4工程光学教学PPT 作者 郁道银 第四章
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应用光学 郁道银版的课件 工程光学 第四章)
对于无限远的物体，光学系统的所有光 孔被其前面的光学零件在物空间所成的像 中，直径最小的一个光孔像就是系统的入 瞳。
视场光阑、入射窗、出射窗
光学系统的成像范围是有限的。
照相机中底片框限制了被成像范围 的大小
工具显微镜中分划板的直径决定成 像物体的大小
第三节望远镜系统中成像光束的选择
典型的双目望远镜系统是由一个物镜、一 对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的， 如图4-7所示。有关光学数据如下：
或加大，从而达到调节光能量以适应外界
不同的照明条件。显然可变光阑不能放在
镜头L上，否A1则A2
的大小就不可变了。
底片框B1B2 的大小确定的。超出底片框的
范围，光线被遮拦，底片就不能感光。
在光学系统中，不论是限制成像光束口径、 或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为 “光阑”。
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑 称为“孔径光阑” ，例如照像系统中的可 变光阑 A 就是孔径光阑。
渐晕光阑
光阑以减少轴外像差为目的，使物空 间轴外点发出的、原本能通过上述两 种光孔的成像光束只能部分通过，这 种光阑称为渐晕光阑。
入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是 出射光瞳
入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。 如果光阑在整个光学系统的像空间，那
么它本身也就是出射光瞳；
反之，若在物空间，它就是入射光瞳
光学系统中的光束限制
§1 照像系统和光阑 §2 望远镜系统中成像光束的选择 §3 显微镜系统中的光束限制与分析 §4 光学系统的景深 补充: 光学系统的分辨率
实际光学系统与理想光学系统不同， 其参与成像的光束宽度和成像范围都是 有限的。限制来自于光学零件的尺寸大 小和其他金属框。从光学设计的角度看， 如何合理的选择成像光束是必须分析的 问题。光学系统不同，对参与成像的光 束位置和宽度要求也不同。
视场光阑、入射窗、出射窗
光学系统的成像范围是有限的。
照相机中底片框限制了被成像范围 的大小
工具显微镜中分划板的直径决定成 像物体的大小
第三节望远镜系统中成像光束的选择
典型的双目望远镜系统是由一个物镜、一 对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的， 如图4-7所示。有关光学数据如下：
或加大，从而达到调节光能量以适应外界
不同的照明条件。显然可变光阑不能放在
镜头L上，否A1则A2
的大小就不可变了。
底片框B1B2 的大小确定的。超出底片框的
范围，光线被遮拦，底片就不能感光。
在光学系统中，不论是限制成像光束口径、 或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为 “光阑”。
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑 称为“孔径光阑” ，例如照像系统中的可 变光阑 A 就是孔径光阑。
渐晕光阑
光阑以减少轴外像差为目的，使物空 间轴外点发出的、原本能通过上述两 种光孔的成像光束只能部分通过，这 种光阑称为渐晕光阑。
入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是 出射光瞳
入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。 如果光阑在整个光学系统的像空间，那
么它本身也就是出射光瞳；
反之，若在物空间，它就是入射光瞳
光学系统中的光束限制
§1 照像系统和光阑 §2 望远镜系统中成像光束的选择 §3 显微镜系统中的光束限制与分析 §4 光学系统的景深 补充: 光学系统的分辨率
实际光学系统与理想光学系统不同， 其参与成像的光束宽度和成像范围都是 有限的。限制来自于光学零件的尺寸大 小和其他金属框。从光学设计的角度看， 如何合理的选择成像光束是必须分析的 问题。光学系统不同，对参与成像的光 束位置和宽度要求也不同。
工程光学郁道银 ppt课件
以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：
★ 正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的张 角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。
tan y tan' y'
p
D
D y' p p
y
以下推导 不考虑正负号
p
2020/12/27
眼睛
u
： 人 眼 的 极限分辨角
p
28
清 晰 像 ： 弥 散 斑 直 径 对 人 眼 的 张 角 < 人 眼 的 极 限 分 辨 角 1 ~ 2
★景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值
D y p p y
zz1 z2 Dp
★对准平面上对应弥散斑的允许值：z
z1
z2
z
p
★远景、近景到入瞳的距离：
z1
2a
p1 p1
p
z2
2a
p
p2 p2
p1
2ap 2a z1
p2
2ap 2a z2
★远景、近景到对准平面的距离：
1
p1
p pz1 2az1
34
例1：现有一照相机，其物镜f′=75mm，现以常摄距离 p=3m进行拍摄，光圈的相对孔径D/f′(入瞳直径与焦距之 比)分别采用1/3.5和1/22，试分别求其景深。
人眼的极限分辨角：
10.00029rad
12
4ap2 4a2 p22
解：1) D 1 / 3 .5 2 a D f 2 1 .4 3m m
第4章 -2 光学系统中的光阑
与光束限制
2020/12/27
1
本章内容提要
第一节 光阑
第二节 照相系统的光阑
工程光学讲稿4
正确透视距离：
入射光瞳
出射光瞳
B1 A P1 U P P2
y
P1' P' P2'
ω'
ω
A1
ω'
R
B p p' D
设人眼在R处，为得到正确得透视，景象平面上像y’对R的张角ω’应等于物空间 的共轭物y对入射光瞳中心 p的张角ω相等。 tg ω=y / p =tg ω’= y’ / D 则得 D=y’ / p =βp 景象面上的弥散斑的允许值z’ = z’1=z’2=Dε=βpε
B2' z2
'
.
