本书将基础性光学原理用于光学系统设计和像差平衡，定位于阐述光学设备的光学系统总体设计原理与光学镜头设计基础。本书分为几何光学、像差理论、典型光学系统和光学系统设计四部分，各部分均反映了光学与光电子学的进展和光学系统设计的新发展。其中，几何光学和像差理论详细讲述了光学系统设计基本理论；典型光学系统包括眼睛，显微和望远光学系统，摄影及投影光学系统，自由曲面及其在光学系统中的应用，以及特殊光学系统，包含了当前最新的光学系统，例如全息术补偿像差、3D打印光学系统、3D显示光学系统、太赫兹光学系统、折衍混合光学系统、共形自由曲面光学系统、复眼仿生光学系统和自适应光学系统等；光学设计部分包括光学系统初始结构求解、像质评价和像差平衡，并辅以光学设计实例。 本书可作为高等学校光电类相关专业的教材或教学参考书，也可供从事光学设计和光学仪器设计工作的科技人员参考。

张以谟，天津大学精密仪器与光电子工程学院 教授，博导。主要从事应用光学方面的教学科研等工作，主编了《应用光学》等教材。

目 录

第一部分 几 何 光 学

第1章 几何光学的基本定律和成像的
概念 （1）
1.1 几何光学的基本概念 （1）
1.2 几何光学的基本定律 （3）
1.3 费马原理及其应用 （8）
1.4 马吕斯定律 （10）
1.5 成像的概念 （10）
习题 （12）
第2章 球面和共轴球面系统 （14）
2.1 光线经过单个折射球面的折射 （14）
2.2 单个折射球面的成像倍率、拉赫
不变量 （16）
2.3 共轴球面系统 （18）
2.4 球面反射镜 （20）
习题 （21）
第3章 理想光学系统 （23）
3.1 理想光学系统和共线成像 （23）
3.2 理想光学系统的焦点与焦平面、主点
与主平面、焦距、节点 （23）
3.3 理想光学系统的物像关系 （26）
3.4 理想光学系统的放大率 （30）
3.5 多个光组的组合 （34）
3.6 透镜 （36）
3.7 实际光学系统焦点位置和焦距的
计算 （38）
3.8 几种典型系统的理想光学系统性质 （40）
3.8.1 望远镜系统 （40）
3.8.2 显微镜系统 （41）
3.8.3 照相物镜系统 （42）
习题 （43）
第4章 平面镜和平面系统 （44）
4.1 平面镜成像 （44）
4.2 双平面镜系统 （46）
4.3 反射棱镜 （49）
4.3.1 反射棱镜的类型 （49）
4.3.2 屋脊棱镜 （50）
4.3.3 三面直角棱镜（立方角锥棱镜） （51）
4.3.4 棱镜的组合 （52）
4.3.5 棱镜的展开及结构参数K （52）
4.4 折射棱镜 （54）
4.4.1 折射棱镜的最小偏角 （55）
4.4.2 折射棱镜的色散 （55）
4.5 光楔 （56）
4.6 光学材料 （57）
4.6.1 透明光学材料（透射材料） （57）
4.6.2 玻璃的选择 （59）
4.6.3 塑料光学材料 （59）
4.6.4 反射光学材料 （59）
习题 （60）
第5章 光学系统中的光阑 （61）
5.1 光阑在光学系统中的作用 （61）
5.2 光学系统的孔径光阑、入射光瞳和
出射光瞳 （62）
5.3 视场光阑 （65）
5.4 渐晕光阑 （66）
5.4.1 轴外点发出光束的渐晕 （66）
5.4.2 消除渐晕的条件 （67）
5.4.3 渐晕系数 （68）
5.5 光学系统的景深 （68）
5.5.1 光学系统的空间像 （68）
5.5.2 光学系统的景深 （70）
5.6 远心光路 （72）
5.7 消杂光光阑 （73）
习题 （74）
第6章 光能及其计算 （76）
6.1 光通量 （76）
6.2 发光强度 （77）
6.3 光照度和光出射度 （80）
6.4 光亮度 （81）
6.5 光通量和光亮度在光学系统中的传递、
像面光照度 （83）
6.6 光学系统中光能损失的计算 （87）
习题 （89）
第7章 颜色 （90）
7.1 概述 （90）
7.2 颜色的特征和分类 （90）
7.3 色光混合与格拉斯曼定律 （90）
7.4 颜色的匹配 （91）
7.5 色度学基础 （92）
7.6 CIE标准色度学系统 （94）
7.6.1 1931CIE—RGB系统 （94）
7.6.2 1931CIE—XYZ系统 （94）
7.6.3 1931CIE—XYZ色品图 （95）
7.6.4 表示颜色特征的两个量——主波长
和颜色纯度 （96）
7.7 光源 （97）
7.7.1 表示光源颜色特性的两个参量 （97）
7.7.2 CIE标准照明体和标准光源 （98）
7.8 中国颜色体系 （99）
习题 （100）

