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近年来，应用光学领域中出现了许多新技术。本书基于作者多年光学领域的研究和积累，系统阐述了应用光学的现代理论和应用，并引入这些新技术。全书内容包括波面像差理论及几何像差理论、以非球面和自由光学曲面简化光学系统设计、太阳能电站和现代高效照明中的非成像光学等；反映了应用光学中的前沿技术，如光学系统焦深扩展与衍射极限的突破、微纳光子学和表面等离子体微纳光学设备中的光学系统、自适应光学等；叙述了现代物理光学仪器的光学系统原理，包括光电干涉光学系统、光电光谱仪及分光光度光学系统、偏振光电仪器光学系统及偏振光成像技术等。本书既讲解应用光学基础理论，又涵盖国内外应用光学领域最新的技术理论和实现方法，适合作为相关专业高校师生和广大科研人员的参考书。

目    录
第1章  现代应用光学基础理论概述	1
1.1  概述	1
1.1.1  本书的背景	1
1.1.2  本书的内容安排	1
1.2  光学系统设计中常用的光学材料特征参数	2
1.2.1  光学材料的光学参量	2
1.2.2  热系数及温度变化效应的消除	4
1.2.3  其他玻璃数据	4
1.3  新型光学材料	5
1.3.1  新型光学材料概述	5
1.3.2  光学材料发展概况	6
1.4  液晶材料及液晶显示器	12
1.4.1  液晶材料及其分类	12
1.4.2  常用液晶显示器件的基本结构和工作原理	16
1.4.3  STN-LCD技术	27
1.4.4  液晶光阀技术	32
1.4.5  硅上液晶（LCoS）反射式显示器	36
1.4.6  光计算用SLM	38
1.5  电光源和光电探测器	38
1.5.1  电光源	38
1.5.2  激光器	41
1.5.3  光电导探测器	48
1.5.4  光伏探测器	49
1.5.5  位敏探测器	53
1.5.6  阵列型光电探测器	56
1.6  波像差像质评价基础知识	59
1.6.1  光学系统像差的坐标及符号规则	59
1.6.2  无像差成像概念和完善镜头聚焦衍射模式	60
参考文献	63
第2章  光学非球面的应用	67
2.1  概述	67
2.2  非球面曲面方程	67
2.2.1  旋转对称的非球面方程	67
2.2.2  圆锥曲线的意义	68
2.2.3  其他常见非球面方程	70
2.2.4  非球面的法线和曲率	71
2.3  非球面的初级像差	71
2.3.1  波像差及其与垂轴像差的关系	71
2.3.2  非球面的初级像差	73
2.3.3  折射锥面轴上物点波像差	75
2.3.4  折射锥面轴外物点波像差	76
2.4  微振（perturbed）光学系统的初级像差计算	77
2.4.1  偏心（decentered）光学面	78
2.4.2  光学面的倾斜	80
2.4.3  间隔失调（despace）面	81
2.5  两镜系统的理论基础	82
2.5.1  两镜系统的基本结构形式	82
2.5.2  单色像差的表示式	82
2.5.3  消像差条件式	84
2.5.4  常用的两镜系统	85
2.6  二次圆锥曲面及其衍生高次项曲面	86
2.6.1  消球差的等光程折射非球面	86
2.6.2  经典卡塞格林系统	87
2.6.3  格里高里系统	88
2.6.4  只消球差的其他特种情况	88
2.6.5  R-C（Ritchey-Chrétien）系统及马克苏托夫系统	89
2.6.6  等晕系统的特殊情况	90
2.6.7  库特（Cuder）系统及同心系统	91
2.6.8  史瓦希尔德（Schwarzschield）系统	92
2.6.9  一个消四种初级像差 的系统	93
2.6.10  无焦系统	93
2.7  两镜系统的具体设计过程	93
2.7.1  R-C系统的设计	93
2.7.2  格里高里系统与卡塞格林系统	94
2.8  施密特光学系统设计	95
2.8.1  施密特光学系统的初级像差	95
2.8.2  施密特校正器的精确计算法	98
2.9  三反射镜系统设计示例	99
2.9.1  设计原则	99
2.9.2  设计过程分析	100
2.9.3  设计示例	101
参考文献	103
第3章  衍射光学元件	105
3.1  概述	105
3.1.1  菲涅耳圆孔衍射——菲涅耳波带法	106
3.1.2  菲涅耳圆孔衍射的特点	108
3.1.3  菲涅耳圆屏衍射	109
3.2  波带片	110
3.2.1  菲涅耳波带片	110
3.2.2  相位型菲涅耳波带片	112
3.2.3  条形或方形波带片	113
3.3  衍射光学器件衍射效率	113
3.3.1  锯齿形一维相位光栅的衍射效率	113
