点扩散函数 188
第四节　星点检测法与点列图 190
第五节　光学传递函数评价成像质量 192
第六节　其他像质评价方法 193
第七节　光学系统的像差公差 197
习题 199
上篇习题部分参考答案 200
上篇主要参考文献 204
下篇　物理光学
第九章　光的电磁理论基础 206
第一节　光的电磁波性质 206
第二节　光在电介质分界面上的反射和
折射 214
第三节　光在金属表面的反射和透射 226
第四节　光的吸收、色散和散射 229
第五节　光波的叠加 235
第六节　光波的傅里叶分析 242
习题 246
第十章　光的干涉 249
第一节　光波干涉的条件 249
第二节　杨氏干涉实验 250
第三节　干涉条纹的可见度 254
第四节　平板的双光束干涉 257
第五节　典型的双光束干涉系统及其
应用 262
第六节　平行平板的多光束干涉及其
应用 267
习题 279
第十一章　光的衍射 281
第一节　光波的标量衍射理论 282
第二节　菲涅耳衍射 286
第三节　典型孔径的夫琅和费衍射 293
第四节　夫琅和费衍射和傅里叶变换 299
第五节　光学成像系统的衍射和分辨
本领 303
第六节　多缝的夫琅和费衍射 306
第七节　衍射光栅 309
第八节　光学信息处理 317
第九节　全息术 324
习题 330
第十二章　光的偏振 334
第一节　偏振光概述 334
第二节　晶体的双折射 338
第三节　晶体偏振器件 343
第四节　偏振光和偏振器件的矩阵表示 349
第五节　偏振光的干涉 354
第六节　磁光、电光效应 360
第七节　液晶 366
习题 372
下篇附录 375
附录A　矢量分析及场论的主要公式 375
附录B　二维傅里叶变换关系及其基本
定理 376
附录C　几个常用函数的定义及傅里叶
变换 377
附录D　卷积和相关 379
附录E　δ 函数 380
附录F　贝塞尔函数 382
附录G　矩阵 385
下篇习题部分参考答案 387
下篇主要参考文献 391

前言/序言

本书是在第１ 版的基础上修订编写而成的， 其指导思想仍然坚持既注重描述光学的基本原理和基础理论， 又注重理论与工程实际的结合， 并努力反映现代光学技术的发展和应用。
本书分为上、下两篇， 上篇为几何光学与成像理论， 下篇为物理光学。
上篇主要修订内容为： 在第三章光学材料一节中， 增加了光学塑料和光学晶体的特性。
在第五章中增加了第十一节颜色测量。在第七章的第七节投影系统中增加了基于空间光调制器的现代投影光学系统， 增加了第八节变焦距光学系统， 在第九节现代光学系统中增加了近年来得到广泛应用的红外光学系统， 并删除了傅里叶变换光学的相关内容。在第八章中增加了第六节其他像质评价方法， 包括方均根统计评价方法、光程差曲线与光线差曲线评价光学系统成像质量的方法等。
下篇修订内容为： 在第九章中对波函数的复数表示、复振幅、波的叠加原理等内容做了补充描述和讨论， 对光的吸收、色散和散射现象做了补充描述， 并增加了光在金属表面的反射和透射一节。在第十章中补充了白光干涉及其应用的相关内容， 并增加了现代干涉技术及系统的应用例子。在第十一章中增加了二元光学应用的例子和阶梯光栅。在第十二章中增加了若干偏振器件的介绍， 补充了液晶的双折射特性描述， 并引入了径向偏振光的概念等。
本书由天津大学郁道银（上篇） 和浙江大学谈恒英（ 下篇） 主编， 上海理工大学庄松林院士（上篇） 和广州大学梁铨廷教授（下篇） 主审。参加编写的有天津大学郁道银、谢洪波（第七章第九节、第八章）、田学飞、葛宝臻（ 第五章）， 清华大学毛文炜（ 第二、四章）， 武汉大学何平安（第一、三章）， 长春理工大学王文生（ 第六章、第七章第一节至第八节、第十节）， 浙江大学谈恒英（第九、十二章）， 清华大学何庆声、孙利群（第十一章、附录）， 上海理工大学曹俊卿（第十章）。
