Nonimaging Optics

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出版者:Academic Press
作者:Roland Winston
出品人:
页数:512
译者:
出版时间:22 December, 2004
价格:$89.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9780127597515
丛书系列:
图书标签:
  • 光学
  • 非成像
  • Physics
  • Engineering
  • 光学
  • 非成像光学
  • 光线追迹
  • 光学设计
  • 照明
  • 太阳能
  • 光学工程
  • 传感器
  • 成像系统
  • 光传输
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From its inception nearly 30 years ago, the optical subdiscipline now referred to as nonimaging optics, has experienced dramatic growth. The term nonimaging optics is concerned with applications where imaging formation is not important but where effective and efficient collection , concentration, transport and distribution of light energy is - i.e. solar energy conversion, signal detection, illumination optics, measurement and testing. This book will incorporate the substantial developments of the past decade in this field.

* Includes all substantial developments of the past decade in the rapidly moving field of nonimaging optics * The only authoritative reference on nonimaging optics, from the leader in the field

《光影的秘密:几何光学原理与应用》 在这本《光影的秘密:几何光学原理与应用》中,我们将一同探索光线如何传播,以及这一基本原理如何在众多领域中发挥至关重要的作用。本书不涉及非成像光学(Nonimaging Optics)的范畴,而是专注于通过几何光学这一强大而直观的框架,深入理解光与物质的相互作用,并将其应用于解决实际问题。 第一章:光的基本性质与几何光学模型 本章将为读者奠定坚实的几何光学基础。我们将从光的波动性与粒子性的辩证统一出发,强调在几何光学近似下,光的直线传播特性是理解其行为的关键。我们将详细介绍: 光的直线传播: 阐述在均匀介质中,光沿直线传播的现象,并引入光线的概念。光线是几何光学中的核心抽象,用于表示光的传播路径。 光的反射定律: 详细讲解反射定律,包括入射角、反射角和法线之间的关系。我们将通过丰富的图示和实例,展示平面镜和曲面镜的成像原理,例如单镜成像、多镜成像以及简单的透镜成像的初步概念。 光的折射定律(斯涅耳定律): 深入解析折射定律,解释光在不同介质界面发生偏折的原因,以及折射角与入射角、介质折射率之间的定量关系。我们将探讨折射率的物理意义,以及不同材料的光学特性。 全反射现象: 详细阐述全反射的条件和应用,如光导纤维的传输原理。 均匀介质中的光程: 引入光程的概念,为后续更复杂的分析奠定基础。 第二章:透镜与镜面成像原理 本章将聚焦于对光学系统至关重要的两种基本元件:透镜和曲面镜。我们将深入分析它们各自的成像特性,并建立起系统的成像模型。 薄透镜成像: 凸透镜成像: 详细分析凸透镜在不同物距下的成像情况:实像与虚像、放大与缩小、正立与倒立。我们将引入成像公式(高斯成像公式)和放大率公式,并绘制详细的光路图,帮助读者直观理解。 凹透镜成像: 讲解凹透镜的成像规律,其成像特点总是形成缩小的、正立的虚像。 焦距与曲率半径的关系: 结合透镜制造的实际情况,探讨透镜的焦距与镜面曲率半径、介质折射率之间的关系(透镜制造公式)。 曲面镜成像: 凹面镜成像: 分析凹面镜在不同物距下的成像特性,包括实像和虚像,以及放大和缩小的情况。 凸面镜成像: 讲解凸面镜的成像特性,其成像特点总是形成缩小的、正立的虚像。 成像的定性分析与定量计算: 通过大量的例题,训练读者利用成像公式和光路图进行成像的定性判断和定量计算,掌握分析简单光学系统的能力。 