(整理)郁道银主编工程光学(知识点).
工程光学_郁道银_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:(2)由(1)式和(2)式联立得到n0 sinI1 .5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上,求其会聚点的位置。
郁道银工程光学第一章

一个球面有无数光轴
一个透镜有一个光轴
共轴球面系统
物(像)空间 —— 物(像)所在的空间,可从 - ∞到 + ∞
实物(像)空间—— 实物(像)可能存在的空间
虚物(像)空间 —— 虚物(像)可能存在的空间
实物(像)点—— 实际光线的交点(屏上可接收到)
虚物(像)点 —— 光线的延长线的交点(屏上接收不到 , 人眼可感受到)
光 学 系 统 光 学 系 统
(a) 实物成实像
(b) 实物成虚像
光 学 系 统 (c) 虚物成实像
光 学 系 统 (d) 虚物成虚像
发散 发散 会聚
发散
实 物
实 像
实 物
虚 像
会聚
会聚
物像
光束
发散 实 虚
会聚 虚 实
虚 物
实 像
物 像
物像
光束
发散 实
会聚 虚
物
像
虚
实
A
实物成实像
A2
A1
A3
实物成实像
光密介质
光疏介质,即 n n'
sin I ' 不可能大于1,临界情况 I ' 90 ,发生全反射
光从介质射入真空时
真空 介质 真空 介质 真空 介质
大于
全反射临界角
当光恰好发生全反射现象时的入射角叫介质的临界角。
光密介质
光疏介质,即 n n'
临界情况: 折射角I ' 90
微粒说
17世纪
波动说
牛顿 19世纪
惠更斯
泊松
托马斯·杨
菲涅尔
泊松斑 关于光在水中的速度
微粒说:大于光在真空中的速度
工程光学 知识点

郁道银主编工程光学第一章小结(几何光学基本定律与成像概念)1 )光的直线传播定律:2 )光的独立传播定律:3 )反射定律和折射定律(全反射及其应用):反射定律:即I’’=-I 。
折射定律: n’sinI’=nsinI 。
全反射:当满足 1 、光线从光密介质向光疏介质入射, 2 、入射角大于临界角时,入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中,而没有折射光产生。
sinI m=n’/n ,其中 I m 为临界角。
应用: 1 、用全反射棱镜代替平面反射镜以减少光能损失。
2 、光纤4 )光路的可逆性5 )费马原理光从一点传播到另一点,其间无论经历多少次折射和反射,其光程为极值。
6 )马吕斯定律光线束在各向同性的均匀介质中传播时,始终保持着与波面的正交性,并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
3 、完善成像条件( 3 种表述 )1 )、入射波面为球面波时,出射波面也为球面波;2 )、入射光束为同心光束时,出射光束也为同心光束;3 )、物点 A 1 及其像点A k ’ 之间任意二条光路的光程相等。
6 、单个折射面的成像公式(定义、公式、意义)垂轴放大率成像特性:β>0, 成正像,虚实相反;β<0, 成倒像,虚实相同|β|>1, 放大; |β|<1 ,缩小。
第二章小结1 、什么是理想光学系统?任意大的空间中一任意宽的光束都成完善像的理想模型。
2 、共轴理想光学系统的成像性质是什么?(3 大点)1 )位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位于光轴上;位于过光轴的某一个截面内的物点对应的共轭像点必位于该平面的共轭像面内;同时,过光轴的任意截面成像性质都是相同的4 、无限远的轴上(外)像点的对应物点是什么?物方焦点。
5 、物(像)方焦距的计算公式为何?f’=h/tanU’, h 为平行光线的高度,U’ 为像方孔径角。
6 、物方主平面与像方主平面的关系为何?互为共轭。
光学系统的基点及性质?有何用途?一对主点和主平面,一对焦点和焦平面,称为光学系统的基点和基面。
工程光学郁道银版本,单章整理好的

