工程光学设计A4 C1-C3
工程光学与技术完整课件
天体
遥远的距离
观察者
任何被成像的物体， 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 量的线，它代表光的传播方向。
的深度与入射角i 的关系。
（注：水相对空气的折射率为n 4 3）
§1-3 全反射和光路可逆
全反射现象
n n'
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。
由公式 nsinIn'sinI' 可知，若： nn
则： sinIsinI'
即折射光线较入射光线偏离法线
θC
n1
n2
Incident beam Reflected beam Refringent beam
将上式代入 sin I
并设
sin I ' nab
na n, nb n
有： nsinIn'sinI'
真空折射率为1，在标准压力下，20摄氏度时空气折射 率为1.00028，
通常认为空气的折射率也为1，把其他介质相对于空 气的折射率作为该介质的绝对折射率。
提示：但是在设计高精度的太空中的光学仪器 时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。
大于临界角时，就发生全发射。
na
i0
S
n' B
n
i '0 2 i'0
A
根据折射定律，又有： nasini0nsini'0
工程考试-工程光学考试大纲 精品
湖北省高等教育自学考试大纲课程名称：工程光学课程代码：7082第一部分课程性质与目标一、课程性质与特点本课程是一门专业基础课，系统地介绍了几何光学的基本定律与成像理论、理想光学系统、平面光学系统、光学系统中光束限制、光度学与色度学基础、光线的光路计算与像差理论、典型光学系统、现代光学系统、光学系统的像质评价与与像差公差、光的电磁性质光波的叠加与分析、光的干涉、光的衍射与傅立叶光学、光的偏振和晶体光学基础、光的量子性与激光、光纤与波导光学以及近几年最新发展的半导体激光和光子学等。
课程特点在于几何光学和物理光学、现代光学方面的基础理论、基本方法和典型光学系统的实例和应用。
本课程适合于自学考试光机电一体化专业、光信息科学与技术专业的专业基础课程。
二、课程目标与要求通过本课程的学习，学生能对光学的基本概念、基本原理和典型系统有较为深刻的认识，学生应掌握几何光学的基本定律与成像理论、理想光学系统、平面光学系统、光束限制、像差理论等几何光学的基本内容以及光的电磁性质、光波的叠加与分析、光的干涉、衍射、偏振等物理光学的基本内容以及现代光学中的部分内容。
为学习光学设计、光信息理论和从事光学研究打下坚实的基础。
三、与本专业其他课程的关系本专业前期课程“高等数学”、“大学物理”等是《工程光学》课程的数学基础和物理基础；通过《工程光学》课程的学习为本专业的后期课程激光原理与技术、实用光电技术、信息光学等课程打下良好的基础。
第二部分考核内容与考核目标第1章几何光学的基本定律和成像概念一、学习的目的与要求通过本章的学习，应该掌握的知识层次和所要达到的能力要求：掌握几何光学基本定律：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）4）光路的可逆性5）费马原理（最短光程原理）6）马吕斯定律。
完善成像条件的概念和相关表述能够应用光学中的符号规则，单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴）能够利用单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率β、轴向放大率α、角放大率γ、拉赫不变量等公式。
工程光学基础4演示模板.ppt
像物镜的某个空气间隔中，如图4-6所示。 （2）在照像光学系统中，感光底片的框子就
是视场光阑。
（3）孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光 阑的形状为圆形或矩形等。
0.0
11
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：