第三章:光学仪器中的基本原理 几何光学的原理是众多光学仪器的基石。本章将介绍几种简单但具有代表性的光学仪器,并分析其内部的光学设计如何利用几何光学原理实现特定的功能。 显微镜: 复式显微镜的结构与成像: 介绍物镜和目镜的作用,以及它们如何组合形成高倍放大的实像。重点讲解物镜的成像过程和目镜的放大作用。 显微镜的放大率计算: 分析显微镜总放大率的构成,以及如何通过更换物镜或目镜来改变放大倍数。 望远镜: 开普勒望远镜与伽利略望远镜: 详细解析这两种经典望远镜的结构、成像原理和成像特点。 望远镜的视场与分辨率: 讨论望远镜的性能指标,以及几何光学如何影响其观测能力。 照相机: 照相机的成像系统: 分析镜头组(通常是复杂的组合透镜)如何聚焦光线,在感光元件上形成清晰的实像。 光圈与快门的作用: 阐述光圈控制进光量和景深,快门控制曝光时间,这些都与几何光学的成像过程密切相关。 人眼模型: 眼球的成像过程: 将人眼简化为一个光学系统,分析晶状体和角膜如何将外界光线聚焦在视网膜上形成倒立的实像。 视觉的形成: 简要介绍视觉的生理过程,强调几何光学成像在其中扮演的基础角色。 第四章:衍射与干涉现象的初步探讨(非几何光学范畴的延伸) 虽然本书的核心是几何光学,但为了让读者对光的本质有更全面的认识,本章将对几何光学无法解释的两种重要光学现象——衍射和干涉——进行初步的介绍。这部分内容将为读者展示几何光学近似的局限性,并引导其对波动光学产生兴趣。 光的衍射: 衍射的现象描述: 介绍光遇到障碍物边缘或通过狭缝时发生的弯曲现象。 惠更斯原理的初步介绍: 简要说明惠更斯原理如何解释光的传播和衍射。 光的干涉: 干涉的条件: 阐述相干光源的定义以及发生干涉的必要条件。 干涉条纹的形成: 描述同振幅、同频率、同相(或有固定相位差)的两束光相遇时,在某些区域加强、在另一些区域减弱的现象。 杨氏双缝干涉实验简介: 介绍一个经典的干涉实验,说明其如何证明光的波动性。 第五章:几何光学在现代技术中的应用实例 本章将超越理论,展示几何光学原理如何在实际生活中和前沿科技中发挥作用。我们将选取一些典型的应用场景,深入剖析其背后的光学设计。 激光器的基本原理与应用(聚焦于光束的传播): 激光的单色性、相干性和方向性: 简要描述激光的特性,重点在于其高度准直的特性,这可以通过几何光学的视角来理解。 激光器腔内的光路设计: 介绍使用反射镜来维持激光束在谐振腔内的往复传播,实现增益放大。 光学纤维通信(聚焦于全反射的应用): 光纤的结构与工作原理: 详细解释光纤如何利用全反射原理,将光信号高效地传输到远距离。 单模光纤与多模光纤的差异(初步介绍): 简单提及不同类型光纤在传输特性上的差异,及其与几何光学传播路径的关系。 条形码扫描仪: 扫描原理: 分析条形码扫描仪如何通过光源照射条形码,并利用光学元件(例如简单的透镜)收集反射光,再经过信号处理来识别信息。 光学测量技术: 测距仪: 介绍基于光的传播时间或三角测量原理的测距技术。 投影仪: 分析投影仪如何通过一系列透镜将图像放大并投射到屏幕上。 光镊技术(初步介绍): 聚焦光束的力学效应: 简要介绍如何利用高度聚焦的激光束产生的光压来操控微小粒子,虽然涉及更复杂的电磁理论,但聚焦的光束本身是几何光学研究的对象。 结论 《光影的秘密:几何光学原理与应用》旨在为读者构建一个清晰、严谨的几何光学知识体系。通过对光的直线传播、反射、折射等基本原理的深入探讨,结合丰富的实例和图示,读者将能够理解和分析各类光学现象,并为进一步深入学习光学领域的其他分支打下坚实的基础。本书所涵盖的内容,将帮助您更好地理解我们所处的光的世界,并为光学工程、物理学、天文学、生物学以及材料科学等众多领域的研究和应用提供重要的理论支撑。

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用户评价

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从排版和配图来看,这本书显然是下了大功夫的。作为一本专业的工程书籍,图示的清晰度至关重要,而这本《Nonimaging Optics》在这方面做得非常出色。所有的截面图、光线追迹图,甚至是复杂的曲面示意图,都采用了高对比度的线条和恰到好处的阴影处理,即便是涉及到三维空间的复杂光学布局,也能通过巧妙的二维投影图被清晰地表达出来。更难得的是,许多关键概念的插图,比如“沃尔夫光锥”的几何意义,或者“拉赫伦茨积分不变性”在实际应用中的体现,都配有对比鲜明的“理想情况”与“实际受限情况”的图例,这种对比教学法极大地增强了我的理解深度。此外,书中的数学推导部分,虽然涉及到微积分和线性代数,但作者非常克制,只保留了最核心的步骤,把更多的篇幅留给了对物理意义的解读。这表明作者深知,对于应用型读者而言,理解背后的物理直觉远比记住复杂的微分方程更为重要。

