本书系统阐述几何光学基础理论、像差分析方法及典型光学系统设计原理，形成“基础理论-像差解析-系统设计”三层知识体系，并在第一版的基础上删减7章内容，重新整合为几何光学原理、像差理论、典型系统三大模块。相较于传统的应用光学教材，本书的特色主要体现在四方面：第一，符号体系与国际接轨，极大地提升学生后续学习工程光学设计软件的效率；第二，依托符号规则的应用，极大地简化“应用光学”课程中复杂公式的推导过程；第三，突出强调光线追迹的重要性，从而实现与光学设计工程实践的紧密结合；第四，采用波像差理论讲解光学系统像差，有利于加深学生对像差特性的理解。

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2010.08~2015.12 亚利桑那大学 物理系/光学科学学院 光学工程专业 工程硕士/理学博士 2006.09~2010.07 南开大学 物理科学学院 应用物理专业 理学学士2024/01-至今 华中科技大学航空航天学院 教授 2019/11-2023/12 华中科技大学航空航天学院 副教授 2019/09-2020/08 英国帝国理工学院 访问学者 2018/02-2019/10 华中科技大学航空航天学院 讲师装备智能优化设计、数字孪生1. Zhou Qi, Zhao Min, Hu Jiexiang, Ma Mengying, Multi-fidelity surrogates modeling, optimization, and applications. Springer. 2. Jiang Ping, Zhou Qi, Shao Xinyu (2020). Surrogate Model-Based Engineering Design and Optimization. Springer, 2020. 3. Luo, Shuyang, Huang Xufeng, Wang Yanzhi, Luo Rongmin, Zhou Qi (2022). Transfer learning based on improved stacked autoencoder for bearing fault diagnosis. Knowledge-Based Systems 256: 109846. 4. Lin Quan, Hu Jiexiang, Zhou Qi*, Cheng Yuansheng, Hu Zhen, Couckuyt I太空安全与维护数字工程技术湖北省国防科技创新中心主任； 《Chinese Journal of Mechanical Engineering》青年编委、《中国舰船研究》青年编委、《机械设计》青年编委

目录
前言
第0章 绪论 1
0.1 光学本质 2
0.1.1 什么是光 2
0.1.2 什么是光学 2
0.2 光学的发展历程 3
0.2.1 中国古代的光学思想启蒙 3
0.2.2 现代光学的发展历程 3
0.2.3 光的本质 4
0.3 光学学科分类 5
0.3.1 几何光学 5
0.3.3 量子光学 6
0.3.4 现代光学学科 6
0.4 自然界常见的光学现象 6
0.4.1 彩虹 6
0.4.2 日食与月食 7
0.4.3 海市蜃楼 7
0.4.4 日晕 8
0.5 现代光学应用 9
0.5.1 工业领域 9
0.5.2 医疗领域 10
0.5.3 农业领域 10
0.5.4 军事国防领域 12
0.5.5 天文领域 13
0.5.6 光通信领域 15
0.5.7 非成像光学领域 15
0.5.8 日常生活领域 17
习题 17
第1章 几何光学基本原理与概念 19
1.1 几何光学基本原理 20
1.1.1 几何光学 20
1.1.2 一阶光学 20
1.1.3 像差 20
1.1.4 三阶光学 21
1.2 几何光学的基本物理量 21
1.2.1 折射率 21
1.2.2 波长 22
1.2.3 频率 22
1.2.4 波数 22
1.2.5 光程 22
1.2.6 电磁波频谱 23