3.3.2  台阶状（二元光学）相位光栅的衍射效率及其计算	114
3.4  通过衍射面的光线光路计算	115
3.5  衍射光学系统初级像差	118
3.5.1  衍射光学透镜的单色初级像差特性	118
3.5.2  折衍混合成像系统中衍射结构的高折射率模型及PWC描述	121
3.5.3  P∞、W∞、C与折衍混合单透镜结构的函数关系	122
3.6  折衍光学透镜的色散性质及色差的校正	123
3.6.1  折衍光学透镜的等效阿贝数ν	123
3.6.2  用DOL实现消色差	124
3.6.3  折衍光学透镜的部分色散及二级光谱的校正	125
3.7  衍射透镜的热变形特性	127
3.7.1  光热膨胀系数	127
3.7.2  消热变形光学系统的设计	129
3.7.3  折衍混合系统消热差系统设计示例	130
3.8  衍射面的相位分布函数	132
3.8.1  用于平衡像差的衍射面的相位分布函数	132
3.8.2  用于平衡热像差的衍射面的相位分布函数	133
3.9  多层衍射光学元件（multi-layer diffractive optical elements）	133
3.9.1  多层衍射光学元件的理论分析	134
3.9.2  多层衍射光学元件的结构	134
3.9.3  多层衍射光学元件材料的选择	134
3.9.4  多层衍射光学元件的衍射效率	135
3.9.5  多层衍射光学元件在成像光学系统中的应用举例	136
3.10  谐衍射透镜（HDL）及其成像特点	137
3.10.1  谐衍射透镜	137
3.10.2  谐衍射透镜的特点	137
3.10.3  单片谐衍射透镜成像	138
3.10.4  谐衍射/折射太赫兹多波段成像系统设计示例	139
3.11  衍射光学轴锥镜（简称衍射轴锥镜）	143
3.11.1  衍射轴锥镜	143
3.11.2  设计原理和方法	144
参考文献	150
第4章  非对称光学系统像差理论	153
4.1  波像差与Zernike多项式概述	153
4.1.1  波前像差理论概述	153
4.1.2  角向、横向和纵向像差	154
4.1.3  Seidel像差的波前像差表示	155
4.1.4  泽尼克（Zernike）多项式	162
4.1.5  条纹（fringe）Zernike系数	164
4.1.6  波前像差的综合评价指标	165
4.1.7  色差	167
4.1.8  典型光学元件的像差特性	167
4.2  非对称旋转成像光学系统中像差理论	174
4.2.1  重要概念简介	174
4.2.2  倾斜非球面光学面处理	176
4.2.3  局部坐标系统（LCS）近轴光方法计算单个光学面像差场中心	176
4.2.4  OAR的参数化	179
4.2.5  倾斜和偏心的光学面的定位像差场对称中心矢量（像差场偏移量的推导）	181
4.2.6  基于实际光线计算单个面的像差场中心	182
4.2.7  失调光学系统的波像差表示式	183
4.2.8  举例：LCS近轴计算与其实际光线等价计算的比较	185
4.3  近圆光瞳非对称光学系统三级像差的描述	187
4.3.1  光学系统的像差场为各个面的贡献之和	187
4.3.2  带有近圆光瞳的非旋转对称光学系统中的三级像差	187
4.3.3  节点像差场	191
4.3.4  波前误差以及光线的横向像差	194
4.3.5  非对称光学系统中的三级畸变	195
4.4  非旋转对称光学系统的多节点五级像差：球差	197
4.4.1  非旋转对称光学系统像差概述	197
4.4.2  非旋转对称光学系统的五级像差	198
4.4.3  五级像差的特征节点行为：球差族包括的各项	199
参考文献	203
第5章  光学自由曲面的应用	205
5.1  光学自由曲面概述	205
5.2  参数曲线和曲面	206
5.2.1  曲线和曲面的参数表示	206
5.2.2  参数曲线的代数和几何形式	210
5.3  Bézier曲线与曲面	212
5.3.1  Bézier曲线的数学描述和性质	212
5.3.2  Bézier曲面	215
5.4  B样条（B-spline）曲线与曲面	217
5.4.1  B样条曲线的数学描述和性质	217
5.4.2  B样条曲线的性质	219
5.4.3  B样条曲面的表示	220
5.5  双三次均匀B样条曲面	221
5.5.1  B 样条曲面	221
5.5.2  双三次均匀B样条曲面的矩阵公式	223
5.6  非均匀有理B样条（NURBS）曲线与曲面	224
5.6.1  NURBS曲线与曲面	224
5.6.2  NURBS曲线的定义	224
5.6.3  NURBS表示	226
5.6.4  非均匀有理B样条曲面	228
5.7  Coons曲面	229