第三章1.人照镜子时,要想看到自己的全身,问镜子要多长?人离镜子的距离有没有关系?解:镜子的高度为1/2人身高,和前后距离无关。
2、有一双面镜系统,光线平行于其中一个平面镜入射,经两次反射后,出射光线与另一平面镜平行,问两平面镜的夹角为多少?解:OAM M //323211M M N M ⊥∴1''1I I -= 又2''2I I -=∴α同理:1''1I I -=α321M M M ∆中︒=-+-+180)()(1''12''2I I I I α ︒=∴60α答:α角等于60︒。
3、如图3-4所示,设平行光管物镜L 的焦距'f =1000mm ,顶杆离光轴的距离 a =10mm 。
如果推动顶杆使平面镜倾斜,物镜焦点F 的自准直象相对于F 产生了y =2mm 的位移,问平面镜的倾角为多少?顶杆的移动量为多少?解:θ'2f y = rad 001.0100022=⨯=θ Oθx=mm a x 01.0001.010=⨯=⨯=∴θ图3-44、一光学系统由一透镜和平面镜组成,如图3-29所示。
平面镜MM 与透镜光轴垂直交于D 点,透镜前方离平面镜600mm 有一物体AB ,经透镜和平面镜后,所成虚像''A ''B 至平面镜的距离为150mm,且像高为物高的一半,试分析透镜焦距的正负,确定透镜的位置和焦距,并画出光路图。
图3-29 习题4图解: 由于平面镜性质可得''B A 及其位置在平面镜前150mm 处''''B A 为虚像,''B A 为实像则211-=β21'1-==L L β450150600'=-=-L L解得 300-=L 150'=L又 '1L -L 1='1f mmf150'=∴答:透镜焦距为100mm 。
工程光学郁道银版本,单章整理好的

⼯程光学郁道银版本,单章整理好的第四章1、设照相物镜的焦距等于75mm,底⽚尺⼨为5555,求该照相物镜的最⼤视场⾓等于多少?解:第六章7、.设计⼀双胶合消⾊差望远物镜,,采⽤冕牌玻璃K9(,)和⽕⽯玻璃F2(,),若正透镜半径,求:正负透镜的焦距及三个球⾯的曲率半径。
解:2.设照相物镜的焦距等于75mm,底⽚尺⼨为5555,求该照相物镜的最⼤视场⾓等于多少?解:第五章习题⼀个100W的钨丝灯,发出总光通量为,求发光效率为多少?解:2、有⼀聚光镜,(数值孔径),求进⼊系统的能量占全部能量的百分⽐。
解:⽽⼀点周围全部空间的⽴体⾓为3、⼀个的钨丝灯,已知:,该灯与⼀聚光镜联⽤,灯丝中⼼对聚光镜所张的孔径⾓,若设灯丝是各向均匀发光,求1)灯泡总的光通量及进⼊聚光镜的能量;2)求平均发光强度解:4、⼀个的钨丝灯发出的总的光通量为,设各向发光强度相等,求以灯为中⼼,半径分别为:时的球⾯的光照度是多少?解:5、⼀房间,长、宽、⾼分别为:,⼀个发光强度为的灯挂在天花板中⼼,离地⾯,1)求灯正下⽅地板上的光照度;2)在房间⾓落处地板上的光照度。
解:第六章习题1.如果⼀个光学系统的初级⼦午彗差等于焦宽(),则应等于多少?解:2.如果⼀个光学系统的初级球差等于焦深(),则应为多少?解:3.设计⼀双胶合消⾊差望远物镜,,采⽤冕牌玻璃K9(,)和⽕⽯玻璃F2(,),若正透镜半径,求:正负透镜的焦距及三个球⾯的曲率半径。
解:4.指出图6-17中解:第七章1、.⼀个⼈近视程度是D 2-(屈光度),调节范围是D 8,求:(1)远点距离;(2)其近点距离;(3)配戴100度近视镜,求该镜的焦距;(4)戴上该近视镜后,求看清的远点距离;(5)戴上该近视镜后,求看清的近点距离。
解:① 21-==rl R )/1(m∴ m l r5.0-=②P R A -= D A 8= D R 2-=∴D A R P 1082-=--=-=m P l p1.01011-=-==③fD '=1∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-=' m l R1-='⑤P R A '-'= D A 8= D R 1-='D A R P 9-=-'=' m l P11.091-=-='2、⼀放⼤镜焦距,通光孔径,眼睛距放⼤镜为50mm ,像距离眼睛在明视距离250mm ,渐晕系数K=50%,试求:(1)视觉放⼤率;(2)线视场;(3)物体的位置。
应用光学 郁道银版的课件 工程光学 (第三节)

