第三章光学性能
材料性能学名词解释
一、名词解释第一章力学1.真实应变一根长度为L 的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε = ，为真实应变。
2.名义应变一根长度为L 的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε=L –L /L =△L/L , ε为名义应变。
3.弹性模量材料在阶段，其和应变成线性关系（即符合），其称为弹性模量。
对各向同性体为一常数。
是原子间结合强度的一个标志。
4.弹性柔顺系数弹性体在单位应力下所发生的应变，是弹性体柔性的千种量度。
S =-μ/E ,其下标十位数为应变方向，个位数为所受应力的方向。
5.材料的蠕变对粘弹性体施加恒定应力σ时，其应变随时间而增加。
6.材料的弛豫对粘弹性体施加恒定应变ε时，则应力将随时间而减小。
7.位错增殖系数 n个位错通过试样边界时引起位错增殖，使通过边界的位错数增加到nc个，c即为位错增殖系数。
8.滞弹性一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性。
9.粘弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性，即弹性形变的产生与消除需要有限时间。
10.粘性系数(粘度) 单位接触面积、单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。
单位Pa·S. 是流体抵抗流动的量度。
11.脆性断裂构件未经明显的变形而发生的断裂。
断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。
在外力作用下，任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大超过材料的临界拉应力值时，会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。
与此同时，外力引起的平均剪应力尚小于临界值，不足以产生明显的塑性变形或粘性流动。
12.裂纹亚临界生长裂纹在使用应力下，随时间的推移而缓慢扩展。
其结果是裂纹尺寸逐渐加大，一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。
13.材料的理论结合强度根据Orowan提出的原子间约束力随原子间的距离x的变化曲线（正弦曲线），得到σ=σ×sin2πx/λ，σ为理论结合强度。
单位面积的原子平面分开所作的功应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能，材料才能断裂，根据公式得出σ = Eγ/a 。
摄像机镜头光学性能的研究与优化
摄像机镜头光学性能的研究与优化第一章：引言随着科技的不断进步，摄像机的应用也越来越广泛。
在日常生活中，摄像机可以用于电影制作、家庭摄影、监控等各种领域。
然而，不同场合的摄像机对于镜头光学性能的要求也不尽相同。
因此，研究和优化摄像机镜头的光学性能成为了一个重要的问题。
在本文中，我们将就摄像机镜头光学性能的研究与优化作一系列阐述。
第二章将介绍摄像机镜头的基本结构和光学性能参数。
第三章将分析影响摄像机镜头光学性能的主要因素。
第四章将针对这些因素提出一些优化策略和方法。
最后，我们将总结本文的主要内容。
第二章：摄像机镜头的基本结构和光学性能参数摄像机镜头通常由若干个透镜组成，透镜的种类和数量视具体应用而定。
透镜在光线传输中起着折射、散射等重要作用。
因此，为了评估一个摄像机镜头的光学性能，我们需要考虑不同参数之间的相互关系。
常见的摄像机镜头光学性能参数包括焦距、光圈、视角、变形、畸变和色差等。
其中，焦距用于衡量透镜的聚焦能力，光圈用于表示镜头的最大光通量，视角则表示摄像机能够拍摄到的角度范围。
变形和畸变是典型的镜头失真现象，影响图像的质量，而色差则是不同色光通过透镜后折射角度不同而产生的现象。
第三章：影响摄像机镜头光学性能的因素摄像机镜头的光学性能不仅受镜头自身结构参数的影响，还受到多种因素的制约。
以下是影响摄像机镜头光学性能的主要因素：1.透镜材料。
透镜材料对光线的折射、散射等都有相应影响，例如晶体玻璃的色散率比亚硝酸乙酯高得多，因此在设计镜头时需要对透镜材料做出选择。
2.透镜的制造工艺。