5.7.1  基本概念	229
5.7.2  双线性Coons曲面	230
5.7.3  双三次Coons曲面	231
5.8  自由曲面棱镜光学系统	232
5.8.1  自由曲面棱镜概述	232
5.8.2  矢量像差理论及初始结构确定方法	233
5.8.3  自由曲面棱镜设计	236
5.8.4  用光学设计软件设计含自由曲面的光学系统	238
参考文献	239
第6章  共形光学系统	241
6.1  概述	241
6.1.1  共形光学系统的一般要求	241
6.1.2  共形光学系统的主要参量	244
6.1.3  共形光学系统中的像差校正	250
6.1.4  共形光学系统实际应用须考虑的问题	252
6.2  椭球整流罩的几何特性及消像差条件在共形光学系统中的应用	253
6.2.1  椭球面几何特性分析	253
6.2.2  椭球整流罩的几何特性	256
6.2.3  利用矢量像差理论分析椭球整流罩结构的像差特性	258
6.3  基于Wassermann-Wolf方程的共形光学系统设计	259
6.3.1  共形光学系统解决像差动态变化的方法概述	259
6.3.2  共形光学系统的像差分析	260
6.3.3  Wassermann-Wolf非球面理论	261
6.3.4  利用Wassermann-Wolf原理设计共形光学系统	265
6.4  折/反射椭球形整流罩光学系统的设计	268
6.4.1  折/反射椭球形整流罩光学系统的设计原则	269
6.4.2  椭球形整流罩像差分析	269
6.4.3  两镜校正系统初始结构设计原理	269
6.4.4  用平面对称矢量像差理论分析光学系统像差特性	274
6.4.5  设计结果	275
6.5  共形光学系统的动态像差校正技术	276
6.5.1  共形光学系统的固定校正器	276
6.5.2  弧形校正器	278
6.5.3  基于轴向移动柱面—泽尼克校正元件的动态像差校正技术	280
6.6  二元光学元件在椭球整流罩导引头光学系统中的应用	283
6.6.1  二元光学元件的光学特性	284
6.6.2  二元衍射光学元件在椭球形整流罩导引头光学系统中的应用	286
6.6.3  利用衍/射光学元件进行共形整流罩像差校正的研究	288
6.6.4  折/衍混合消热差共形光学系统的设计	291
6.7  利用自由曲面进行微变焦共形光学系统设计	295
6.7.1  自由曲面进行微变焦共形光学系统的特点	295
6.7.2  利用自由曲面的像差校正方法	295
6.8  基于实际光线追迹的共形光学系统设计概述	298
6.8.1  实际光线追迹设计方法可在共形光学系统整个观察视场内得到较好像质	298
6.8.2  实际光线追迹方法概述	299
参考文献	302
第7章  非成像光学系统	308
7.1  引言	308
7.1.1  太阳能热发电技术简介	308
7.1.2  太阳能光伏发电	311
7.1.3  照明非成像光学	312
7.2  非成像光学概述	314
7.2.1  非成像会聚器特性	314
7.2.2  光学扩展不变量	314
7.2.3  会聚度的定义	315
7.3  会聚器理论中的一些几何光学概念	316
7.3.1  光学扩展量的几何光学概念	316
7.3.2  在成像光学系统中像差对会聚度的影响	317
7.3.3  光学扩展量（拉氏不变量）和相空间的广义概念	318
7.3.4  斜不变量	320
7.4  非成像光学的边缘光线原理	322
7.4.1  边缘光线原理	322
7.4.2  边缘光线原理应用——“拉线”方法	322
7.5  复合抛物面会聚器（CPC）	324
7.5.1  光锥会聚器	324
7.5.2  复合抛物面会聚器（CPC）概述	324
7.5.3  复合抛物面会聚器的性质	326
7.5.4  增加复合抛物面会聚器的最大会聚角	328
7.6  同步多曲面设计方法	331
7.6.1  SMS方法设计会聚器概述	331
7.6.2  一个非成像透镜的设计：RR会聚器	332
7.6.3  XR会聚器	335
7.6.4  RX会聚器	337
7.7  XX类会聚器	340
7.7.1  XX类会聚器的原理	340
7.7.2  RX1会聚器	341
7.7.3  RX1会聚器的三维分析	341
7.8  非成像光学用于LED照明	343
7.8.1  边缘光线扩展度守恒原理和控制网格算法	344
7.8.2  LED的非成像光学系统设计实例	346
7.8.3  大范围照明光源设计（二维给定光分布设计）	347
7.9  非成像光学用于LED均匀照明的自由曲面透镜	348
7.9.1  均匀照明的自由曲面透镜概述	348
7.9.2  LED浸没式自由曲面透镜设计方法	349