1.2.7 波前 24
1.2.8 光线 24
1.3 费马原理 25
1.3.1 费马原理的文字表述 25
1.3.2 费马原理的严格数学表述 26
1.3.3 费马原理示例 26
1.4 几何光学的其他基本定律 27
1.4.1 光的直线传播定律 27
1.4.2 光的独立传播定律 28
1.4.3 光的折反射定律 28
1.4.4 光路可逆性原理 31
1.5 成像系统的基本概念 32
1.5.1 光轴 32
1.5.2 顶点 32
1.5.3 共轴光学系统 32
1.5.4 非共轴光学系统 33
1.6 共轭成像 33
1.6.1 共轭 33
1.6.2 完善像点 34
1.6.3 完善成像的条件 34
1.6.4 实际光学系统 34
1.7 虚像和实像 35
1.7.1 相关概念 35
1.7.2 光学空间 35
1.7.3 多面系统的“虚”“实”关系 37
1.8 单面成像 38
1.8.1 单面反射成像条件 38
1.8.2 单面折射成像条件 39
1.9 符号规则 39
习题 42
第2章 平面成像 45
2.1 平面镜成像 46
2.1.1 平面镜成像的特点 46
2.1.2 平面镜在光学系统中的作用 46
2.2 双平面镜系统 50
2.2.1 两个平行平面镜 50
2.2.2 两个非平行平面镜 51
2.2.3 屋脊镜系统 52
2.3 反射棱镜 53
2.3.1 反射棱镜的组成和典型案例 53
2.3.2 棱镜的展开和结构参数K 54
2.3.3 棱镜成像方向辨别原则 59
2.3.4 90°偏转棱镜 60
2.3.5 180°偏转棱镜 62
2.3.6 45°偏转棱镜 64
2.3.7 转像棱镜 65
2.3.8 正像棱镜 66
2.3.9 立方体分光镜 69
2.3.10 棱镜的相关评论 69
2.3.11 棱镜的全反射极限 70
2.4 平行平板 70
2.4.1 平行平板光线位移的推导 70
2.4.2 平行平板像位移的推导 72
2.4.3 简化厚度 73
2.4.4 棱镜的简化展开图 74
2.5 折射棱镜 75
2.5.1 折射棱镜的结构 75
2.5.2 折射棱镜的最小偏角 75
2.5.3 折射棱镜的色散效应 76
2.5.4 光楔 77
2.5.5 双光楔 77
习题 79
第3章 理想光学系统 82
3.1 高斯光学概念 83
3.1.1 高斯光学的必要性 83
3.1.2 高斯光学的特点 83
3.1.3 几何光学与高斯光学 84
3.1.4 高斯定理 84
3.2 理想光学系统基本概念 85
3.2.1 共轭分类 85
3.2.2 轴上与轴外无穷远处物体成像 87
3.2.3 高斯成像系统的基准点 88
3.2.4 基准点（面）确定成像位置 91
3.3 高斯系统成像方程 93
3.3.1 牛顿方程 93
3.3.2 牛顿方程在系统中的应用 94
3.3.3 高斯方程推导 94
3.3.4 高斯方程在系统中的应用 95
3.3.5 高斯系统中的符号规则 96
3.3.6 纵向放大率 98
3.4 高斯系统的节点 99
3.4.1 高斯系统节点的性质 99
3.4.2 以节点为参考点的高斯成像方程 100
3.4.3 高斯系统的基准点（面）度量 101
3.4.4 测节器 102
3.5 光学系统的高斯简化 103
3.6 薄透镜光学成像 103
3.6.1 薄透镜高斯特性 103
3.6.2 薄透镜成像关系 105
3.6.3 薄透镜级联成像 107
3.7 无焦系统 108
3.7.1 薄透镜无焦系统 108
3.7.2 一般无焦系统 110
习题 113
第4章 近轴成像 117
4.1 近轴光学概述 118
4.1.1 近轴光学 118
4.1.2 矢高 118
4.2 单折射面近轴成像 118
4.2.1 近轴光线追迹公式推导 118
4.2.2 单折射面的近轴成像方程 120
4.2.3 近轴光学近似总结 120
4.2.4 近轴近似下球面矢高 121
4.2.5 余弦条件补充证明 122
4.3 单个光学表面的高斯性质 124