∆1
B1
.
A
z1
∆2
.
B2
p1 2a p
p1' p p2 '
.
-p2 -p
p2
.
p1' p' p2 '
.
B1'
A'
z1'
z2
∆2
∆2
-p1
二、光学系统的景深
z1 ' = β z1 z2 '= βz2
p1 − p z1 = 2 a p 1 由几何关系： ∗ z = 2a p − p 2 2 p2
§4.4
光学系统的景深
一、光学系统的空间像
1.按照共线理论： 点物成点像；平面物成平面像；空间物成空间像。 2.光学系统的空间像：
3.透视失真： 当入瞳和出瞳沿轴位移时，弥散斑在对准及其景象平面上的位置亦改变。
s1 s2
s2 ' s1'
s1 s2 s1‘(s2 ')
4.景深 缩小光瞳时，弥散斑也将缩小，当光瞳缩小到一定程度时，就能保证对准平 面附近一定距离的物点都能成清晰的像。这个距离就是景深。
工程光学-第一章
2 n1 d12 x 2 n2 d 2 ( L x)2
根据费马原理，光程应取极值，即
dS x Lx n1 n2 0 2 2 2 2 dx d1 x d 2 ( L x)
如图定义入射角和折射角，则光程取极值必有
即折射定律
dS n1 sin 1 n2 sin 2 0 dx
现通过P点，并以A和B为焦点作一椭圆N。 设Q为M上除P点外的任意一点,则经Q反射的光程
R
B
SQ n( AQ QB)
延长AQ交N于R点,并连接RB。由于椭圆上的点与两 焦点间线段长度之和为定值,即总有AP+PB=AR+RB,
因此有，
S P n( AR RB) n AQ (QR RB) n( AQ QB) SQ
质且入射角 I 增大到某一程度时，折射角 I ' o 达到 90 ，折射光线沿界面掠射出去，这时 的入射角称为临界角，记为I m 。
22
由折射定律公式(1-3)
sin I m n' sin I ' / n n' sin 90 / n n' / n (1-4)
o
23
若入射角继续增大，入射角大于临界角 的那些光线不能折射进入第二种介质，而全 部反射回的一种介质，即发生了全反射现象。 全反射的充要条件: （1）光线从光密介质射向光疏介质； （2）入射角大于临界角。
34
第二节
一、基本概念
成像的基本概念 与完善成像条件
光学元件：表面为平面、球面或非球面(任一曲面)，且 具有特定折射率的介质构成的透明元件。 光学系统：由若干光学元件组成的系统。 共轴光学系统：系统中的各个光学元件的表面曲率中心 都处在同一直线上。否则即为非共轴系统。 光轴：共轴系统中光学元件表面曲率中心所决定的直线。 光学系统的作用：对物体成像。
根据费马原理，光程应取极值，即
dS x Lx n1 n2 0 2 2 2 2 dx d1 x d 2 ( L x)
如图定义入射角和折射角，则光程取极值必有
即折射定律
dS n1 sin 1 n2 sin 2 0 dx
现通过P点，并以A和B为焦点作一椭圆N。 设Q为M上除P点外的任意一点,则经Q反射的光程
R
B
SQ n( AQ QB)
延长AQ交N于R点,并连接RB。由于椭圆上的点与两 焦点间线段长度之和为定值,即总有AP+PB=AR+RB,
因此有，
S P n( AR RB) n AQ (QR RB) n( AQ QB) SQ
质且入射角 I 增大到某一程度时，折射角 I ' o 达到 90 ，折射光线沿界面掠射出去，这时 的入射角称为临界角，记为I m 。
22
由折射定律公式(1-3)
sin I m n' sin I ' / n n' sin 90 / n n' / n (1-4)
o
23
若入射角继续增大，入射角大于临界角 的那些光线不能折射进入第二种介质，而全 部反射回的一种介质，即发生了全反射现象。 全反射的充要条件: （1）光线从光密介质射向光疏介质； （2）入射角大于临界角。
34
第二节
一、基本概念
成像的基本概念 与完善成像条件