第二部分 像 差 理 论

第8章 光线的光路计算 （102）
8.1 概述 （102）
8.2 子午面内的光线光路计算 （102）
8.3 轴外点细光束的光路计算 （107）
8.4 空间光线的光路计算 （110）
8.4.1 通过球面的空间光线的光路
计算（矢量计算公式） （110）
8.4.2 二次曲面的空间光线的光路
计算（矢量计算公式） （112）
8.4.3 细光束子午焦点和弧矢焦点
位置的计算 （114）
8.4.4 高次非球面空间光线计算
（矢量计算公式） （114）
8.4.5 空间光线初始数据的确定和
终结公式 （116）
习题 （118）
第9章 光学系统的像差 （119）
9.1 轴上点球差 （119）
9.1.1 球差的定义及其计算 （119）
9.1.2 光学系统的球差分布公式 （120）
9.1.3 单个折射球面的球差分布系数、
不晕点 （122）
9.2 彗差 （123）
9.2.1 彗差及其计算 （123）
9.2.2 光学系统结构形式对彗差的影响 （125）
9.2.3 弧矢彗差 （126）
9.3 像散和像面弯曲 （127）
9.3.1 像散（像散差） （127）
9.3.2 场曲（像面弯曲） （129）
9.3.3 宽光束的像散和场曲 （130）
9.4 畸变 （131）
9.5 正弦差 （132）
9.6 位置色差 （137）
9.7 倍率色差 （139）
9.8 像差的级数展开 （140）
9.9 像差分布公式 （144）
习题 （148）
第10章 初级单色像差及初级色差 （149）
10.1 初级单色像差的一般表示式 （149）
10.1.1 轴向像差 （149）
10.1.2 初级垂轴像差的一般表示式 （151）
10.1.3 空间光线通过光学系统的像差的
一般表示式 （153）
10.2 五种初级像差 （154）
10.3 具有初级像差的光束结构 （156）
10.4 赛得和数的表示形式 （160）
10.4.1 阿贝不变量表示的赛得和数 （160）
10.4.2 PW形式的赛得和数 （160）
10.4.3 薄透镜系统初级像差的PW
表示式 （161）
10.4.4 单个薄透镜的P和W （163）
10.4.5 密接双薄透镜系统的初级像差 （165）
10.5 消像差谱线选择 （168）
10.6 初级色差 （169）
10.7 薄透镜系统的初级色差 （172）
10.7.1 薄透镜系统的初级位置色差 （172）
10.7.2 由消色差要求决定光学系统中各
透镜的光焦度分配 （173）
10.7.3 薄透镜系统的初级倍率色差 （176）
10.7.4 对几种薄透镜系统的初级倍率
色差的讨论 （176）
10.8 二级光谱 （178）
10.8.1 密接双透镜系统 （178）
10.8.2 密接三薄透镜系统的复消色差 （180）
习题 （182）
第11章 像差综述、计算结果处理及
波像差分析 （183）
11.1 概述 （183）
11.2 初级像差系数和光阑位置的关系 （183）
11.3 光阑像差与物面像差的关系 （185）
11.4 反射光学元件的初级像差 （187）
11.5 一些典型折射光学元件的初级
像差分析 （188）
11.6 对称式系统的像差特性 （190）
11.7 光学系统像差特性曲线 （191）
11.8 像差特性曲线的分析 （194）
11.9 波像差概述 （198）
11.10 轴上点的波像差及其与球差的关系 （199）
11.11 轴外点的波像差及其与垂轴像差的
关系 （201）
11.11.1 轴外点波像差表示式 （201）
11.11.2 轴外点波像差求解 （202）
11.12 波像差的一般表示式 （203）
11.13 参考点移动产生的波像差和
焦深 （204）
11.14 色差的波像差表示 （205）
11.14.1 用(D-d)方法计算波色差 （205）
11.14.2 二级光谱的波像差计算 （207）
11.14.3 波色差和初级几何色差的关系 （207）
11.14.4 色球差 （207）
习题 （208）