本书可作为光电信息科学与工程、测控技术与仪器、生物医学工程等专业的教材， 也可作为物理或光学专业的选修教材或参考书， 也可供相关工程技术人员参考。
希望广大读者对书中的不足之处给予指正。
编　者《工程光学基础教程》是普通高等教育“十一五” 国家级规划教材。为适应２１ 世纪高等学校教育教学改革的需要， 使工程光学的教学内容和课程体系更适合于光电信息科学与工程、测控技术与仪器、生物医学工程等专业的教学要求， 特编写《工程光学基础教程》一书。
《工程光学基础教程》一书是在《工程光学》第２ 版（机械工业出版社出版） 基础上编写而成的， 其指导思想仍然坚持既注重论述光学的基本原理和基本理论， 又注重理论与工程实际相结合， 并力求反映现代光学的发展和应用。在内容安排上， 既包含传统的光学理论和光学系统， 又简要介绍现代光学的理论及其应用， 并侧重于光学物理现象的描述， 尽量减少其数学理论的推导。
为满足不同学校与专业的教学计划安排， 本书在内容上删减了原《工程光学》第２ 版中的相关章节。如上篇删减了“ 光学设计” 一章， 把“ 现代光学系统原理” 一章简化为“典型光学系统” 中的一节。下篇删减了“ 傅里叶光学” “ 导波光学基础” “ 光子学基础”
三章， 但把傅里叶光学、近场光学、二元光学和光波导等相关重要内容融入到光的衍射原理等章节中， 使本书既涵盖较广的现代光学内容， 又在篇幅上做较大压缩。
本书分为上、下两篇， 上篇为几何光学与成像理论， 下篇为物理光学。
上篇共分八章， 主要介绍几何光学的基本定律和成像特性、理想光学系统的光学参数和成像关系、平面与平面镜成像、光学系统中的光阑与光束限制、光度学和色度学的基本原理、光学系统的光路计算和像差理论、典型光学系统的成像特性和设计要求、光学系统的成像质量评价和像差公差。此外， 在典型光学系统一章中， 还简要介绍了激光光学系统、傅里叶光学系统、扫描光学系统和光纤光学系统的光束传输和光学成像特性。
下篇共分四章， 主要介绍光的电磁性质、光在各向同性介质界面上的传播规律、光波的叠加与分析、光波的干涉和典型干涉装置与应用、光波的衍射原理与应用（ 其中融入了傅里叶光学的基本理论与概念）、光的偏振及其在晶体中的传播等。此外， 本篇还涵盖近场光学、二元光学、光调制、光波导、液晶、光学信息处理和光学全息等现代光学的相关内容。
本书由天津大学郁道银（上篇） 和浙江大学谈恒英（ 下篇） 主编， 上海理工大学庄松林院士（上篇） 和广州大学梁铨廷教授（下篇） 主审。参加编写的有天津大学郁道银、谢洪波（第七章第八节、第八章）、田学飞（ 第五章）， 清华大学毛文炜（ 第二、四章）， 武汉大学何平安（第一、三章）， 长春理工大学王文生（第六章、第七章第一节至第七节、第九节）， 浙江大学谈恒英（第九、十二章）， 清华大学何庆声、孙利群（ 第十一章、附录），上海理工大学曹俊卿（第十章）。此外， 天津大学陈晓冬参加了书稿的修改与整理工作。
本书可作为光电信息科学与工程、测控技术与仪器、生物医学工程及其相近专业的教材， 也可作为物理或光学专业的选修教材或参考书， 也可供相关工程技术人员参考。
希望广大读者对书中的不足给予指正。
编　者