光学元件：表面为平面、球面或非球面(任一曲面)，且 具有特定折射率的介质构成的透明元件。 光学系统：由若干光学元件组成的系统。 共轴光学系统：系统中的各个光学元件的表面曲率中心 都处在同一直线上。否则即为非共轴系统。 光轴：共轴系统中光学元件表面曲率中心所决定的直线。 光学系统的作用：对物体成像。
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。
《工程光学》课件
光学信号处理原理
光学信号处理概述 简要介绍了光学信号处理的基本 概念和原理，包括光波的干涉、 衍射、傅里叶变换等方面的知识 。
全息术与光学信息处理 简要介绍了全息术的基本原理和 应用，以及光学信息处理技术的 发展和应用前景。
干涉测量技术 详细介绍了干涉测量技术的基本 原理和应用，包括干涉仪的结构 和工作原理、干涉图样的分析和 解释等方面的知识。
的发展提供了新的机遇和挑战。
工程光学在各领域的应用
能源领域
太阳能利用、激光焊接、激光切割等 。
通信领域
光纤通信、光网络技术等。
环境监测领域
光谱分析、大气污染监测等。
生物医学领域
医学成像、光谱诊断、激光医疗等。
CHAPTER 02
工程光学基础知识
光的本质与传播
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。 其电磁场振动方向与传播方向垂直， 表现出横波的特征。
显微镜
介绍了显微镜的基本原理和结构，包括透射光显微镜和反 射光显微镜等类型，以及显微镜的性能参数和选择方法。
激光器
简要介绍了激光器的基本原理和结构，包括气体激光器、 固体激光器、光纤激光器等类型，以及激光器的性能参数 和应用领域。
光学系统设计原理
光学系统设计基础
介绍了光学系统设计的基本概念和原则， 包括光学材料、光学镀膜、光学元件加工
光学信息处理实验
研究光学信息处理技术，如傅里叶 变换、光学图像处理等，掌握光学 信息处理系统的基本构成和操作方 法。
光学系统设计与制造实践
光学系统设计实践
通过实践了解光学系统设计的基本原理和方法，掌握光学设 计软件的使用技巧，熟悉光学元件的选择和加工工艺。
光学制造工艺实践
郁道银 几何光学
第6章 光路计算与像差理论
• 光路计算
计算光线选择
• 产生像差原因：
孔径、视场、波长
• 像差分类
波像差；7种几何像差
• 齐明点与齐明透镜
第7章 典型光学系统
• 眼睛
– 调节与适应 – 缺陷与校正 – 目视光学仪器
• 放大镜 250 ＝ • 显微镜 f' • 望远镜 • 照相系统与投影系统
第4章 光学系统中的光束限制
• 孔径光阑－（入瞳、出瞳：共轭） • 视场光阑－（入窗、出窗：共轭） • 渐晕光阑－渐晕系数 • 典型系统的光束限制 • 远心光路－测量仪器
第5章 光度学与色度学
• 辐射量、光学量 • 光传播中的变化规律、余弦辐射 • 光学系统的能量损失：三种
透射面的反射损失；介质吸收损失； 反射面的光能损失。
《几何光学》与工程实践
理论：why？ 工程：how？ 必须让学生改变学习思路
《几何光学》与工程实践
教师需熟知照相系统的主 要构成、物镜的主要参数 及其意义、物镜的结构形 式及其特点，并特别明确 光阑在照相系统中的作用
《几何光学》与工程实践
Байду номын сангаас
教师需熟知各种类型的 望远镜，明确球面系统、 平面系统以及多种光阑 在仪器中的特点和作用
－ 显微镜 1）组成（光学结构特点）、成像关系、 光束限制（生物显微镜和测量显微镜） 2）视觉放大率公式： tg ' 250 e tg f '0 f ' e
• • • • • •
3）数值孔径：NA＝nsinu, D'＝500NA/Г 4）物镜的分辨率： σ＝a/β＝0.61λ/NA 5）有效放大率：500NA≤Г≤1000NA 6）物镜的景深：NA,
4工程光学教学-作者--郁道银-第四章PPT课件
O1
F2
O2
45
180
195
