现代光学系统..82页PPT
第七章典型光学系统ppt课件
通用显微镜物镜从物平面到像平面的距离（共轭距），不论放大 率如何都是相等的，约为180mm；对生物显微镜，我国规定为 195mm。 把物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度称为机械筒长，也是固定 的，有160mm、170mm、190mm 。我国以 160mm作为物 镜目镜定位面的标准距离。
二、显微镜的线视场
当物在 无限远( =0) E
1 L
4 23
D2 f 2
对大视场物镜，其视场边缘的照度要比视场中心小很多。
EM E cos4 w
表明：感光底片上的照度分布极不均匀。同一次暴光中， 可能中心过度，边缘不足。一般通过采用可变光阑（光圈 ）来控制孔径光阑的大小。使用者根据天气选择。 国标规定F数为：1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16， 22，32。 像面照度E′与暴光时间t的乘积为暴光量。若F提高一档，则 暴光时间增加一倍，才能保证暴光量不变。
照明聚 光镜
大孔径聚 光镜
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折反式 聚光镜
三、对投影系统的要求 ①物面照明要尽可能均匀以保证像面照度的均匀性。 ②接收屏上的实像要有足够的亮度。 ③成像质量良好。 ④有的投影系统（光刻）对畸变有极高要求。
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DVD/CD激光头
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被测件 全息球面透镜
准直透镜 反射镜
聚焦光学点
音圈马达 分光镜
常有：电影放映机、幻灯机、测量投影仪、光刻投影系统 、多媒体投影仪、微缩胶片阅读仪等。 二、投影系统中的照明系统 由于像面的照度与放大率的平方成正比，而投影系统的放 大率一般较大，尤其在反射照明时大部分光能损失掉，因28
此，要提高像面的照度，需选用强光源照明，或增加光 源数目，增大聚光镜口径，并且让照明系统提供的光能 量全部进入成像系统。 为实现物面均匀照明，采用柯勒照明方式。测量投影仪 器采用物方远心光路以保证测量精度，故照明系统也应 采用像方远心光路与之相衔接。
《现代光学》课件第1章
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第1章 现代光学的数学物理基础
可将r0、r1和r的表达式作泰勒展开，取旁轴近似为 (1.1-29)
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第1章 现代光学的数学物理基础
由于振幅随r的变化比较缓慢，故振幅因子中的r可作 近似： r≈d，于是得到旁轴近似条件下轴外点光源发出的 球面波在(x,y,z1)面上的复振幅分布的表达式为
(1.1-22)
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第1章 现代光学的数学物理基础
3. 柱面波 均匀无限长同步辐射的线光源发出的光波为柱面波。 柱面波的特征是： 相位间隔为2π的等相面是一组等间距同 轴柱面，光波场中各点的振幅与该点到轴线的距离的平方 根成反比。
22
第1章 现代光学的数学物理基础
图1.1-3 柱面波示意图
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第1章 现代光学的数学物理基础
复振幅为
令 (1.1-24)
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第1章 现代光学的数学物理基础
对于给定的观察面，z1为常量，则U0也是与x、y无关 的常量。显然U0不影响该面上复振幅的相对分布。于是该 观察面上的复振幅可简写为
(1.1-25)
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第1章 现代光学的数学物理基础
2. 球面光波场中任意平面上的复振幅 这里以发散球面波为例讨论。如图1.1-4所示，点光源 Q(x0,y0)在(x0,y0,z0)面内，观察点P(x,y)在(x,y,z1)面内，两平 面间距离为d=z1－z0。Q到P的矢径为r，z0到P的矢径为r0， Q到z1的矢径为r1，这些矢径的长度分别为
由式(1.1-4)与式(1.1-2)，可以给出相应的光学拉格朗 日函数定义：
(1.1-5) 此处，z可假定起着与拉格朗日力学中的时间相同的作用。 与经典力学中的情况类似，我们同样能够引入哈密顿量。 根据经典力学中广义动量p和q的定义:
《现代光学系统》PPT课件
精选ppt