4.3.1 单个折射面的高斯性质 124
4.3.2 单个反射面的高斯性质 125
4.3.3 单个折射面和反射面的比较 126
4.3.4 单个光学表面的薄透镜简化模型 126
4.4 薄透镜的近轴光线追迹 127
4.5 高斯系统的近轴光线追迹 127
4.5.1 无穷远物共轭高斯系统的近轴光线追迹 128
4.5.2 无穷远像共轭高斯系统的近轴光线追迹 128
4.5.3 一般共轭成像高斯系统的近轴光线追迹 129
4.6 近轴光学光线追迹公式的传统推导 130
4.6.1 近轴光学相关讨论 130
4.6.2 传统推导 130
4.7 单反射面近轴光线追迹公式推导 132
4.7.1 近轴光线反射追迹公式推导 132
4.7.2 单反射面的近轴成像方程 133
4.7.3 近轴反射光线的余弦条件讨论 134
习题 135
第5章 组合光学系统 138
5.1 近轴光线追迹公式 139
5.1.1 共线变换 139
5.1.2 折射公式 139
5.1.3 传递公式 139
5.2 组合光学系统 140
5.2.1 组合光学系统高斯简化的定义 140
5.2.2 双组元光学系统光焦度推导 140
5.2.3 双组元光学系统像方基准点推导 141
5.2.4 双组元光学系统物方基准点推导 142
5.2.5 以表面顶点作为基准点 143
5.2.6 多组元光学系统的高斯简化 144
5.2.7 高斯简化示例 146
5.3 透镜的高斯简化 148
5.3.1 实际透镜系统的简化模型 148
5.3.2 厚透镜的高斯简化 149
5.3.3 薄透镜的高斯简化 150
5.3.4 双薄透镜的高斯简化 151
5.3.5 双薄透镜系统高斯简化实例 152
5.3.6 透镜的屈光度 152
5.3.7 透镜的形状系数与透镜弯曲 153
5.3.8 薄透镜系统与光学设计 154
习题 156
第6章 近轴光线追迹理论及应用 159
6.1 YNU光线追迹公式 160
6.1.1 折射与传递公式 160
6.1.2 单个折射面YNU光线追迹 161
6.1.3 单个高斯组元YNU光线追迹 161
6.1.4 一般YNU光线追迹 162
6.1.5 多个折射面YNU光线追迹 162
6.1.6 多个高斯组元YNU光线追迹 163
6.2 YNU光线追迹实例一：双薄透镜系统 164
6.2.1 双薄透镜系统YNU光线追迹 164
6.2.2 正向光线追迹—像方基准点 165
6.2.3 反向光线追迹—物方基准点 166
6.3 YNU光线追迹实例二：空气中的厚透镜 167
6.3.1 高斯求解法 167
6.3.2 正向光线追迹—像方基准点 167
6.3.3 反向光线追迹—物方基准点 169
6.3.4 有限远共轭成像YNU光线追迹 170
6.4 YNU表格法光线追迹 171
6.4.1 YNU光线追迹表格 171
6.4.2 YNU表格法光线追迹示例一：单透镜系统 172
6.4.3 YNU表格法光线追迹示例二：双胶合透镜 172
6.4.4 YNU表格法光线追迹示例三：卡塞格林望远镜 173
6.4.5 薄透镜系统YU光线追迹公式 175
6.4.6 薄透镜系统YU光线追迹表格 176
6.4.7 薄透镜系统YU光线追迹示例：薄透镜长焦镜头 176
6.4.8 虚物成像的光线追迹 177
6.4.9 近轴光线追迹总结 180
6.5 实际光线追迹 180
6.5.1 实际光线追迹的过程 180
6.5.2 用三角函数法进行实际光线追迹 181
习题 181
第7章 光阑与光瞳 184
7.1 光阑与光瞳概述 185
7.1.1 孔径光阑定义 185
7.1.2 光瞳（入瞳和出瞳）定义 185
7.1.3 孔径光阑的判别方法一：高斯成像法 186
7.1.4 孔径光阑的判别方法二：光线追迹法 187
7.1.5 物体位置对系统孔径光阑的影响 187
7.1.6 用光线追迹法求解光瞳位置 188
7.1.7 特征光线（边缘光线和主光线）定义 189
7.1.8 基于特征光线求解像和光瞳的位置 189
