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光學(xué)原理
本書(shū)系統(tǒng)闡述了經(jīng)典光學(xué)原理的理論體系, 并全面介紹了現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用。介紹了光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史、幾何光學(xué)基本原理和成像理論、光學(xué)系統(tǒng)的光闌及像差, 以及典型光學(xué)儀器的基本原理; 物理光學(xué)基礎(chǔ)、光的電磁理論、光的干涉、光的衍射、光的偏振與晶體光學(xué)、傅里葉光學(xué)及全息術(shù)以及光的度量、吸收、散射、色散等。
第2版前言
為適應(yīng)“十三五”高等學(xué)校教學(xué)改革需要,《光學(xué)原理(第2版)》針對(duì)作為“十一五”浙江省重點(diǎn)建設(shè)教材的《光學(xué)原理(第1版)》進(jìn)行了修訂,使光學(xué)原理的教學(xué)內(nèi)容和課程體系更適應(yīng)于光電類及相近專業(yè)的教學(xué)要求。
修訂的指導(dǎo)思想仍然是在注重論述光學(xué)的基本原理的同時(shí),緊密聯(lián)系光學(xué)工程實(shí)踐問(wèn)題,并努力注重工具的應(yīng)用。本書(shū)修訂后仍由上下兩部分組成,上部分為幾何光學(xué)及典型光學(xué)系統(tǒng),下半部分為物理光學(xué)。
第3章中各節(jié)原結(jié)構(gòu)為光闌的分類,孔徑光闌、入瞳及出瞳,視場(chǎng)光闌、入射窗和出射窗,漸暈光闌,遠(yuǎn)心光路,其中各部分內(nèi)容不是并立關(guān)系,內(nèi)容有重復(fù),F(xiàn)修改為光闌的分類、光闌的計(jì)算、遠(yuǎn)心光路三部分。在“光闌的計(jì)算”中,通過(guò)定量計(jì)算,不但鞏固和加強(qiáng)“光闌的分類”中的概念,而且與后續(xù)內(nèi)容(包括第4章放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等)銜接較好,補(bǔ)充了“像方遠(yuǎn)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(chǎng)曲等。3.3節(jié)結(jié)構(gòu)修改為軸上點(diǎn)球差,軸外點(diǎn)像差,像散和場(chǎng)曲,畸變,色差,波像差。重點(diǎn)修改了原來(lái)球差部分內(nèi)容,增加了復(fù)合透鏡消球差的具體例子、無(wú)球差齊明點(diǎn)及齊明透鏡等。正弦差作為慧差的一個(gè)特例,減少了較多內(nèi)容;色差部分補(bǔ)充后面要用的D光、F光、C光以及阿貝數(shù)等概念。在4.2.2節(jié)中,原線視場(chǎng)推導(dǎo)只針對(duì)像在無(wú)限遠(yuǎn),給出的物方線視場(chǎng)與像方視場(chǎng)角的關(guān)系只適用像在無(wú)限遠(yuǎn)、漸暈系統(tǒng)50%的情況,本版進(jìn)行了修訂,給出了有限遠(yuǎn)、無(wú)限遠(yuǎn)以及各種漸暈情況下的視場(chǎng)推導(dǎo),獲得了任意成像位置、任意漸暈情況推導(dǎo)的普適公式,并獲得了按成像于明視距離和成像于無(wú)限遠(yuǎn)兩種情況推導(dǎo)任意漸暈時(shí)的直接計(jì)算公式。顯微鏡中的光束限制部分中,修改后視場(chǎng)部分?jǐn)U展到漸暈問(wèn)題,并補(bǔ)充相關(guān)重要公式。下部分物理光學(xué)中,在第5~8章中,對(duì)概念的完整性、印刷錯(cuò)誤以及部分例題和習(xí)題進(jìn)行了增刪,物理光學(xué)基礎(chǔ)一章的敘述更加簡(jiǎn)明易懂;光的偏振及晶體光學(xué)基礎(chǔ)一章中關(guān)于光波和光線在晶體中的傳播的解釋及計(jì)算更加清晰明了。本書(shū)由中國(guó)計(jì)量大學(xué)沈常宇和金尚忠編著,浙江大學(xué)馮華君教授主審。參加編寫(xiě)的有中國(guó)計(jì)量大學(xué)沈常宇(第1、2、5、6章),中國(guó)計(jì)量大學(xué)金尚忠、李晨霞(第10章),中國(guó)計(jì)量大學(xué)董前民(第8章),華南理工大學(xué)葛鵬(第4章),浙江大學(xué)雷華(第7章),中國(guó)計(jì)量大學(xué)李勁松(第9章),中國(guó)計(jì)量大學(xué)沈?yàn)槊瘢ǖ?章及第4章修改部分)。本書(shū)由沈常宇和金尚忠定稿。此外,中國(guó)計(jì)量大學(xué)井旭峰、張艷、李曉艷、樓俊、李晨霞、孔明審閱了本書(shū),并提出了許多寶貴意見(jiàn),在此一并致謝。本書(shū)可作為高等學(xué)校光電信息科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)、光學(xué)、儀器儀表類專業(yè)的教材,亦可作為物理和測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)的選修課教材,也可作為從事光學(xué)、光電技術(shù)、儀器儀表技術(shù)和精密測(cè)量及檢測(cè)技術(shù)的工程技術(shù)人員的參考書(shū)。由于作者水平有限,衷心希望廣大讀者對(duì)書(shū)中的不足之處給予批評(píng)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(guó)計(jì)量大學(xué)光電學(xué)院副院長(zhǎng)。入選浙江省新世紀(jì)151人才工程,長(zhǎng)期從事“光學(xué)原理”課程教學(xué),以及浙江省光學(xué)原理精品課程、浙江省“光學(xué)原理”教學(xué)團(tuán)隊(duì)和國(guó)家綜合試點(diǎn)改革及浙江省優(yōu)勢(shì)專業(yè)“光電信息科學(xué)與工程”負(fù)責(zé)人;獲得浙江省優(yōu)秀教師、中國(guó)計(jì)量大學(xué)首屆教壇新秀、教師教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)、十大育人先鋒、優(yōu)秀研究生導(dǎo)師等榮譽(yù)。