n2' =1
H
F
F1
O1
F'1 F2
O2 F'2
F'
H'
- f1
f 2'
-lF f
-Hl
f '1 D - f2 d
l'F
-f'
lH'
由上图可知 d f1 ' f2
将透镜折射面的焦距公式代入并整理,得:
n(r2 r1) (n 1)d n 1
n1 =1
H1 H'1 n1' =n2 =n H2 H'2
H'
f
-f'
f ' 0 双凸透镜成一发散光组。
(2)平凸透镜
这种透镜的 r1 > 0,r2 =∞。
F
F'
由透镜的焦距公式右边的分子、分母同除 r2 。有:
f'
nr1
( n 1) n(1
r1 r2
)( n 1) d r2
当 r2 =∞时,上式可以写成:
f ' r1 0 ( n 1)
将此式代入主点位置公式得:
n
1)d
f
若用光焦度形式来表示,可写成:
1 f'
(n
1)( 1
2 )
(n
1)2 n
d1 2
其中:
1
1 r1
2
1 r2
2. 透镜主点(面)和焦点(面)的位 置
将前面得到的焦距和光学间隔公式代入主点位置 公式并整理,得到透镜主点位置公式:
l'H
f ' n 1d nr1
f'
d f '1
工程光学_郁道银_光学习题解答1

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:(2)由(1)式和(2)式联立得到n0 sinI1 .5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上,求其会聚点的位置。
工程光学郁道银第七章解读

tg y L y 250
y f l y P' l f P' l
放大镜
f l 250 P' l f
并非常数
y’ ’ y
P’
F’ -l’ f’
放大镜
结 论
f l 250 P' l f
瞳孔 角膜 虹膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
*网膜是眼球的第三层膜,上面布满着感光元素,即锥状细胞和杆状
细胞,锥状细胞直径约5微米,长约35微米;杆状细胞直径约2微米 ,长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处 是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞,由中心向外,逐渐相对变化;
8
人眼的构造剖视图
3
已学过:折射定律——单个折射球面——理 想光组——平面系统——光束限制——像差 目的:组成仪器,得到实际应用的光学系统
根据光学基本理论,将光学元件合理组合, 得到光学仪器。 由使用要求决定成像要求,根据成像要求设 计光学系统。 设计过程就是合理的组合过程。
4
§7.1 眼睛及其光学系统
一、眼睛的结构
从光学角度看,眼睛中最主要的是:水晶体、视 网膜和瞳孔。
眼睛和照相机很相似,如果对应起来看:
人眼 ↕ 照相机 水晶体 ↕ ↕ 镜头 视网膜 ↕ 底片 瞳孔
光阑
13
2、眼睛的成像:
人眼是一个类似的摄影系统,角膜相当于一个凸凹镜,前室亦 如此,水晶体相当于一个双凸镜。物点在视网膜上形成一个倒立的 实像,但这一倒像的感觉经神经系统的作用,给人以正像的视觉。 眼睛的物方和像方焦距不相等: f = -17.1mm f ’ =22.8mm 眼睛的调焦范围: -f =14.2~17.1mm f ’ =18.9~22.8mm 瞳孔起着孔径光阑的作用,自动调节进入人眼的光能,它有一 定范围,( 2~8mm)若外界光很强,即使=2mm时仍然使人无法适 应,就很容易使视网膜造成伤害。
工程光学第三章郁道银版作者窦柳明长沙理工大学