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空间频率的意义：
x
由于光波在k方向上每走一
k
个 行程，位相变化2，
因此，每间隔一个 就出
现一个等 位相面 ， 在 z=z0 平面上一簇垂直于k的平行 dT xx
直线。
y
z0
空间周期：
Tdy y
d x /c ， o d y s /c , o d z s /c os
在 x和 y方向相应的 :u空 d1x 间 cos频 ,vd1 率 y c为 os
若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，就得到被高度放大 的光。
在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分 布规律。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情 况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。
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2、产生激光的先决条件
在热平衡条件下 ，受激吸收能量大于受激发射能量。 要实现受激发射能量大于受激吸收能量，必须使高 能态的原子数目多于低能态的原子数目，即粒子数 反转。首先是原子能级起码要具有三级，即原子能 级系统中要有亚稳态存在，其次运用外界激发方式 实现粒子数反转。
t(x1, y1)expi2(ux1 vy1)dx1dy1
Cf expi(kf)expik(x22fy2)
t(x1, y1)expi2(ux1 vy1)dx1dy1
常数因子， 可以忽略
二次因子，在求 强度分布时被自
动消去。
因此，夫琅 的 和 复 费 E ~振 (x衍 y） ,幅 射 为场 刚透过 的 衍 复振 t(1x ,幅 y1)的傅里叶变换，
最基本的要求是：光学性质均匀、光学透明性良 好且性能稳定、量子效率较高、具有亚稳态能 级等。
现代光学系统
自发辐射（荧光）：处于高能态的原子在没有受到外来光 子作用而自发地返回低能级，并同时发出光辐射的过程。
受激辐射 ：在能量相应于两个能级差的外来光子作用下， 会诱导处于高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出 数量加倍的光子，即光被放大了。这正是产生激光的基 本过成。受激发射的光子与入射光子频率、相位相同， 偏振方向和传播方向也相同。因此由受激发射跃迁所产 生的光子具有很好的相干性和方向性。
x
u
2 sin x
, y ,v
2 sin y
2 夫琅和费衍射和傅里叶变换
二维函数f ( x, y )在满足了普遍的傅里叶 积分存在的条件 后可以表示为: f ( x, y ) F (u, v) exp[i 2 (ux vy)]dudv F (u, v) f ( x, y ) exp[i 2 (ux vy)]dxdy 上式表明二维函数 f ( x, y )为连续空间频率基元函 数 exp[i 2 (ux vy)]的线性组合， (u, v)是基元函数在 x, y方向的空间频率 . F (u, v)叫做f ( x, y )的傅里叶变换或空间频 谱, 记作F (u, v) [ f ( x, y )],它代表基元函数的权重 , 即基元函数的幅值和相 位, F (u, v)由f ( x, y )的傅里叶变换求出。
4、激光光束（高斯光束）的特性
激光作为一种光源，其光束截面内的光强分部是 不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相等的， 其振幅A与光束截面半径r 的函数关系为： 光束波面的振幅A呈高斯函数分布
A A0 e
r2
2
A0 为 光 束 截 面 中 心 的 振 ; 幅
为 一 个 与 光 束 截 面 半 有 径关 的 参 数 ; r为 光 束 截 面 半 径 ; 常 以r 时 的 光 束
现代光学的兴起PPT演示文稿
• 光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质 量。
• 光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐 射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多 数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度 是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波 的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时 不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。 对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量 足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光 子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。
