0序 光学工程基础

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光学工程基础
毛文炜
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儿何光学 (光线光学)
物理光学 (波动光学)
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第1章 第2章 第3章
第6章
光学工程基础(一) (光线光学)
第7章 第8章 第9章
第4章 第5章
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第1章 光波、光线和成像 第2章 近轴光学 第3章 理想光学系统
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第4章 平面反射镜与反射棱镜 第5章 常用光学系统
第6章 光学系统中 的光束限制 第九章变焦距镜头 第7章光学系统的分辨率、 的理想光学分析 景深及光能的传递 第8章 梯度折射率 光线光学
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工程光学基础

工程光学基础学习报告 ——典型光学系统之显微镜系统

由于成像理论的逐步完善，构成了许多在科学技术和国民经济中得到广泛应用的光学系统。为了观察近距离的微小物体，要求光学系统有较高的视觉放大率，必须采用复杂的组合光学系统，如显微镜系统。 ●显微镜的介绍 显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，是人类进入原子时代的标志。主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。光学显微镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.1微米，国内显微镜机械筒长度一般是160mm。列文虎克，荷兰显微镜学家、微生物学的开拓者。 显微镜是人类这个时期最伟大的发明物之一。在它发明出来之前，人类关于周围世界的观念局限在用肉眼，或者靠手持透镜帮助肉眼所看到的东西。 显微镜把一个全新的世界展现在人类的视野里。人们第一次看到了数以百计的“新的”微小动物和植物，以及从人体到植物纤维等各种东西的内部构造。显微镜还有助于科学家发现新物种，有助于医生治疗疾病。 ●显微镜的分类 显微镜以显微原理进行分类可分为光学显微镜与电子显微镜，而我们课堂上讲的是光学显微镜。 ●显微镜的结构 普通光学显微镜的构造主要分为三部分：机械部分、照明部分和光学部分。 ◆机械部分 （1）镜座：是显微镜的底座，用以支持整个镜体。 （2）镜柱：是镜座上面直立的部分，用以连接镜座和镜臂。 （3）镜臂：一端连于镜柱，一端连于镜筒，是取放显微镜时手握部位。 （4）镜筒：连在镜臂的前上方，镜筒上端装有目镜，下端装有物镜转换器。 （5）物镜转换器(旋转器)简称“旋转器”：接于棱镜壳的下方，可自由转动，盘上有3－4 个圆孔，是安装物镜部位，转动转换器，可以调换不同倍数的物镜，当听到碰叩声时，方可进行观察，此时物镜光轴恰好对准通光孔中心，光路接通。转换物镜后，不允许使用粗调节器，只能用细调节器，使像清晰。 （6）镜台(载物台)：在镜筒下方，形状有方、圆两种，用以放置玻片标本，中央有一通光孔，我们所用的显微镜其镜台上装有玻片标本推进器(推片器)，推进器左侧有弹簧夹，用以夹持玻片标本，镜台下有推进器调节轮，可使玻片标本作左右、前后方向的移动。 （7）调节器：是装在镜柱上的大小两种螺旋，调节时使镜台作上下方向的移动。 ①粗调节器(粗准焦螺旋)：大螺旋称粗调节器，移动时可使镜台作快速和较大幅度的升降，所以能迅速调节物镜和标本之间的距离使物象呈现于视野中，通常在使用低倍镜时，先用粗调节器迅速找到物象。 ②细调节器(细准焦螺旋)：小螺旋称细调节器，移动时可使镜台缓慢地升降，多在运用高倍

工程光学设计

摘要 摘要：设计三片库克照相物镜，给出三片镜子的结构参数按照设计要求合理设计。近轴光路追迹求出设计系统的焦距和后焦距。然后利用zemax光学设计软件仿真验证设计结果。 关键词：照相物镜；光学设计 设计要求： 设计要求：采用三片库克（cookie）结构，D/f=1/5，半像面尺寸：18mm 半视场角：20°设计波长：0.486um、0.587um、0.656um，口径D：10mm 计算：系统焦距f，，后焦距（BFL） 第一章绪论 我们设计光学系统采用光线模型方法，即利用几何光学和光学工程中涉及到的基本方法、基本公式设计三片库克照相物镜。利用光线模型设计光学系统是非常重要的方法。曾经有位美国学者在回答有关光线和波动理论应用问题时，睿智的说;“你用光线理论设计照相机镜头，尽管是近视理论，但你用一个星期可以完成；然而你若用衍射理论设计照相机镜头，虽然你用的理论很严格，也去你一辈子才能设计出一个镜头。”可见用几何光学和工程光学中的光线模型设计光学系统是多么的重要。而近轴光线的追迹公式又是利用光线理论设计光学系统的基础。 根据近轴光学公式的性质，它只能适用于近轴区域，但是实际使用的光学仪器，无论是成像物体的大小，或者由一物点发出的成像光束都要超出近轴区域。 这样看来，研究近轴光学似乎没有很大的实际意义。但是事实上近轴光学的应用并不仅限于近轴区域内，对于超出近轴区域的物体，仍然可以使用近轴光学公式来计算平面的位置和像的大小。也就是说把近轴光学公式扩大应用到任意空间。对于近轴区域以外的物体，应用近轴光学公式计算出来的像也是很有意义的： 第一，作为衡量实际光学系统成像质量的标准。根据共轴理想光学系统的成像性质：一个物点对应一个像点；垂直于光轴的共轭面上放大率相同。如果实际共轴球面系统的成像符合理想则该理想像的位置和大小必然和用近轴光学公式计算所得结果相同。因为它们代表了实际近轴光线的像面位置和放大率。如果光学系统成像不符合理想，当然就不会和近轴光学公式计算出的结果一致。二者间的差异显然就是该实际光学系统的成像性质和理想像间的误差。也就是说，可以用它作为衡量该实际光学系统成像质量的指标。因此，通常我们把用近轴光学公式计算出来的像，称为实际光学系统的理想像。 第二，用它近似地表示实际光学系统所成像的位置和大小。在设计光学系统或者分析光学系统的工作原理时，往往首先需要近似地确定像的位置的大小。能够满足实际使用要求的光学系统，它所成的像应该近似地符合理想。也就是说，它所成的像应该是比较清晰的，并且物像大体是相似的。所以，可以用近轴光学公式计算出来的理想像的位置和大小，近似地代表实际光学系统所成像的位置和大小。由此可见近轴光学系统具有重要的实际意义，它在今后的研究光学系统的成像原理时经常用到。

