本書系統(tǒng)闡述了經典光學原理的理論體系, 并全面介紹了現(xiàn)代光學技術的發(fā)展及其應用。介紹了光學發(fā)展簡史、幾何光學基本原理和成像理論、光學系統(tǒng)的光闌及像差, 以及典型光學儀器的基本原理; 物理光學基礎、光的電磁理論、光的干涉、光的衍射、光的偏振與晶體光學、傅里葉光學及全息術以及光的度量、吸收、散射、色散等。
第2版前言
為適應“十三五”高等學校教學改革需要,《光學原理(第2版)》針對作為“十一五”浙江省重點建設教材的《光學原理(第1版)》進行了修訂,使光學原理的教學內容和課程體系更適應于光電類及相近專業(yè)的教學要求。
修訂的指導思想仍然是在注重論述光學的基本原理的同時,緊密聯(lián)系光學工程實踐問題,并努力注重工具的應用。本書修訂后仍由上下兩部分組成,上部分為幾何光學及典型光學系統(tǒng),下半部分為物理光學。
第3章中各節(jié)原結構為光闌的分類,孔徑光闌、入瞳及出瞳,視場光闌、入射窗和出射窗,漸暈光闌,遠心光路,其中各部分內容不是并立關系,內容有重復,F(xiàn)修改為光闌的分類、光闌的計算、遠心光路三部分。在“光闌的計算”中,通過定量計算,不但鞏固和加強“光闌的分類”中的概念,而且與后續(xù)內容(包括第4章放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等)銜接較好,補充了“像方遠心光路”的概念。像差概念很多,我們注重掌握球差和位置色差,理解子午慧差、畸變和倍率色差,了解弧矢慧差及正弦差、像散、場曲等。3.3節(jié)結構修改為軸上點球差,軸外點像差,像散和場曲,畸變,色差,波像差。重點修改了原來球差部分內容,增加了復合透鏡消球差的具體例子、無球差齊明點及齊明透鏡等。正弦差作為慧差的一個特例,減少了較多內容;色差部分補充后面要用的D光、F光、C光以及阿貝數等概念。在4.2.2節(jié)中,原線視場推導只針對像在無限遠,給出的物方線視場與像方視場角的關系只適用像在無限遠、漸暈系統(tǒng)50%的情況,本版進行了修訂,給出了有限遠、無限遠以及各種漸暈情況下的視場推導,獲得了任意成像位置、任意漸暈情況推導的普適公式,并獲得了按成像于明視距離和成像于無限遠兩種情況推導任意漸暈時的直接計算公式。顯微鏡中的光束限制部分中,修改后視場部分擴展到漸暈問題,并補充相關重要公式。下部分物理光學中,在第5~8章中,對概念的完整性、印刷錯誤以及部分例題和習題進行了增刪,物理光學基礎一章的敘述更加簡明易懂;光的偏振及晶體光學基礎一章中關于光波和光線在晶體中的傳播的解釋及計算更加清晰明了。本書由中國計量大學沈常宇和金尚忠編著,浙江大學馮華君教授主審。參加編寫的有中國計量大學沈常宇(第1、2、5、6章),中國計量大學金尚忠、李晨霞(第10章),中國計量大學董前民(第8章),華南理工大學葛鵬(第4章),浙江大學雷華(第7章),中國計量大學李勁松(第9章),中國計量大學沈為民(第3章及第4章修改部分)。本書由沈常宇和金尚忠定稿。此外,中國計量大學井旭峰、張艷、李曉艷、樓俊、李晨霞、孔明審閱了本書,并提出了許多寶貴意見,在此一并致謝。本書可作為高等學校光電信息科學與工程、電子科學與技術、光信息科學與技術、光學、儀器儀表類專業(yè)的教材,亦可作為物理和測控技術及儀器專業(yè)的選修課教材,也可作為從事光學、光電技術、儀器儀表技術和精密測量及檢測技術的工程技術人員的參考書。由于作者水平有限,衷心希望廣大讀者對書中的不足之處給予批評指正。編者2017年7月