公式:β=2α
第一节 平面镜成像
2、应用: 转折光路
出射光线和入射光线的夹角与入射角无关,只取决于双面 镜的夹角α 。如果双面镜的夹角不变,当入射光线方向一定时, 双面镜绕其棱边旋转时,出射光线的方向始终不变。
其用于折转光路优点在于,只需加工时调整好双面镜的夹 角,而对双面镜的安置精度要求不高,不像单个反射镜折转光路 时那样调整困难。
应用:测量微小角度或位移
第一节 平面镜成像
应用:测量微小角度或位移
自标尺零位点(设与物方 焦点F重合)发出的光束
经物镜L后平行于光轴
第一节 平面镜成像
应用:测量微小角度或位移
经准直物镜 折射后重新 会聚于F点
平面镜M垂直于光轴时, 平行光经平面镜M反射
后原光路返回
第一节 平面镜成像
应用:测量微小角度或位移
O
B
-I’ PB
B’
I
Q
2、成像性质: A
l’=-l,β=1
-l
P
l’
A’
这说明正立的像与物等距离的分布在镜面的两侧,大小相等,
虚实相反。因此物理解释:
(1)奇数次反射成镜像,偶数次反射成与物一致的像(一致像)。 (2)当物体旋转时,其像反方向旋转相同的度数。
作用:折转光路、转像、扫描等。
一、名词解释
棱镜的光轴:光学系统的光轴在棱镜中 的部分为棱镜光轴。棱镜光轴为折线。
棱:工作面间的交线。 主截面:垂直于棱线的平面。
在光路中,所取主截面包含了光学系统的光轴在内,所以又称 光轴截面。
l2 ' l1 d l'
在进行光学系统外形尺寸 计算时,将平行玻璃平板用等 效空气平板取代后,光线无折 射地通过等效空气平板,只需 考虑平行玻璃平板的出射面或 入射面的位置,而不必考虑其 存在。
工程光学课后答案(郁道银版)

《工程光学》郁道银版第一章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:(2)由(1)式和(2)式联立得到n0 sinI1 .5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上,求其会聚点的位置。
工程光学基础(机械工业出版社,郁道银主编)课件-第一章【免费】

n ab :介质 b 对介质 a 的相对折射率,如果 a
也可表述为:Biblioteka c nb vbv b :介质 b 中光速
C:真空中光速,
两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示
va nab vb
对上式变换:
va C na nb nab vb C nb na
A
S 根据折射定律,又有:
na sin i0 n sin i'0 n n' )
2 2
1 可以得到: i0 arcsin( na
当入射角 当
i i0
时,可以全反射传送,
i i0
时,光线将会透过内壁进入包层
定义
na sin i0
为光纤的数值孔径
是光纤能够传送的光能越多。
i0 越大,可以进入光纤的光能就越多,也就
问题变得简单 而且实用!
几何光学:以光线为基础,用几何的 方法来研究光在介质中的传播规律及 光学系统的成像特性。
• 点:光源、焦点、物点、像点 • 线:光线、法线、光轴 • 面:物面、像面、反射面、折射面
由于光具有波动性,因此这种只考虑粒子 性的研究方法只是一种对真实情况的近似 处理方法。必要时要辅以波动光学理论。
※物体通过光学系统(光组)成像,光组由一系列 光学零件组成。 ※光学系统 的作用是对物体发出的光线进行反射、 折射、改变方向后射出,从而满足一定的使用要求。 ※光学系统一般是轴对称的,有一条公共轴线,称为 光轴,具有公共光轴的光学系统称为共轴光学系统。
光轴
在光学仪器中最常用的 光学零件是透镜,目前 绝大多数是球面透镜 (系统)。
工程光学郁道银

工程光学郁道银PPT大纲
汇报人:
目录
CONTENTS
01 添加目录标题
02 工程光学概述
03 工程光学基础知识
04 工程光学应用领域
05 工程光学实验与实 践
06 工程光学前沿技术 与发展趋势
添加章节标题
工程光学概述
定义与背景
添加项标题
工程光学是一门研究光与物质相互作用以及光信息传输、处理和存 储的学科。
光学系统与成像
光学系统的基本组成 成像原理及分类 光学仪器的成像特性 光学系统的应用领域
光的度量与计算
光的波长、频率和能量之间的关系 光通量、发光强度和光照度的定义及计算方法 光的反射、折射和吸收的基本规律 光学系统中的光束限制和光能计算
工程光学应用领域
物理光学应用
干涉和衍射:在物理实验、计量和测量中广泛应用 光学仪器:显微镜、望远镜、照相机等光学仪器中应用 光学信息处理:全息摄影、光学图像处理等领域应用 光学通信:光纤通信、空间光通信等领域应用
互补性:物理光 学和几何光学相 互补充共同构成 了光学学科体系。
工程光学在各领域的应用实例
医学领域:光学仪器用于诊断和治疗如激光手术刀、光学显微镜等。 军事领域:光学仪器用于瞄准和侦察如望远镜、瞄准镜等。 通信领域:光纤通信利用光的传输性质实现高速、大容量的通信是现代通信的重要支柱之一。 能源领域:太阳能光伏利用光生伏打效应将光能转化为电能是可再生能源的重要应用之一。
工程光学发展趋势分析
微纳光学技术:利用微纳加工技术在芯片上实现光学器件具有小型化、集成化的优势 是未来光学技术的重要发展方向。
光子晶体技术:利用光子晶体具有控制光子传播的特性可应用于光子集成电路、光 子计算机等领域是未来光通信和光计算的重要技术。
1工程光学教学PPT 作者 郁道银 第一章