《光与物质的交响：从微观视角探索光学奥秘》 本书旨在为广大光学领域的研究者、工程师以及对光现象充满好奇的读者，提供一本深入浅出、兼具理论深度与实践指导的参考书。我们致力于打破传统教材的壁垒，以一种全新的视角——微观尺度下的光与物质相互作用——来阐释光学现象的本质。全书围绕着“光子与原子/分子的共振”、“集体效应”以及“量子相干性”等核心概念展开，逐层剥离光学现象背后的微观机制。 第一章：光子的诞生与量子跃迁 本章将带领读者踏入微观世界的门槛。我们将从量子力学的基本原理出发，深入探讨光子的概念。区别于经典的电磁波理论，本书将重点介绍光子的离散能量包特性，并将其与物质内部的电子能级跃迁紧密联系起来。 光子的量子化能量： 我们将详细讲解普朗克常数在光子能量中的作用，以及它如何决定了特定频率光子的能量。不同于连续的能量谱，光子的能量是量子化的，这为理解光谱的离散性奠定了基础。 原子与分子的能级结构： 深入剖析玻尔模型、量子力学中的原子模型以及分子轨道理论，阐明原子和分子内部电子所占据的离散能级。读者将了解到，这些能级结构是物质与光相互作用的关键。 吸收与发射的量子过程： 重点讲解光子与物质相互作用时发生的吸收和发射过程。当一个光子的能量恰好等于两个能级之间的能量差时，原子或分子可以吸收这个光子，电子跃迁到更高的能级（吸收）；反之，处于激发态的电子回到较低能级时，会释放一个具有相同能量的光子（自发发射）。我们将引入爱因斯坦的A、B系数，从概率的角度来描述这些过程。 受激发射的奥秘： 这一节是理解激光的关键。我们将详细介绍受激发射的概念：当一个光子入射到处于激发态的原子或分子时，它会“诱导”该原子或分子释放出另一个与之完全相同的光子——能量、方向、偏振都一致。这为实现光的放大提供了理论基础。 第二章：光与物质的共振耦合：吸收、散射与折射的微观解读 在本章，我们将进一步深化对光与物质相互作用的理解，重点关注共振现象及其引发的宏观光学效应。 共振吸收与色散： 物质对特定波长光的强烈吸收，即共振吸收，是由光场频率与物质固有振动频率（如电子跃迁频率、分子振动频率）的匹配引起的。我们将探讨这种共振如何导致材料在不同波长下呈现出不同的吸收特性，从而形成颜色。同时，我们将引入“色散”的概念，解释光在介质中传播速度随波长的变化，这同样与光与物质的共振耦合密切相关。 瑞利散射与米氏散射： 散射现象是光与物质相互作用的另一种重要表现。我们将详细阐述瑞利散射，解释为什么天空呈现蓝色（短波长的蓝光被空气分子散射得更强烈），以及日出日落时天空为何呈现红色。在此基础上，我们将介绍米氏散射，它适用于散射粒子尺寸与光波长相当或更大的情况，如云、雾的散射，并解释其与瑞利散射在理论模型和散射谱上的差异。 折射率的微观起源： 传统的折射率描述了光在介质中的传播速度。在本章，我们将追溯折射率的微观根源。光在介质中的传播，本质上是光场驱动介质中的带电粒子（主要是电子）产生振荡，这些振荡的二次辐射又与入射光叠加，最终影响了光的传播。折射率的实部反映了光与介质的平均相互作用强度，而虚部则与吸收损耗相关。我们将借助于洛伦兹模型，来定性地解释折射率的频率依赖性。 第三章：集体效应与相干性：从点光源到激光的光学飞跃 本章将视角从单个光子与单个原子的相互作用，扩展到大量光子与大量物质相互作用的集体效应，并深入探讨“相干性”这一量子光学中的核心概念。 激光的诞生：集体受激发射的宏观体现： 激光器之所以能够产生高度定向、单色、高强度的光束，正是源于“受激发射”在大量粒子中的集体效应。我们将详细介绍激光器的工作原理：泵浦产生粒子数反转，谐振腔的两次反射实现光的放大，以及阈值、增益、损耗等关键参数。本书将力求揭示激光光束的独特性质（方向性、单色性、相干性、高亮度）是如何从微观的受激发射过程中集体涌现出来的。 相干性：光的“秩序”： 我们将区分相干光与非相干光。相干性包括时间相干性和空间相干性。时间相干性描述了光波在时间上的相关性，决定了干涉条纹的可见度。空间相干性描述了光波在空间上的相关性，决定了衍射图案的清晰度。我们将通过数学模型，展示如何量化相干性，并解释为何激光器是高度相干的光源。 干涉与衍射的相干性基础： 干涉和衍射是光的波动性的经典证明。在本章，我们将从相干性的角度来重新审视这些现象。只有当两束或多束光具有足够的相干性时，才能观察到清晰稳定的干涉条纹。