跃发展的根本原因，是激光的固有特征在传输过程中所引发的许多新的效
应和规律。
• 1、大空间范围（和光波波长相比较）
• .干涉：相干光学、统计光学、薄膜光学 • .衍射：傅里叶光学、衍射光学、二元光学 • .偏振：晶体光学、偏振光学 • .其他：矩阵光学、激光束光学、海洋光学、大气光学、生理光学、组织光学 • 2、小空间范围（和光波波长相比较） • 导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、近场光学 • 3、大光能量（高光能密度） • 非线性光学、强光光学、自适应光学 • 4、非均匀介质 • 非均匀介质光学、散射光学、组织光学
子对可湮没转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。
2004-12-8
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• 光子从激光的相干光束中出射光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能 量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,就 有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分 子就从基态变成了激发态。
现代光学系统
第八章现代光学系统跟着激光技术、光纤技术和光电技术的不停发展，各样不同的用途的新式光学系统接踵出现，比如激光光学系统、付里叶光学系统、扫描光学系统等。
为能全面地认识这些光学系统的成像特征和设计要求，本章就上述几种新式光学系统作一简要介绍。
§8－1 激光光学系统一、高斯光束的特征激光作为一种光源，其光束截面内的光强散布式不平均的，激光束波面上各点的振幅是不相等的，其振幅 A 与光束截面半径 r 的函数关系为：r2A A0e 2此中 A 0为光束截面中心的振幅；ω为一个与光束截面半径有关的参数； r 为光束截面半径。
由上式能够看出光束波面的振幅 A 呈高斯型函数散布，如图 8-1 所示，所以激光光束又称为高斯光束。
图 8-1 高斯光束截面当 r =ω时，A A0，说明高斯光束的名义截面半径ω是当振幅A降落到中心振e幅 A0的 1/e 时所对应的光束截面半径。
二、高斯光束的流传高斯光束的截面半径、波面曲率半径和位相因子是高斯光束流传中的三个重要参数。
1、高斯光束的截面半径高斯光束截面半径z 的表达式为：122z1z2从图 8-2 中能够看出，高斯光束在平均的透明介质中流传时，其光束截面半径 z 与 z 不行线性关系，而是一种非线性关系，这与齐心光束在平均介质中的流传完整不同。
图 8-2 高斯光束流传2、高斯光束的波面曲率半径高斯光束的波面曲率半径表达式为：2 2R z z 10 z高斯光束在流传过程中， 光束波面的的曲率半径由无量渐渐变小， 达到最小后又开始变大，直至达到无穷远时变为无量大。
3、高斯光束的位相因子高斯光束的位相因子表达式为：zzarctg2高斯光束的截面半径轨迹为一对双曲线，双曲线的渐近线能够表示高斯光束的远场发散程度，如图 8-3 所示。
图 8-3 高斯光束的发散角高斯光束的孔径角为：tg4、高斯光束流传的复参数表示假定有一个复参数 q z ，并令11 i2zq zR z当 z =0 时，得11 iq 0R 02因为R 0，2 所以 q 0 q 0i2 2z21 122把 R zz 1和 z1代入式z2 q zi2zR z得 q z q 0 z这与齐心球面光束沿 z 轴流传时，其表达式为 R R 0 z 有相同的表达形式。
光学系统设计解析PPT教学课件
体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］（Sr=ds/r2： 球面度）
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6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位： ［W/m2］
辐射出射度Ｍe ：辐射源单位面积所辐射的通量
（也称辐射本领）。单位：［W/m2］
瓦特
W
P
dQ /dt
Ｉ
瓦特／球面度 Wsr-1
Id /d
Ｌ L d2 /d dc A o瓦s特／球面度/ Wm-2