（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳
2
tgU1
0.044 45
2.72/2 tgU 2454.4151.6
tgU3 2.50/2
U1最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经 O2的像为出瞳。
l'1l1l1 f'f2'2 1 19 9 1 1 5 55 5 1.2 6m 5 m D'1ll'11•D111.6 295 540.3m 3 m
45 •D3180102.5mm
17
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
O1
F2O2经O1成像
l'2l2l2 f'f1'1 1 19 9 3 3 5 56 6 4.1 4m 5 m D'2ll'22•D241.1 49 551 22.7m 2 m
18
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
第4章 光学系统中的光束限制
➢ 光阑 ➢ 照相系统中的光阑 ➢ 望远系统中成像光束的选择 ➢ 显微镜系统中的光束限制与分析 ➢ 光学系统的景深
1
本章重点
孔径光阑、视场光阑的确定方法 远心光路 景深
2
孔径光阑
1、孔径光阑的定义与作用 限制轴上物点光束大小的光孔，也称为“有效光阑” P1P2是孔径光阑,主要用于控制成像面的光能！
13
孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中 心连线决定。
入 射 窗
A
O'2
ω
出孔 射径 光光 瞳阑
入 射 光 瞳 B'
O1
《工程光学第四章》PPT课件
3孔径光阑的形状一般为圆形光圈而视场光阑的形状为圆形或矩建筑精选课件22建筑精选课件23典型的双目望远镜系统是由一个物镜一对转像棱镜一个分划板和一组目镜构成的如图47所示
建筑精选课件
1
• 实际光学系统与理想光学系统不同， 其参与成像的光束宽度和成像范围需 要限制:
• (1) 自然限制：光学元件的有限尺寸； • (2) 人为限制：金属圈(框)或成像底片。
成像规则; 2.光瞳对成像的作用: 透视失真 3.视场对成像的影响: 景像畸变
4.二. 光学系统的景深
5.基本概念: 景深,远(近)景深度;
6.景深的计算: 正确透视位置条件下;
7.特殊情况讨论;
建筑精选课件
30
一.光学系统的空间像
理想光学系统: 点物成点像;平面物成平面像;空间物成空间像.
平面成像问题:
对准平面AB
景像平面A’B’
P P’
➢忽略入瞳的有限尺度清晰像点B1’
➢当入瞳具有一定尺建度筑精选课件弥散斑a’b’
34
成像规则: (1)先投影后成像:
在物空间内，以入射光瞳中心为投 影中心,以主光线为投影线,将空间点 在对准平面上投影,再将投影点成像于 景像平面;
建筑精选课件
35
• (2)先成像后投影：
建筑精选课件
8
二、光阑的作用
1. 限制成像光束孔径角大小 2. 限制和选择轴外点成象光束 3. 控制光通量 4. 挡掉杂散光
建筑精选课件
9
孔径光阑：限制和选择成像光束，调节入 射光能和像质； 视场光阑：确定成像范围。
孔径光阑对入射光束有很直接的选择 作用，对于轴上物点和轴外物点，其限制 或选择作用不同。
建筑精选课件
5
建筑精选课件
1
• 实际光学系统与理想光学系统不同， 其参与成像的光束宽度和成像范围需 要限制:
• (1) 自然限制：光学元件的有限尺寸； • (2) 人为限制：金属圈(框)或成像底片。
成像规则; 2.光瞳对成像的作用: 透视失真 3.视场对成像的影响: 景像畸变
4.二. 光学系统的景深
5.基本概念: 景深,远(近)景深度;
6.景深的计算: 正确透视位置条件下;
7.特殊情况讨论;
建筑精选课件
30
一.光学系统的空间像
理想光学系统: 点物成点像;平面物成平面像;空间物成空间像.