主要從事光纖傳感、光纖光柵器件、固體照明、非線性光學(xué)等方面研究;主持和參與國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器專項(xiàng)、十三五重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、國(guó)家質(zhì)檢公益專項(xiàng)、浙江省重大和重點(diǎn)專項(xiàng)、浙江省科技廳面上項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金、浙江省優(yōu)秀青年教師項(xiàng)目等20余項(xiàng);作為主持者或者參與者,先后獲得浙江省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)、浙江省自然科學(xué)三等獎(jiǎng)、浙江省高?蒲谐晒泉(jiǎng)、浙江省高等學(xué)校教學(xué)成果二等獎(jiǎng)與三等獎(jiǎng)等;近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)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(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)。
第1章緒論
1.1光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史
1.2本書(shū)的內(nèi)容和知識(shí)框圖
第2章幾何光學(xué)基本原理
2.1幾何光學(xué)的基本定律
2.1.1光線、光波與波面
2.1.2幾何光學(xué)的基本定律
2.1.3費(fèi)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(hào)法則
2.3.2單個(gè)折射球面的光路計(jì)算公式
2.3.3近軸光線的光路計(jì)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(guān)系
2.4折射球面成像系統(tǒng)
2.5理想光學(xué)系統(tǒng)
2.5.1理想光學(xué)系統(tǒng)基本概念
2.5.2理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)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(xí)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(jì)算
3.1.3遠(yuǎn)心光路
3.2光學(xué)系統(tǒng)的景深
3.3像差概述
3.3.1軸上點(diǎn)球差
3.3.2軸外點(diǎn)像差
3.3.3色差
3.3.4波像差
3.4例題解析
習(xí)題
第4章典型光學(xué)儀器的基本原理
4.1眼睛
4.1.1人眼構(gòu)造
4.1.2眼睛的調(diào)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(duì)準(zhǔn)
4.2放大鏡
4.2.1放大鏡的視覺(jué)放大率
4.2.2放大鏡的光束限制和線視場(chǎng)
4.3顯微鏡系統(tǒng)
4.3.1顯微鏡的視覺(jué)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(yuǎn)鏡系統(tǒng)
4.4.1望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
4.4.2望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的分辨率及有效放大率
4.4.3望遠(yuǎn)鏡中的光束限制
4.4.4場(chǎng)鏡
4.5例題解析
習(xí)題
第5章物理光學(xué)基礎(chǔ)
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(dòng)方程
5.1.3平面單色光波解
5.1.4平面波的性質(zhì)
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(dòng)描述
5.2.1光在兩電介質(zhì)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(zhì)
5.3例題解析
習(xí)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(duì)條紋對(duì)比度的影響
6.3.2光源寬度對(duì)條紋對(duì)比度的影響和空間相干性
6.3.3光源的非單色性對(duì)條紋對(duì)比度的影響和時(shí)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(yīng)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(yīng)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(xí)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(fèi)衍射
7.4典型孔徑的夫瑯和費(fèi)衍射
7.5矩形孔徑和單縫夫瑯和費(fèi)衍射
7.6圓形孔徑的夫瑯和費(fèi)衍射
7.7多縫的夫瑯和費(fèi)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(lǐng)
7.8.3光柵的自由光譜范圍
7.9光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)
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(xí)題
第8章光的偏振與晶體光學(xué)基礎(chǔ)
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(xué)性質(zhì)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(bǔ)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(huì)聚偏振光的干涉
8.9晶體的電光、磁光和聲光效應(yīng)及旋光性
8.9.1電光效應(yīng)
8.9.2磁光效應(yīng)
8.9.3聲光效應(yīng)
8.10例題解析
習(xí)題
第9章傅里葉光學(xué)及全息術(shù)
9.1平面波的復(fù)振幅分布和空間頻率
9.2透鏡的傅里葉變換性質(zhì)和成像性質(zhì)
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(zhì)