透镜据形状不同可分为两大类:会聚透镜或 正透镜(焦距>0),特点是边薄心厚,各种 形状的正透镜见图(a)所示;发散透镜或负 透镜,特点是心薄边厚,如图(b)所示。
正透镜的成 像:如图所 示 物点和像点: 像散光束:
二、完善成像的概念
发光物体可以被分解为无穷多个发光物点,每个物点发 出一个球面波,与之对应的是以物点为中心的同心光束。经 过光学系统之后,该球面仍然是一球面波,对应的光束仍是 同心光束,那么,该同心光束的中心就是物点经过光学系统 后所成的完善像点。 发光物上每个点经过光学系统后所成的完善像点的集合 就是该物体经过光学系统后的完善像。
反射镜等光程面是以 A 为
焦点的抛物面。无穷远物 点相应于平行光,全交于(或Fra bibliotek善成像于)抛物面
焦点。
四、物、像的虚实
实际光线相交所形成的点为实物点或实像点 光线的延长线相交所形成的点为虚物点或虚像点
a)实物成实像 c)虚物成实像 b)实物成虚像 d)虚物成虚像
几点小结:
(1)实物、虚物、实像、虚像视情况而定,但作为 第一个(原始、出发的)物一定是“实体”。 (2)实像能用屏幕或胶片记录,而虚像只能为人眼 所观察,不能被记录。
球心 C,入射光 AE,法线EC,折射光 EA' I 、I'为入射角和折射角,AC为光轴,O为球面顶 点
一、基本概念与符号规则
要讨论成像规律,即像的虚实,成像的位置、正倒和大 小问题,必须计算出光线的走向,所以我们先讨论计算公式。 光线经过单个折射球面的情况如图所示。 包含光轴和物点的平面称为含轴面(纸面)或子午面。 计算的目的:光从何处来,经何处到哪里去(由此得出由 物点发出的光线经过系统后能否交到一点完善成像)? 首要问题:用什么量(怎样)来决定光线在空间中的位置? 我们用两个量来表示一条光线: (1)A到O的距离OA,记作L,称为截距。
工程光学基础(机械工业出版社郁道银主编)课本-第一节资料精

第一章几何光学基本原理与成像概念在工农业,科学技术以及人类生活的各个领域,使用着种类繁多的的光学仪器,如望远镜,显微镜,投影仪等。
光学系统:千差万别但是其基本功能是共同的:传输光能或对所研究的目标成像。
研究光的传播和光学成像的规律对于设计光学仪器具有本质的意义!§1 光波和光线第一节几何光学的基本定律•从本质上讲,光是电磁波,按照波动理论进行传播。
•但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系统是的传播规律或成像问题时将会造成计算和处理上的很大困难,在实际解决问题时也不方便。
好累!太不方便了!•按照近代物理学的观点,光具有波粒二象性,那么如果只考虑光的粒子性,把光源发出的光抽象成一条条射线,然后来研究光学系统成像。
问题变得简单而且实用!几何光学:以光线为基础,用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。
•点:光源、焦点、物点、像点•线:光线、法线、光轴•面:物面、像面、反射面、折射面由于光具有波动性,因此这种只考虑粒子性的研究方法只是一种对真实情况的近似处理方法。
必要时要辅以波动光学理论。
几何上的点:既无大小,又无体积。
当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时,也可认为是一个点。
天体遥远的距离观察者一. 发光点任何被成像的物体,也是由无数个发光点组成。
1.本身发光。
2. 反射光。
因此研究物体成像时,可以用某些特征点的成像规律来推断整个物体的成像。
二、光线•发光点向四周辐射光能量,在几何光学中将发光点发出的光抽象为带有能量的射线,它代表光的传播方向。
三、光束一个位于均匀介质中的发光点,它所发出的光向四周传播,形成以发光点为球心的球面波。
某一时刻相位相同的点构成的面称为波面波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方向,波面上的法线束称为光束•同心光束:发自一点或会聚于一点,为球面波•平行光束:光线彼此平行,是平面波•像散光束:光线既不平行,又不相交,波面为曲面。
在几何光学中研究成像时,主要要搞清光线在光学元件中的传播途径,这个途径称为光路。
工程光学-郁道银-第一章几何光学基本概念与成像规律课后习题答案