不同的制造工艺会对透镜的形状和光学性能产生影响，比如磨镜工艺和光学玻璃成型工艺。
3.透镜组的数量。
透镜组数量会直接影响镜头光学系统的复杂度和效果。
4.光学公差。
在透镜制造的过程中，由于各种因素的影响，透镜参数可能存在一定误差，这就要求镜头设计时需要充分考虑公差的影响。
5.机械结构。
机械结构的设计也会对镜头的光学性能产生影响，如排列方式、横轴、纵轴的偏差等。
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
畸变
畸变
畸变是目视光学系统成像的一种 失真现象，表现为图像的几何形 状发生变化。畸变分为桶形畸变
和枕形畸变两种类型。
畸变的测量
畸变的测量通常采用畸变系数， 即实际图像与理想图像的几何形 状差异的比例。畸变系数越大，
畸变越严重。
畸变的影响因素
影响畸变的因素包括光学系统的 设计、镜片质量、制造误差等。
望远镜
用于观察远距离物体的目 视光学系统，通常具有较 大的视场和较长的焦距。
摄影镜头
用于拍摄照片的目视光学 系统，通常具有较高的成 像质量。
目视光学系统的基本参数
焦距
目视光学系统的焦距是指 物镜与目镜之间的距离， 决定了系统的放大倍数和 观察距离。
视场
目视光学系统的视场是指 物镜所能够覆盖的视野范 围，决定了观察者能够看 到的物体范围。
眼镜广泛应用于人们的日常生活和工 作，是矫正视力缺陷、保护眼睛健康 的重要工具。
摄影镜头
摄影镜头是一种将景物光线聚焦在感光材料上的目视光学仪器，能够将景物拍摄 成照片。
摄影镜头广泛应用于新闻报道、广告、电影和摄影等领域，为人们提供了记录和 分享美好瞬间的工具。
04
目视光学系统的性能评价
分辨率
分辨率
对比度
对比度
对比度是衡量目视光学系统区分 明暗变化的能力的指标。对比度 越高，光学系统呈现的图像明暗
差异越大，细节越丰富。
对比度的公式
对比度通常用公式表示为"明暗区 域的亮度比值"。比值越大，对比 度越高。
对比度的影响因素
影响对比度的因素包括光学系统的 透过率、反射率、像差等。优化这 些因素可以提高光学系统的对比度。
分辨率
目视光学系统的分辨率是 指系统能够分辨的最小细 节程度，通常以线对数表 示。
材料物理性能-复习资料
第二章材料热学性能热容：热容是分子或原子热运动能量随温度而变化物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加能量。
不同温度下，物体热容不一定一样，所以在温度T时物体热容为：物理意义：吸收热量用来使点阵振动能量升高，改变点阵运动状态，或者还有可能产生对外做功；或加剧电子运动。
晶态固体热容经历定律：一是元素热容定律—杜隆-珀替定律：恒压下元素原子热容为25J/〔K•mol〕；二是化合物热容定律—奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之与。
不同材料热容：1.金属材料热容：由点阵振动与自由电子运动两局部组成，即式中与分别代表点阵振动与自由电子运动热容；α与γ分别为点阵振动与自由电子运动热容系数。
合金摩尔热容等于组成各元素原子热容与其质量百分比乘积之与，符合奈曼-柯普定律：式中，n i与c i分别为合金相中元素i原子数、摩尔热容。
2.无机材料热容：〔1〕对于绝大多数氧化物、碳化物，热容都是从低温时一个低数值增加到1273K 左右近似于25J/(K·mol)数值。
温度进一步增加，热容根本无变化。
〔也即它们符合热容定律〕〔2〕对材料构造不敏感，但单位体积热容却与气孔率有关。
气孔率越高，热容越小。
相变可分为一级相变与二级相变。
一级相变：体积发生突变，有相变潜热，例如，铁a-r转变、珠光体相变、马氏体转变等；二级相变：无体积发生突变、无相变潜热，它在一定温度范围逐步完成。
例如，铁磁顺磁转变、有序-无序转变等，它们焓无突变，仅在靠近转变点狭窄温度区间内有明显增大，导致热容急剧增大，达转变点时，焓达最大值。
3.高分子材料热容：高聚物多为局部结晶或无定形构造，热容不一定符合理论式。
一般，高聚物比热容比金属与无机材料大，高分子材料比热容由化学构造决定，它存在链段、链节、侧基等，当温度升高时，链段振动加剧，而高聚物是长链，使之改变运动状态较困难，因而，需提供更多能量。
传导机制〔1〕金属中热传导是以自由电子导热为主，合金热传导以自由电子导热与声子导热为主；金属材料热导率很大。
工程光学第三章
此性质可用于棱镜转像（降低安装要求）
证明：
从△O1O2M得：（不考虑符号）