7.9.3  设计示例	351
参考文献	353
第8章  光电光学系统中紧凑型照相光学系统设计	356
8.1  概述	356
8.1.1  数码相机的组成	356
8.1.2  数码相机中图像传感器CCD和CMOS的比较	357
8.1.3  数码相机的分类	359
8.1.4  数码相机的光学性能	364
8.1.5  数码相机镜头的分类和特点	365
8.2  数码相机镜头设计示例	367
8.2.1  球面定焦距镜头设计示例	367
8.2.2  非球面定焦距镜头设计示例	370
8.3  变焦距镜头设计示例	372
8.3.1  变焦透镜组原理	373
8.3.2  非球面变倍镜头初始数据	373
8.3.3  折叠式（潜望式）变焦镜头示例	376
8.4  手机照相光学系统	378
8.4.1  手机照相光学系统概述	378
8.4.2  两片型非球面手机物镜设计示例	379
8.4.3  三片型手机物镜设计	382
8.5  手机镜头新技术概述	385
8.5.1  自由曲面在手机镜头中的应用	385
8.5.2  液体镜头	385
8.6  鱼眼镜头概述	388
8.6.1  鱼眼镜头是“仿生学的示例”	388
8.6.2  鱼眼镜头基本结构的像差校正	390
8.6.3  鱼眼镜头基本光学结构的演变	391
8.6.4  鱼眼镜头的发展	391
8.6.5  鱼眼镜头的光学性能	393
8.6.6  光阑球差与入瞳位置的确定	396
8.6.7  光阑彗差与像差渐晕	398
8.6.8  鱼眼镜头示例与投影方式比较	399
参考文献	402
第9章  光学系统焦深的扩展与衍射极限的突破	405
9.1  概述	405
9.1.1  扩展焦深概述	405
9.1.2  超衍射极限近场显微术概述	409
9.1.3  远场超分辨成像	418
9.2  光学成像系统景深的延拓	420
9.2.1  景深延拓概述	420
9.2.2  延拓景深的方形孔径相位模板	425
9.2.3  增大景深的圆对称相位模板	438
9.3  多环分区圆对称相位模板设计	442
9.3.1  多环分区圆对称相位模板的概念	442
9.3.2  多环分区圆对称相位模板对应系统的特性	448
9.3.3  圆对称相位模板成像系统的优缺点	450
9.3.4  初级像差的影响以及延拓景深图像的复原	451
9.3.5  延拓景深相位模板系统的图像复原与其光学成像系统的光学设计	456
9.3.6  延拓景深光学成像系统的光学设计	460
9.4  轴锥镜（axicon）扩展焦深	468
9.4.1  轴锥镜	468
9.4.2  小焦斑长焦深激光焦点的衍射轴锥镜的设计	476
9.5  近场光学与近场光学显微镜	478
9.5.1  近场光学概念	478
9.5.2  近场扫描光学显微镜（NSOM）	482
9.6  扫描探针显微镜	488
9.6.1  与隧道效应有关的显微镜	489
9.6.2  原子力显微镜（AFM）	491
9.6.3  扫描力显微镜（SFM）	495
9.6.4  检测材料不同组分的SFM技术	498
9.6.5 光子扫描隧道显微镜（PSTM）	499
9.7  原子力显微镜	504
9.7.1  原子力显微镜的基本组成	504
9.7.2  近场力	505
9.7.3  微悬臂力学	507
9.7.4  AFM探测器信号	508
9.7.5  原子力显微镜的测量模式	509
9.7.6  原子力显微镜检测成像技术	512
9.7.7  AFM的优点和正在改进之处	513
9.7.8  电力显微镜（EFM）	513
9.8  远场超高分辨率显微术	516
9.8.1  远场超高分辨率显微术概述	516
9.8.2  4Pi显微镜	517
9.8.3  3D随机光学重建显微镜（STORM）	519
9.8.4  平面光显微镜（SPIM）基本原理	520
9.8.5  福斯特共振能量转移显微镜（FRETM）	521
9.8.6  全内反射荧光显微镜（TIRFM）	522
9.9  衍射光学组件用于扫描双光子显微镜的景深扩展	524
9.9.1  远场超分辨显微镜扩展焦深概述	524
9.9.2  扩展焦深显微光学系统设计	525
9.9.3  扫描双光子显微成像系统的扩展景深实验	528
参考文献	532
第10章  自适应光学技术应用概述	542
10.1  引言	542
10.1.1  自适应光学技术的发展	542
10.1.2  自适应光学系统	544
10.1.3  自适应光学应用技术	545
10.1.4  自适应光学在相控阵系统中的应用	547
10.1.5  高能激光相控阵系统简介	549
10.2  自适应光学系统原理	553
10.2.1  自适应光学概念	553