平面成像问题:
对准平面AB
景像平面A’B’
P P’
➢忽略入瞳的有限尺度清晰像点B1’
➢当入瞳具有一定尺建度筑精选课件弥散斑a’b’
34
成像规则: (1)先投影后成像:
在物空间内，以入射光瞳中心为投 影中心,以主光线为投影线,将空间点 在对准平面上投影,再将投影点成像于 景像平面;
建筑精选课件
35
• (2)先成像后投影：
建筑精选课件
8
二、光阑的作用
1. 限制成像光束孔径角大小 2. 限制和选择轴外点成象光束 3. 控制光通量 4. 挡掉杂散光
建筑精选课件
9
孔径光阑：限制和选择成像光束，调节入 射光能和像质； 视场光阑：确定成像范围。
孔径光阑对入射光束有很直接的选择 作用，对于轴上物点和轴外物点，其限制 或选择作用不同。
建筑精选课件
5
工程光学郁道银
添加副标题
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。
工程光学郁道银PPT大纲
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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。
工程光学 郁道银 第四版
工程光学郁道银第四版引言工程光学是研究光的传播与应用的学科，它广泛应用于各个工程领域，包括光学制造、光学测量、光学设计等。
本文将主要介绍《工程光学郁道银第四版》一书的内容，包括作者简介、书籍概述以及主要章节内容等。
作者简介郁道银，清华大学教授，光学工程专家，是中国著名光学工程学者之一。
他在光学设计、测量和制造领域取得了许多重要成果，并且在多家国际知名期刊上发表了大量关于光学工程的研究论文。
郁道银教授还曾获得过多个国际光学工程奖项，对于推动中国光学工程学科的发展作出了重要贡献。
书籍概述《工程光学郁道银第四版》是郁道银教授的经典著作之一，该书是光学工程领域的权威教材，也可作为工程光学专业人员的参考手册。
本书主要涵盖了光学的基础理论、光学系统的设计原理及方法、光学测量技术以及光学制造等内容。
主要章节内容第一章光的基本概念本章主要介绍了光的基本概念，包括光的波粒二象性、光的传播方式、光的干涉等。
通过对光的基本属性的介绍，读者可以对光的性质有一个初步的了解。
第二章光的衍射本章详细讲解了光的衍射现象，包括菲涅尔衍射、菲涅尔近似、费马原理等。
读者可以通过本章了解到光的衍射现象及其在光学系统设计中的应用。
第三章光的传输理论本章内容主要涉及光学系统中的光线传输理论，包括光线的传播路径、光束的传输特性、光束放大与损耗等。
通过学习本章内容，读者可以了解光在光学系统中的传输规律及其应用。
第四章光学系统的设计本章重点介绍了光学系统的设计原理及方法。
包括折射定律、几何光学理论、光学仪器的设计方法等。
通过学习本章内容，读者可以学会如何设计出符合要求的光学系统。
第五章光学测量技术本章涵盖了光学测量技术的基础知识，包括干涉测量、衍射测量、相移技术等。
读者通过学习本章内容，可以了解到光学测量技术的原理及应用，并且能够掌握一些光学测量的方法。
第六章光学制造技术本章重点介绍了光学制造技术，包括光学元件的加工方法、光学表面的制造及加工过程等。
光学教程四章节New-
初步近似假设：
①
⑴ z 的最大线度
⑵近轴近似
则①式化为：
U 0(x0,y0)i1z
U 1(x1,y1)eikr01dx1dy1
②
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光 学 第四章 光的衍射
菲涅耳近似
由于
1
r01 z2(x0x1)2(y0y1)2 z1(x0 z2x1)2(y0 z2y1)22
入射时，0=0；
2. 位相问题F(：0,)11i c2eois2
=0， F =1 =， F =0
i
3. 振幅问题：次波的振幅和入射光波长成反比。
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光 学 第四章 光的衍射
Kirchoff衍射积分公式的适用条件
导出基尔霍夫衍射积分公式时，使用的边 界条件只有在源点和场点到衍射屏的距离远大 于波长，且衍射孔的线度比光波长大得多的情 况下才能近似成立。
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光 学 第四章 光的衍射
§2 菲涅耳衍射
图1 讨论衍射用的几何示意图
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光 学 第四章 光的衍射
由
U 0 ( x 0 ,y 0 ) i 1 U 1 ( x 1 ,y 1 )e r ik 0 r 1 0 1c o s ( n ,r 0 1 ) 2 c o s ( n ,r 2 1 )d x 1 d y 1
障碍物、位相片；－－光的振幅或位相发 生不均匀改变。
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2