第一章习题1 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:(2)由(1)式和(2)式联立得到n0 sinI1 .5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上,求其会聚点的位置。
工程光学_郁道银_光学习题解答[1]
![工程光学_郁道银_光学习题解答[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/8b13dfc0bd64783e08122b9e.png)
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:(2)由(1)式和(2)式联立得到n0 sinI1 .5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上,求其会聚点的位置。
第6章工程光学郁道银

二、像差计算的谱线选择
1、原则
单色像差:选择接收器最灵敏的谱线。 复色像差:选择接收器能接收的波段范围的两边缘附近的谱 线校正。 同时接收器的光谱特性也直接受光源和光学系统的材料限 制,三者合理匹配。
2、 目视光学仪器
人眼为接收器,波长范围是380~760nm,灵敏波长是 λ=555nm 。 所 以 , 一 般 选 择 D光 ( λ=5 89 .3 nm ) 和 e 光 (λ=546.1nm)校正光学单色像差。用F光(λ=486.1nm) 和C光(λ=656.3nm)校正色差。(阿贝数定义参见教材)
32
轴上点球差
正透镜: l’ > L’ >0 L’<0 即:孔径角最大的光束聚焦最近 负透镜: l’ < L’ <0 L’>0 即:孔径角最大的光束聚焦最远
负球差 正球差
L L l
' '
'
Lm
-L= -l l’
-
Lm
折射球面,有三个特殊的物点位置(齐明 点)无论球面的曲率半径如何,均不产生球差。 即:物体在这三个点时,所有不同孔径角的光束会会 聚到同一点(完善像)。
6. 紫外光学系统
对i’光(λ=365.0nm)消单色像差,对 λ=257.0nm光和h 光(λ=404.7nm) 消色差。
7. 特殊光学系统
针对特定波长消单色像差,无需消色差。
第二节 光线的光路计算
已知条件:
光学系统的结构参数(r,d,n) 物体的位置和大小 入瞳的位置和大小
要解决的问题:
理想像的位置和大小 像差
(1)当物点位于球心时, L’=L=r,像点也 位于球心,此时=n/n’;
(2)当物点位于球面顶点时, L’=L=0,像
郁道银 工程光学-应用光学答案整理

第一章1、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 。
2、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的纸片,要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片,问纸片的最小直径应为多少?2211sin sin I n I n = 66666.01sin 22==n I745356.066666.01cos 22=-=I88.178745356.066666.0*200*2002===tgI xmm x L 77.35812=+=3、.光纤芯的折射率为1n ,包层的折射率为2n ,光纤所在介质的折射率为0n ,求光纤的数值孔径(即10sin I n ,其中1I 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: n 0sinI 1=n 2sinI 2 (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:(2)由(1)式和(2)式联立得到n 0 .4、一束平行细光束入射到一半径r=30mm 、折射率n=1.5的玻璃球上,求其会聚点的位置。
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的会聚点又在何处?反射光束经前表面折射后,会聚点又在何处?说明各会聚点的虚实。
解:该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决,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的状态,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的右侧,只是延长线的交点,因此是虚像。
(整理)郁道银主编工程光学(知识点)