第三部分 典型光学系统

第12章 眼睛 （210）
12.1 概述 （210）
12.2 眼睛构造和标准眼 （210）
12.2.1 眼睛的构造 （210）
12.2.2 标准眼 （211）
12.3 眼睛的调节和聚散 （211）
12.3.1 眼睛的调节 （211）
12.3.2 眼睛的聚散 （212）
12.4 眼睛的适应 （212）
12.5 眼睛的视角分辨率 （212）
12.6 眼睛的缺陷与校正 （213）
12.7 双目立体视觉 （214）
12.7.1 双目视觉特征 （214）
12.7.2 双目空间视觉 （215）
12.8 体视测距原理 （216）
12.8.1 体视测距原理概述 （216）
12.8.2 体视光学系统 （217）
12.9 颜色视觉 （217）
习题 （218）
第13章 显微和望远光学系统 （219）
13.1 放大镜 （219）
13.1.1 放大镜的放大率 （219）
13.1.2 放大镜的光束限制和视场 （220）
13.2 显微镜系统及其特性 （220）
13.2.1 显微镜的成像原理 （220）
13.2.2 显微镜的机械筒长 （221）
13.2.3 显微镜的视场光阑和视场 （222）
13.2.4 显微镜的景深 （222）
13.3 显微镜的分辨率和有效放大率 （222）
13.3.1 点源通过透镜的衍射 （222）
13.3.2 光学仪器的分辨率 （223）
13.3.3 显微镜的分辨率 （223）
13.3.4 显微镜的有效放大率 （224）
13.4 显微镜物镜 （224）
13.4.1 显微镜物镜的光学特性 （224）
13.4.2 显微镜物镜的基本类型 （225）
13.5 显微镜的照明系统 （226）
13.5.1 照明方法 （226）
13.5.2 暗视场照明方法 （227）
13.5.3 聚光镜 （228）
13.6 望远系统 （229）
13.6.1 望远镜的视觉放大率 （229）
13.6.2 望远镜的分辨率及工作放大率 （229）
13.6.3 主观亮度 （230）
13.6.4 望远镜的视场 （232）
13.6.5 望远镜的出瞳距和调焦 （233）
13.7 望远物镜 （235）
13.7.1 折射式望远物镜 （235）
13.7.2 反射式望远物镜 （236）
13.7.3 折反射式望远物镜 （236）
13.8 目镜 （237）
13.8.1 目镜的光学特性 （237）
13.8.2 目镜的像差特性 （238）
13.9 透镜转像系统和场镜 （240）
13.10 望远系统的外形尺寸计算 （241）
13.10.1 由物镜和目镜组成的望远系统 （241）
13.10.2 带有棱镜转像系统的望远系统 （242）
13.10.3 带有透镜转像系统的望远系统 （243）
习题 （245）
第14章 摄影及投影光学系统 （246）
14.1 摄影系统的光学特性 （246）
14.1.1 分辨率（解像力） （247）
14.1.2 摄影系统的光谱能量特性 （247）
14.1.3 几何焦深 （249）
14.1.4 景深 （249）
14.2 摄影镜头(镜头) （250）
14.2.1 大孔径镜头 （250）
14.2.2 广角镜头 （252）
14.3 取景和测距系统 （256）
14.3.1 自动调焦的概念 （257）
14.3.2 照相机中的取景、测距、调焦
及其综合系统的结构 （258）
14.4 感光胶片 （259）
14.4.1 感光胶片概述 （259）
14.4.2 感光胶片特性 （260）
14.5 光电传感器 （261）
14.6 放映和投影镜头 （264）
14.6.1 放映和投影镜头的特性 （264）
14.6.2 普通放映镜头 （265）
14.6.3 投影镜头 （266）
14.7 放映和投影系统的照明 （267）
习题 （268）
第15章 非球面及其在光学系统中的
应用 （270）
15.1 概述 （270）
15.1.1 自由曲面概念 （270）
15.1.2 非球面应用概述 （270）
15.2 非球面曲面方程 （271）
15.2.1 旋转对称的非球面方程 （271）
15.2.2 其他常见非球面方程 （272）
15.2.3 非球面的法线及曲率 （273）
15.3 二次圆锥曲面及其衍生高次项曲面 （274）
15.4 施密特校正器的设计 （276）
15.4.1 施密特校正器的基本工作原理
及其近似计算法 （276）
15.4.2 施密特校正器的精确计算法 （278）
15.5 衍射光学元件及折衍混合光学系统 （279）
15.5.1 概述 （279）
15.5.2 菲涅耳透镜 （280）
15.5.3 达曼光栅 （281）
习题 （282）

