薛鸣球院士：仪器光学

薛鸣球（1930-2013），江苏宜兴人，仪器光学专家，中国工程院院士. 他先后任职于中国科学院长春光机所、西安光机所（所长）、苏州大学现代光学技术研究所（所长、创办者）. 由他主持或参与的项目有很多是我国的“第一”：我国第一台高精度经纬仪、我国第一台高倍率望远镜、我国第一台大型靶场测试设备、我国第一台侦查卫星相机，等等. 他还参与我国第一代遥感卫星光学系统设计工作，参与了我国载人航天工程的相机研制工作，都取得了有开创性的成果. 2003年，薛鸣球获得国防科学技术奖二等奖、获颁“中国首次载人航天飞行任务纪念证书”.

光学仪器在人们认识世界与改造世界的过程中发挥着重大的作用. 近代的光学仪器与电子技术、计算机技术结合起来，正越来越大地发挥其威力. 随着光电光度和放大显示技术、图像量化技术不断地被应用到光学仪器中来，综合技术性强的新光学装备不断出现.

以前光学仪器的总体设计的部分工作是靠计算分析，但也有不少工作是凭经验的. 再早一些时候，光学仪器中的光学系统设计也是凭经验来完成的 . 现代的光学系统设计工作则由于快速电子计算机的应用，已逐步地由“艺术”变成“科学”. 设计的质量、评价的方法越来越精密，越来越符合实际的要求 . 相信光学仪器的总体设计工作也会逐步走向科学化 . 我们这本书取名为《仪器光学》，是希望在这方面做一些工作，把一些问题进行归纳和分析，提出一些总的看法，从更综合的方面来考虑仪器的光学问题. 仪器光学区别于光学仪器，光学仪器是讨论它的总体问题及各种主要的机构，而仪器光学则着重讨论仪器中的光学总体问题. 仪器光学与物理光学、几何光学有联系，但区别也是很明显的 . 物理光学、几何光学讨论的是各自光学中的普遍问题，而仪器光学则讨论这些知识在仪器中应用时的有关问题.

现在还不能认为光学仪器总体工作已经发展到了完全成熟的地步，对它们的讨论还是经验性、个别性的较多. 把一个仪器作为整体来考虑，它们各自的单元技术参数与其总的性能指标之间的关系还不能认为已经达到了具有高度科学性和系统性的程度. 光学总体工作也还是如此 . 仪器光学是希望在已有基本光学知识及有关仪器知识的基础上，在更概括的高度上来讨论它们之间的内在联系，得出一些更一般的结果，以期对仪器中的光学问题有更深刻的了解与掌握，对光学知识的运用能更自如，促使光学仪器向更高水平发展.

光学仪器中的各部分是相互联系的，它们的共同点是：它们都是传递光学能量和光学信息量的环节. 仪器的优劣在于它能够传递的能量大小、信息量大小以及信号是否因传递而变形. 所以光学仪器的成像过程可以分成三个方面来描述：首先是能量方面，也就是物体、光学系统和接收器的光度性质；其二是它的成像特性方面，也就是它能分辨的光学信号在空间和时间方面的细致程度；其三是噪声方面，它决定接收到的信号的不稳定程度或可靠性. 这些信息的传递最后总是为人们所感知，于是这些能量与信息量的传递要求是与人眼的性能密切相关的.这里还有一个信息传递的速率问题，即在每单位时间内能获得的信息量和能传递的信息量，这也是一个重要的指标.

根据上面所述的情况，我们可以考虑用经系统传递后的光信号强度、分辨能力、信噪比和信息传递速率这四者的乘积作为评价系统的标准. 当然这些评价对具体的光学仪器应有不同的要求，但至少可以进行粗略的判断，以便看到内部的联系，发现其中的薄弱环节.

前述的光学成像不单指几何光学方法实现的成像问题，也可以是物理光学方法实现的成像问题. 近代发展起来的全息技术是这方面的突出例子 . 实际上，过去的菲涅耳波带板成像、泽尼克相位显微术成像都是这方面的例子.

——摘自薛鸣球《仪器光学》

我的老师薛鸣球院士是我国光学设计奠基人之一，《仪器光学》讲义汇集了薛老师多年的研究心得 . 20世纪 70年代他在长春光学精密机械学院授课时编写了这部讲义， 80年代初在中国科学院西安光学精密机械研究所 (西安光机所 )给研究生授课时进行了修改和完善 . 这部讲义的思想和内容源于实际工作，深受广大教师、学生和科研人员的喜爱，是众多科研院所、高等院校研究生用教材 . 为完成老师的夙愿和满足广大读者的期待，议定由苏州大学负责校对等工作，以早日付梓出版.

《仪器光学》着重讨论光学仪器的光学总体问题，为进一步开展光学系统最优化设计奠定基础，是光学设计工作中首先要解决的核心问题. 该书是薛老师多年从事光学仪器设计思想与方法的集中体现，旨在让读者能够明白如何根据仪器总体功能、指标要求和使用条件，运用物理光学、几何光学和相关学科知识，着手解决光学仪器的光学总体问题. 该书从光能、光信息量传递规律出发，通过具体的望远镜、显微镜、变焦摄影系统、星体测量相机、光谱仪器及高速摄影系统等典型例子，阐明光学总体问题的思考、推算方法和过程，以让读者能够更自如地运用知识，更准确地了解和把握光学仪器中的光学整体问题.

本着尽可能保存薛老师思考和设计光学仪器的思想方法的原则，在校对过程中，只进行了文字校对、目录重编、公式编号、插图绘制等，以保持原讲义的风貌. 该书的编著和出版离不开薛鸣球院士众多同事、部下等的全力支持和辛勤工作，难以一一列举，在此一并表示感谢！衷心感谢为此书顺利付梓出版而努力的所有人！

最后，感谢恩师留给我们《仪器光学》这样宝贵的财富！相信读者能够从中体会到薛老师等老一辈科学家的智慧和求实创新的精神，由此领悟和学会自主设计光学仪器的精髓.

姜会林

2020年 3月于长春

★ 内容简介★

全书共6章. 第1~3章主要介绍光学系统设计要点，第1章阐明了光学系统拉氏不变量及其与光能和信息传递的关系; 第2章阐述了光学系统参数和外形尺寸计算方法与过程, 通过高倍短筒望远镜、长焦距望远摄影物镜及变焦距摄影系统等典型例子介绍光学总体设计方法; 第3章在概述光学传递函数理论及其计算和测量方法的基础上,重点阐述其在光学系统总体设计和质量评估中的运用. 第4~6章分别阐述星体测量相机、光谱仪器、高速摄影系统设计研制过程中的光学总体问题及其解决方法.

本书可作为光学工程专业高年级本科生和研究生的教材和教学参考书，也可供从事应用光学、光学设计、光学仪器及仪器仪表等领域研究、设计与研制开发的人员阅读与参考.

★ 目录★

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