工程光学基础教程/普通高等教育“十一五”国家级规划教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郁道银，谈恒英 编

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• 工程光学
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• 物理学
• 高等教育
• 教材
• 十一五规划教材
• 光学工程
• 光电技术
• 理学
• 大学教材

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111212928

版次：1

商品编码：12140759

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：2017-06-01

用纸：胶版纸

页数：360

字数：568000

正文语种：中文

内容简介

　　本书是教育部审定的普通高等教育“十一五”国家级规划教材，是在原《工程光学（第2版）》的基础上编写而成的少学时版本，书中内容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。
　　本书侧重于光学物理现象的描述，尽量减少数学理论的推导。
　　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，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。
　　本书可作为光电信息科学与工程、测控技术及仪器、生物医学工程及其相近专业的教材。

内页插图

目录

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
第一节 几何光学的基本定律
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
第三节 光路计算与近轴光学系统
第四节 球面光学成像系统
习题
第二章 理想光学系统
第一节 理想光学系统与共线成像理论
第二节 理想光学系统的基点与基面
第三节 理想光学系统的物像关系
第四节 理想光学系统的放大率
第五节 理想光学系统的组合
第六节 透镜
习题
第三章 平面与平面系统
第一节 平面镜成像
第二节 平行平板
第三节 反射棱镜
第四节 折射棱镜与光楔
第五节 光学材料
习题
第四章 光学系统中的光阑和光束限制
第一节 光阑
第二节 照相系统中的光阑
第三节 望远镜系统中成像光束的选择
第四节 显微镜系统中的光束限制与分析
第五节 光学系统的景深
习题
第五章 光度学和色度学基础
第一节 辐射量和光学量及其单位
第二节 光传播过程中光学量的变化规律
第三节 成像系统像面的光照度
第四节 颜色的分类及颜色的表观特征
第五节 颜色混合及格拉斯曼颜色混合定律
第六节 颜色匹配
第七节 色度学中的几个概念
第八节 颜色相加原理及光源色和物体色的三刺激值
第九节 CIE标准色度学系统
第十节 均匀颜色空间及色差公式
习题
第六章 光线的光路计算及像差理论
第一节 概述
第二节 光线的光路计算
第三节 轴上点的球差
第四节 正弦差和彗差
第五节 场曲和像散
第六节 畸变
第七节 色差
第八节 像差特征曲线与分析
第九节 波像差
习题
第七章 典型光学系统
第一节 眼睛及其光学系统
第二节 放大镜
第三节 显微镜系统
第四节 望远镜系统
第五节 目镜
第六节 摄影系统
第七节 投影系统
第八节 现代光学系统
第九节 光学系统的外形尺寸计算
习题
第八章 光学系统的像质评价和像差公差
第一节 瑞利（Reyleigh）判断和中心点亮度
第二节 分辨率
第三节 点列图
第四节 光学传递函数评价成像质量
第五节 其他像质评价方法
第六节 光学系统的像差公差
上篇习题部分参考答案
上篇主要参考文献

下篇 物理光学
第九章 光的电磁理论基础
第一节 光的电磁性质
第二节 光在电介质分界面上的反射和折射
第三节 光的吸收、色散和散射
第四节 光波的叠加
第五节 光波的傅里叶分析
习题
第十章 光的干涉
第一节 光波干涉的条件
第二节 杨氏干涉实验
第三节 干涉条纹的可见度
第四节 平板的双光束干涉
第五节 典型的双光束干涉系统及其应用
第六节 平行平板的多光束干涉及其应用
习题
第十一章 光的衍射
第一节 光波的标量衍射理论
第二节 典型孔径的夫琅和费衍射
第三节 夫琅和费衍射和傅里叶变换
第四节 光学成像系统的衍射和分辨本领
第五节 多缝的夫琅和费衍射
第六节 衍射光栅
第七节 菲涅耳衍射
第八节 光学信息处理
第九节 全息术
习题
第十二章 光的偏振
第一节 偏振光概述
第二节 晶体的双折射
第三节 晶体偏振器件
第四节 偏振光和偏振器件的矩阵表示
第五节 偏振光的干涉
第六节 磁光、电光效应
第七节 液晶
习题
下篇附录
附录A 矢量分析及场论的主要公式
附录B 二维傅里叶变换关系及其基本定理
附录C 几个常用函数的定义及傅里叶变换
附录D 卷积和相关
附录E 艿函数
下篇习题部分参考答案
下篇主要参考文献