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。
0.0
5
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。
限制成像范围的光阑称为“视场光阑” ，
例如照像系统中的底片框B1B2 就是视场光
16
（2）
30
31.5> D棱>16
16
（3） 31.6
31.5> D棱>16
16
0.0
D目 23.5 23.7 24.0
22
由表可见，物镜的通光口径无论在何种
光阑位置情况下都是最大的；出瞳距lz '相
差不大，且能满足预定要求。
所以选择使物镜口径最小的光阑位置是 适宜的，故取第二种情况将物境框作为系 统孔径光阑。
（4）可放分划板的望远系统中，分划板 框是望远系统的视场光阑。
0.0
26
与分析
由前面两节的分析知道，光学系统中的光束 选择一定要具体对象具体分析。这里再以显微 镜系统为例，介绍一些光束选择的考虑与分析。
0.0
27
一、简单显微镜系统中的光束限制：
中成像光束的口径往往由物镜框限制，物镜 框是孔径光阑。位于目镜物方焦面上的圆孔 光阑或分划板框限制了系统的成像范围，成 为系统的视场光阑，如下图所示。
工程光学教学作者郁道银省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件
3.光旳折射定律和反射定律
如图所示，入射光线AO入射到 两种介质旳分界面PQ上，在O点发生 折反射，其中，反射光线为OB，折 射光线为OC， NN ' 为界面上O点处 旳法线。入射光线、反射光线和折射
光线与法线旳夹角 I、 I" 和 I '分别称
为入射角、反射角和折射角，它们均 以锐角度量，由光线转向法线，顺时 针方向旋转形成旳角度为正，反之为 负。
发生全反射旳条件可归结为: （1）光线从光密介质射向光疏介质； （2）入射角不小于临界角。
光纤光纤一般用d = 5-60μm旳透明丝作芯料，为光密介 质；外有涂层，为光疏介质。只要满足光线在其中全反 射，则可实现无损传播。
光纤按折射率随r分布特点可分为均匀光纤和非均匀光纤 两种。其中非均匀光纤具有光程短，光能损失小，光透 过率高等优点。
在各向同性介质中，光沿着波面法线方向传播，所以能够 以为光波波面法线就是几何光学中旳光线。
5、光束
与波面相应旳法线（光线）旳集合，称为光束，相应于波 面为球面旳光束称为同心光束。
球面光波相应旳同心光束按光旳传播方向不同又分为会聚 光束和发散光束。会聚光束全部光线实际经过一种点。
与平面波相相应旳是平行光束，是同心光束旳一种特殊形 式
我们主要研究旳就是共轴球面系统和平面 镜、棱镜系统。
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，多种 形状旳正透镜见图（a）所示；发散透镜或负 透镜，特点是心薄边厚，如图（b）所示。
正透镜旳成 像：如图所 示
物点和像点：
像散光束：
二、完善成像旳概念
发光物体能够被分解为无穷多种发光物点，每个物点发 出一种球面波，与之相应旳是以物点为中心旳同心光束。经 过光学系统之后，该球面依然是一球面波，相应旳光束仍是 同心光束，那么，该同心光束旳中心就是物点经过光学系统 后所成旳完善像点。
工程光学4-1
景深：
远景深度: 远景平面距对准平面的距离。
近景深度： 近景平面距对准平面的距离。
景深是远景深度和近景深度之和
弥散斑
弥散斑直径的允许值取决于光学系统的用途。
例如一个普通的照相物镜，若照片上各点的弥 散斑对人眼的张角小于人眼极限分辨最(1-2‘)， 则感觉犹似点像，可认为图像是清晰的。
但当其小于一定限度时，仍可认为是一个点。
现在讨论：当入射光瞳一定时，在物空间多大的深 度范围内的物体在景像平面上能成清晰像。 景深：
景深：
任何光能接收器，都是不完善的（如眼晴、感光乳 剂等），并不要求像平面上的像点为一几何点，而 是根据接收器的特性，规定一个允许的分辨率数 值。
