本书为本科生和研究生偏振光课程教材，该课程已在亚利桑那大学光学科学学院开展和完善了约十年。本书还可作为光学工程师和光学设计师在构建偏振测量仪、设计严格偏振光学系统以及为各种目的操控偏振光方面的参考书。
偏振是液晶显示器、三维（3D）电影、先进遥感卫星、微光刻系统和许多其他产品的核心技术。应用偏振光的光学系统其复杂性越来越大，由此，用于仿真和设计的工具也迅速发展起来了。更精确和复杂的偏振器、波片、偏振分束器和薄膜的发展为设计师和科学家提供了新的选择，也带来了许多仿真上的挑战。
与蜜蜂和蚂蚁不同，人类本质上是偏振视盲的。人类看不到天空、水和自然界其他地方丰富而微妙的偏振信息。同样，我们也无法看到偏振光在透过挡风玻璃、眼镜和所有光学系统时是如何变化和演变的。因此，学生往往难以理解偏振对光学系统设计、计量、成像、大气光学以及光在组织中传播的重要性。本书通过将偏振光的基本原理与光学工程师和设计师的实践结合起来，就这些技术背后的光学知识提供了指导。
偏振涉及多达16个自由度： 线偏振、圆偏振和椭圆偏振、二向衰减、延迟和退偏。这些自由度对我们来说是不可见的，因此可能看起来很抽象。在与学生的讨论中，我们偶尔会听到偏振被认为是复杂的、困难的，而且经常被误解。不幸的是，这种情况经常发生，因为许多偏振概念是在仓促和过于简化的处理中教授的。
本书包含对偏振光及偏振光学系统的详细讨论，以澄清作者发现的容易产生混淆的几个主题，以及通常被忽视的以下主题：
电磁场和菲涅耳方程的符号约定
用琼斯算法在横向平面局部坐标系中处理偏振光
许多微妙的相位问题
使用矩阵指数，以一种新的更简单的方式定义延迟的三个自由度和二向衰减的三个自由度
斯托克斯参数和米勒矩阵的非正交坐标系
将琼斯或米勒算法应用于三维光线追迹光学系统，特别是用于杂散光或组织光学
为了解决这些问题，我们开发了一种新的教学方法，并在课堂上进行了测试。这种方法从光传播的三维方法开始。光在光学系统中以任意方向传播，用数学对此进行处理。但琼斯矩阵和米勒矩阵仅描述沿z轴的传播。重新定位此z轴，使其成为局部坐标，会带来一些重要问题，尤其对于反射的描述。这里，我们教授了三维偏振光线追迹矩阵，它简化了光学系统和偏振元件的分析。然后，琼斯矢量和琼斯矩阵被视为一个有用的特殊情形。这种三维方法听起来可能更复杂，但实际上它使偏振计算更简单。我们开始喜欢这种三维方法，因为它解决了长期以来关于琼斯矩阵和正入射反射的坐标相关悖论！
在许多入门光学课程中，普遍介绍了偏振，但很少再详细讨论。经常介绍菲涅耳方程，但其结果却被忽略了。因此，本书给出了描述菲涅耳方程如何影响光通过透镜和反射镜以及成像的详细研究。通过学习偏振光的衍射和成像，学生可逐步了解菲涅耳方程如何改变点扩散函数的结构，以及偏振态如何在点物的像中变化。
在光学工程中，偏振元件通常被视为一个独立的子系统。偏振的数学方法，即琼斯演算和米勒演算，一直与一阶光学、像差理论、透镜设计的数学方法分开，并且在很大程度上也与干涉和衍射分开。早期对偏振的研究主要集中在琼斯演算、米勒演算和偏振元件上。本书将偏振元件视为光学元件，也将光学元件视为偏振元件。透镜和反射镜系统的特性随波长、角度和位置而变化，这些就是像差。类似地，偏振元件的偏振特性随波长、角度和位置而变化，这些就是偏振像差。正如光学设计师在传统光学设计中需要对光程长度进行详细计算一样，偏振光线追迹也可以对偏振特性进行类似的详细计算。
现在大多数光学设计程序都提供了偏振光线追迹计算，因此现在许多用户更需要了解偏振光在光学系统中传播的细微之处，以便成功使用偏振光线追迹软件，并能够清楚地表达结果。到目前为止，偏振光线追迹尚未成为光学课程的一部分。为了解决这一问题，我们为讲师提供了材料，将课程建立为以光学系统中的偏振为基础，而不是把偏振作为一个子系统。本书通过讲授偏振元件、偏振元件序列、偏振测量、菲涅耳方程和各向异性材料的基础知识来满足这些需求。
偏振元件从来都不是理想的。所提出的理论和分析方法便于人们深入理解常见光学元件（如透镜、折轴反射镜和棱镜）的偏振效应。因此，本书在偏振像差方面投入了相当大的篇幅： 波片的延迟随入射角和波长的变化，以及线栅、偏振片和格兰泰勒偏振器的角度相关性。
为了完善本书对光学系统的论述，本书提供了光线追迹算法和近轴光学的概述，并提供了足够的材料，使来自光学以外的科学家和工程师熟悉光线追迹算法的基本概念。本书中的许多示例系统都是用我们内部研究的偏振光线追迹软件PolarisM计算的，该软件基于三维偏振光线追迹矩阵。
我们觉得这些概念很有趣，希望我们的魅力能传达给读者。几何是数学中最令人愉悦的领域之一，偏振与光学系统的结合提供了大量的几何问题和见解。对于光学设计师来说，从标量波前像差函数（一个自由度，光程长度）的面转移到八维琼斯光瞳及其高维形状是一大步。但一旦人们习惯了二向衰减像差和延迟像差，将塞德尔像差和泽尼克像差推广到八维空间就具有极大的美和对称性。我们在对偏振像差的研究中，在琼斯演算结构中给出了这个八维琼斯矩阵空间的逐步指导。
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