前言/序言

　　《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、测控技术与仪器和生物医学工程等类专业的教学要求，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”和“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，又在篇幅上作较大压缩。
　　本教材分为上、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、孙立群（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，也是从事光学工程、仪器科学与技术、生物医学工程等学科的工程技术人员参考书。
　　希望广大读者对书中的不足给予指正。

现代光学前沿与应用探析 本书旨在为读者提供一个广阔的视角，深入探讨现代光学领域的前沿理论、关键技术及其在各个工业和科研领域的创新性应用。全书内容聚焦于那些在《工程光学基础教程/普通高等教育“十一五”国家级规划教材》之外，代表了当前光学学科发展新方向和新技术突破的关键节点。 第一部分：超分辨与纳米光学：突破衍射极限的艺术 本部分重点剖析了超越传统阿贝衍射极限的尖端光学技术，这部分内容是当前信息、生物和材料科学交叉领域研究的热点。 第一章：近场扫描光学显微镜（NSOM）的原理与发展 详细阐述了扫描近场光学显微镜（NSOM，或称SNOM）如何通过利用亚波长尺度的光学场（特别是表面等离激元场）来突破衍射极限，实现对物质表面形貌和光学性质的纳米级成像。内容涵盖了NSOM的探针设计（如锥形、针尖式探针的制备工艺）、工作模式（如常开型、接触型、原子力辅助型）的优缺点对比，以及如何通过时间分辨技术和光谱分析提升成像分辨率和信息量。特别讨论了在生物活体成像中，NSOM如何用于追踪单分子动态过程的应用实例，这是对传统远场光学方法无法企及的领域。 第二章：超材料与超表面光学（Metamaterials and Metasurfaces） 本章深入介绍了人工设计的亚波长结构单元如何调控电磁波的传播特性，实现对光的相位、振幅和偏振的任意操控。内容从基础的等效介质理论出发，详细分析了负折射率材料、零折射率材料的物理机制。随后，重点转向二维化的超表面技术。我们将详尽解析基于Pancharatnam-Berry（PB）相位、几何相位以及局域共振的超表面设计原理，并展示其在超薄平面透镜（Metalens）、光束偏转器、隐身器件以及高维度信息复用方面的突破性进展。关于超表面的制造公差、宽带响应优化以及与CMOS工艺的兼容性问题，也将进行深入探讨。 第三章：STED、PALM/STORM等随机光学重构技术 本部分聚焦于荧光显微成像中的超分辨技术。详细解析了受激发射损耗（STED）显微镜中“甜甜圈”形光束的形成原理、猝灭剂的选择对分辨率提升的贡献，以及如何克服高功率带来的光漂白效应。同时，对基于单分子定位的超分辨技术（如PALM和STORM）的成像流程进行了系统的梳理，包括分子开关的设计、精确的球差校正、数据配准与图像重建算法（如高斯拟合、Bessel束辅助定位）的数学基础。本书强调了这些技术在分析细胞骨架结构、膜蛋白分布等生命科学前沿问题中的独特价值。 第二部分：量子光学与光信息处理的前沿技术 本部分聚焦于将量子力学原理应用于光信号的产生、传输和处理，这是下一代计算和通信技术的核心驱动力。 第四章：量子光源的制备与表征 区别于经典光源，本章专注于单光子源和纠缠光子对的制备技术。详细介绍基于半导体量子点（QD）、氮-空位中心（NV Center）在金刚石中的应用，以及通过自发参量下转换（SPDC）和自发四波混频（SFWM）制备纠缠光子的实验方案。内容深入探讨了如何通过高谐振腔、有效耦合机制来提高单光子的纯度（$g^{(2)}(0) ll 1$）和通量。此外，如何利用时间-能量纠缠和空间-偏振纠缠进行量子态表征（如贝尔不等式检验）也是本章的重点。 第五章：集成光子学与硅光子芯片 本章探讨如何将复杂的光学系统小型化并集成到硅基芯片上，以实现高密度、低功耗的光信息处理。深入分析了硅基波导的损耗机理、耦合机制（如光栅耦合器、端面耦合器）。重点介绍硅光子技术在高速调制器（如马赫-曾德尔干涉仪调制器）、片上激光器（如增益介质的集成）、以及光子滤波器阵列中的应用。本章还将涉及光子集成电路的设计流程，包括光电转换效率的优化和热稳定性控制。 