7.2 视场 190
7.2.1 视场定义 190
7.2.2 视场的物方度量 191
7.2.3 视场的像方度量 191
7.2.4 视场范围的其他定义 192
7.3 拉格朗日不变量 192
7.3.1 光学不变量和拉格朗日不变量 192
7.3.2 拉格朗日不变量与横向放大率 194
7.3.3 无穷远处物体的共轭拉格朗日不变量 194
7.3.4 拉格朗日不变量的应用—黑匣子系统 195
7.4 近轴光线追迹的线性度 196
7.4.1 近轴光线追迹的线性度表征 196
7.4.2 近轴光线追迹线性特性的证明 197
7.4.3 近轴光线追迹线性度系数的推导 197
7.5 光瞳位置求解 198
7.5.1 用近轴光线追迹法求解光瞳位置 198
7.5.2 用高斯成像法求解光瞳位置 198
7.5.3 光瞳位置求解实例Ⅰ 200
7.5.4 光瞳位置求解实例Ⅱ 203
7.5.5 两个实例的比较 204
7.6 数值孔径与焦比 204
7.6.1 数值孔径与焦比的定义 204
7.6.2 数值孔径与焦比的关系 205
7.6.3 工作焦比 205
7.6.4 快系统与慢系统 206
7.6.5 焦比与拉格朗日不变量 207
7.7 远心系统 207
7.7.1 远心定义 207
7.7.2 像方远心系统 208
7.7.3 物方远心系统 208
7.7.4 双远心系统 209
7.8 焦深和景深 209
7.8.1 焦深 209
7.8.2 景深 210
7.8.3 超焦距 211
7.9 光束与渐晕 211
7.9.1 轴上光束 211
7.9.2 轴外光束 212
7.9.3 渐晕 212
7.9.4 渐晕类型 213
7.9.5 用光线追迹法确定光束范围 214
7.9.6 渐晕实例一：单透镜成像系统 215
7.9.7 渐晕实例二：双透镜成像系统 216
习题 220
第8章 像差理论 225
8.1 光学成像 226
8.1.1 理想光学系统成像 226
8.1.2 实际光学系统成像 226
8.2 光学系统的像差表征 227
8.2.1 坐标体系 227
8.2.2 子午面和弧矢面 228
8.2.3 几何像差表征—波像差和波像差曲线 229
8.2.4 几何像差表征—轴向像差和轴向像差曲线 231
8.2.5 几何像差表征—垂轴像差和垂轴像差曲线 232
8.2.6 点列图 233
8.2.7 像斑尺寸 233
8.3 像差的多项式展开 234
8.3.1 像差的数学表征 234
8.3.2 波前的多项式展开 235
8.3.3 垂轴像差数学表征 236
8.3.4 波像差的赛德尔和数展开 238
8.3.5 像差赛德尔和数光阑偏移方程 239
8.3.6 非球面像差理论 241
8.3.7 薄透镜像差的赛德尔和数 242
8.3.8 平行平板像差的赛德尔和数 243
8.3.9 泽尼克多项式 244
8.4 离焦 247
8.4.1 离焦定义 247
8.4.2 离焦的波像差理论 248
8.4.3 离焦的来源 250
8.4.4 焦深 251
8.5 波前倾斜 251
8.5.1 波前倾斜定义 251
8.5.2 波前倾斜的波像差理论 252
8.5.3 归一化视场下波前倾斜的波像差理论 253
习题 255
第9章 球差 257
9.1 球差概述 258
9.1.1 球差定义 258
9.1.2 球差的波像差理论 258
9.1.3 球差的焦散面 260
9.1.4 球差和离焦 261
9.2 折射面球差 264
9.2.1 折射面球差分布公式 264
9.2.2 单折射面消球差条件 266
9.2.3 单折射面齐明条件消球差的物像共轭关系 268
9.2.4 单折射球面球差与物距的关系 270
9.2.5 零球差透镜 270
9.3 带球差 272
9.4 初级球差 273
9.4.1 单折射面的初级球差分布公式 273
9.4.2 薄透镜的初级球差 273
9.4.3 平行平板的球差 278
9.5 非球面与球差 279
9.5.1 非球面的数学表征 279