光 学 第四章 光的衍射
衍射屏和屏函数：
衍射屏：具有各种形状的平面障碍物。
屏函数：即复振幅透射率函数
~t (x,
y)
EE~~ti((xx,,
工程光学郁道银第二版ppt课件
0
E~＝a1
exp(ikz)
x0
a2 exp(ikz) y0
振动方向(fāngxiàng)与 a1和a2的比值有关。
精品文档
2. 圆偏振光
a1 a2 E~＝a1 exp(ikz
)
x0
a2 exp[i(kz )]y0
左旋 右旋。
2 (zuǒ
2
xuán)，
精品文档
3. 椭圆偏振光
在右旋时，光矢量末端构成的螺旋线的旋向与光传播方向 (fāngxiàng)成左手螺旋系统；在左旋时，光矢量末端构成的螺 旋线的旋向与光传播方向(fāngxiàng)成右手螺旋系统。
二.旋向的判断
(pànduàn):
如：Ex
Aeiwtkz ,Ey
Ae i wt kz
2
注意：z=z0是确定的位置，旋向是随时间的变量。
a1 a2 E~＝a1 exp(ikz
)
x0
a2 exp[i(kz )]y0
0 右旋椭圆 2 (tuǒyuán)光
左旋椭圆
(tuǒyuán)光
精品文档
常见(chánɡ jiàn)的几种偏振光：
4.自然光：振动方向(fāngxiàng)几率、振动方向(fāngxiàng)分解 5.部分偏振光和偏振度
•
光轴
A
90
o,e
d)
B
90
e o
精品文档
精品文档
精品文档
一、偏振(piān zhèn)器件
(一)偏振起偏棱镜
1.尼科耳棱镜(léngjìng)（W.Nicol
）
：材料：方解石
no 1.65836, ne 1.48641
D
A
光学教程四章节New-
惠更斯－－菲涅耳原理（1818）
1. 子波球面次波的频率与初波相同； 2. 子波源的初相与初波到达Q点时同相； 3. 次波在P点的振幅与初波在Q点的振幅成 正比；
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光 学 第四章 光的衍射
Fresnel衍射积分公式 由上所述，dS在P点的振幅为：
dE ~(P)cE ~(Q)1eikF r()dS
4
光 学 第四章 光的衍射
菲涅耳衍射和夫琅和费衍射
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5
光 学 第四章 光的衍射
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菲涅 耳衍 射和 夫琅 和费 衍射 图样
6
光 学 第四章 光的衍射
§1.2 惠更斯－－菲涅耳原理
惠更斯原理及其困难
1. 子波元的概念； 2. 子波的包迹形 成波面；
困难：与波的物理 量无关，不能计算振幅 和位相；不能定量解释 衍射和干涉。
为n
dS · Q
E~(P) dE~(P)
· r dE(p) p
S
0, f fmax
S(波前)
倾斜因子f ( ): f()
/2, f()0
A(Q)f()
dEp r dS
•表征子波传播并非各向同性
A(Q)取决于波前上Q点处的强度
无后退波
2019/9/12
8
光 学 第四章 光的衍射
这正是惠更斯――菲涅耳原理的缺点之一。
2019/9/12
29
光 学 第四章 光的衍射
小圆孔衍射
首先计算小孔露出的波面部
分对P点所包含的半波带数n 。
r0>>，
h
r0KK22
/
4
2(Rr0)
h r0n
1. 子波球面次波的频率与初波相同； 2. 子波源的初相与初波到达Q点时同相； 3. 次波在P点的振幅与初波在Q点的振幅成 正比；
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光 学 第四章 光的衍射
Fresnel衍射积分公式 由上所述，dS在P点的振幅为：
dE ~(P)cE ~(Q)1eikF r()dS
4
光 学 第四章 光的衍射
菲涅耳衍射和夫琅和费衍射
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光 学 第四章 光的衍射
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菲涅 耳衍 射和 夫琅 和费 衍射 图样
6
光 学 第四章 光的衍射
§1.2 惠更斯－－菲涅耳原理
惠更斯原理及其困难
1. 子波元的概念； 2. 子波的包迹形 成波面；
困难：与波的物理 量无关，不能计算振幅 和位相；不能定量解释 衍射和干涉。
为n
dS · Q
E~(P) dE~(P)
· r dE(p) p
S
0, f fmax
S(波前)
倾斜因子f ( ): f()
/2, f()0
A(Q)f()
dEp r dS
•表征子波传播并非各向同性
A(Q)取决于波前上Q点处的强度
无后退波
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光 学 第四章 光的衍射
这正是惠更斯――菲涅耳原理的缺点之一。