第一章小结(几何光学基本定律与成像概念)1 、光线、波面、光束概念。
光线:在几何光学中,我们通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线。
波面:发光点发出的光波向四周传播时,某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面,简称波面。
光束:与波面对应所有光线的集合称为光束。
2 、几何光学的基本定律(内容、表达式、现象解释)1 )光的直线传播定律:在各向同性的均匀介质中,光是沿着直线传播的。
2 )光的独立传播定律:不同光源发出的光在空间某点相遇时,彼此互不影响,各光束独立传播。
3 )反射定律和折射定律(全反射及其应用):反射定律:1、位于由入射光线和法线所决定的平面内;2、反射光线和入射光线位于法线的两侧,且反射角和入射角绝对值相等,符号相反,即I’’=-I。
全反射:当满足1、光线从光密介质向光疏介质入射,2、入射角大于临界角时,入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中,而没有折射光产生。
sinI m=n’/n,其中I m为临界角。
应用:1、用全反射棱镜代替平面反射镜以减少光能损失。
(镀膜平面反射镜只能反射90%左右的入射光能)2、光纤折射定律:1、折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内;2、折射角的正弦和入射角的正弦之比与入射角大小无关,仅由两种介质的性质决定。
n’sinI’=nsinI。
应用:光纤4 )光路的可逆性光从A点以AB方向沿一路径S传递,最后在D点以CD方向出射,若光从D点以CD 方向入射,必原路径S传递,在A点以AB方向出射,即光线传播是可逆的。
5 )费马原理光从一点传播到另一点,其间无论经历多少次折射和反射,其光程为极值。
(光是沿着光程为极值(极大、极小或常量)的路径传播的),也叫“光程极端定律”。
6 )马吕斯定律光线束在各向同性的均匀介质中传播时,始终保持着与波面的正交性,并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
折/反射定律、费马原理和马吕斯定律三者中的任意一个均可以视为几何光学的一个基本定律,而把另外两个作为该基本定律的推论。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
精品文档
精品文档
垂轴放大率成像特性: β>0,成正像,虚实相反;β<0,成倒像,虚实相同 |β|>1,放大;|β|<1,缩小。 轴向放大率结论: 折射球面的轴向放大率恒为正,轴向放大率与垂轴放大率不等。 角放大率:表示折射球面将光束变宽变细的能力;只与共轭点的位置有关,与 光线的孔径角无关。 7 、球面反射镜成像公式
精品文档
第一章小结(几何光学基本定律与成像概念) 1 、光线、波面、光束概念。 光线:在几何光学中,我们通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带
有方向的几何线。 波面:发光点发出的光波向四周传播时,某一时刻其振动位相相同的点所构成的
等相位面称为波阵面,简称波面。 光束:与波面对应所有光线的集合称为光束。 2 、几何光学的基本定律(内容、表达式、现象解释) 1 )光的直线传播定律:在各向同性的均匀介质中,光是沿着直线传播的。 2 )光的独立传播定律:不同光源发出的光在空间某点相遇时,彼此互不影
10、理想光学系统两焦距之间的关系?
11、理想光学系统的放大率?(定义、公式、用途、与单个折射面公式的区别 和联系)
精品文档
精品文档
12、理想光学系统的组合公式为何?正切计算法?
13、几种典型的光组组合及其特点(组成、特点和应用)?
精品文档
精品文档
第 三 章 小 结( 平面与平面系统) 1、平面光学元件的种类?作用?(4 种) 平面反射镜,唯一能成完善像的最简单的光学元件,可用于做光杠杆 平行平板,平行平板是个无光焦度的光学元件,不使物体放大或缩小, 反射棱镜,实现折转光路、转像和扫描等功能。 折射棱镜,改变光线的出射角,可用于放大偏转量。 2、平面镜的成像特点和性质?平面镜的旋转特性? 每一点都能成完善像,并且像与物虚实相反。
精品文档
精品文档
1)沿轴线段(L、L’、r):规定光线的传播方向自左至右为正方向,以折射面 顶点 O 为原点。