同样，衍射现象的产生也依赖于光波在传播过程中不同部分的相干叠加。 非线性光学现象的微观起源： 随着光强度的增加，物质的响应不再是线性的，从而产生一系列非线性光学现象，如二次谐波产生（SHG）、三次谐波产生（THG）、自聚焦等。我们将从宏观电极化率的更高阶项出发，解释这些现象的微观本质。强光场可以更深入地激发物质的电子云，产生复杂的响应，从而改变光的频率、方向等属性。 第四章：光与量子信息：探索光学在未来科技中的新机遇 本章将视野拓展至当代光学研究的前沿领域，聚焦于光在量子信息科学中的关键作用，以及新兴的光学技术。 量子通信与量子密钥分发（QKD）： 我们将介绍如何利用单光子的量子态（如偏振、相位）来编码信息。量子不可克隆定理保证了量子密钥分发的安全性，即使窃听者试图测量传输的量子态，也会破坏其原始状态，从而被通信双方发现。 量子计算中的光学实现： 探讨不同平台下利用光子作为量子比特的可能性，例如集成光路、光学腔量子电动力学（Cavity QED）等。我们将介绍如何利用光子的叠加态和纠缠态来实现量子逻辑门和量子算法。 光学传感与测量的新进展： 介绍基于先进光学原理的新型传感器，如光学干涉仪在引力波探测中的应用，表面等离激元（SPR）在生物和化学传感中的应用，以及光学相干断层扫描（OCT）在医学成像中的应用。我们将强调这些技术如何利用光与物质相互作用的微观特性来提升测量精度和灵敏度。 纳米光学与超材料： 探索在纳米尺度下操纵光的技术，包括等离激元纳米器件、光子晶体等。介绍超材料的设计原理，它们可以展现出自然界不存在的负折射率等奇异光学特性，为光子的“隐形衣”和超分辨成像提供了可能。 本书的特色与价值： 微观视角切入： 区别于许多侧重宏观现象描述的教材，本书始终强调从光子、原子、分子的相互作用这一微观层面去解释光学现象，力求揭示“为什么”而不是仅仅描述“是什么”。 理论与实践并重： 在深入讲解理论概念的同时，本书也将适时穿插实际应用案例和前沿研究动态，帮助读者将所学知识与实际工程和科学研究联系起来。 概念的连贯性： 各章节之间层层递进，从基本的光子概念到复杂的集体效应和量子信息，构建了一个逻辑清晰、体系完整的知识框架。 面向未来： 本书关注当前光学领域的热点和发展趋势，为有志于在光学及相关交叉学科领域深造和工作的读者提供有价值的指导。 我们相信，《光与物质的交响：从微观视角探索光学奥秘》将成为您探索光之奥秘、理解现代光学技术背后原理的得力助手。它不仅是一本教科书，更是一次引人入胜的科学之旅，带领您感受光与物质之间那奇妙而深刻的互动。

评分☆☆☆☆☆

这本书的实际操作指导性真是让我印象深刻。我之前在学习光学的时候，总是觉得理论和实践脱节，看懂了书上的公式和原理，但一到实际操作就两眼一抹黑。然而，《工程光学基础教程》（第2版）在这方面做得非常出色。它不仅仅是理论的阐述，更重要的是，书中有很多关于实验设计、仪器选择和数据处理的建议。例如，在讲到光度学和辐射度学部分时，书中不仅解释了相关的概念和单位，还给出了如何选择合适的光源、探测器以及如何进行测量和校准的实际步骤。我感觉作者就像一位经验丰富的工程师，把我拉到了他的工作室，一步步地指导我如何去做。书中提到的很多工程案例，都充满了实际的参考价值，让我能看到理论知识是如何转化为具体的工程应用的。比如，在介绍光纤通信的时候，它不仅讲了光纤的传输原理，还谈到了连接、耦合损耗等实际问题，这些细节对于工程实践者来说至关重要。这本书让我觉得，光学工程不再是纸上谈兵，而是可以实实在在去实现和优化的。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直让我大开眼界！我之前对光学领域一直有点懵懵懂懂，感觉各种概念都像是隔着一层纱，模糊不清。但拿到这本《工程光学基础教程》（第2版）之后，情况就完全不同了。