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光 学 第四章 光的衍射
小圆孔衍射
首先计算小孔露出的波面部
分对P点所包含的半波带数n 。
r0>>，
h
r0KK22
/
4
2(Rr0)
h r0n
郁道银主编工程光学（知识点）
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。
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2ap p2 远近点 2a Z 2 pZ1 远景深 Δ1 p1 p 2a Z1 pZ2 近景深 Δ 2 p p2 2a Z 2
2ap p1 2a Z1
人眼极限 分辨角
通常容许弥散圆可表示为： Z1 Z 2 Z p
P''1
P'1
B A
主光线 -U
P'' O1
P1 P P2 O2
P'
U'
Q1 Q2
P''2
孔径光阑
P'2
出射光瞳
入射光瞳
通过入瞳中心的光线称为主光线，也通过孔径光阑和 出射光瞳中心,是各个物点发出的成像光束的光束轴线。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
物平面发生 变更，有可 能是孔径光 阑将易主。
若物体位于无限远，此时仅比较各个像本身的大 小，其口径最小者即为入射光瞳。 确定孔径光阑的方法，也可以先确定出射光瞳。
对称于光阑的对称式系统：入射光瞳和出射光瞳的 大小和倒正都一样，入瞳和出瞳之间的倍率为+1，入 射光瞳面和出射光瞳面分别与光学系统的物方主平面 和像方主平面重合。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
视场光阑
限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑。
P''1
Q2’
入射窗
P1
视场光阑 Q1Q2 是 视 场 光 (出射窗) 阑。 U'
P' Q2 Q1
P'1
B
-
A
U
P''
O1
P P2
O2
Q1’
P''2
孔径光阑
P'2
Q'1Q'2为入射窗; Q1Q2 本 身 也 为 出射窗。 通常设置在系统 的实像平面或物 平面
望远镜系统的光阑位置
实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔径光阑；分 划板为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳 距离lz>6mm
照相系统中的光阑
简单显微系统中的光束限制
远心光路
物方远心光路 像方远心光路
物方远心光路
光学仪器中的很大部分仪器用来测量长度。 有一类光学仪器要求以“恒定放大率” 使被测物之 像与一刻尺相比，以求得一被测物之长度。
A
45
D1=4mm
D3=10mm D3
D2=12mm
O1
180 195
F2
O2
（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳
2 tgU1 0.044 45
2.72 / 2 tgU 2 1.6 45 44.15
2.5 / 2 tgU3 0
U1最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经 O2的像为出瞳。
场镜的应用
在一些应用中，需要加长光学系统，以满足出瞳的 匹配要求。
一种方法是在系统中加入一个放大倍率为-1倍的成像 透镜。
场镜的应用
场镜的应用
在一些应用中，需要加长光学系统，以满足出瞳的 匹配要求。
一种方法是在系统中加入一个放大倍率为-1倍的成像 透镜。 这种方法为导致主光线在目镜上的透射高度很高， 从而是目镜的口径大大增加。 解决的方法：在物镜的成像面位置放置一个薄透镜。
A
45
D1=4mm
D3=10mm D3
D2=12mm
O1
180 195
F2
O2
A
45
D1=4mm
D3=10mm D3
D2=12mm
O1
180 195
F2
O2
解：光孔D3经O1成像
l 3 f '1 180 36 l '3 45mm l 3 f '1 180 36
在O1左方与物点重合
场镜的应用
场镜的应用
加入薄透镜不会改变原成像系统的特性。
加入薄透镜也不会改变轴上点光束的行进走向。 这种与像面重合或紧靠像面的薄透镜称为场镜。
场镜具有可以辅助延长光学系统长度且 不增大后续透镜的孔径的功能！
光学系统的景深
前面讨论的只是在垂直于光轴的平面上点的成像问 题，属于这种情况的光学系统有照相制版物镜，电影 放映物镜等。实际上，有很多仪器需要把空间中的物 点成像在一个像面上，如望远镜和照相机等。这就存 在着空间物在平面上成像的清晰度问题。
渐晕光阑
D D
“渐晕系数”：
D K D
照相系统中的光阑
望远镜系统的组成
主要参数：视角放大率Γ ，视场角2ω ，出瞳直径D’ 出瞳距离lz’,物镜焦距f物’,目镜焦距f目’
望远镜系统的光阑位置