第六章：非线性光学在光频率梳与太赫兹波产生中的应用 本部分探讨了高阶非线性过程在产生新型电磁波谱方面的应用。首先，系统性地介绍了基于光纤或空心光纤中的自相位调制（SPM）和克尔效应形成的光学频率梳（OFC）。详细分析了周期性极化铌酸锂（PPLN）波导中的参量放大和下转换过程，及其在精密测量和光谱学中的应用。其次，深入讨论了如何通过光整流效应（Optical Rectification）或电光耦合机制，在太赫兹（THz）频段产生高功率、可调谐的电磁波，及其在材料无损检测和高速通信中的潜力。 第三部分：复杂介质中的光传输与成像 本部分关注光波在散射、吸收或具有特殊结构的介质中传播时的行为，以及如何利用先进算法进行成像重建。 第七章：光在散射介质中的传输与波前整形 详细剖析了光在强散射环境（如生物组织、乳浊液）中经历的多次散射效应。本章不再侧重于传统的扩散方程，而是引入了时间反演、光子射出时间（Early Time）分析等概念。重点讲解了波前整形（Wavefront Shaping）技术，即利用空间光调制器（SLM）对入射光场进行精确的相位和振幅编码，以补偿散射介质引入的随机相位延迟，实现对焦点在散射后介质中聚焦的能力。内容将涉及反馈优化算法和通道矩阵的测量方法。 第八章：计算层析成像（Computational Tomography） 本章聚焦于如何通过采集有限或不完全的投影数据，利用强大的计算能力重建出三维或四维（含时间维度）的物体信息。内容涵盖了X射线断层扫描之外的领域，如荧光层析成像（FLIT）、光学相干层析成像（OCT）中的相位恢复算法，以及基于深度学习的快速重建模型。特别讨论了压缩感知（Compressed Sensing, CS）理论在低采样率三维成像中的应用，以及如何设计高效的编码和解码策略来提高信噪比和重建速度。 第九章：自适应光学（Adaptive Optics, AO）的原理与生物医学应用 系统介绍自适应光学系统在实时校正由大气湍流或生物组织引起的像差中的核心技术。详细分析了波前传感器的类型（如Shack-Hartmann传感器、Pyramidal传感器）的工作原理和局限性。重点阐述了变形镜（DM）驱动方式、控制算法（如基于Zernike多项式的展开与优化）的数学模型。结合实际应用，探讨了AO在天文观测（消除大气抖动）和眼底成像（实现视网膜细胞级分辨率）中的具体工程实现和性能指标。 全书的每一章都力求将理论深度与工程实践相结合，通过分析最新的科研论文和工业专利，为读者提供一个超越基础教程的、面向未来光电技术研发的知识体系。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉，就像一位经验丰富的老教授，在循循善诱地引导你进入光学这个奇妙的世界。它不是那种卖弄概念、堆砌术语的书，而是非常注重原理的讲解和概念的梳理。我印象特别深刻的是，它在讲到光的传播时，不仅仅停留在几何光学的直线传播，而是花了很大的篇幅去阐述波动光学中的衍射和干涉现象，并且用了很多形象的比喻来解释这些复杂的概念，比如用波浪在水面上扩散来类比光的衍射。这对我这个初学者来说，真的是太友好了。而且，这本书在内容组织上，也显得非常用心。它不会把所有内容一股脑地抛给你，而是循序渐进，一层一层地剥开来。每个章节的开始，都会有一个清晰的引入，让你知道即将要学习什么，以及这些内容在整个光学体系中的位置。章节结束时，也会有小结，帮助你巩固所学。我尤其喜欢它在讲解一些重要公式时，会给出详细的推导过程，而不是直接给你一个结论，这让我更能理解公式的由来和适用范围。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我带来的最深刻感受，是它对光学领域基础理论的深度挖掘和严谨阐述。它没有回避那些可能让初学者望而却步的数学推导，反而把它们当作理解光学现象本质的关键。我非常欣赏书中对物理模型建立的清晰思路，以及对数学工具运用的恰到好处。从麦克斯韦方程组对电磁波的描述，到惠更斯原理对光的衍射的解释，每一个重要理论的提出和发展，都梳理得非常清楚。它不仅仅是告诉我们“是什么”，更重要的是“为什么是这样”。我记得在讲到傅里叶光学时，书中通过引入傅里叶变换，将光的传播和成像问题，从空间域转化到频率域，极大地简化了复杂问题的分析。这种抽象的数学工具在物理问题中的巧妙运用，让我对光学产生了更深刻的理解。这本书要求读者有一定的数学和物理基础，但如果你愿意投入精力去学习，它绝对会让你受益匪浅，为你打开一扇通往更高级光学研究的大门。