2I1＝2I2＋β β＝2（I1－I2）
从△O1O2N得：
I1－I2＝α ∴β＝2α（与I1无关）
N
M
2、成一致像：右→左→右
Q
O1
I2
P
I2
A I1 I1
R
O2 Q1
图3-5 双平面镜对光线的变换
第二节 平行平板
棱镜的结构参数 在光路计算中，常要求出棱镜光轴长 度，即棱镜等效平板厚度L。设棱镜的口径为D，则棱镜 光轴长度L与口径D之间关系为：L＝KD 式中K取决于棱 镜的结构形式，与棱镜的大小无关，因此称为棱镜的结 构参数。
（二）几种典型棱镜的展开
１、直角棱镜
２、道威棱镜 ３、五角棱镜
４、等腰棱镜
５、半五角棱镜 ６、斯密特棱镜
Q
O1 B
P
R O2
A
图3-9 反射棱镜的主截面
一、反射棱镜的类型：
反射棱镜种类繁多，形状名异，大体上可分为简单 棱镜、屋脊棱镜、立方角锥棱镜和复合棱镜四类，下面 分别予以介绍。
（一）简单棱镜：
简单棱镜只有一个主截面，它所有的工作面都与主截 面垂直。根据反射面数的不同，又分为一次反射棱镜、二 次反射棱镜和三次反射棱镜。
第三章 平面与平面系统
平面光学元件的分类： 平面反射镜、平行平板、反射棱镜、折射棱镜、光楔。
平面光学元件的作用： 转像、光路转折、产生色散（用于光谱分析）等。
第一节 平面镜成像
一、单平面镜的成像特性：
1. 物、像大小相等，
位置对称于镜面，
成完善像。
l l, 1
天文地理百科上-第三章
第三章天文必备：天文望远镜【天文望远镜】【工作原理】天文望远镜是一种令人惊奇的仪器，它可以使远处的目标看起来很近。
为了更好地理解天文望远镜的工作原理，我们先考虑一下这样一个问题：为什么用裸眼看不到远方的目标呢？例如，为什么用裸眼看不到50米处的硬币呢？答案很简单：因为远方的目标在视网膜上的呈像没有占据足够的位置。
如果您有一双很大的眼睛，可以聚集到更多由远方目标发出的光并且在您的视网膜上形成明亮的像，那么，您就可以看到这个目标。
望远镜的两个光学件就可以帮助您将这一假设变为现实：物镜，它可以把远方目标发出的光会聚到焦点上（在焦点上呈像）；目镜，它把物镜焦点上的像放大，使之在您的视网膜上呈像。
这和放大镜的原理一样，它把小的物体放大后在您的视网膜上呈像，这样小的物体看起来就变大了。
天文望远镜的主要部件是：主镜筒、物镜、目镜。
主镜筒的作用是：固定物镜，使之与目镜保持恰当的距离；阻止灰尘、湿气和干扰像质的杂光。
物镜的作用是聚光和在焦点处呈像。
目镜的作用是把物镜焦点处的像放大后在您的视网膜上呈像。
【种类】按照光学结构的不同天文望远镜可分为许多不同的种类，但比较常用的是两种：折射式天文望远镜（用光学透镜做物镜）和反射式天文望远镜（用曲面反光镜做物镜）。
尽管两者可以达到一样的效果，但它们的光学结构是完全不同的。
折射式天文望远镜：折射式天文望远镜通常采用两片或多片镀膜透镜组合而成的消色差物镜。
一般来讲，制作大口径（100mm以上）的组合透镜是非常困难的，所以常见的折射式天文望远镜的口径都不超过100mm。
反射式天文望远镜：反射式天文望远镜的物镜是一曲面反射镜（主镜）。
在物镜的光路上放置了一个呈45度倾斜的小平面反光镜（副镜）以把物镜反射的光线转向镜筒一侧的目镜。
反射式天文望远镜相对比较容易做到大的通光口径。
这就意味着反射式天文望远镜可以有很强的聚光能力，可以用以观测昏暗的深空目标，以及用以天文拍照。
【光学性能】天文观测者应根据观测目的的不同来选用不同的天文望远镜。
光学教程 第三章
P'
− s'
o
PO = − s PA = l
P' O = − s' AP' = l '
ϕ：半径AC与主轴的夹角
光程PAP′ 为：
∆ PAP ' = nl + nl '
Q cos ϕ = − cos(π − ϕ )
PC = (− s ) − (−r ) = r − s
CP ' = (−r ) − (− s ' ) = s '− r
1. 单心（同心）光束：凡是具有单个顶点的光束
S 发散的同心光束
S 会聚的同心光束 光束的心在无穷远
二. 物和像
1. 物点： 入射到光学系统的单心光束的顶点（P） (1) 实物点：发散的入射单心光束的顶点（P）-----实物 (2) 虚物点：会聚的入射单心光束的顶点（P）-----虚物 2. 像点： 经光学系统出射后又汇聚的单心光束 的顶点（P′） (1) 实像点：会聚的出射单心光束的顶点（ P′ ）-----实像 (2) 虚像点：发散的出射单心光束的顶点（ P′ ）-----虚物