第三版工程光学答案

第一章 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小得像,若将屏拉远50mm,则像得大小变为70mm,求屏到针孔得初始距离。 解:在同种均匀介质空间中光线直线传播,如果选定经过节点得光线则方向不变,令屏到针孔得初始距离为x,则可以根据三角形相似得出: 所以x=300mm 即屏到针孔得初始距离为300mm。 4、一厚度为200mm得平行平板玻璃(设n=1、5),下面放一直 径为1mm得金属片。若在玻璃板上盖一圆形得纸片,要求在玻璃板上方任何方向上都瞧不到该金属片,问纸片得最小直径应为多少？ 解:位于光纤入射端面,满足由空气入射到光纤芯中,应用折射定律则有: n0sinI1=n2sinI2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层得时候满足全反射,使得光束可以在光纤内传播,则有: (2) 由(1)式与(2)式联立得到n0、

16、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1、5得玻璃球上,求其会聚点得位置。 如果在凸面镀反射膜,其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜,则反射光束在玻璃中得会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后,会聚点又在何处？说明各会聚点得虚实。 解:该题可以应用单个折射面得高斯公式来解决, 设凸面为第一面,凹面为第二面。 (1)首先考虑光束射入玻璃球第一面时得状态,使用高斯公 式: 会聚点位于第二面后15mm处。 (2) 将第一面镀膜,就相当于凸面镜 像位于第一面得右侧,只就 是延长线得交点,因此就是虚像。 还可以用β正负判断: (3)光线经过第一面折射:, 虚像 第二面镀膜,则:

得到: (4) 在经过第一面折射 物像相反为虚像。 18、一直径为400mm,折射率为1、5得玻璃球中有两个小气泡,一个位于球心,另一个位于1 ／2半径处。沿两气泡连线方向在球两边观察,问瞧到得气泡在何处？如果在水中观察,瞧到得气泡又在何处？ 解: 设一个气泡在中心处,另一个在第二面与中心之间。 (1)从第一面向第二面瞧 (2)从第二面向第一面瞧 (3)在水中

照相机成像原理和构造

照相机成像原理和构造 光博会后看到照相机后的观后感，了解照相机原理及构造，以下资料来自专业人士介绍以及所学工程光学教材知识。 照相机的镜头是一个凸透镜，来自物体的光经过凸透镜后，在胶卷上形成一个缩小、倒立的实像。 胶卷上涂着一层感光物质，它能把这个像记录下来，经过显影、定影后 成为底片，用底片洗印就得到相片。 照相时，物体离照相机镜头比较远，像是倒立、缩小的。

照相机是用于摄影的光学器械。被摄景物反射出的光线通过照相镜头(摄景物镜)和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，经冲洗处理(即显影、定影)构成永久性的影像,这种技术称为摄影术。 最早的照相机结构十分简单，仅包括暗箱、镜头和感光材料。现代照相机比较复杂，具有镜头、光圈、快门、测距、取景、测光、输片、计数、自拍等系统，是一种结合光学、精密机械、电子技术和化学等技术的复杂产品。1550年，意大利的卡尔达诺将双凸透镜置于原来的针孔位置上，映像的效果比暗箱更为明亮清晰；1558年，意大利的巴尔巴罗又在卡尔达诺的装置上加上光圈，使成像清晰度大为提高；1665年，德国僧侣约翰章设计制作了一种小型的可携带的单镜头反光映像暗箱，因为当时没有感光材料，这种暗箱只能用于绘画。 1822年，法国的涅普斯在感光材料上制出了世界上第一张照片，但成像不太清晰，而且需要八个小时的曝光。1826年，他又在涂有感光性沥青的锡基底版上，通过暗箱拍摄了一张照片。 1839年，法国的达盖尔制成了第一台实用的银版照相机，它是由两个木箱组成，把一个木箱插入另一个木箱中进行调焦，用镜头盖作为快门，来控制长达三十分钟的曝光时间，能拍摄出清晰的图像。 1860年，英国的萨顿设计出带有可转动的反光镜取景器的原始的单镜头反光照相机；1862年，法国的德特里把两只照相机叠在一起，一只取景，一只照相，构成了双镜头照相机的原始形式；1880年，英国的贝克制成了双镜头的反光照相机。