当入射光瞳直径为定值时，便可确定成像空间的深 度，在此深度范围内的物体对一定的接收器可得清 晰图像。 在景像平面上所获得的成清晰像的空间深度称为成 像空间的景深，简称景深。 远景平面： 能成清晰像的最远的平面称为远景平面; 近景平面： 能成清晰像的最近平面称为近景平面。
第一节
照相系统和光阑
普通照相系统是由三个主要部分组成： 照相镜头、可变光阑、感光底片
第一节
照相系统和光阑
可变光阑A是一个开口A1A2大小可变的圆孔，随 A1A2缩小或增大，参与成像的光束宽度就减小(相 当于u‘角小)或加大(相当于u’角增大），从而达 到调节光能量，以适应外界不同的照明条件。 成像范围则是由感光底片框B1B2的大小确定的。超 出底片框的范围，光线被遮栏，底片就不能感光。
为满足出瞳在目镜之外的要求，孔径光阑要放在分 划板以左的地方。 一般放在物镜附近。如物镜左侧、 物镜上、物镜右侧。
图给出了在物镜左侧的情况。
视场光阑：分划板框是系统的"视场光阑"。
工程光学课程设计
课程设计说明书课程设计名称：工程光学课程设计课程设计题目：三片式数码物镜的优化设计学院名称：理学院专业班级：光电信息科学与工程激光一班学生学号：1409090119学生姓名：夏志高学生成绩：指导教师：梁春雷课程设计时间：2016/06/27 至2016/07/03课程设计任务书一、课程设计的任务和基本要求1．查阅相关资料，光学设计的基本概念、光学玻璃的相关知识和软件的使用。
2．学习各种像差的基本概念、描述及评价方法，掌握近轴光线追迹公式。
3．本课题要求设计出一个三片式数码照相物镜，要求的光学特性为：mm f 6='，41='f D , 502=ω；像质主要以调制传递函数MTF 衡量，具体要求是对于低频(17lp/mm)，视场中心的MTF ≥0.9，视场边缘的MTF ≥0.80；对于高频(51lp/mm)，视场中心的MTF ≥0.3，视场边缘的MTF ≥0.20，另外，最大相对畸变dist ≤4%。
该物镜对d 光校正单色像差，对F 、C 光为校正色差。
4．学习使用ZEMAX 进行数据录入和报表输出，分析各种初级像差并设置优化函数；设计三片式数码照相物镜并优化，对像差做简单的分析之后，撰写课程设计论文。
5．课题设计(论文)难度适中，工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。
6．综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文(设计)结果有一定的参考价值。
二、进度安排1．6月27日：了解光学设计的基本概念、光学玻璃的相关知识和软件的使用。
以单透镜的设计为例学习数据的录入，基本概念和设计思想在软件中的实现，初步掌握ZEMAX 的分析工具和数据含义及输出。
2．6月28日至6月29日：学习各种像差的基本概念、描述及评价方法，掌握近轴光线追迹公式。
3．6月30日：学习查找文献资料，选择合适的数码物镜初始结构，用缩放法进行缩放，缓慢调整有关参数并优化，并最终得到比较好的设计参数。
工程光学3-1
二、平面镜旋转
利用平面镜转动的这一性质，可以测量微小角度 或位移。如图
二、平面镜旋转
刻有标尺的分划板位于准直物镜L的物方焦平面上， 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。 若平面镜M与光轴垂直，则平行光经平面镜M反射 后原光路返回，重新会聚于F点。 若平面镜M转动θ角，则平行光束经平面镜后与光 轴成2θ角，经物镜L后成像于F1点，则
二、平面镜旋转
当入射光线方向不变而转动平面镜时，反射光线 的方向将发生改变。 平面镜转动a角时，反射光线转动2a角，
二、平面镜旋转
( I ' '1 ) [( I ' ' ) ] ( I ' '1 ) I ' ' I1 I 2
3、三次反射棱镜 三次反射棱镜为斯 密特棱镜，出射光 线与入射光线的夹 角为45。奇次反射 成镜像。
最大特点是因为光 线在棱镜中的光路 很长，可以折叠光 路使仪器结构紧 凑。
(二)屋脊棱镜
奇数次反射使得物体成镜像。如果需得到物体的一 致像，而又不宜增加反射棱镜时，可用交线位于棱 镜光轴面内的两个相互垂直的反射面取代其中一个 反射面，使垂直于主截面的坐标被这二个相互垂直 的反射面依次反射而改变方向，从而得到物体的一 致像(偶数次反射成像)，如图。