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我得说,这本书的结构组织简直像是一部精密的仪器,环环相扣,逻辑严密得令人赞叹。它不像有些技术书籍那样,章节之间跳跃性很大,让人读起来摸不着头脑。作者似乎深谙读者的阅读习惯,总是在前一章的结尾埋下伏笔,为下一章做好了充分的铺垫。比如,在讨论了理想光学系统的基本限制后,紧接着就引入了如何通过非成像元件来“绕过”或“优化”这些限制的策略。书中对诸如“耦合效率”、“光能传输”这些关键指标的讨论,深入浅出,让人对光学系统性能的量化评估有了全新的认识。我特别注意到,作者在描述一些复杂的优化算法时,并没有直接给出代码,而是用流程图和清晰的文字步骤来解释其背后的思想,这对于那些希望理解算法内核而非仅仅复制粘贴代码的读者来说,无疑是巨大的福音。整本书读下来,我感觉自己不是在被动地接受知识,而是在和一位经验丰富的老工程师进行深入的思维对话,他引导着我一步步构建起对整个非成像光学领域的宏观认知框架。

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这本书的封面设计简洁有力,那种深邃的黑色背景上浮现出如同星云般的光线轨迹,立刻就吸引了我的目光。我原本以为这是一本偏向于理论推导的硬核物理著作,毕竟“Nonimaging Optics”这个标题听起来就相当专业。然而,翻开内页后,我发现作者的叙事方式非常平易近人。他没有一开始就堆砌复杂的数学公式,而是从我们日常生活中的一些常见现象入手,比如如何设计一个高效的路灯,或者如何让室内光照分布更加均匀。这种从应用场景切入的写作手法,极大地降低了初学者的入门门槛。书中花了很大篇幅去介绍一些基础的光学元件,比如反射器和折射器的几何设计原则,但与传统教材不同的是,它更强调“为什么”要这样设计,而不是仅仅给出“如何”设计的步骤。我特别喜欢其中关于“ étendue”概念的阐述,作者用非常形象的比喻,将这个抽象的物理量描绘得栩栩如生,让人一下子就抓住了非成像光学设计的核心约束。读完前几章,我已经开始期待如何将这些知识应用到实际的项目中去,这本书显然不仅仅是理论的堆砌,更像是一本指导实践的工具书,非常实用。

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这本书的阅读体验,带给我一种前所未有的“充实感”,这不是那种被大量信息轰炸后的疲惫,而是一种智力被充分激发后的满足。它成功地架设了一座桥梁,连接了基础的光学物理学与前沿的工程应用。我原本以为,要理解如何设计高效的太阳能聚光器或复杂的LED照明系统,需要掌握大量特定的、分散的知识点。但这本书却提供了一个统一的理论基础,让我明白,无论是设计一个微米级的波导,还是一个宏观的集光器,其背后的基本光线行为和能量守恒原则是相通的。书中对“等角投影”和“非球面设计”部分的讲解,尤其让我眼前一亮。作者没有将这些技术视为黑箱,而是深入挖掘了它们在打破传统成像限制方面的潜力。这种深度挖掘的写作风格,使得我对“没有成像”这件事本身,产生了更深层次的敬畏感——原来通过精准地控制光线的空间分布,我们能实现如此多的奇妙工程目标。

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如果让我给这本书下一个综合性的定性评价,我会称之为“工程哲学的实践指南”。它不仅仅是一本教你计算和绘图的书,更是一本引导你进行系统性光学思维训练的教材。我在阅读过程中,多次停下来,对照着自己过去做过的项目,反思当时是不是可以应用书中提到的某种优化策略,遗憾之余更多的是茅塞顿开。书中对误差分析和容差设定的讨论非常现实,作者毫不避讳地指出了理论模型与实际制造之间的巨大鸿沟,并提供了实用的方法论来应对这种不确定性。这种坦诚的态度,对于工程实践者来说,比任何完美的理论描述都更有价值。它让我明白了,好的非成像光学设计,往往不是追求“完美”,而是追求在特定约束下,实现“最佳可行性”。这本书的价值,不在于它能帮你做出一个产品,而在于它能帮你建立起一套评估和解决复杂光学问题的思维体系,这种体系的建立,才是真正宝贵的财富。

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總結不出個成效來不許碎覺

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