2. 球面的顶点、主轴、主截面
P
Ｃ
o
P'
球面的顶点：一部分球面的中心为O 主轴：连接顶点和曲率中心的直线CO 主截面：通过主轴的平面
3. 符号法则（新迪卡尔符号法则）
（１）线段的长度
纵向线段 以球面顶点O为原点，顶点右为正；左为负 横向线段 以光轴为起点，向上为正，向下为负
（2） 角度 以光轴或法线为始边，沿小于π 的方向旋 转，顺时针为正，逆时针为负．
i
P
−u
Ｃ
o
−s
P'
光学第三章几何光学
联系光与电磁波
3、λ ——光波长
是否趋近于零 区分几何光学与波动光
学 4、χ ——介质的电极化率
其对光场响应是线性与非线性区分线性 与非线性光学
费马原理
一、费马原理：光在指定的两点间传播时，
实际的光程总是一个极值。其数学表达式为：
B nds 极值（极大值、极小值或恒定值） A
射光束都是单心光束的成像。这也是我们
着重研究的情况。
3、物、像与人眼
问题：
‘
这里的像就是人眼视网膜上所成的
像吗？人眼能否区分物与像？
结论：
对人眼来所，物与像都是进入瞳孔的发
射光束的顶点。物、像、虚像人眼不能分辨。
但对于像，其光束有一定的限制，必须在特定
的范围才能观察到。
光在平面界面上的反射和折射 光学纤维 棱镜
第 三 章 几 何 光 学
三角形孔夫琅禾费衍射图像
本章内容
光线的概念 几何光学的基本定律 费马原理 光束 实象和虚像 平面反射和折射，棱镜的最小偏向角，光
学纤维 光在球面界面上的反射和折射、符号法则 近轴物点近轴光线成像的条件 薄透镜 理想光具组的基点和基面
光线的概念、几何光学的基本定律
B
或： nds 0 A
或：t 1
B
nds 0
ccA
二、几何光学的基本实验定律与费马原理
1、几何光学的基本实验定律或费马原理都可以 作为几何光学出发点，从而建立几何光学内容 体系。 2、由费马原理可以推导几何光学的基本实验 定律。 （1）、光在均匀介质中的直线传播
S
1
l = （[ - r）2 +（r - s）2 + （2 - r）( r - s）cos ] 2
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二、光的波动性
图3-1 电磁波谱
二、光的波动性
图3-2 线偏振光波中的电振 动、磁振动及光传播方向
三、光的干涉和衍射
图3-3 激光的双缝干涉实验
三、光的干涉和衍射
图3-4 激光狭缝衍射实验
四、光子的能量和动量
光子的能量和动量虽小，却不能再分割。最微弱的光源至少 发射一个光子。按照波动观点，一个点光源所发射的光波会 均匀照亮以其为中心的球面。如果在球面上安装了许多探测 器，而点光源在某一时刻只发射一个光子，那么光子将射向 哪个探测器呢?我们不能作确切的回答。但是，有一点很清楚， 即光子是不可分的。只要有一个探测器接收到光子，其他探 测器就一定没有接收到。
如果第一介质为真空，则上式可写为
sini/sinr=n2 式中n2为第一介质相对于真空的相对折 射率，或第二介质的绝对折射率，简称 折射率。
折射率n的定义： 光在真空和材料中的速度之比即为材料
的折射率。
n=v真空/v材料=c/ v材料
介质的折射率永远是大于1的正数。 如空气 n=1.003， 固体氧化物 n=1.3～2.7， 硅酸盐玻璃 n=1.5~1.9。
第三章 光 学 性 能
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
光传播的基本理论 光的反射和折射 材料对光的吸收和色散 晶体的双折射和二向色性 介质的光散射 材料的光发射 材料的受激辐射和激光
孔雀蓝色玻璃长颈瓶
神光I装置（2×1012）(1986～1994年)
新型光学和光电子器件的各种应用
&射
全反射：当光从光密介质射向光疏介质， 且入射角大于临界角时，光线被100%反 射的现象。此时不再有折射光线，入射光 的能量全部回到第一介质中。
反射率与透射率
当光线由介质1入射到介质2时，光在介 质面上分成了反射光和折射光。这种反射 和折射可以连续发生。由于反射，使得透 过部分的强度减弱。
光的连续反射和折射
光的总能量流W为：W＝W'＋W"
W、W’、W”分别为单位时间通过单位面积
的入射光，反射光和折射光的能量流。
波动理论有 WA2vS
W
方解石no=1.658，ne=1.486 刚玉no=1.760.，ne=1.768
❖材料所受的内应力
有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力 方向的n大，平行于主应力方向的n小。