天津大学2020硕士研究生初试考试自命题科目大纲807工程光学与光电子学基础

一、考试模块划分方式： 考试内容分为A、B 两个模块，考生可任选其中一个模块。A 模块为工程光学，B 模块为光电子学基础。 二、各模块初试大纲： A模块：工程光学 （一）考试的总体要求 本门课程的考试旨在考核学生有关应用光学和物理光学方面的基本概念、基本理论和实际解决光学问题的能力。 考生应独立完成考试内容，在回答试卷问题时，要求概念准确，逻辑清楚，必要的解题步骤不能省略，光路图应清晰正确。 （二）考试的内容及比例 考试内容包括应用光学和物理光学两部分。 “应用光学”应掌握的重点知识包括：几何光学的基本理论和成像概念、理想光学系统理论、光学系统中的光束限制、平面和平面系统对成像的影响、像差的基本概念和典型光学系统的性质、成像关系及光束限制等。具体知识点如下： 1、掌握几何光学基本定律与成像基本概念，包括：四大基本定律及全反射的内容与现象解释；完善成像条件的概念和相关表述；几何光学符号规则以及单个折射球面、反射球面的成像公式、放大率公式等。 2、掌握理想光学系统的基本理论和典型应用，包括：基点、基面的主要类型及其特点；图解法求像的方法；解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）；理想光学系统三个放大率的定义、计算公式及物理意义；理想光学系统两焦距之间的关系；正切计算法以及几种典型组合光组的结构特点、成像关系等。 3、掌握平面系统的主要种类及应用，包括：平面镜的成像特点及光学杠杆原理和应用；反射棱镜的种类、基本用途及成像方向判别；光楔的偏向角公式及其应用等。 4、掌握典型光学系统的光束限制分析，包括：孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系；视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系；渐晕、渐晕光阑、渐晕系数的定义；物方远心光路的工作原理；光瞳衔接原则及其作用；场镜的定义、作用和成像关系等。 5、了解像差基本概念，包括：像差的定义、种类和消像差的基本原则；7 种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法等。 6、掌握几种典型光学系统的基本原理和特点，包括：正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征，校正非正常眼的方法；视觉放大率的概念、表达式及其意义；显微镜系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式；临界照明和坷拉照明系统的组成、优缺点；望远系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式；摄影系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式；投影系统的概念、计算公式以及其照明系统的衔接条件等。 “物理光学”应掌握的重点知识包括：光的电磁理论基础、光的干涉和干涉系统、光的衍射、光的偏振和晶体光学基础等。具体知识点如下：

工程光学课程设计

工程光学课程设计 设计名称：工程光学课程设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： XXX教务处制 20 13 年12 月

工程光学课程设计评分表 最后成绩的以优（90~100）、良（80~89）、中（70~79）、及格（60~69）和不及格（少于60分）五级给出。

第1章引言 1.1 简单介绍 对于实际的光学系统来说，它的成像往往是非完善成像，对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣，是光学设计中遇到的一个重要问题.在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中，计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的一种重要手段.其中，由美国焦点软件公司所发展出的光学设计ZEMAX，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是可以运算Sequential及Non-Sequential的软件.其主要特色有分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG等，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。 但是，这里必须强调一点的是，ZEMAX软件只是一个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进行光学设计，而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量所以，在应用本教程进行光学辅助设计之前，您最好先学习一下光学设计的有关知识：首先是几何光学基础，几何光学是光学设计的基础，要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺寸计算方法，了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程.实际光学系统大多由球面和平面构成。记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式，了解公式中各参数的几何意义是必要的，具体公式可参考有关光学书籍，在此就不一一介绍了。对于平面零件有平面反射镜和棱镜，它们的主要作用多为改变光路方向，使倒像成为正像，或把白光分解为各种波长的单色光.在光学系统中造成光能损失的原因有三点：透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失。其次是像差理论知识，对于一个光学系统，一般存在7种几何像差，他们分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差.另外，还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识，以及一些光学工艺的知识，包括切割，粗磨，精磨，抛光和磨边，最后还有镀膜和胶合等。

工程光学习题解答

第一章习题 1、已知真空中的光速c＝3 m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。 解： 则当光在水中，n=1.333时，v=2.25 m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99 m/s, 当光在火石玻璃中，n＝1.65时，v=1.82 m/s， 当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97 m/s， 当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24 m/s。 2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x，则 可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm。 3、一厚度为200mm的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？ 解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。 4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n0sinI1=n2sinI2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：