评分☆☆☆☆☆

这本书，我拿到手的时候，就觉得它是一本非常扎实的工具书，绝对不是那种泛泛而谈的科普读物。它的内容深入浅出，但“深入”是占了很大比重的。从基础的光学原理讲起，比如光的波动性和粒子性，再到几何光学里那些精妙的成像定律，比如透镜成像、反射成像，都讲得特别透彻。书中对各种光学元件的特性分析，比如不同曲率半径的透镜、不同材质的棱镜，都有详细的推导和计算公式，读起来很有挑战性，但也特别能理解物理现象背后的数学逻辑。我尤其喜欢它在讲到光学系统时，那种层层递进的讲解方式，从简单的单透镜系统，一步步构建到复杂的显微镜、望远镜等，每一步都把前面学到的知识巧妙地结合起来，让整个光学系统的成像过程变得清晰可见。而且，书中大量的插图和图示，真的是我的救星，很多抽象的概念，通过一张清晰的示意图，就能豁然开朗。我觉得，如果你想真正弄懂光学，不满足于知道“是什么”，而想知道“为什么”，那这本书绝对是首选。它可能需要你静下心来，一点点啃，但回报绝对是巨大的。

评分☆☆☆☆☆

在我看来，这本书的精髓在于它对工程实践的侧重。它不是纯粹的理论堆砌，而是紧密围绕着工程应用来展开。比如，在讲到透镜设计时，它不仅仅介绍了理想透镜的成像，更深入地讨论了各种像差的产生原因以及如何通过优化设计来减小这些像差。书中还涉及到了一些光学元件的制造和测试方面的知识，这对于理解一个光学系统如何从理论走向现实非常有帮助。我记得有一章专门讲了光学仪器的分辨率和灵敏度，以及影响这些性能的各种因素，这对于理解我们日常接触到的各种光学设备，比如相机、显微镜，背后的科学原理非常有启发。而且，它里面的一些案例分析，都非常贴近实际工程问题，读起来很有代入感，让我能更好地理解光学知识在实际工作中的价值。这本书让我觉得，光学不仅仅是实验室里的学问，更是可以解决实际问题的强大工具。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，一开始我拿到这本书，是被它的“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”这个名头吸引的。总觉得这样的教材，内容肯定是最权威、最系统的。拿到书后，翻开一看，果然名不虚传。它在内容的覆盖面上非常广，几乎涵盖了工程光学的所有重要分支。从基础的衍射、干涉，到更复杂的偏振、光的全息技术，再到一些新兴的光学应用，比如激光光学、光纤光学，都有涉及。而且，它不仅仅是简单地罗列概念，而是非常注重理论与实践的结合。书中不仅有严谨的数学推导，还有大量的工程实例分析，比如在光学仪器设计中的应用，在光通信系统中的作用等等。这让我觉得，这本书不仅仅是为理论学习者准备的，更是为将来要从事光学相关工作的工程师们打下坚实基础的。我特别欣赏它在章节安排上的逻辑性，往往会先介绍基本原理，然后深入到具体的技术细节，最后再拓展到相关的应用领域，这种结构让学习过程非常顺畅，也更容易建立起知识体系。