[正版] 现代光学工程 [美]沃伦J.史密斯 化学工业出版社 正版书籍

     本书由世界光学专家Warren J.Smith先生所著，全书内容丰富，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。与其他同类书籍相比，该书考虑到设计、制造和测量技术，介绍使用“库存”透镜，从而“变废为宝”。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、人眼特性和光度学技术。本书具有如下特点：■  提供关于光学工程理论、设计和应用的**资料；

■   150多个详细插图；

■  本版的新颖之处：提供新的光线追迹、光学系统设计和三级像差理论方面的内容；新的透镜设计；新的光学设计软件；新的问题和练习。

《应用光学》2011年6期1155页、《电光与控制》2011年1期第6页：“该书是世界光学专家Warren J.Smith先生60多年丰富工作经验的总结。内容经典且先进、实用，地覆盖了像的形成、基本的光学装置、像的评价、制造技术和测试方法等；提供了关于光学工程理论、设计和应用的*资料；同时涵盖150多个详细插图和62种光学设计实例……”

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

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                 （13.24）

式中，U’是光线在圆柱体内的斜率，d是圆柱体直径；L是长度。当光线没有反射损失而全部透射时，角度 必须大于临界角：

式中， 是圆柱体的折射率； 是柱体周围介质的折射率。依此就可以确定发生全反射的子午光线的外部斜率：

                                              (13.25)

一个圆柱体的“接受锥角”定义为数值孔径。整理公式13.25得到：

                                        （13.26）

这就是数值孔径的小值。正如下面和图13.23所示，斜光线的NA比子午光线的NA 更大。

再次参考图13.22，如果子午光线在轴线上方或下方以合适的角度入射圆柱体，则应当以-U斜率角出射。图12.23表示一对斜光线的路程（端视图）。注意到，每次反射都使斜光线伴随着旋转，旋转量取决于光线离开子午面的距离。因此，从圆柱体一端入射的一束平行光束会从另一端出射，如同顶角为2U的空心光锥一样。如果圆柱的直径比较小，则衍射效应在某种程度上会使空心光锥有些散射。还要注意，由于斜光线要比子午光线以更大入射角投射到圆柱表面，所以，斜光线的数值孔径要比子午光线大。

如果将透光圆柱体弯曲成适度的曲线形状，那么，会有一些光从圆柱体的侧壁泄露出，而大部分光仍在圆柱体内传播，并且，一个简单弯曲的玻璃棒就是一种非常方便的装置，通过管道可以将光从一个位置传送到另一个位置。

光学纤维是特别细的玻璃丝或塑料丝，光纤直径是1～2μm，或更大些。在这些小直径材料中，玻璃光纤相当柔韧灵活，一束光纤构成一根灵活的光导管。图13.24表示光纤的几种应用，图13.24a表明定向或“相干”光纤束将图像从光纤一端传输到另一端过程中的基本性质。如果光纤两端被紧紧夹住，使每根光纤任一端都有同样的相对位置，然后，光纤缆索可以逐根地连接成结而不会影响像的传递性质。相当长的光纤束可以有不可思议的高透射率。相干光纤束的极限分辨率（单位长度线对数）近似等于光纤直径倒数的一半。同步摆动或扫描光纤两端，可以使分辨率加倍。当将光纤紧紧包裹时，光纤表面彼此接触，光线会从一个光纤漏射到相邻光纤中。光纤表面上的湿气、油或灰尘也可能干扰全内反射。在每根光纤上涂镀或者“覆盖”一层低折射率玻璃或塑料薄膜可以避免这种现象，例如，玻璃芯的折射率，覆盖层的折射率，根据公式13.26，得到的数值孔径是0.8数量级。由于全内反射（TIR）发生在光纤芯-覆盖层表面，所以，如果覆盖层足够厚，外层表面之间的湿气或接触就不会影响全内反射。

图13.24b表示一个灵活的胃窥镜或者乙形结肠镜。物镜将物体的像形成在相干光纤束的一端，借助目镜或者摄象机，在另一端观察传递过来的像。

阴极射线管端面的普通照相术不是一种很有效的工艺。荧光粉辐射，一个照相物镜仅仅接受辐射光的一小部分。由气密熔凝光纤束组成的管面（图13.24c）可以将辐射到（由NA确定）光锥内的全部能量传递到相接触的照相胶片上，其能量损耗可以忽略不计。熔凝光纤总是覆盖有低折射率玻璃以将光纤分开。常常增加一种吸收层或者吸收纤维，避免光线以大于光纤数值孔径的角度入射而形成的杂散光使对比度下降。光纤光学件也适合做导光管，即刚性熔凝束，可以有效地使光通过复杂曲折的路程，如图13.24d所示。