0803光学工程一级学科简介

0803光学工程一级学科简介 级学科（中文）名称：光学工程 （英文）名称：Op tical Engine ering 一、学科概况 光学工程是一门历史悠久而又与现代科学与时俱进的学科，它的发展表征着人类文明的进程，它的理论基础一一光学，作为物理学的主干学科经历了漫长的发展道路，铸就了几何光学、波动光学、量子光学及非线性光学，揭示了光的产生和传播的规律以及光与物质相互作用的关系。在早期，主要是基于几何光学和波动光学拓宽人的视觉能力，建立了以望远镜、显微镜、照相机、光谱仪和干涉仪等为典型产品的光学仪器工业。这些技术和产业至今仍然发挥着重要作用。上世纪中叶，产生了全息术和以傅里叶光学为基础的光学信息处理理论和技术，特别是上世纪六十年代初第一台激光器的问世，实现了高亮度和高时空相干度的光源，使光子不仅成为了信息的相干载体而且成为了能量的有效载体。随着激光技术和光电子技术的发展，光学工程已发展成为以光学为主，并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。它包含了许多重要的新兴学科分支，如激光技术、光通信、光存储与记录、光学信息处理、光电显示、全息和三维成像、生物光子学、微纳光子学、薄膜和集成光学、光电子和光子技术、激光制造技术、弱光与红外热成像技术、光电传感与测量、光纤光学、自适应光学、光电子材料与器件、太赫兹光子学、光电子仪器与技术、空间与光学遥感技术以及综合光学工程技术等。这些分支不仅使光学工程产生了质的跃变，而且推动建立了一个规模迅速扩大的前所未有的现代光电子产业和光子产业，这些产业的主体集中在光信息获取、传输、处理、记录，存

2019河北工业大学考研大纲-822 工程光学基础

河北工业大学2019年硕士研究生招生考试 自命题科目考试大纲 科目代码：822 科目名称：工程光学基础 适用专业：仪器科学与技术、仪器仪表工程（专业学位） 一、考试要求 工程光学基础适用于河北工业大学机械工程学院仪器科学与技术专业、仪器仪表工程（专业学位）专业硕士研究生招生专业课考试。主要考察对于工程光学基础的基本概念、方法及运用所学知识分析问题和解决问题的能力。 二、考试形式 试卷采用客观题型和主观题型相结合的形式，主要包括选择题、填空题、判断题、简答题、计算题、分析论述题、设计题等。考试时间为3小时，总分为150分。 三、考试内容 （一）几何光学基本定律与成像概念 1、几何光学的基本定律：折射定律、反射定律、全反射定律、马吕斯定律、费马原理等。 2、几何光学的基本概念：光波、折射率等。 （二）光线光路计算及近轴区成像 1、单个折射球面光线计算 能够利用公式进行实际光路中的光线轨迹运算。 2、近轴区单个折射球面及球面系统的成像物象位置关系计算 能够利用光线追迹计算结果初步判断光学系统的像差；能够利用近轴区的各种公式计算像的位置，像的大小并判断像的虚实。 （三）理想光学系统

1、理想光学系统的基本理论 能够利用共线成像理论求解基点和基面，并完成图解法求像。 2、理想光学系统的解析法求像 能够利用工作理想光学系统的各种计算公式计算理想光学系统的物象位置关系、计算像的大小、位置并判断像的虚实；能够利用节点的性质进行实际问题的分析。 3、光学系统的组合 利用两个理想光学组合等效系统的基点和基面的几何求解方法求解任何所需要的透镜。利用正切法将三个及以上系统的组合等效系统求解。 4、透镜 能够利用透镜的相关公式求解透镜的焦距和基点位置。 （四）平面与平面元件 1、平面元件简介 能够利用平面镜的成像特性解释各种有关平面镜的光学现象及成像特点。能够利用平面镜的旋转性、平移性、双面镜的成像特性进行系统设计。 2、平行平板 能够平行平板成像公式及成像特性解释有关光学现象并应用到实际之中。 3、反射棱镜及像方坐标系求解 能够利用反射棱镜像方坐标系及透镜在不同情况下的像方坐标系的求解方法求解系统的像方坐标系；能够利用棱镜的光学系统的成像方法进行光学系统分析。 4、折射棱镜及光楔 利用折射棱镜最小偏向角的原理解决实际光学问题；学生能够利用光楔的作用分析其在光学系统中的作用。