＝ d/Idc Ao s 平方米
sr-1
Ｍ
瓦特／平方米 Wm-2
Md /dA
Ｅ
Ed/dA瓦特／平方米 Wm-2
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6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
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6.2 光辐射源及特征 ——普朗克黑体辐射定律
热辐射能量取决于物体的温度，绝对黑体的单
色辐射出射度Mλ(T)与热力学温度T的关系遵循普朗 克黑体辐射定律：
式中：
M(T)C15
1
C2
eT 1
C1=2πc2h C2=hc/k h——普朗克常数 k——波尔兹曼常数
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6.2 光辐射源及特征 ——色温
实际的发光体不是黑体，如果光源辐射在可见 区和Tc温度时的绝对黑体的辐射完全相同时，此时 黑体的温度Tc就称此光源的色温。
通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱叠加所组成。 但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度 和计算光线的颜色成分的方法。
例如：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为 2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为 5600K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。
工程光学第9章 现代光学系统
∫∫ F ( x, y)W ' ( x, y)dxdy T= ∫∫ F ( x, y) F ' ( x, y)dxdy ∫∫W ( x, y)W ' ( x, y)dxdy
r r r
r
2
(9.29)
F 其中， ( x, y ) 和 W ( x, y) 分别为光纤横截面和入射于其上的聚焦光束的复振幅分布。
一、阶跃型光纤
1. 阶跃光纤的导光原理
n2
I I’
n1
U
U′
图9.6 阶跃型光纤
阶跃光纤的剖面如图9.6所示。为使光线约束在纤芯层中 传播，必须满足全反射条件：其一、要求纤芯折射率n1> 包层折射率n2；其二、入射孔径角U要小于一个临界值， 使得进入光纤的光线到达纤芯和包层的光滑分界面时，入 射角I大于临界角Im。依据折射定律，孔径角U与入射角I的 关系可表示为
高斯光束的复曲率半径q(z)定义为
1 1 λ = i q ( z ) R ( z ) π w2 ( z )
当z=0，由上式可以得到
2 π w0 q0 = q (0) = i λ
(9.8)
（9.9）
将式(9.4)、(9.5)和(9.9)代入式(9.8)可得
q( z ) = q0 + z
（9.10）
同心球面波沿z轴传播时曲率半径满足：R=R0+z，对比上式，高斯光束的
第9章 现代光学系统
本章教学要点
知识要点 高斯光束及其透 镜变换 掌握程度 相关知识 熟悉高斯光束的特性及其表 薄透镜的近轴成像规律； 征；重点掌握高斯光束 透镜对入射光束的准直 和聚焦 经透镜变换所满足的基 本规律 掌握阶跃型光纤和渐变折射 光的折射定律和反射定 率光纤的传光原理； 律；全反射原理 了解光纤耦合和自聚焦透镜 的基本原理 掌握红外光学系统的特点； 大孔径、小视场光学系 了解红外测温仪、红外热像 统的像差特点；平 面镜原理 仪、红外跟踪系统的工 作原理
现代光学基础ppt课件
1
主要内容
8. 1 原子发光的机理 8. 2 光与原子相互作用 8. 3 粒子数反转 8. 4 光振荡 8. 5 激光的单色性 8. 6 激光的相干性 8. 7 激光器的种类 8. 8 非线性光学 8. 9 全息照相 8.10 光盘存储技术 8.11 傅里叶光学的几个基本概念 8.12 阿贝成象原理 8.13 阿贝－波特实验和空间滤波
原子在光源作用下，正负电中心拉开，被极化成电偶极子 P er
单位体积内的原子的极化偶极距矢量和 P称电极化强度
极化场发射次极电磁波
二、线性光学
当入射光中的电场强度E远小于原子的内场强时，则光在物质中
感生的电极化强度 P 0 E E
次级辐射与入场光相互替力的结果，决定物质对入射光场的反射， 折射，散射等
f (t T ) f (t)
展成付氏级数
f (t) a0 am cos 2mv0t am sin 2mv0t
n1
V0
1 T
基频
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由
f
(t)
1 T
exp(i2v0t)
m
T