10.2.2  共光路/共模块自适应光学原理及衍生光路	557
10.3  自适应光学系统的基本组成原理和应用	569
10.3.1  波前传感器	569
10.3.2  波前校正器	578
10.3.3  波前控制器及控制算法	584
10.3.4  激光导星原理及系统	589
10.4  天文望远镜及其自适应光学系统	601
10.4.1  2.16 m望远镜及其自适应光学系统	601
10.4.2  37单元自适应光学系统	608
10.4.3  1.2 m望远镜61单元自适应光学系统	612
10.5  锁相光纤准直器的自适应阵列实验系统	620
10.5.1  概述	620
10.5.2  光纤准直器的自适应阵列中的反馈控制	626
10.6  阵列光束优化式自适应光学的原理与算法	631
10.6.1  光学相控阵技术基本概念	631
10.6.2  优化算法自适应光学	633
10.6.3  阵列光束优化式自适应光学的原理与发展	634
10.6.4  阵列光束优化式自适应光学算法	635
10.7  自适应光学技术在自由空间光通信中的应用	642
10.7.1  自由空间光通信概述	642
10.7.2  自由空间光通信系统概述	643
10.7.3  一些自由空间光通信的示例	649
10.7.4  自适应光学结合脉冲位置调制（PPM）改善光通信性能	653
10.7.5  无波前传感自适应光学（AO）系统	656
10.8  自由空间激光通信终端系统原理	659
10.8.1  终端系统结构和工作原理	659
10.8.2  激光收发子系统	660
10.8.3  捕获跟踪瞄准（ATP）子系统	662
10.8.4  光学平台子系统	662
10.8.5  卫星终端系统概述	666
10.8.6  基于自适应光学技术的星载终端光学系统方案示例	673
10.9  自适应光学技术的其他典型应用举例	675
10.9.1  自适应光学技术在惯性约束聚变技术中的应用概述	675
10.9.2  自适应光学用于月球激光测距	679
10.9.3  自适应光学系统在战术激光武器中的应用简介	682
10.9.4  自适应光学在医学眼科成像中的应用	689
参考文献	696
第11章  微纳投影光刻技术导论	711
11.1  引言	711
11.2  光刻离轴照明技术	717
11.3  投影光刻掩模误差补偿	721
11.4  投影光刻相移掩模	728
11.5  电子投影光刻（EPL）	735
11.6  离子束曝光技术	750
11.7  纳米压印光刻（NIL）技术	754
参考文献	761
第12章  投影光刻物镜	769
12.1  概述	769
12.1.1  光刻技术简介	769
12.1.2  提高光刻机性能的关键技术	769
12.1.3  ArF光刻机研发进展	771
12.1.4  下一代光刻技术的研究进展	772
12.2  投影光刻物镜的光学参量	772
12.2.1  投影光刻物镜的光学特征	772
12.2.2  工作波长与光学材料	774
12.3  投影光刻物镜结构形式	784
12.3.1  折射式投影物镜结构形式	784
12.3.2  折射式光刻投影物镜	785
12.3.3  深紫外（DUV）投影光刻物镜设计要求	786
12.3.4  深紫外（DUV）非球面的投影光刻物镜	786
12.3.5  光阑移动对投影光刻物镜尺寸的影响	787
12.4  光刻物镜的像质评价	788
12.4.1  波像差与分辨率	788
12.4.2  基于Zernike多项式的波像差分解	791
12.4.3  条纹Zernike多项式的不足与扩展	794
12.5  运动学安装机理与物镜像质精修	795
12.5.1  运动学安装机理	795
12.5.2  物镜像质精修	796
12.5.3  投影光刻物镜的像质补偿	796
12.6  进一步扩展NA	801
12.6.1  用Rayleigh公式中的因子扩展NA	801
12.6.2  非球面的引入	802
12.6.3  反射光学元件的引入	802
12.6.4  两次曝光或两次图形曝光技术	803
12.7  浸没式光刻技术	803
12.7.1  浸没式光刻的原理	803
12.7.2  浸没液体	804
12.7.3  浸没式大数值孔径投影光刻物镜	805
12.7.4  偏振光照明	806
12.7.5  投影光刻物镜的将来趋势	808
12.8  极紫外（EUV）光刻系统	810
12.8.1  极紫外（EUV）光源	810
12.8.2  EUVL（extreme ultraviolet lithography）投影光刻系统的主要技术要求	813
12.8.3  两镜EUV投影光刻物镜	815
12.8.4  ETS 4镜原型机	819