工程光学设计A4 C1-C3

波面：某一瞬间光波动传播所到达的曲面 光线：能够传输能量的几何线 光束：和波面对应的法线束 基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的反射与折射定律 实物（像）：实际光线相交形成。可由人眼或接收器所接收。 虚物（像）：光线的延长线相交形成，只可以被人眼观察 完善成像条件：入射波面是球面波，出射波面也是球面波；入射光是同心光束，出射光也是同心光束；物点及其像点之间任意两条光路的光程相等 近轴方程：薄透镜： 无焦系统： 垂轴放大率： 轴向放大率： 角放大率 拉赫不变量 典型光线：平行于光轴入射的光线经过系统后过像方焦点；过物方焦点的光线，经过系统后平行于光轴；倾斜于光轴入射的平行光束，经过系统后会交于像方焦平面上的一点；自物方焦平面上一点发出的光束，经系统后成倾斜于光轴的平行光束；过节点的光线相互平行 近轴理论为基础，建立起理想光学系统模型，便于分析光学系统的成像性质和规律。近轴区成完善像, 但成像范围小,光束宽度小,能量小。实际光学系统，对具有一定大小的物（视场）以宽光束（孔径）成像，成像有缺陷 光学设计的概念：根据仪器的技术参数和要求，考虑和拟定光学系统的整体方案，并计算其中各个具有独立功能的组成部分的光学参数——选择并确定各组成部分的结构型式，查取或计算其初始结构参数（半径、厚度、间隔、材料等）——逐次修改结构参数，使像差得到最佳的校正和平衡——对设计结构进行评价 光学系统设计过程：1、外形尺寸计算 2、初始结构的计算和选择 3、像差校正和平衡 4、像质评价 5、绘制光学系统图、部件图和零件图 6、编写设计说明书 进行技术答辩 国内外光学设计软件：SOD88；Zemax,CODE V,OSLO,LightTools,ASAP,TracePro 孔径选择：Entrance Pupil Diameter(EPD): 入瞳直径（物体位于无限远时）Image Space F/#: 像方F 数（f/D,只用于物距无穷远）；Object Space Numerical Aperture ：物方数值孔径nsin θ（有限物距）；Float by Stop Size ：由光阑决定入瞳大小；Paraxial working F/#: 近轴F 数，忽略像差；Object Cone Angle:物方锥角（轴上物点发出的边缘光线的半角），最大可以达到90度（物在有限远） 视场类型：Angle: 设定物方视场主光线与光轴的夹角，多用于无限共轭平行光条件下。 Object height:设定被成像物体的尺寸大小，用在有限共轭系统。Paraxial Image height:近轴像高。使用近轴光束定义系统成像的像面大小。用于需要固定像大小的设计中，使用近轴方法计算，忽略系统畸变影响，适用于视场角度较小的系统。 Real image height: 实际像高。使用实际光线计算，考虑畸变大小，适用于大视场广角系统。Zemax 计算慢。 曲率求解: Marginal ray angle ：控制边缘光线的角度 Chief ray angle ：控制主光线的角度 Marginal ray normal ：使光学面与近轴边缘的光线垂直，可产生没有球差或慧差的光学面 Chief ray normal ：使光学面与近轴主光线垂直，可产生不具慧差，像散或畸变的光线 Alplanatic ：可产生没有球差，慧差，像散的等光程光学面 Pick up ：使光学面的曲率随所指定面的曲率而改变Element power ：可控制指定镜片的光焦度，也可控制有效焦距，设于第二面 Concentric with surface ：控制曲率使曲率中心落于指定面上Concentric with radius ：控制曲率使曲率中心与指定面的曲率中心在同一点 F/#：控制曲率，控制有效焦距，设于第二面 厚度求解：Marginal ray height ：控制近轴边缘光线在像面上的高度，Pupil zone 在正负1之间 Chief ray height: 控制近轴主光线高度 Edge thickness ：控制镜片边缘厚度，以免优化过厚或过薄 Pick up ：控制厚度随指定面的厚度变化 Optical path difference ：控制厚度使指定光瞳坐标处光程差维持定值 Position ：控制面至指定面之间的距离保持一定 Compensator ：控制面厚度与参考面厚度之和保持定值 Center of curvature ：控制厚度使后光学面的位置在指定面的曲率中心上 玻璃求解：Model ：用于玻璃优化 Pick up ：随指定面变化 Substitute ：指定玻璃库优化 Offset ：在折射率及Abbe 数上增加一偏移量，用于公差计算 光学系统特性：光学特性（焦距、放大率、物距、像距等）：属于物像几何尺寸共轭关系 成像特性：光学系统所成像的清晰程度以及像与物的相似性。 实际光学系统成像：以一定宽度的光束对一定大小的物体成像，不能成完善像 实际像与理想像之间的差异是像差，是光学系统成像不完善程度的描述 像质评价方法：1、设计阶段----通过计算来评定系统成像质量优劣 2、系统制造完成后-----通过对系统进行实际检验测量来评价成像质量 像差分析方法：几何像差法：以特征光线经过光学系统后出射光线在横向或纵向与理想像的偏差分析像差的方法。以几何光学为基础。优点：计算简单、意义直观 波像差法：以波动光学为基础，以实际波面和理想像的波面的偏差分析像差的方法。波像差是几何像差的综合体现。尤其对于小像差系统，波像差更能反映像质。 球差：轴上物点发出的宽光束经透镜后，不同孔径区域的光束汇聚在光轴的不同位置，在像面上形成弥散斑。轴向球差、垂轴球差、边光球差。 球差是入射高度的函数；球差反映轴上点的像差，与视场无关；球差具有轴对称性。 球差的表示、查看：2D Layout 、点列图、球差曲线、赛德尔像差系数、评价函数操作数、光扇图 球差校正：正负透镜补偿法：实际设计时，常使初级球差与二级球差相补偿，将边缘光的球差校正为零。