简化图中，物镜框为孔径光阑；分划板为视场光阑； 物镜对目镜成的像距即为出瞳距离lz>6mm
孔径光阑
2、入射光瞳和出射光瞳
P''1 P'1
B
-
P1
A
U
P''
O1
P P2
O2
U'
P'
Q1
P1P2孔径光阑经 后方光学系统 所成的像 P‘1P’2 称为出射光瞳， 简称出瞳，出 瞳边缘对物点A 的张角称为像 方孔径角2U’．
Q2
P''2
孔径光阑
P'2
出射光瞳
入射光瞳
当孔径光阑后 方无光学系统， 则孔径光阑就 是出瞳。
经纬仪
像方远心光路
这种情况如果孔径光阑仍为物镜框，由于调焦不准， 标尺的像不与分划板刻线平面重合，使读数产生误 差而影响测量精度。
像方远心光路
为消除或减小这种误差，可以在物镜的物方焦平面 上设置一个孔径光阑。
因为这种光学系统的像方主光线平行于光轴，其 会聚中心在像方无限远处，故称为像方远心光路。
第4章
光学系统中的光束限制
光阑 照相系统中的光阑 望远系统中成像光束的选择 显微镜系统中的光束限制与分析 光学系统的景深
本章重点
孔径光阑、视场光阑的确定方法 远心光路 景深
孔径光阑
1、孔径光阑的定义与作用 限制轴上物点光束大小的光孔，也称为“有效光阑” P1P2是孔径光阑,主要用于控制成像面的光能！
主光线
B P'' A O1 P O2
-
P1
U
U'
P
P2
孔径光阑
减小孔径光阑并不会对视场产生影响
视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光 线的限制。
例：有一个由三个光学零件组成的光组，透镜O1, 其口径D1＝4mm．f’1=36mm，透镜O2，其口径 D2＝12mm，f’2=15mm,二透镜间隔195mm，在 离透镜O1右180mm处设有一光孔D3＝10mm， 物点离透镜Ol为-45mm．1）求孔径光阑和入瞳 出瞳的大小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的 大小和位置？
5 6 tg 3 0.0278 tg 2 0.0307 180 195
故光孔O3为视场光阑，入窗与物平面重合，大 小为2.5mm，出窗在无穷远
作业
B
O'4
A F1 O1Βιβλιοθήκη F1 F2 O3O2
A' F'2 O4
B'
如 图 所 示 ， 有 一 光 学 透 镜 组 O1,O2 的 口 径 D1=D2=50mm,焦距f’1=f’2=150,两透镜间距为300mm, 并 在 中 间 置 以 光 孔 O3, 口 径 D3=20mm, 透 镜 O2 右 侧 150mm出置一光孔O4,孔径D4=40mm,平面物体处于 透镜O1 左侧150mm处。1）求孔径光阑和入瞳出瞳 的大小和位置？2）求视场光阑和入窗出窗的大小和 位置？
照相系统中的光阑
照相系统组成
f/1
f/1.4
f/2
f/2.8
f/4
f/5.6
f/8
f/11
f/16
f/22
f/32
f/45
f/64
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
孔径光阑位置移动，对轴上成像光束并无影响。
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
入瞳的大小是由光学系统对成像光能的要求或者 对物体细节的分辨能力(分辨率)的要求来确定的。常 D 以入瞳直径和焦距之比值来表示， / f ' 称为相对孔径， 它是光学系统的一个重要的性能指标。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
孔径光阑的安放要遵循一定原则。
对于目视光学系统，出瞳必须在目镜外，便于与 其衔接。 在投影计量光学中，要求入瞳或出瞳位于无穷远。 在光学设计时，可以合理设置孔径光阑位置用以 校正像差。 可以合理设置孔径光阑的大小来匹配光学镜组之 间的能量。
工具显微镜
孔径光阑为物镜镜框的情况
孔径光阑移至物镜镜框后焦平面出的情况
由于光学系统物方主光线平行于光轴主光线的会聚 中心位于物方无限远，故称为物方远心光路。
孔径光阑
测量显微镜物方远心光路。
像方远心光路
另一类光学仪器是把标尺放在不同的位置，通过改 变光学系统的放大率而使标尺像等于一个已知值， 以求得仪器到标尺之间的距离。
出射光瞳
入射光瞳
确定视场光阑的方法： (1)把孔径光阑以外的所有光孔经前面的光学系统成 像到物空间，确定入瞳中心位置 (实际上在确定孔径 光阑时这一步骤已完成)。
(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最 小者即为入射窗，入射窗对应的光学零件视场光阑.
入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 2 ，同 时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件所 成的像即为出射窗，出射窗对出瞳中心的张角即为像 方视场角 2' 。