2)垂轴线段(h):以光轴为基准,在光轴以上为正,以下为负。 3)光线与光轴的夹角(U、U’):光轴以锐角方向转向光线,顺时针为正,逆时 针为负。 4)光线与法线的夹角(I、I’):光线以锐角方向转向法线,顺时针为正,逆时针 为负。 5)光轴与法线的夹角(φ ):光轴以锐角方向转向法线,顺时针为正,逆时针为 负。 6)相邻两折射面间隔(d):由前一面的顶点到后一面的顶点,顺光线方向为 正,逆为负。 5 、单个折射球面的光线光路计算公式(近轴、远轴)
2、共轴理想光学系统的成像性质是什么?(3大点) 1)位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位于光轴上;位于过光轴的某一个 截面内的物点对应的共轭像点必位于该平面的共轭像面内;同时,过光轴的任意截 面成像性质都是相同的 2)垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像的几何形状完全与物相似。 3)如果已知两共轭面的位置和放大率,或者一对共轭面的位置和放大率,以及 轴上两对共轭点的位置,则其他一切物点的像点都可以根据这些已知的共轭面和共 轭点来表示。 3、无限远的轴上(外)物点的共轭像点是什么?它发出的光线有何性质? 像方焦点;它发出的光线都与光轴平行。 4、无限远的轴上(外)像点的对应物点是什么? 物方焦点。 5、物(像)方焦距的计算公式为何? f’=h/tanU’,h为平行光线的高度,U’为像方孔径角。 6、物方主平面与像方主平面的关系为何? 互为共轭。 光学系统的基点及性质?有何用途? 一对主点和主平面,一对焦点和焦平面,称为光学系统的基点和基面。 一束平行光线经过系统后交于像方焦平面上一点,物方焦平面上一点光源发射
8 、共轴球面系统公式(过渡公式、成像放大率公式) 第二章小结 (理想光学系统) 1、什么是理想光学系统? 为了系统的讨论物像关系,挖掘出光学系统的基本参量,将物、像与系统件的
精品文档
精品文档
内在关系揭示出来,可暂时抛开光学系统的具体结构(r,d,n),将一般仅在光学系 统的近轴区存在的完善成像,拓展成在任意大的空间中一任意宽的光束都成完善像 的理想模型。简单的说就是物像空间满足“点对应点,直线对应直线,平面对应平 面”的光学系统。
精品文档
精品文档
出的光线经过系统后是一组平行光线。 可用直接表示光学系统,便于推断和计算光路。 7、图解法求像的方法? (可选择的典型光线和可利用的性质 5条+1条) 8、解析法求像方法为何?(牛顿公式、高斯公式) 1)牛顿公式:
2)高斯公式:
9、由多个光组组成的理想光学系统的成像公式?(过渡公式)
精品文档
精品文档
应用:1、用全反射棱镜代替平面反射镜以减少光能损失。(镀膜平面反射镜只 能反射90%左右的入射光能)2、光纤
折射定律:1、折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内;2、折射角的 正弦和入射角的正弦之比与入射角大小无关,仅由两种介质的性质决定。 n’sinI’=nsinI 。
应用:光纤 4 )光路的可逆性 光从A点以AB方向沿一路径S传递,最后在D点以CD方向出射,若光从D点以CD 方向入射,必原路径S传递,在A点以AB方向出射,即光线传播是可逆的。 5 )费马原理 光从一点传播到另一点,其间无论经历多少次折射和反射,其光程为极值。 (光是沿着光程为极值(极大、极小或常量)的路径传播的),也叫“光程极端定 律”。 6 )马吕斯定律 光线束在各向同性的均匀介质中传播时,始终保持着与波面的正交性,并且入 射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。 折/反射定律、费马原理和马吕斯定律三者中的任意一个均可以视为几何光学的 一个基本定律,而把另外两个作为该基本定律的推论。 3 、完善成像条件(3种表述) 1)、入射波面为球面波时,出射波面也为球面波; 2)、入射光束为同心光束时,出射光束也为同心光束; 3)、物点A1 及其像点Ak ’之间任意二条光路的光程相等。 4 、应用光学中的符号规则(6 条)
响,各光束独立传播。 3 )反射定律和折射定律(全反射及其应用): 反射定律:1、位于由入射光线和法线所决定的平面内;2、反射光线和入射光
线位于法线的两侧,且反射角和入射角绝对值相等,符号相反,即I’’=-I。 全反射:当满足1、光线从光密介质向光疏介质入射,2、入射角大于临界角
时,入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中,而没有折射光产生。 sinIm=n’/n,其中mI 为临界角。