对边光校正球差时，0.707带光球差最大 非球面校正球差：二次曲面代替球面 无球差的三个位置：L=0,L ’=0; L=L ’=r;L ’=(n+n ’)r/n ’（齐明点、不晕点） 彗差：轴外物点发出的宽光束经系统后失对称，不会聚在一点，而在像面上形成彗星状弥散斑，左右对称，上下失对称 彗差度量：通常用子午面和弧矢面上对称于主光线的各对光线，经系统后的交点相对于主光线的偏离来度量。子午彗差以这对光线与理想像面交点高度的平均值与主光线交点高度之差来表征，弧矢度量以前后光线对与理想像面交点高度的平均值与主光线交点高度之差来表征 彗差的性质：彗差与孔径、视场均有关彗差是轴外点以大孔径成像时的像差，不仅随孔径增大而增大，视场越大，彗差也越大 彗差的校正：1、改变光阑位置2、组合透镜，一般能消除球差的组合，也可以使彗差得到改善3、对称结构光学系统 彗差的表示：2D Layout 、Spot Diagrams 、Ray Fans 、评价函数操作数COMA 、Seidel Aberration 像散：轴外物点发出的锥形光束通过光学系统聚焦后，光斑在像面上子午方向与弧矢方向不一致，子午像点与弧矢像点不重合，即一个物点的成像将被聚焦为子午和弧矢两个焦线，是光学系统在两个方向聚焦能力不同而形成的。子午细光束像点和弧矢细光束像点的轴向距离为像散 像散的校正：调节视场光阑的位置；使用对称结构系统；利用非球面透镜校正 场曲：平面物体通过透镜系统后，所有平面物点聚焦后的像面不与理想像面重合，而是呈现为一个弯曲的像面。每个物点通过系统自身能成一个清晰的像点，但所有像点的集合却是一个曲面 场曲随视场变化，不能用单一视场或某一物点成像光斑来描述，此时光斑图、光扇图等都失去作用 场曲校正：优化光阑位置；对称式光学系统 畸变：实际系统，视场较大时，一对共轭物像平面上的放大率不为常数，将使像相对于物失去相似性，使像变形的缺陷称畸变 畸变是视场的函数，畸变的大小随视场的三次方成正比，视场小的光学系统畸变不显著。正畸变:枕形畸变,垂轴放大率随视场角的增大而增大 负畸变:桶形畸变,垂轴放大率随视场角的增加而减少 畸变的度量：绝对畸变：线畸变 相对畸变：相对于理想像高的绝对畸变，通常用百分率表示 不能用几何光线、也不能通过光斑图或波前图来预测畸变量，只能对所有物点进行光线追迹得到像面高度，作为最终评价畸变量的大小 畸变的校正：全对称系统（结构对称，物像对称）不产生畸变 单色像差：球差：轴上点像差，与孔径有关。彗差：轴外点、宽光束，失对称，光线对与主光线不能会聚。场曲（像面弯曲）：无法在平直像平面上获得中心与四周都清晰的像。像散：轴外点、细光束，光线对称，光线对与主光线能够会聚，但子午与弧矢光束会聚点位置不同。畸变：轴外，像、物不相似，但不影响像的清晰度 多种像差共存：物点在主轴上时，其它像差都不出现，只有球差单独出现。光束愈宽，球差愈显著；物点与主轴间距离不大时，除球差仍将出现外，彗差将显著，光束即使不太宽，彗差还可能比球差显著；物点与主轴间距离较大而光束很细窄时，像散将最为显著，因为对于狭窄的光束，球差和彗差都不显著；像面弯曲和畸变，仅在物面特别大时才比较显著，如果光束是细窄的，那么此时像面弯曲和畸变相对说来都将不再重要 色差：对白光成像的光学系统，由于材料对不同色光的折射率不同，使各色光线具有不同的成像位置和倍率。 位置色差（轴向色差）：波长不同，折射率不同，焦距不同。像面上呈现彩色弥散斑。 像差曲线：①各单色光的球差随孔径的变化②位置色差随孔径的变化③球差随色光的变化（色球差）④二级光谱 倍率色差（垂轴色差）：λ变——n 变——β变——y'变 度量：F 光、C 光主光线在D 光的理想像面上的交点高度之差 缺陷：物体的像有彩色的边缘，破坏了轴外点的清晰度，造成像的模糊，在大视场下尤为严重 色差校正：单透镜本身不能消色差，校正色差必须采用正负透镜组合 色光焦点漂移曲线：双胶合透镜在两波长处焦点位置重合，色差得到校正 波象差：根据光的波动性来描述实际波面和理想波面的偏差 瑞利判据：实际波面与理想波面之间的最大波像差不超过λ/4时， 此实际波面可看作是无缺陷的 缺点：只考虑波像差的最大允许公差，没有考虑缺陷部分在整个波面面积中所占比重（局部气泡、划痕等） 中心点亮度（斯特列尔比）：无像差系统：高斯像面上像点中心有最大光强度 存在像差：像点光强度分布发生变化，中心光强降低，光能量向周围扩散 中心点亮度:系统存在像差时成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比，记作斯特列尔比(>=0.8，成像完善) 调制传递函数MTF ：一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映物体不同空间频率成分的传递能力。一般来说，高频部分是反映物体的细节传递情况，中频部分是反映物体的层次传递情况，而低频部分则是反映物体的轮廓传递情况。MTF 曲线所围面积越大，表明光学系统所传递的信息量越多，成像质量越好，图像越清晰。 系统制造完成后实测像质：星点检验：类似点列图考察一个点光源（星点）经系统所成的像及像面前、后不同截面衍射图形的光强变化及分布，定性地评价光学系统的成像质量。一般使用带有微孔的星点板 波面测量：波像差。各种干涉系统结构+图像传感技术+计算机技术 光学传递函数测量：光栅法；针孔法 分辨率测量：分辨率：光学系统能够分辨物体细节的能力。如果一个点光源的爱里斑中心刚好和邻近的另一个点光源的爱里斑边缘相重合，则这两个点光源被认为是刚刚可以被分辨——瑞利判据 分辨本领：望远镜： 显微镜： 照相机物镜： ??? ??+='sin 'sin 1'U I r L ''I I U U -+=φh nu u n =-''i i i i d u h h '1-=+11'+=i u h EFL 11'++=i i u h BFL 2121φφφφφd -+=l l '=β()()211C C n --=φ2βα=γ1=J y u n nuy =='''D λ?22.1=θλsin 61.0?=?n y ()D f y /22.1''λ=?