12.9  EUVL6镜投影光学系统设计	820
12.9.1  非球面6镜投影光学系统结构	820
12.9.2  分组设计法——渐进式优化设计6片（22 nm技术节点）
反射式非球面投影光刻物镜	821
12.9.3  EUVL照明系统设计要求	825
12.10  鞍点构建方法用于光刻物镜设计	827
12.10.1  构建鞍点的价值函数的基本性质	827
12.10.2  鞍点构建	828
12.10.3  DUV光刻物镜的枢纽	830
12.10.4  深紫外（DUV）光刻物镜设计举例	832
12.10.5  用鞍点构建方法设计EUV投影光刻系统	835
12.10.6  极紫外（EUV）光刻物镜举例	836
12.10.7  鞍点构建设计方法中加入非球面设计概述	837
参考文献	840
第13章  表面等离子体纳米光子学应用	850
13.1  表面等离子体概述	850
13.1.1  表面等离子体相关概念	850
13.1.2  表面等离子体激发方式	852
13.2  SPP产生条件和色散关系	854
13.2.1  电荷密度波（CWD）与激发SPP的条件	854
13.2.2  介电质/金属结构中典型的SPP色散曲线	856
13.3  SPP的特征长度	858
13.3.1  概述	858
13.3.2  SPP的波长λSPP	859
13.3.3  SPP的传播距离δSPP	860
13.3.4  实验	862
13.3.5  SPP场的穿透深度δd和δm	863
13.4  SPP的透射增强	864
13.4.1  透射增强	864
13.4.2  围绕单孔的同心环槽状结构	865
13.4.3  平行于单狭缝的对称线性槽阵列	866
13.5  突破衍射极限的超高分辨率成像和银超透镜的超衍射极限成像	867
13.5.1  超透镜的构成	867
13.5.2  银超透镜	868
13.5.3  银超透镜成像实验	869
13.6  SPP纳米光刻技术	870
13.6.1  表面等离子体共振干涉纳米光刻技术	870
13.6.2  基于背面曝光的无掩模表面等离子体激元干涉光刻	871
13.6.3  在纳米球—金属表面系统中激发间隙模式用于亚30 nm表面等离子体激元光刻	873
13.6.4  用介电质—金属多层结构等离子体干涉光刻	875
13.7  高分辨率并行写入无掩模等离子体光刻	879
13.7.1  无掩模等离子体光刻概述	879
13.7.2  传播等离子体（PSP）和局域等离子体（LSP）	879
13.7.3  纳米等离子体光刻渐进式多阶聚焦方案	880
参考文献	885
第14章  干涉技术与光电系统	892
14.1  概述	892
14.1.1  经典干涉理论	892
14.1.2  光的相干性	893
14.1.3  常用的激光器及其相干性	894
14.2  传统干涉仪的光学结构	897
14.2.1  迈克尔逊（Michelson）干涉仪	897
14.2.2  斐索（Fizeau）干涉仪	898
14.2.3  泰曼-格林（Twyman-Green）干涉仪	899
14.2.4  雅敏（Jamin）干涉仪	900
14.2.5  马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪	901
14.3  激光干涉仪的光学结构	901
14.3.1  激光偏振干涉仪	902
14.3.2  激光外差干涉仪	904
14.3.3  半导体激光干涉仪光学系统	906
14.3.4  激光光栅干涉仪光学系统	907
14.3.5  激光多波长干涉仪	912
14.3.6  红外激光干涉仪	916
14.3.7  双频激光干涉仪	919
14.4  波面与波形干涉系统光学结构	921
14.4.1  棱镜透镜干涉仪光学系统	922
14.4.2  波前剪切干涉仪	923
14.4.3  三光束干涉仪与多光束干涉仪	926
14.4.4  数字波面干涉系统	928
14.4.5  锥度的干涉测量光学结构	930
14.5  表面微观形貌的干涉测量系统	931
14.5.1  相移干涉仪光学结构	931
14.5.2  锁相干涉仪光学结构	931
14.5.3  干涉显微系统光学结构	933
14.5.4  双焦干涉显微镜光学结构	936
14.6  亚纳米检测干涉光学系统	937
14.6.1  零差检测干涉系统	937
14.6.2  外差检测干涉系统	939
14.6.3  自混频检测系统	940
14.6.4  自适应检测系统	942
14.7  X射线干涉仪系统光学结构	943
14.7.1  X射线干涉仪的特点	943
14.7.2  X射线干涉仪的原理	944
14.7.3  X射线干涉仪的应用	944