沈常宇 男,1977年生,博士,教授,浙江省優(yōu)秀教師,中國計量大學光電學院副院長。入選浙江省新世紀151人才工程,長期從事“光學原理”課程教學,以及浙江省光學原理精品課程、浙江省“光學原理”教學團隊和國家綜合試點改革及浙江省優(yōu)勢專業(yè)“光電信息科學與工程”負責人;獲得浙江省優(yōu)秀教師、中國計量大學首屆教壇新秀、教師教學優(yōu)秀獎、十大育人先鋒、優(yōu)秀研究生導師等榮譽。主要從事光纖傳感、光纖光柵器件、固體照明、非線性光學等方面研究;主持和參與國家自然科學基金重大儀器專項、十三五重點研發(fā)專項、國家質檢公益專項、浙江省重大和重點專項、浙江省科技廳面上項目、浙江省自然科學基金、浙江省優(yōu)秀青年教師項目等20余項;作為主持者或者參與者,先后獲得浙江省科學技術進步一等獎、浙江省自然科學三等獎、浙江省高?蒲谐晒泉、浙江省高等學校教學成果二等獎與三等獎等;近年來在國內外重要學術期刊(如Appl. Phys. Lett.、Opt. Express、J. Opt. Soc. Am. B、IEEE Photonic. Tech. Lett.、Sens. Actuators. B)等發(fā)表三大檢索論文80余篇;獲授權國家發(fā)明專利20余項。
第1章緒論
1.1光學發(fā)展簡史
1.2本書的內容和知識框圖
第2章幾何光學基本原理
2.1幾何光學的基本定律
2.1.1光線、光波與波面
2.1.2幾何光學的基本定律
2.1.3費馬原理——光線傳播的普遍規(guī)律
2.2物、像的基本概念和完善成像條件
2.3單折射球面成像
2.3.1符號法則
2.3.2單個折射球面的光路計算公式
2.3.3近軸光線的光路計算
2.3.4單折射球面成像特性
2.3.5近軸條件下球面反射鏡的物像關系
2.4折射球面成像系統(tǒng)
2.5理想光學系統(tǒng)
2.5.1理想光學系統(tǒng)基本概念
2.5.2理想光學系統(tǒng)的物像關系
2.5.3透鏡成像
2.6平面反射鏡與反射棱鏡
2.6.1平面反射鏡
2.6.2平行平板
2.6.3反射棱鏡
2.7例題解析
習題
第3章光闌與像差
3.1光闌
3.1.1光闌的分類
3.1.2光闌的計算
3.1.3遠心光路
3.2光學系統(tǒng)的景深
3.3像差概述
3.3.1軸上點球差
3.3.2軸外點像差
3.3.3色差
3.3.4波像差
3.4例題解析
習題
第4章典型光學儀器的基本原理
4.1眼睛
4.1.1人眼構造
4.1.2眼睛的調節(jié)
4.1.3眼睛的缺陷和矯正
4.1.4眼睛的分辨率
4.1.5眼睛的對準
4.2放大鏡
4.2.1放大鏡的視覺放大率
4.2.2放大鏡的光束限制和線視場
4.3顯微鏡系統(tǒng)
4.3.1顯微鏡的視覺放大率
4.3.2顯微鏡的分辨率
4.3.3顯微鏡中的光束限制
4.3.4工作距離
4.3.5顯微鏡的照明
4.4望遠鏡系統(tǒng)
4.4.1望遠鏡系統(tǒng)的結構
4.4.2望遠鏡系統(tǒng)的分辨率及有效放大率
4.4.3望遠鏡中的光束限制
4.4.4場鏡
4.5例題解析
習題
第5章物理光學基礎
5.1光波的電磁理論描述
5.1.1光波的電磁特性
5.1.2光波的波動方程
5.1.3平面單色光波解
5.1.4平面波的性質
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動描述
5.2.1光在兩電介質分界面上的反射和折射
5.2.2菲涅爾公式
5.2.3反射波和透射波的性質
5.3例題解析
習題
第6章光波的干涉
6.1光波干涉的條件
6.1.1光波的疊加
6.1.2光波的干涉條件