2 T
f
(t) exp(2mv0t)dt
2
令周期
T
V0
k
(
r k0
0
r 为平面波面上任一点P的位置矢量
E
A ei
(t
k r
)
0
~ ik( xcos y cos z cosr ) E A e0
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一、原理
8.12
阿贝成像原理
31
二、付里叶变换在光学成象中的应用
工程光学 第8章 现代光学系统
由于高斯光束具有一定的光束发散角，而对激光测距
和激光雷达系统来说，光束的发散角越小越好，因此有必
要讨论激光束的准直系统设计要求。
由
导出高斯光束的发散角θ可近似为：
经透镜变换后其光束发散角为
由上式可以看出，不管z和f′取任何值，θ’≠0，说明 高斯光束经单个透镜变换后，不能获得平面波，但当z=f′时，可得
• 普通物镜： y'(t) f ' tan • 对等角速度扫描的光束，若要通过扫描物镜在垂直于光
轴的像平面上等速扫描成像，其扫描物镜所得到的像高 为 ，即与θ角呈线性关系，以满足按一定时间间隔扫 描的信息，按一定的时间间隔记录在像平面上，这就是 通常把扫描物镜称作为fθ物镜的原因。
扫描物镜的成像特性
第二节 扫描光学系统
光束传播方向随时间变化而改变的光学系在激光存储器、激光打印机和高速摄 影系统中都有广泛的应用。
一、扫描方程式：
光束扫描的形式可由多种方法得到，不管其扫描方式 如何，表征其扫描特性的只有三个参数，即扫描系统的 孔径大小D、孔径的形状因子α和最大扫描角θ。根据 瑞利衍射理论，扫描系统的衍射极限分辨角为
第八章：现代光学系统
激光光学系统 扫描光学系统 阶跃型光纤光学系统 梯度折射率光纤光学系统 光电光学系统
第一节 激光光学系统
一、高斯光束的特性： （图8-1）
激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布式不 均匀的，激光束波面上各点的振幅是不相等的，其振 幅A与光束截面半径r的函数关系为：
光束波面的振幅A呈高斯型函数分布,所以激光光束 又称为高斯光束。
孔径大小D和形状因子α决定了扫描系统得极限分辨 角Δθ，即决定了扫描系统的扫描光点大小和成像质 量。
对不同的扫描系统，其扫描孔径是不一样的，表8-1 给出了各种不同扫描孔径的形状因子α的数值。
第14章现代光学系统
第14章现代光学系统随着光学技术的不断发展，新的光源(激光)和接收器件(r}c})的出现，产生了许多新的光学系统，本章介绍几种现代光学系统。
14.1激光}o世纪初爱因斯坦根据量子理论曾预言可能出现一种新的光束。
moo年世界上第一台红宝石激光器问世，我国也丁1961年成功地研制了红宝石激光器和氦氖激光器，所以中国激光研究起步并不算晚。
1。
激光1)激光的特点激光与普通光源不同，它具有亮度高，方向性、单色性和相干性好等特性，这些特性是普通光源发出的光所达不到的。
(均激光的方向性以及高亮度。
任何一个光源总是有一个发光面，并通过发光面向外发光，如口光灯，它的发光面是涂有荧光物质的玻璃管，而接电源的两个端面并不向外发光。
由于光线是直线传播的，因此可用发光面上的每一点向发光方向画出的直线来代表该点发出的光线，并称两光线之间的最大夹角为该光源发出光的发散角2B，如图14-1(a)所示。
图中CAA与OE之间的夹角最大，故日光灯的发散角2B二1800。
而激光器则不同，由于它的发光面仅仅是一个端面h的一个圆光斑(以氦氖激光器为例，其光斑半径仅为十分之儿毫米)，所以激光器通过这一光斑向外发出的光的发散角2B 0. 18 0，如图14一1(b)仅为毫弧度数量级。
图14一1发散角图(a)2B=i80";(})2e=}. }s0t,激光束是在空问传播的圆锥光束，如图14一2所示。
可用立体角表示光束发射的情况。
面积为S的一块球面对Q点所张的立体角为。
，等于这块面积S一与球半径R的平方之比，即S田二R}而当9角很小时，其立体角为。
(B})2}2=zr6}当8=1}-3rad,}r=zrxl0-s。
这就是说，一般的激光器只向着数量级约为1} -}的}i_体角范围内输出激光光束。
由此可见，激光的方向性比普通光源发出的光好得多。
一个发光面积为dS的光源，在时间d…内向着法线方向上的立体角d。
范围内发射的辐射能量为d}，则光源表面在该方向卜的亮度L为d币dSd,}d}(14一1)L为单位面积的光源表面在其法线方向上的单位立体角范围内传输出的辐射功率。
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现代光学系统..
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
4ห้องสมุดไป่ตู้、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