第四部分 光 学 设 计

第16章 以初级像差求取光学系统的
初始结构 （283）
16.1 光学系统的基本像差参量及其规化 （283）
16.1.1 光学系统的基本像差参量 （283）
16.1.2 反向光路计算和正向光路计算的
P和W之间关系 （286）
16.1.3 用P, W, C表示的初级像差系数 （286）
16.2 双胶合透镜组 , 和CⅠ与结构
参数的关系 （287）
16.2.1 双胶合透镜组的基本像差参量 （287）
16.2.2 双胶合透镜组玻璃的选择 （289）
16.3 单薄透镜的 和结构参数的
关系 （290）
16.4 用PW方法求解简单物镜的结构 （291）
习题 （300）
第17章 光学系统设计示例 （301）
17.1 中倍平场显微物镜设计 （301）
17.1.1 用PW方法进行中倍平场显微
物镜设计 （301）
17.1.2 对各透镜组PW规范化 （303）
17.2 双高斯型物镜设计 （312）
17.2.1 摄影物镜设计的一般原则 （312）
17.2.2 双高斯型物镜初始结构参数的
确定 （313）
17.2.3 双高斯物镜设计实例 （316）
习题 （323）
第18章 光学系统像质评价及像差
自动平衡 （324）
18.1 光学系统设计像质评价的概述 （324）
18.2 瑞利判断用于光学系统像质评价 （324）
18.3 中心点亮度 （324）
18.4 分辨率 （325）
18.5 点列图 （326）
18.6 边界曲线 （326）
18.7 光学传递函数 （328）
18.7.1 光学传递函数的基本概念 （328）
18.7.2 光学传递函数的表达式 （331）
18.7.3 光学传递函数在像质评价中的
应用 （334）

18.8 像差自动平衡概述 （336）
18.9 像差自动平衡评价函数 （336）
18.10 阻尼最小二乘法光学自动设计原理 （339）
18.10.1 阻尼最小二乘法原理 （340）
18.10.2 阻尼最小二乘法 （341）
18.10.3 阻尼最小二乘法的特点 （342）
18.11 光学设计软件及流程 （345）
18.11.1 ZEMAX光学设计软件 （345）
18.11.2 CODE V （347）
18.12 像差自动平衡计算实例 （348）
18.12.1 中倍平场显微物镜设计 （348）
习题 （350）