作者的讲解方式实在是太到位了，循序渐进，一点点地把那些复杂的原理掰开了揉碎了讲。尤其是在讲到衍射和干涉的时候，我以前总觉得这些是只存在于理论中的抽象概念，但书中通过大量的图示和生动的类比，让我能清晰地理解光波的叠加以及由此产生的各种现象。比如说，书中对夫琅琅霍衍射的阐述，不仅仅是给出公式，更重要的是解释了公式背后的物理意义，以及它在实际光学系统中的应用。我甚至能想象出光波在通过狭缝时是如何“绕”过去的，那种感觉真的很奇妙。而且，书中的例子都很贴近工程实际，让我能深刻体会到光学知识是如何被应用在各种仪器设备中的，比如望远镜、显微镜，甚至是我们日常生活中接触到的各种光学产品。总而言之，这本书不仅打牢了我光学的基础，更激起了我对这个领域浓厚的兴趣，让我觉得光学不再是枯燥的物理理论，而是充满魅力的工程学科。

评分☆☆☆☆☆

这本书的现代化视角和前沿性给我留下了深刻的印象。在阅读《工程光学基础教程》（第2版）的过程中，我惊喜地发现，它并没有仅仅停留在经典的光学理论上，而是积极地融入了许多当前光学工程领域的新发展和新应用。作者在讨论一些基础概念时，会不时地提及它们在现代技术中的最新进展，例如在介绍激光原理时，就触及了激光的各种高性能应用，以及在生物医学、通信等领域扮演的关键角色。书中关于光子晶体、超材料等新兴领域的内容，虽然篇幅可能不算特别大，但足以勾勒出这些前沿技术的轮廓，让我对光学未来的发展方向有了初步的了解。这对于我这种希望跟上技术潮流的读者来说，是极其宝贵的。而且，这本书在讨论光学设计和模拟时，也显露出其与时俱进的一面，提到了现代光学设计软件的应用，让我觉得这本书的知识体系是能够支撑起未来工程实践的。它不仅仅是一本“基础教程”，更像是一扇通往现代光学工程世界的窗口。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的理论深度和严谨性是我在同类书籍中很少见到的。我之前也翻阅过一些光学教材，但很多都流于表面，或者过于偏向某一个分支。而《工程光学基础教程》（第2版）给我的感觉是，它在各个层面都做到了恰到好处的深度。它在必要的时候会给出清晰的数学推导，但又不会让你觉得被公式淹没。作者的叙述非常专业，但同时又保持了相当的易读性，这一点很难得。我尤其欣赏书中对各种光学现象的物理本质的深入剖析，比如光的偏振，它不仅解释了偏振光的产生方式，还详细分析了不同偏振片的作用以及在偏振光应用中的具体原理，让我对这种“看不见”的光的特性有了更清晰的认识。书中对薄膜光学和衍射光学的讲解，也显得格外透彻，让我对这些更高级的光学现象有了扎实的理解。我觉得这本书不仅适合初学者，对于有一定光学基础，希望进一步深化理解的读者，同样具有很高的参考价值。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我当初选择这本书，主要是因为它的“基础教程”这个定位，想着作为入门读物应该会比较友好。但读下来之后，我发现它的深度和广度远超我的预期。它不仅仅停留在概念的介绍，更深入地探讨了各种光学现象背后的数学模型和物理机制，这对我这种喜欢刨根问底的人来说，简直是福音。书中对于几何光学部分的处理，让我对透镜成像、反射和折射的原理有了更深刻的理解，不再是死记硬背公式，而是能从光线的传播路径上去理解。特别是对成像质量的讨论，比如像差的产生和校正，书中给出了清晰的解释和相关的数学推导，虽然有些地方需要花费一些时间去消化，但一旦理解了，就会觉得豁然开朗。而且，这本书的排版也很考究，文字清晰，图表规范，阅读起来非常舒适。我觉得它非常适合那些希望在光学领域有所建树，或者需要将光学知识应用到实际工程中的读者。它提供的知识体系非常完整，从基础的光波性质到复杂的成像系统，都有涉及，而且各个部分之间关联紧密，逻辑性很强。