2、二次反射棱镜 对应出射光线与入射光线的夹角分别为45、90、 180、360。
五角棱镜和30直角棱镜多用显微镜观察系统，使垂 直向上的光轴折转为便于观察的方向。 五角棱镜取代一次反射直角棱镜或平面镜，使光轴 折转为90而不产生镜像，且装调方便。 两次反射直角棱镜多用于转像系统中。 斜方棱镜可使光轴平移目多用于双日仪器中，以调 整目距。
工程光学三片型照相物镜的结构参数计算
知像方焦点在第6面右74.28062mm处；像方主点在第6面左14.86183mm处。
作反向光路计算可求物镜的物方焦距、物方焦点及物方主点的位置（略）。
例： 求一半径r＝30mm、折射率n＝1.5的玻璃球的基点位置和焦距。
法1. 近轴光线的光路计算(设无限远平行光线入射，入射高度小)
i2 u2
)
30(1
h 30
45) h
15mm
f h1 h 45 45mm
u2
h
lH l2 f 30mm
求一半径r＝30mm、折射
率n＝1.5的玻璃球的基点位 置和焦距。
i1 E1
h1
i1
lH i2
i2
E1
u1 / u2
A1 / A2
法2：追迹一条无限远近轴区物点
o1
C1 / C2 H O2 l2 A2
l3
r3 (1
i3 u3
)
133.55425mm
i4
i4 u3
C4 A3
l3
u3 / u4
A3 / A4
4.第四面折射计算
l4 l3 - d3 131.95425;u4 u3
r4 25.47mm
i4 i4
(l4
n4 n4
r4 ) i4
u4 0.23998 r4 0.40184
u4 u4 i4 i4 -0.10446
l4
r4 (1
i4 u4
)
72.50879mm
A5 / A6
u5 / u6
u5
A5
C6
l5
5.第五面折射计算
l5 l4 - d5 79.20879mm u5 u4 0.10446
工程光学教学课件-光学设计2019
北理工研制的复杂光学系统分析优化大型软件包，可对各种非对 称、非常规复杂光学系统进行像质分析和结构优化，其适用范 围基本上囊括了目前国内外用于光学系统（特别是成像系统） 设计制造的各种技术。
CIOES
长春光机所研制的，特点是密切结合光学系统设计实践，包括光 学系统初始结构的设定、像差分析、自动设计、像质评价、加 工公差的估算、样板的匹配等。它通过图形显示、菜单技术、 人-机对话等方式把光学设计各阶段联系起来。
3.校正像差 ——几何像差和波像差
目录
光学设计软件简介 光学系统的基本参数描述 单透镜参数的Zemax设置 Zemax中的像质评价功能 Zemax优化与操作数 Zemax设计举例
像质评价
几何像差
波像差
瑞利判据，波像 差的 P-V值 （或峰谷值） 小于1/4个波长， 镜头系统成像质 量接近理想。
以设置的单透镜为例， 利用Zemax软件的分析 功能对其几何像差和波 像差进行评价。
曲率半径、厚度、玻璃、 二次曲面系数等结构参数
Zemax中的评价函数
定义为设计目标像差值与当前系统像差 值之差的平方和，结合权因子构成。定 义式可写为：
M2F W i(Vi Ti)2 (Vj Tj)2 W i
其中
V i 为第i种操作符的实际值，
T i 为第i种操作符的目标值，
W i 为第i种操作符的权因子。
ASAP
Advanced System Analysis Program，即高级系统分析程序。 ASAP是由美国Breault Research Organization. Inc （BRO） 公司开发的高级光学系统分析模拟软件，在照明系统、汽 车车灯光学系统、生物光学系统、相干光学系统、屏幕展 示系统、光学成像系统、光导管系统及医学仪器设计等诸 多领域都得到了行业的认可和信赖。ASAP软件可以利用蒙 地卡罗光线追迹的技术做光-机结构间的仿真，它可以不必 假设系统之对称性，做单轴、全域、三维坐标的模拟。当 光束穿越整个光学系统，光束可以自动分裂为反射、折射、 衍射、偏振光及散射的分量，当这束光穿越整个系统，光 束可以包含物体任意的次序，独立的根据物理可实施之路 径前进.