14.8  瞬态光电干涉系统	945
14.8.1  瞬态干涉光源	945
14.8.2  序列脉冲激光的高速记录	946
14.9  数字全息干涉仪光学结构	948
14.10  光纤干涉光学系统	952
14.10.1  光纤干涉基本原理	952
14.10.2  光纤干涉光学系统结构	952
14.10.3  Sagnac干涉仪：光纤陀螺仪和激光陀螺仪	957
14.10.4  微分干涉仪光学结构	959
14.10.5  全保偏光纤迈克尔逊干涉仪光学结构	961
14.10.6  三光束光纤干涉仪光学结构	962
14.10.7  全光纤白光干涉仪光学结构	963
14.10.8  相位解调技术	965
参考文献	969
第15章  光电光谱仪与分光光学系统设计	972
15.1  光谱与光谱分析概述	972
15.1.1  光谱的形成和特点	972
15.1.2  光谱仪器	975
15.1.3  光谱分析	977
15.2  光电光谱仪器的色散系统	978
15.2.1  棱镜系统	978
15.2.2  平面衍射光栅	983
15.2.3  凹面衍射光栅	989
15.2.4  阶梯光栅	992
15.3  光电光谱仪器的光学系统设计	993
15.3.1  常用的光谱仪器光学系统	993
15.3.2  光谱仪器光学系统的初级像差	994
15.3.3  光谱仪器光学系统的像差校正	997
15.3.4  反射式准直和成像系统的像差	998
15.3.5  常用平面光栅装置类型	1001
15.3.6  凹面光栅光谱装置光学系统	1007
15.4  典型光电光谱仪器光学系统设计	1008
15.4.1  摄谱仪和光电直读光谱仪光学系统设计	1008
15.4.2  单色仪和分光光度计光学系统设计	1015
15.4.3  干涉光谱仪光学系统设计	1027
15.5  激光光谱仪光学系统设计	1030
15.5.1  激光光谱仪	1030
15.5.2  傅里叶变换光谱仪光学系统设计	1032
15.5.3  光谱成像仪光学系统设计	1039
参考文献	1042
第16章  光波的偏振态及其应用	1043
16.1  光波的偏振态	1043
16.1.1  椭圆偏振电磁场	1044
16.1.2  线偏振和圆偏振电磁场	1045
16.1.3  偏振光的描述	1046
16.1.4  偏振光的分解	1051
16.1.5  琼斯矩阵与穆勒矩阵（Mueller matrix）	1052
16.2  偏振光学元件	1056
16.2.1  偏振片	1056
16.2.2  偏振棱镜	1062
16.2.3  退偏器	1067
16.3  偏振棱镜设计与应用示例	1070
16.3.1  偏振耦合测试系统中偏振棱镜的设计	1070
16.3.2  高透射比偏光棱镜	1073
16.3.3  高功率YVO4晶体偏振棱镜	1075
16.4  相位延迟器	1077
16.4.1  相位延迟器概述	1077
16.4.2  双折射型消色差相位延迟器	1078
16.4.3  全反射型消色差相位延迟器原理	1080
16.5  偏振光学用于水下成像	1085
16.5.1  斯托克斯（Stokes）矢量法	1085
16.5.2  水下偏振图像采集光学系统的设计	1088
16.5.3  斯托克斯图像的测量方案	1091
16.6  椭圆偏振薄膜测厚技术	1095
16.6.1  薄膜测量方法概述	1095
16.6.2  椭偏测量技术的特点和原理	1096
16.6.3  椭偏测量系统类型	1097
16.6.4  干涉式椭偏测量技术	1100
16.6.5  外差干涉椭圆偏振测量原理及光学系统	1102
16.6.6  外差椭偏测量仪	1106
16.7  基于斯托克斯矢量的偏振成像仪器	1109
16.7.1  斯托克斯矢量偏振成像仪器概述	1109
16.7.2  多角度偏振辐射计	1114
16.8  共模抑制干涉及其应用	1118
16.8.1  共模抑制干涉技术概述	1118
16.8.2  偏振光在零差激光干涉仪中的应用	1122
16.8.3  利用偏振干涉原理测量表面粗糙度的方法	1126
16.8.4  光功率计分辨率对测量结果的影响	1130
16.8.5  在线测量表面粗糙度的共光路激光外差干涉仪	1132
参考文献	1134

前    言
近年来，应用光学中出现了许多新技术，如自由光学曲面、衍射光学、非成像光学、非对称光学系统像差理论、共形光学系统、紧凑型光学系统，以及扩展和提高光学系统性能的原理与技术、微纳光子学技术和表面等离子体微纳技术等。国内外已有相关研究和论文发表，也有一些单项内容的图书出版，如《Non-imaging Optics》《二元光学》《自适应光学理论》等。本书延续了已出版30多年的《应用光学》，并考虑引入上述应用光学的新技术，故定名为“现代应用光学”。