用直径在0.5in数量级的柔性塑料光纤作照明系统中的单芯光纤。

一种棱锥形相干熔凝光纤束可以用作放大镜或者缩小镜（取决于原物体放置在棱锥体的大端面还是小端面）。将相干光纤束扭曲，无论是否熔凝，都可以做成正像器，能够完成第七章介绍的正像棱镜的作用。这些器件常常在像增强器系统，例如微光夜视仪中使用。

直径0.5～1.0mm的空心玻璃光纤内表面镀膜，柔性合适，已经用于10μm波长范围的辐射。这些光纤对于维持激光束的高斯分布做了大量工作。

梯度折射率光纤

前面内容是讨论将能量从光纤一端传递到另一端，很少或者没有涉及到相干性。入射在光纤一端的能量是非常均匀或者杂乱地被传递到另一端。但是，如果光纤中心的折射率高，向外逐渐变低，则光线通过光纤的路程将是曲线而非直线。适当选择折射率梯度（近似是距光纤中心的径向距离平方的倒数的函数），光路就是正弦关系，如图13.25所示。有两个大的影响：从一点发出的光线沿光纤可以周期性地会聚到一个焦点；光纤能够像透镜一样成像。这是梯度折射率（GRIN）或自聚焦（SELFOC）棒的基础。例如，如果折射率设计成径向距离r的函数，表示如下：

则轴向长度为t的一根棒的焦距是：

后截距是：

正弦光线路程的“节距”是 。

由于聚焦效应沿棒长方向是连续的，所以，这种装置等效于13.2节介绍过的、由转像透镜和场镜组成的潜望镜系统。与两个转像透镜和一个中间场镜相对应的棒长，如图13.25所示，将产生一个正立的像，像的面积近似等于棒的直径所具有的面积。单排或双排梯度折射率棒是小型桌面复印机的基础。很明显，一根长的GRIN棒可以起到胃窥镜作用，一根短棒（小于图13.25所示长度的四分之一）的功能类似普通透镜，并称为伍德（Wood）透镜。

这种折射率梯度透镜的其它重要方面是：由于光线是以正弦路径形式传播，所以，不会接触到光纤管壁，并且，与（将光束约束在光纤内的）低折射率覆盖层的反射无关。此外，对所有路程，光路（折射率乘以距离）都是一样的，显然，轴上光路短，但在的折射率中。光路的不变性意味着，在整个数值孔径范围内，所有路程的传播时间都一样。与公式13.23给出的路程长度相比，后者随光线斜角的余弦变化。

通讯光纤

光纤的另一种应用是通讯。以光作为一种有特别高频率的载波，其数据传递速率可以非常非常高。制造光纤时使其有特别低的吸收（低于每千米0.1-dB），以便在几英里距离上传播信息成为现实。然而，如果可能的光路长度彼此不同，则光线从光纤一端传播到另一端所消耗的时间将因不同光线而变化。对高数据传播速率，传播时间的很小量差就足以产生一个相移，将信号调制降到无用的水平。图13.23再次表明路程长度的变化。用于电话和数据传输的光纤是典型的单模光纤（光纤芯直径是10μm数量级，边界处折射率差约1%），除非直接沿光纤长度方向传播，否则该模式的光纤不会传播光波。除了路程长度的变化，另一个麻烦问题是：对绝大多数材料，折射率随波长变化，因此，即使路程长度不变，光路也随波长变化。除了低吸收，通讯光纤材料的性质是保证在使用的（窄）光谱范围内具有非常低的色散。氧化硅（）光纤在1.3μm波长处具有几乎是零的吸收，在1.55μm处有很低的色散。多层覆盖层可以将零色散漂移到1.55μm处，使它变平，从而使1.3～1.6μm范围内都是有用的。

　　本书由21章和2个附录组成，内容丰富，实用性强。是世界光学专家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；先后担任过南加州（OSSC）光学协会、美国光学协会、SPIE美国协会，是美国光学协会（OSA）、国际工程师协会（SPIE）和南加州光学协会会员，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。