光学工程

光学工程 光学工程专业 是一门历史悠久而又年轻的学科。它的发展表征着人类文明的进程。它的理论基础——光学，作为物理学的主干学科经历了漫长而曲折的发展道路，铸造了几何光学、波动光学、量子光学及非线性光学，揭示了光的产生和传播的规律和与物质相互作用的关系。 六十年代初第一台激光器的问世，实现了高亮度和高时一空相干度的光源，使光子不仅成为了信息的相干载体而且成为了能量的有效载体，随着激光技术和光电子技术的崛起，光学工程已发展为光学为主的，并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。 主要课程 光学设计，激光原理和技术，导波光学，薄膜光学，光学材料与工艺，辐射度学和色度学，傅里叶光学，光学信息处理，非线性光学，量子光学，光通讯原理，计量、检测和传感技术，光学计量与测试。 就业前景 近些年来，在一些重要的领域，信息载体正在由电磁波段扩展到光波段，从而使现代光学产业的主体集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等的光电信息产业上。

这些产业一般具有数字化、集成化和微结构化等技术特征。在传统的光学系统经不断地智能化和自动化，从而仍然能够发挥重要作用的同时，对集传感、处理和执行功能于一体的微光学系统的研究和开拓光子在信息科学中作用的研究，将成为今后光学工程学科的重要发展方向。 有专业人士把光学工程分为两类，一类从横向看，光学工程可以选择的研究所好公司相对来讲还是比较少的，就业面要窄一些，相比之下就远不如机械、电子等专业好就业。从纵向来看，以上几大类型的专业的就业面，相对来讲都差不多，就业前景以及就业面都比较好。 就业方向 1.光电成像器件及宽束电子光学：主要从事各种光电成像器件的原理与技术、设计、检测及应用技术，宽束电子光学系统及设计等方面的研究工作。 2.虚拟现实与增强现实技术：主要从事虚拟现实与增强现实算法、技术、系统，及其在各领域的应用等方面的研究工作。 3.微光与红外热成像技术：主要从事微光与红外成像探测理论、技术与系统的设计、测试、模拟仿真及总体技术，目标与环境光学特性，图像目标探测、识别与跟踪技术等方面的研究工作。 4.图像工程与视频处理技术：主要从事图像信息与视频信号采集、提取、处理、压缩、融合、传输及其实时实现等技术，以及质量评价等方面的研究工作。

习题集--《工程光学-物理光学》_测控专业

《工程光学-物理光学》 习题集_测控专业 【教程章节】 第十一章光的电磁理论基础 第十二章光的干涉和干涉系统 第十三章光的衍射 第十五章光的偏振和晶体光学 【核心教材】 郁道银，谈恒英，《工程光学》， 2011年出版了国家“十一五”规划教材（第3版）。 【参考教材】 1.蔡怀宇，《工程光学复习指导与习题解答》，机械工业出版社。 2.梁铨廷，《物理光学》，电子工业出版社（第3版）。 配套教材《物理光学·学习指导与题解》， 3.石顺祥等编著，《物理光学与应用光学》，（第2版）。 4.韩军等著，《物理光学学习指导》，西北工业大学出版社。 5.赵建林（西北工业），《高等光学》，国防工业出版社，2002年 第一版， 6.波恩，沃尔夫，《光学原理》(中英文版)，电子工业出版社。 7.Eugene Hecht, Cunlin Zhang,《Optics》, Higher education press. 8.工程光学网站：202. 113. 13. 85。 9.中国期刊网，万方网，维普期刊全文数据库等。 10.中国光学学会网 https://www.sodocs.net/doc/1c9786096.html,/; 11.SPIE:https://www.sodocs.net/doc/1c9786096.html, 【课程题型类别】 传统型作业、模拟题、思考题、阅读题

第十一章光的电磁理论基础 【阅读理解题】【思考与讨论题】【计算题】 【一、阅读理解题】 ==《工程光学复习指导与习题解答》P.99-101 例题7-1, 7-2, 7-3, 7-4, 7-5 【三、计算题】 ==《工程光学》书本，P.337--339 第1，2, 3----23，30题，任选10-15题 【思考与讨论题】 == 写出无源、无传导电流静场的麦克斯韦方程组（积分形式或者微分形式） == 无色散情况下的物质方程和其物理意义， == 波动方程一般形式，及光波沿z轴正向传播的波动方程表示式。== 沿z轴正向传播的平面波简谐波解的表达式，以及主要参量之间的关系。 == 总结驻波的特点。 == 理解相速度和群速度。 ==什么是光和光学？研究内容的分类？ ==理解：“几何光学” 和“物理光学” 各自的理论体系，研究方法，了解之间的区别和之间的关系。（此问题回答贯串各章节学习内容。） ==静电场和稳恒电流磁场与非稳定电磁场，用麦克斯韦方程组的积分表示式不同之处？物理模型有何区别？ ==倏逝波存在的条件，什么是倏逝波？倏逝波的特性？ ==光学拍，条件之一是要频率接近。则，如果频率相差大，会有什么