本书基于作者多年光学领域的研究和积累，对有关光学系统设计进行阐述，并介绍国内外最新的技术理论和方法。本书主要特点：
（1）本书是张以谟主编的《应用光学》的延伸，重点叙述现代应用光学新技术理论和应用。
（2）突出波面像差理论及几何像差理论，因其贯穿于各类光学系统的像质设计，如非对称光学系统、微型光学成像系统和鱼眼成像光学系统等。
（3）以非球面和自由光学曲面为线索，将大部分章节中的现代光学系统设计联系起来，简化了光学系统，提高了性能。
（4）突出现代应用光学技术，如非成像光学在太阳能电站和现代高效照明中的光学应用等。
（5）反映了现代应用光学中的前沿技术，如光学系统的焦深扩展与衍射极限的突破，微纳光子学、表面等离子体微纳技术、光学设备中的光学系统，以及自适应光学与相控阵光学导论等。
（6）叙述了现代物理光学仪器的光学系统原理，包括光电干涉光学系统、光电光谱仪及分光光度光学系统、偏振光电仪器光学系统及偏振光成像技术。
（7）以应用光学基础理论为主题，体现了多学科交叉，突出了光学的应用理论和技术。
（8）本书是在国内外科研单位及天津大学光学研究成果和资料的基础上编写的，颇有“它山之石以攻玉”之感。
全书共16章，主要内容和结构如下：
第1章在理论和方法上与《应用光学》紧密联系，介绍现代应用光学基础理论。
第2～5章给出常规光学球面以外的特殊光学面及其光学系统设计原理和示例。
第6～8章讨论当前光学系统的某些特殊应用技术。
第9、10章叙述对光学系统的某些性能指标的提高和扩展。
第11～13章讨论光学在微纳光子学技术中的应用。
第14～16章阐述了三种物理光学仪器及其光学系统的设计原理。
本书的编写者均从事过多年光学科研和教学工作，具有严谨的工作作风、深厚的专业背景和语言文字功底，确保了本书能准确地反映本领域的新技术内容。其中，吕且妮编写了第3章中的部分内容；张红霞、谢洪波为第8章示例做了计算；贾大功编写了第8章中的部分内容，并审核了第10章；蔡怀宇编写了第9章中的部分内容，并审核了该章全部内容；张红霞编写了第11章；范世福编写了第12章；张以谟完成了其他章节的撰写和全书统稿工作。本书在撰写过程中参考了很多国内外同行的研究成果和资料，他们开创性的工作和贡献使本书的内容更加丰富，在此谨向他们表示诚挚的感谢。
现代应用光学是一个快速发展的学科，它与众多其他学科交叉的新兴研究课题更是层出不穷。由于我们的水平有限，书中难免有疏漏或错误之处，敬请读者不吝指正。


张以谟
2017年10月

光学—应用光学

天津大学教授，博士生导师，专业方向：应用光学，光学设计，光学信息处理等。1958年9月天津大学精密仪器专业研究生毕业(当时无学位制)，曾任天津大学光学仪器教研室主任、现代光学仪器研究所所长。1995年 1月出任光电子信息工程国家教委开放实验室主任，学术带头人。1983年被评为天津市特等劳动模范， “国家级中青年科技专家”，国务院特殊津贴与证书获得者，天津市优秀教师等。1990年被选为国际光学工程学会(SPIE)Fellow。1992年被选为中共14大代表。__eol__曾任国务院学位委员会仪器仪表评审组成员，国家基金委员会光学及光电子评审组成员，863光电子专家组作为光计算与光互连责任专家，天津市高校职称评委会副主任等职。中国光学学会常务理事，光电技术专业委员会主任，中国仪器仪表学会光机电及其集成分会等职，国家973计划信息领域咨询组副组长。__eol__完成科研项目38项，其中通过鉴定或评议24项(达到或部分成果达到国际水平者16项，部分技术属国际领先者4项)，包括工业内窥系列、粒度仪等6项已投产。另有863专家组验收8项，基金结题8项(含重点、重大基金各1项)。发表论文200余篇；获发明专利2项, 全国科技大会奖及国家科技进步三等奖各一项；省部级科技进步一等奖2项，二等奖5项, 三等奖3项;已培养博士41人、博士后6人、硕士70余人。

张以谟教授在应用光学教学和科研方面有多年经验，享有盛誉，曾在我社出版过《应用光学》，并多次重印，有着很好的影响，是国内从事光学系统设计者的主要参考书之一。本书将当前应用光学领域的新技术，包括了光学自由曲面，衍射光学，非成像光学，共形光学系统，非对称光学系统的像差理论，紧凑型光学系统，提高光学系统性 能的原理与技术等章节，能够做较为系统的叙述。国内尚未见到同时包括这些内容的相类图书。 __eol__本书内容全面，涵盖了丰富的科研成果和最新的光学理论，是在作者所在天津大学科研团对的光学设计经验和资料基础上编写的，相信本书的出版，将为从事光学系统设计的科技人员提供一本有价值的参考书，填补国内同类书中的空白。

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