工程光学课程设计
课程设计说明书课程设计名称：工程光学课程设计课程设计题目：三片式数码物镜的优化设计学院名称：理学院专业班级：光电信息科学与工程激光一班学生学号：1409090119学生姓名：夏志高学生成绩：指导教师：梁春雷课程设计时间：2016/06/27 至2016/07/03课程设计任务书一、课程设计的任务和基本要求1．查阅相关资料，光学设计的基本概念、光学玻璃的相关知识和软件的使用。
2．学习各种像差的基本概念、描述及评价方法，掌握近轴光线追迹公式。
3．本课题要求设计出一个三片式数码照相物镜，要求的光学特性为：mmf6='，ω；像质主要以调制传递函数MTF衡量，具体要求是对于低频D,1='f4502=(17lp/mm)，视场中心的MTF≥0.9，视场边缘的MTF≥0.80；对于高频(51lp/mm)，视场中心的MTF≥0.3，视场边缘的MTF≥0.20，另外，最大相对畸变dist≤4%。
该物镜对d光校正单色像差，对F、C光为校正色差。
4．学习使用ZEMAX进行数据录入和报表输出，分析各种初级像差并设置优化函数；设计三片式数码照相物镜并优化，对像差做简单的分析之后，撰写课程设计论文。
5．课题设计(论文)难度适中，工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。
6．综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文(设计)结果有一定的参考价值。
二、进度安排1．6月27日：了解光学设计的基本概念、光学玻璃的相关知识和软件的使用。
以单透镜的设计为例学习数据的录入，基本概念和设计思想在软件中的实现，初步掌握ZEMAX的分析工具和数据含义及输出。
2．6月28日至6月29日：学习各种像差的基本概念、描述及评价方法，掌握近轴光线追迹公式。
3．6月30日：学习查找文献资料，选择合适的数码物镜初始结构，用缩放法进行缩放，缓慢调整有关参数并优化，并最终得到比较好的设计参数。
工程光学习题参考答案第三章平面与平面系统
第三章 平面与平面系统 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：同理：1''1I I -=α 321M 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O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？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-=β 21'1-==L L β 450150600'=-=-L L解得 300-=L 150'=L 又'1L -L 1='1f mm f 150'=∴ 答：透镜焦距为100mm 。
5．如图3-30所示，焦距为'f =120mm 的透镜后有一厚度为d =60mm 的平行平板，其折射率n =1.5。
当平行平板绕O 点旋转时，像点在像平面内上下移动，试求移动量△'y 与旋转角φ的关系，并画出关系曲线。
工程光学图文 (4)
第4章 平面与平面系统
图4－1 平面镜实物成虚像
第4章 平面与平面系统
根据反射定律AON BON ，可得AP AP ， 且均垂直于平面镜PP ，像点A 对平面镜PP 而言和物点 对称，因光线AO 是任意的，所以由A 点发出的同心光束， 经平面镜反射后，成为一个以A 点为顶点的同心光束，这
就是说，平面镜能对物体成完善像。 比较图 4-1 和图 4-2 还可看到物体经平面镜后，实物
第4章 平面与平面系统
图4－7 测距机的转像光路
第4章 平面与平面系统
4.2 平行平板
由两个相互平行的折射平面构成的光学元件称为平行平 板。平行平板在光学仪器中应用很广，如标尺、分划板、补 偿板、滤光镜、保护玻璃等等。