9.5.2 非球面与球差概述 281
习题 282
第10章 彗差 284
10.1 彗差概述 285
10.1.1 彗差定义 285
10.1.2 彗差波像差和垂轴像差曲线 285
10.1.3 彗差像斑 287
10.1.4 彗差像斑弧矢和子午尺寸 288
10.1.5 离焦条件下的彗差像斑 290
10.1.6 彗差的点扩散函数 290
10.1.7 彗差与视场、焦比之间的关系 291
10.2 正弦差与轴向彗差 292
10.2.1 光学正弦定律 292
10.2.2 光线偏斜度守恒定律与正弦定律 294
10.2.3 阿贝正弦条件 295
10.2.4 零球差条件下系统的彗差 296
10.2.5 正弦差 297
10.2.6 轴向彗差定义及表征 300
10.3 彗差的产生与校正 300
10.3.1 消彗差条件 300
10.3.2 彗差校正与对称性 301
10.3.3 彗差校正—阿贝正弦条件 302
10.3.4 消彗差与光阑位置 303
10.3.5 彗差校正与透镜形状系数 305
10.4 典型消彗差系统 306
10.4.1 消彗差示例Ⅰ—施密特改正镜 306
10.4.2 消彗差示例Ⅱ—两镜系统 307
10.4.3 消彗差示例Ⅲ—消色差透镜 308
10.4.4 消彗差示例Ⅳ—渐晕系统 310
习题 311
第11章 像散和场曲 312
11.1 近轴光线追迹公式 313
11.1.1 像散定义 313
11.1.2 像散来源 313
11.1.3 像散离焦光斑 314
11.1.4 像散的波像差及其特性曲线 315
11.1.5 像散的垂轴像差及其特性曲线 316
11.1.6 像散和离焦波前 316
11.1.7 像散下轮毂成像 319
11.1.8 像散与视场 319
11.2 像散的产生与校正 320
11.2.1 科丁顿方程 320
11.2.2 单折射面的像散分布系数 323
11.2.3 薄透镜的像散分布系数 323
11.2.4 像散的校正方法 323
11.2.5 倾斜平行平板像散 325
11.2.6 倾斜反射镜的像散 326
11.2.7 视觉像散 327
11.3 场曲 328
11.3.1 场曲定义 328
11.3.2 场曲的波像差理论 328
11.3.3 场曲和像散 330
11.3.4 佩茨瓦尔曲面 333
11.3.5 像散系统的最佳成像曲面 335
11.3.6 场曲对成像的影响 335
11.3.7 场曲的实际应用 336
11.3.8 矫平中间像平面 337
11.4 场曲校正 337
11.4.1 场曲的计算公式 337
11.4.2 场曲校正Ⅰ—厚弯月透镜 338
11.4.3 场曲校正Ⅱ—凸凹结构透镜组 339
11.4.4 场曲校正Ⅲ—场曲矫平镜 340
11.4.5 场曲校正Ⅳ—折反混合系统 341
习题 341
第12章 畸变与组合像差 343
12.1 畸变 344
12.1.1 畸变现象 344
12.1.2 畸变定义 344
12.1.3 畸变的波像差理论 345
12.1.4 畸变与放大率 346
12.1.5 畸变度量 347
12.1.6 畸变特性 348
12.1.7 畸变类型：枕形畸变和桶形畸变 349
12.1.8 高阶畸变 350
12.1.9 一般非对称畸变 350
12.2 畸变的产生与效果 351
12.2.1 畸变的产生原因 351
12.2.2 畸变与光阑位置 352
12.2.3 反远距系统的畸变 353
12.2.4 沙姆成像的畸变 354
12.2.5 鱼眼透镜畸变 355
12.2.6 头戴显示系统畸变 355
12.2.7 光谱仪畸变 357
12.2.8 光瞳像差与畸变 358
12.2.9 不同畸变的视觉效果 359
12.3 像差成像性能与组合像差 360
12.3.1 五种像差的成像性能比较 360
12.3.2 组合像差的点列图 360
12.3.3 组合像差的垂轴像差曲线及其特征 360
12.3.4 组合像差垂轴像差曲线分析 364