9.2.3透鏡的成像性質(zhì)
9.3相干成像系統(tǒng)及相干傳遞函數(shù)
9.4非相干成像系統(tǒng)及光學(xué)傳遞函數(shù)*
9.4.1非相干成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)(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(shí)驗(yàn)
9.5.1阿貝成像理論
9.5.2波特實(shí)驗(yàn)
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(yīng)用舉例
9.5.6空間濾波的應(yīng)用
9.6全息術(shù)
9.6.1波前記錄
9.6.2波前再現(xiàn)
9.7例題解析
習(xí)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(jué)
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(xí)題
部分習(xí)題參考答案
參考文獻(xiàn)
第5章物理光學(xué)基礎(chǔ)
學(xué)習(xí)目標(biāo)
理解光波的電磁性質(zhì); 掌握光波相位的概念; 掌握平面單色光波的表達(dá)和應(yīng)用; 理解折射率和速度的關(guān)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(yīng)用; 能運(yùn)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(yīng)用。
19世紀(jì)70年代,麥克斯韋(Maxwell)在電磁學(xué)理論的研究基礎(chǔ)上,從理論上總結(jié)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(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái),并預(yù)言光波就是一種電磁波。赫茲(Hertz)第一次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了光波的速度與電磁波的傳播速度相同,證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言,逐步形成了光的電磁理論,奠定了整個(gè)物理光學(xué)的基礎(chǔ),并推動(dòng)了光學(xué)及整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展。
本章基于光的電磁理論性質(zhì),討論光波的基本特性,光波在均勻介質(zhì)中傳播的基本規(guī)律,光波在介質(zhì)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(xué)領(lǐng)域內(nèi)遇到的絕大部分現(xiàn)象和技術(shù),都能從電磁學(xué)得到很好的解釋。表5.1.1
給出了整個(gè)電磁波的波譜范圍,其覆蓋了從γ射線到無(wú)線電波的一個(gè)相當(dāng)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(zhǎng)范圍(m)
無(wú)線電波
微波
光波
紅外光
可見(jiàn)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(gè)電磁頻譜中,光學(xué)頻譜只占很窄的一部分,而其中能夠引起人眼視覺(jué)的可見(jiàn)光頻率范圍很窄,波長(zhǎng)為390~760nm,相應(yīng)的頻率范圍為8×1014~ 4×1014Hz。在可見(jiàn)光范圍內(nèi),隨著波長(zhǎng)從小到大,所引起的視覺(jué)顏色從紫色逐漸過(guò)渡到紅色。而通常意義上的光波段,除了可見(jiàn)光外,還包括紫外線和紅外線,波長(zhǎng)范圍為1nm~1mm。
電磁光學(xué)反映了光的矢量本質(zhì),能夠演繹出幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)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?jī)蓚(gè)方面給出宏觀光學(xué)過(guò)程的精確結(jié)果。但是電磁光學(xué)不能解釋量子光學(xué)所能處理的光的微觀特性,不能合理地包含光的波動(dòng)性質(zhì)和微粒性質(zhì),因此要了解光的微觀性質(zhì),請(qǐng)參考其他量子光學(xué)書(shū)籍。圖5.1.1給出了幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、電磁學(xué)和量子光學(xué)之間的聯(lián)系和各個(gè)學(xué)科的研究重點(diǎn)。
圖5.1.1幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、電磁學(xué)和量子光學(xué)之間的聯(lián)系
光是電磁波的一種,其本質(zhì)與電磁波相同。麥克斯韋在前人的電磁學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上,把普遍電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律歸納為以下四個(gè)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(qiáng)度(電位移矢量)、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度; ρ表示封閉曲面內(nèi)的電荷密度; J為積分閉合回路上的傳導(dǎo)電流密度,Dt
為位移電流密度。
N~為哈密頓算符,在直角坐標(biāo)系下的表達(dá)式為
N~=i-x+j-y+k-z(mì)
。5.1.5)
D、E、B、H、J之間有如下關(guān)系,稱為物質(zhì)方程:
J=σE(5.1.6)
D=εE(5.1.7)
B=μH
(5.1.8)
式中,σ是電導(dǎo)率; ε和μ是兩個(gè)標(biāo)量,分別稱為介電常數(shù)(或電容率)和磁導(dǎo)率。在各向同性均勻介質(zhì)中,ε、μ是常數(shù),σ=0。在真空中,
ε=ε0=8.8542×10-12C2/N·m2,μ=μ0=
……
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