6.2分波面干涉
6.3影響雙光束干涉條紋清晰度的因素
6.3.1兩相干光波的振幅比對條紋對比度的影響
6.3.2光源寬度對條紋對比度的影響和空間相干性
6.3.3光源的非單色性對條紋對比度的影響和時間相干性
6.4分振幅雙光束干涉
6.4.1平行平板雙光束等傾干涉
6.4.2楔形平板雙光束等厚干涉
6.5典型雙光束干涉系統(tǒng)及應用
6.5.1邁克爾遜干涉儀
6.5.2菲索干涉儀
6.5.3泰曼格林干涉儀
6.5.4馬赫曾德干涉儀
6.5.5傅里葉變換光譜儀
6.6多光束干涉及應用
6.6.1平行平板的多光束干涉
6.6.2多光束干涉儀
6.7例題解析
習題
第7章光波的衍射
7.1惠更斯菲涅爾原理
7.2基爾霍夫衍射理論與索末菲衍射理論
7.3菲涅爾衍射和夫瑯和費衍射
7.4典型孔徑的夫瑯和費衍射
7.5矩形孔徑和單縫夫瑯和費衍射
7.6圓形孔徑的夫瑯和費衍射
7.7多縫的夫瑯和費衍射
7.8衍射光柵
7.8.1光柵的色散
7.8.2光柵的光譜分辨本領
7.8.3光柵的自由光譜范圍
7.9光學成像系統(tǒng)的分辨本領
7.10菲涅爾衍射
7.11干涉和衍射的區(qū)別和聯(lián)系
7.12例題解析
習題
第8章光的偏振與晶體光學基礎
8.1偏振光概述
8.1.1偏振光和自然光
8.1.2從自然光獲得偏振光的方法
8.1.3馬呂斯定律和消光比
8.2晶體的雙折射
8.3雙折射的電磁理論
8.3.1晶體的各向異性與介電張量
8.3.2單色平面波在晶體中的傳播
8.4晶體光學性質的圖形表示
8.4.1折射率橢球
8.4.2折射率面和波矢面
8.4.3法線面
8.4.4光線面
8.5平面光波在晶體表面的反射和折射
8.5.1光在晶體表面的折射和反射定律
8.5.2光在單軸晶體中傳播方向的確定
8.6晶體偏振器件
8.6.1偏振棱鏡
8.6.2波片
8.6.3補償器
8.7偏振的瓊斯矢量表示
8.7.1瓊斯矢量
8.7.2偏振態(tài)的瓊斯矢量表示
8.7.3偏振器件的瓊斯矩陣表示
8.8偏振光的干涉
8.8.1平行光的偏光干涉
8.8.2會聚偏振光的干涉
8.9晶體的電光、磁光和聲光效應及旋光性
8.9.1電光效應
8.9.2磁光效應
8.9.3聲光效應
8.10例題解析
習題
第9章傅里葉光學及全息術
9.1平面波的復振幅分布和空間頻率
9.2透鏡的傅里葉變換性質和成像性質
9.2.1透鏡的相位變換作用
9.2.2透鏡的傅里葉變換性質
9.2.3透鏡的成像性質
9.3相干成像系統(tǒng)及相干傳遞函數
9.4非相干成像系統(tǒng)及光學傳遞函數*
9.4.1非相干成像系統(tǒng)的光學傳遞函數(OTF)
9.4.2衍射受限系統(tǒng)的OTF
9.5阿貝成像理論與波特實驗
9.5.1阿貝成像理論
9.5.2波特實驗
9.5.3空間頻譜濾波系統(tǒng)
9.5.4空間濾波的傅里葉分析
9.5.5濾波器的種類及應用舉例
9.5.6空間濾波的應用
9.6全息術
9.6.1波前記錄
9.6.2波前再現(xiàn)
9.7例題解析
習題
第10章光的度量、吸收、散射和色散
10.1輻射度量與光度量
10.1.1輻射度量
10.1.2光度量
10.1.3光視效率
10.1.4顏色與視覺
10.2光的吸收
10.2.1吸收定律
10.2.2吸收光譜
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例題解析
習題
部分習題參考答案
參考文獻
第5章物理光學基礎
學習目標