《工程光学基础》考试大纲

《工程光学基础》考试大纲 主要参考书目 1．工程光学基础教程，郁道银，谈恒英，机械工业出版社，2008 2．工程光学（第4版），郁道银，谈恒英，机械工业出版社，2016 考试内容和考试要求 一、几何光学基本定律与成像概念 考试内容： 1、几何光学基本定律 2、成像基本概念与完善成像 3、近轴光学系统 考试要求： 1、掌握光学基本定律及几何光学基本概念 2、掌握成像概念与完善成像条件 3、掌握近轴光线及成像特点、掌握光轴光线成像计算 二、理想光学系统 考试内容 1、理想光学系统的基点与基面 2、理想光学系统的物像关系 3、理想光绪系统的放大率 4、理想光学系统的组合 考试要求： 1、掌握理想光学系统的基点与基面概念 2、掌握理想光学系统的求物像关系（作图法与计算法） 3、掌握理想光绪系统的放大率概念与相关计算 4、理解理想光学系统的组合方法及计算 三、平面系统 考试内容 1、平面镜成像

2、平行平板 3、反射棱镜 4、折射棱镜与光楔 考试要求： 1、掌握平面镜成像规律 2、掌握平行平板成像规律 3、掌握反射棱镜成像与成像方向判断 4、了解折射棱镜与光楔传光特性 四、光学系统中的光阑和光束限制 考试内容 1、光阑 2、照相系统中的光阑 3、望远镜系统中成像光束的选择 4、显微镜系统中的光束限制与分析 考试要求： 1、掌握光阑的分类及作用 2、掌握照相系统中光束限制分析 3、掌握望远镜系统中成像光束分析方法 4、掌握显微镜系统中的光束限制与分析 五、光度学 考试内容 1、辐射量与光学量及其单位 2、光传播过程中光学量的变化规律 3、成像系统像面的光照度 考试要求： 1、掌握光学量及其单位 2、理解光传播过程中光学量的变化规律 3、理解成像系统像面的光照度的计算 六、典型光学系统 考试内容 1、眼睛及其光学系统

三片式物镜设计+Zemax文件截图-北交大工程光学设计作业

三片式物镜的设计 小组成员： 执笔人：

1.设计任务的具体指标及其要求 35mm相机胶片50mm焦距F/3.5 玻璃最小中心厚度与边缘厚度4mm，最大中心厚18mm 空气间隔最小2mm 可见光波段光阑位于中间透镜各透镜所用材料SK4---F2----SK4 2.入瞳直径的设定 点击Gen打开General窗口，在General系统通用数据对话框中设置孔径。在孔径类型中选择Image Space F/#，并根据设计要求在Aperture Value中输入3.5.

3.视场的设定 由于使用35mm相机胶片，其规格尺寸为36mm*24mm，Zemax中一般使用圆形像面，因此该矩形像面的外接圆半径经计算为21.7mm，0.707像高的视场高度为15.3mm。 点击Fie打开Field Data窗口，设置三个视场分别为0mm、15.3mm、21.7mm。

4.工作波长的设定 选择可见光波段，点击Wav按钮，设置Select-F，d，C（Visible），自动输入三个特征波长。

5.评价函数的选择 执行命令Editors----Mreit Function打开Mreit Function Editor编辑窗口，在Mreit Function Editor编辑窗口中执行命令Tools---Default Merit Function，打开默认评价函数对话窗口，选择RMS---Spot Radius--Centroid评价方法，并将厚度边界条件设置为玻璃最小中心厚度与边缘厚度4mm，最大中心厚18mm，空气间隔最小2mm。

6.系统的透镜参数设定 在Lens Data Editor中输入部分初始结构，设置中间透镜为光阑，设置各透镜所用玻璃材料类型。 因为此时的焦距为49.7684

光学工程基础参考文献与习题

<<光学工程基础>>参考文献和习题 1 光波、光线和成像 参考文献： 1. Walker Bruce H. Optical Engineering Fundamentals. Bellingham, Washington: SPIE,1998 2. 袁旭滄. 应用光学. ：国防工业，1988 3. Ditteon Richard 著，詹涵菁译. 现代几何光学. ：大学，2004 4. Smith W J. Modern Optical Engineering. Boston: The McGreaw-Hill Companies, Inc, 2001 5. 熙谋. 光学?近代物理. ：大学，2002 6. 钟钖华. 现代光学基础. ：大学，2003 7. Ghatak A K, Thyagarajan K. Contemporary Optics. New York: Plenum Publishing Corporation, 1978 8. 旭麟，罗汝梅. 变分法及其应用. ：华中工学院，1983 9. Kidger Michael J. Fundamental Optical Design. Bellingham, Washington: SPIE,2002 10. Jenkins F, White H. Fundamentals of Optics. New York: The McGreaw-Hill Companies, Inc, 1976 11. Hecht E. Optics. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley, 1987 习题: 1. 简述几何光学的几个基本定律。 2. 简述成像的基本概念。 3. 光在真空中的速度是多少？在水中呢？在钻石中呢？ 4. 画出折射角i '随入射角i 变化的函数曲线，条件是1=n ，n '是下列值：(a) 1.333；(b) 1.5163；(c) 1.78831。 5. 某国产玻璃的51389.1=C n 、5163.1=d n 、52195.1=F n 。计算其阿贝)(Abbe 数，这是什么玻璃？它的玻璃牌号是什么？