图 4-8 给出一个厚度为d 的平行平板，设它处于空气中， 即两边的折射率都等于 1，平行平板玻璃的折射率为n 。从轴
一个二面角，这就是通常所说的双平面镜系统。
如图4－6所示，Q、R两平面镜构成一个夹角为α的双平
面镜系意一条在主截面内传播的光线经双面镜的两个
反射面反射后，入射光线与出射光线的夹角为β，下面讨论 β角与α角的关系。
第4章 平面与平面系统
图4－6 双平面镜成像
l2 l1 d l
（4－6）
而无需对平行玻璃平板逐面进行计算。因此，在进行光
学系统外形尺寸计算时，将平行玻璃平板用空气平板等效后， 光线将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，而不必考虑平行玻璃平板的存在
对光路产生的影响。
第4章 平面与平面系统
4.3 反射棱镜
第4章 平面与平面系统
图4－10（c）所示为道威棱镜，它是由直角棱镜去掉多余的 直角部分而制成的，其入射面和出射面与光轴均不垂直，但 出射光轴与入射光轴方向不变。道威棱镜的重要特性之一 是：当其绕入射光轴旋转α角时，出射光轴向同方向旋转2α 角，和平面镜旋转一样。图（c）中上图右手坐标系xyz经道 威棱镜后，x坐标由向上变为向下，y坐标和z坐标方向不变， 从而形成左手坐标系x′y′z′。当道威棱镜旋转90°后，x坐标 方向不变，y坐标由垂直纸面向外变为垂直纸 面向里，如图(c)下图所示，这时的像相对于旋转前的像转 了180°。因为道威棱镜的入射面和出射面都不与光轴垂直， 所以道威棱镜只能用于平行光路中。
工程光学答案第三版习题答案
1 / f ' (n 1)(1 2 )
f ' 1440mm
(n 1) 2 d1 2 0.69m 1 n
n 1 d1 ) 1560mm n n 1 l F f ' (1 d 2 ) 1360mm n n 1 ' lH f '( )d1 120mm n
F
H
H
'
F f
'
'
'
-f -l
x
l
∵ 系统位于空气中， f ' f
y' l ' 10 y l
由已知条件： f ' ( f ) x 1140
l ' (l ) x 7200
解得： f ' 600mm x 60mm
4、已知一个透镜把物体放大 3 投影到屏幕上，当透镜向物体移近 18mm 时，物体将被放
物像相反为虚像。
18、一直径为 400mm，折射率为 1.5 的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， 问看到的气泡在何处？如果在水中观察， 看到的气泡又在何处？ 解： 设一个气泡在中心处，另一个在第二面和中心之间。 （1）从第一面向第二面看
100mm -l 2
l '2
解得： f
'
l2 100mm 2
=1200mm，由物镜顶点到像面的距离 ，按最简单结构的
7、希望得到一个对无限远成像的长焦距物镜，焦距
L=700 mm，由系统最后一面到像平面的距离（工作距）为 薄透镜系统考虑，求系统结构，并画出光路图。 解：
工程光学第五章光学和色学基础
所以：
L
(1
)
L
n2 n2
第十六页，共七十三页。
折射光束的亮度与界面的反射比和界面两边介质 的折射率有关。
如果界面反射损失可以忽略，则：
L n2
L n2
光束经理想折射，光亮度也会产生变化。
第十七页，共七十三页。
五. 余弦辐射体
发光强度空间分布可用
下式表示的发光表面：
I I N cos
余弦辐射体在各方向的
增透膜。
第二十六页，共七十三页。
2. 介质吸收造成的光能损失 光通过厚度为l的介质后的光通量为：
0ekl 设介质的透明率为：P ekl 则： 0Pl 光通量损失： （1 Pl）0
光束通过多元件系统后的光通量：
0 P1d1 P2d2
第二十七页，共七十三页。
3. 反射面的光能损失
1 0 1 (1 )0 为反射比。
彩色和非彩色 光源色、物体色、荧光色
第二十九页，共七十三页。
第四节 颜色的分类及其表现特征 二. 颜色的表观特征
明度、色调和饱和度。