理解光波的電磁性質; 掌握光波相位的概念; 掌握平面單色光波的表達和應用; 理解折射率和速度的關系; 理解球面波和柱面波的表示; 理解群速度和相速度的概念; 理解菲涅爾公式及其應用; 能運用菲涅爾公式理解半波損失; 理解全反射和倏逝波的概念和應用。
19世紀70年代,麥克斯韋(Maxwell)在電磁學理論的研究基礎上,從理論上總結出了描述電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程組,指出了電磁波的傳播速度等于光速,并把光學現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來,并預言光波就是一種電磁波。赫茲(Hertz)第一次在實驗上證實了光波的速度與電磁波的傳播速度相同,證實了麥克斯韋的預言,逐步形成了光的電磁理論,奠定了整個物理光學的基礎,并推動了光學及整個物理學的發(fā)展。
本章基于光的電磁理論性質,討論光波的基本特性,光波在均勻介質中傳播的基本規(guī)律,光波在介質分界面上的反射和折射等。
5.1光波的電磁理論描述
5.1.1光波的電磁特性
目前光學領域內遇到的絕大部分現(xiàn)象和技術,都能從電磁學得到很好的解釋。表5.1.1
給出了整個電磁波的波譜范圍,其覆蓋了從γ射線到無線電波的一個相當廣闊的范圍,在整
表5.1.1電磁波的波譜范圍
電磁波
頻率范圍(Hz)
波長范圍(m)
無線電波
微波
光波
紅外光
可見光
紫外光
射線
χ射線
γ射線
<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
個電磁頻譜中,光學頻譜只占很窄的一部分,而其中能夠引起人眼視覺的可見光頻率范圍很窄,波長為390~760nm,相應的頻率范圍為8×1014~ 4×1014Hz。在可見光范圍內,隨著波長從小到大,所引起的視覺顏色從紫色逐漸過渡到紅色。而通常意義上的光波段,除了可見光外,還包括紫外線和紅外線,波長范圍為1nm~1mm。
電磁光學反映了光的矢量本質,能夠演繹出幾何光學、波動光學的全部理論,能夠解釋光的偏振、色散、散射、雙折射和旋光等現(xiàn)象,能夠從定性和定量兩個方面給出宏觀光學過程的精確結果。但是電磁光學不能解釋量子光學所能處理的光的微觀特性,不能合理地包含光的波動性質和微粒性質,因此要了解光的微觀性質,請參考其他量子光學書籍。圖5.1.1給出了幾何光學、波動光學、電磁學和量子光學之間的聯(lián)系和各個學科的研究重點。
圖5.1.1幾何光學、波動光學、電磁學和量子光學之間的聯(lián)系
光是電磁波的一種,其本質與電磁波相同。麥克斯韋在前人的電磁學研究成果的基礎上,把普遍電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律歸納為以下四個方程,稱為麥克斯韋方程組。
N~·D=ρ(5.1.1)
N~·B=0(5.1.2)
N~×E=-
Bt
。5.1.3)
N~×H=j+
Dt
。5.1.4)
式中,D、E、B、H分別表示電感強度(電位移矢量)、電場強度、磁感強度和磁場強度; ρ表示封閉曲面內的電荷密度; J為積分閉合回路上的傳導電流密度,Dt
為位移電流密度。
N~為哈密頓算符,在直角坐標系下的表達式為
N~=i-x+j-y+k-z
。5.1.5)
D、E、B、H、J之間有如下關系,稱為物質方程:
J=σE(5.1.6)
D=εE(5.1.7)
B=μH
。5.1.8)
式中,σ是電導率; ε和μ是兩個標量,分別稱為介電常數(或電容率)和磁導率。在各向同性均勻介質中,ε、μ是常數,σ=0。在真空中,
ε=ε0=8.8542×10-12C2/N·m2,μ=μ0=
……