12.3.5 组合垂轴像差的赛德尔和数表征 367
12.3.6 像差平衡与光学设计 368
习题 369
第13章 色差 371
13.1 色散效应 372
13.1.1 色散来源 372
13.1.2 阿贝数定义 373
13.1.3 部分色散定义 374
13.1.4 玻璃牌号规则 375
13.2 棱镜的色散 376
13.2.1 棱镜色散公式 376
13.2.2 薄棱镜的色散效应 376
13.2.3 彩虹的形成 377
13.3 轴向色差 379
13.3.1 色差类型 379
13.3.2 单折射面的轴向色差分布 379
13.3.3 薄透镜（组）的轴向色差 380
13.3.4 轴向色差计算示例 382
13.3.5 轴向色差的波像差理论 382
13.3.6 轴向色差的校正 383
13.3.7 消像差胶合透镜设计 384
13.3.8 二级光谱 386
13.3.9 复消色差透镜设计 388
13.3.10 色球差 390
13.4 垂轴色差 390
13.4.1 垂轴色差定义 390
13.4.2 垂轴色差的性质 391
13.4.3 垂轴色差计算公式 392
13.4.4 垂轴色差的波像差理论 393
13.4.5 对称性与垂轴色差校正 394
13.4.6 用移动光阑法校正垂轴色差 394
13.5 其他消色差透镜 395
13.5.1 分离消色差透镜组 395
13.5.2 单材料消轴向色差 397
13.5.3 单材料消垂轴色差 398
13.5.4 场曲校正—新型消色差透镜组 399
习题 400
第14章 人眼及目镜系统 402
14.1 关于人眼 403
14.1.1 人眼结构 403
14.1.2 人眼的光学参数 404
14.1.3 人眼的神经元结构 404
14.2 人眼的光学系统 405
14.2.1 惠更斯模型眼 405
14.2.2 古尔斯特兰德精密眼模型 405
14.2.3 勒格朗精密眼模型 406
14.2.4 简化眼模型 407
14.2.5 人眼的调节 407
14.3 人眼的功能调节 408
14.3.1 人眼的环境适应性 408
14.3.2 人眼的视角分辨率 408
14.3.3 人眼的缺陷与校正 410
14.4 放大镜 412
14.4.1 放大镜概述 412
14.4.2 放大镜的工作原理 412
14.4.3 放大镜的视觉放大率 413
14.5 目镜系统 414
14.5.1 关于目镜系统 414
14.5.2 目镜系统设计的相关要求 414
14.5.3 目镜系统出瞳距离 415
14.5.4 视度调节 415
14.5.5 目镜出瞳大小 415
习题 415
第15章 显微镜系统 416
15.1 显微镜系统及其特性 417
15.1.1 显微镜的成像原理 417
15.1.2 显微镜的放大率 417
15.1.3 显微镜系统的整体结构 418
15.1.4 显微镜的机械筒长 419
15.1.5 显微镜的孔径光阑 419
15.1.6 显微镜的视场光阑和视场 420
15.2 显微镜的分辨率和有效放大率 421
15.2.1 点扩散函数 421
15.2.2 显微镜的分辨率 421
15.3 显微镜物镜 422
15.3.1 显微镜物镜镜组的组成 422
15.3.2 显微镜物镜的基本类型 422
15.4 显微镜的照明系统 426
15.4.1 集光（准直）镜头与聚光镜头 426
15.4.2 临界照明 426
15.4.3 科勒照明 427
15.4.4 暗场照明—方法和类型 427
习题 429
第16章 望远系统 431
16.1 望远镜光学系统 432
16.1.1 望远镜光学结构和工作原理 432
16.1.2 望远镜的分类 432
16.1.3 望远镜的视觉放大率 433
16.1.4 望远镜的分辨率和工作放大率 433
16.2 望远物镜 434
16.2.1 望远物镜的主要光学参数 434
16.2.2 折射式望远物镜 434
16.2.3 反射式望远物镜 435
16.2.4 折反射式物镜 441
习题 442