明度：明亮程度，与光亮度等有关； 色调：何种颜色； 饱和度：颜色的浓淡程度。
非彩色没有色调的区分，饱和度等于零， 只有明度的差别。
第三十页，共七十三页。
第五节 颜色混合及格拉斯曼颜色混合定律 色光混合（加混色） 色料混合（减混色）
二. 光学量
与辐射量相对应，有以下的光学量（下标V）
1.光通量，单位流明；对人眼刺激程度，（辐通量） 2.光出射度；（辐出度） 3.光照度；（辐照度） 4.发光强度；（辐强度）
5. 光亮度。（辐亮度）
发光强度的单位为坎德拉，是国际单位制七个 基本量之一，规定为：一个光源发出频率为 540*1012Hz的单色光，在一定方向的辐射强度 为：1/683W/sr, 则该方向上的发光强度为1坎。
工程光学基础教程
光学系统的空间像
光学系统的空间像
光学系统的空间像
光学系统的空间像
将物空间中的物点在同一个像平面上所成的像称为空间像。
光学系统的景深
当弥散斑直径小于人眼的鉴别能 力，实际像产生的模糊是无法辨 认的，可视为清晰像。此时，这 个弥散斑称为容许弥散圆。
在对焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆在 物空间对应的物平面之间的距离就叫景深。
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。
解决的方法：在物镜的成像面位置放置一个薄透镜。
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。
D'3
l'3 l3
D3
45 180
10
2.5mm
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
O1
F2
工程光学与技术3
★ 特性：光线以任意角度从底面入射，经三个直角面依次 反射后，出射光线始终与入射光线平行。
★ 应用：激光测距仪、用于激光谐振腔等
立方角锥棱镜
(四) 复合棱镜
1、分光棱镜
增透膜原理自学
2、分色棱镜
★特点： ★ 特点： 1）光强按比例分束； 白光被分解为红、率、蓝三色 2）两束出射光束光程相等。 ★ 应用：彩色电视摄像系统 ★应用：分束
(1).为了使棱镜和共轴球面系统组合后， 仍能保持共轴球面系统的特性，必须 对棱镜的结构提出一定的要求：
a．棱镜展开后玻璃板的两个表面 必须平行。 b．如果棱镜位于会聚光束中，则 光轴必须和棱镜的入射及出射表面 相垂直。
2. 展开方法 利用棱镜反射面的性质， 将转折的光路拉直。
即：按入射光线的顺序，以反 射面为镜面，求其对称像，并 依次画出反射棱镜的展开图。
β角与I角的大小无关，只取决于 两平面镜夹角的大小θ
当双平面镜绕棱线转动时，只要 保持θ 角不变，二次反射像是不动 的，
即出射光线的方向不变，但光线位 置要产生平行位移。
双平面镜的连续成像
★ 双平面镜的连续一次像：一致像
★ 连续一次像：物体绕棱边旋转2 角， 旋转方向从第一反射镜转向第二反射镜。
若干个反射面
★ 棱镜的棱 ★ 主截面——光轴截面 反射棱镜的主截面
（一）简单棱镜
1、一次反射棱镜
——1个主截面，并与所有工作面垂直
★ 特点：具有1个反射面，成镜像。
★ 类型1：入射面、出射面均与光轴垂直
a) 等腰直角棱镜
b) 等腰棱镜
(类似单平面镜)
例： 等腰直角棱镜
x"
y" z"
（1） 垂直于主截面的坐标方向不变； 位于主截面内的坐标改变方向。
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：(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。
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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。