❖同质异构体
在同质异构体材料中，高温时的晶型折射 率较低，低温时存在的晶型折射率高。如：
常温下的石英玻璃 n=1.46，最小 常温下的石英晶体 n=1.55，最大 高温时磷石英 n=1.47 高温时方石英 n=1.49
频率(Hz)
3.9×1014～4.8×1014 4.8×1014～5.0×1014 5.0×1014～5.4×1014 5.4×1014～6.1×1014 6.1×1014～6.4×1014 6.4×1014～6.6×1014 6.6×1014～7.5×1014
中心波长 (nm)
660 610 570 540 480 460 430
影响折射率的因素
❖构成材料元素的离子半径
一般大离子得到高折射率的材料，小离子得到低折射率的材 料，如：PbS的 n=3 . 912 SiCl4 n=1 . 412
❖材料的结构、晶型和非晶态
折射率和离子的排列密切相关 均质介质：对于非晶态（无定性体）和立方晶体各方向同性 材料，光速不因传播方向改变而变化，材料只存在一个折射率。 非均质介质：除立方晶体外的晶体，光进入后分为两相垂直 而传播速度不同的两个波，构成两条折射光线，此现象称为双折 射。平行于入射面的光线折射率称为常光折射率no，始终为一常 数，不随入射方向而改变；另一与之垂直的光线的折射率为非常 光折射率ne，随入射方向改变。 如石英no=1.543，ne=1.552
❖ 入射角、折射角、 入射束
材料的折射率、光在
材料中的传播速度有
i1
下述关系：
n1
sini1 sini2
n2 n1
n21vv12
n2 i2
折射束
材料的折射率反映了光在该材料中传 播速度的快慢。
光密介质：折射率大的介质， 光的传播速度慢；
光疏介质：折射率小的介质， 光的传播速度快。
•材料的折射率从本质上讲，反映了材 料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电 结构）在光波作用下的极化性质或介电 特性。
• 折射定律指出，折射线的方向满足：
①折射线位于入射面内，并和入射线分别处在 法线的两侧；
②对单色光而言，入射角i的正弦和折射角r的正 弦之比是一个常数，即
sini/sinr=n2/n1=n21
n21称为第二介质相对于第一介质的相对折射率。 它与光波的波长及界面两侧介质的性质有关，而 与入射角无关。
人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。
第二节 光的反射和折射
①光在均匀介质中的直线传播定律；
②光通过两种介质的分界面时的反射定律 和折射定律；
③光的独立传播定律和光路可逆性原理。 •反射定律指出，反射线的方向遵从：
①反射线和入射线位于同一平面（即入射 面）内，并分别处在法线的两侧；
②反射角等于入射角。
第一节 光传播的基本理论
一、光的波粒二象性 二、光的波动性 三、光的干涉和衍射 四、光子的能量和动量 五、光通过固体的现象
一、光的波粒二象性
因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒 子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频 率、波长等表征波动性质的物理量联系起来，并建立了定 量关系。因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊 物质，是光的双重本性的统一。
光速与真空中的电导率ε0 c 1
和导磁率μ0的关系：
00
光子（Photon）的能量 ： E h hc
光速与波长λ和 频率ν的关系：
c
可见光七彩颜色的波长和频率范围
光色 波长(nm)
红 760~622 橙 622~597 黄 597~577 绿 577~492 青 492~470 兰 470~455 紫 455~400
五、光通过固体的现象
1.电子极化 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播 过程中的每个原子发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核电荷重 心发生相对位移。 2.电子能态转变 光子被吸收和发射，都可能涉及固体材料中电子能态的转 变。
五、光通过固体的现象
图3-5 光子与固体介质的作用