应用光学5
精品课件-物理光学与应用光学_第三版(石顺祥)-第5章
(5.1-5)
在这里，仅考虑ΔBij是由外加电场引起的，它应与外加电场有关 系。一般情况下，ΔBij可以表示成
ΔBij=γijkEk+hijpqEpEq+… i, j, k, p, q=1, 2, 3 (5.1-6)
上式中，等号右边第一项描述了ΔBij与Ek呈线性关系，［γijk］ 是三阶张量，称为线性电光系数，由这一项所描述的电光效应叫 做线性电光效应， 或普克尔(Pockels)效应；等号右边第二项描 述了ΔBij与外加电场的二次关系，［hijpq］是四阶张量， 称为二 次非线性电光系数，由这一项所描述的电光效应叫作二次电光效 应，或克尔(Kerr)效应。
(5.1-8)
5
第 5 章 晶体的感应双折射 根据前面的讨论，折射率椭球的系数［Bij］实际上是晶体的相对 介电常数［εij］的逆张量，故［Bij］也是二阶对称张量，有 Bij=Bji。因而［Bij］只有六个独立分量，(5.1-8)式可简化为
B11x12 B22 x22 B33x32 2B23x2 x3 2B31x3x1 2B12 x1x2 1
9
第 5 章 晶体的感应双折射 2. 1) KDP KDP(KH2PO4,磷酸二氢钾)晶体是水溶液培养的一种人工晶体， 由于它很容易生长成大块均匀晶体，在0.2～1.5 μm波长范围内 透明度很高，且抗激光破坏阈值很高，因此在光电子技术中有广 泛的应用。它的主要缺点是易潮解。 KDP晶体是单轴晶体，属四方晶系。属于这一类型的晶体还有 ADP(磷酸二氢氨)、KD*P(磷酸二氘钾)等，它们同为42 m晶体点群， 其外形如图 5-1所示，光轴方向为x3轴方向。
E1
E2
E3
(5.1-17)
14
第 5 章 晶体的感应双折射
(完整)应用光学习题解答分解
一、填空题1、光学系统中物和像具有共轭关系的原因是 。
2、发生全反射的条件是。
3、 光学系统的三种放大率是 、 、 ，当物像空间的介质的折射率给定后,对于一对给定的共轭面，可提出 种放大率的要求。
4、 理想光学系统中，与像方焦点共轭的物点是 。
5、物镜和目镜焦距分别为mm f 2'=物和mm f 25'=目的显微镜,光学筒长△= 4mm ，则该显微镜的视放大率为 ，物镜的垂轴放大率为 ，目镜的视放大率为 。
6、 某物点发出的光经理想光学系统后对应的最后出射光束是会聚同心光束，则该物点所成的是(填“实”或“虚"）像。
7、人眼的调节包含 调节和 调节。
8、复杂光学系统中设置场镜的目的是。
9、要使公共垂面内的光线方向改变60度，则双平面镜夹角应为 30 度.10、近轴条件下，折射率为1.4的厚为14mm 的平行玻璃板,其等效空气层厚度为 10 mm 。
11、设计反射棱镜时，应使其展开后玻璃板的两个表面平行,目的是 保持系统的共轴性 。
12、有效地提高显微镜分辨率的途径是 提高数值孔径和减小波长 。
13、近轴情况下,在空气中看到水中鱼的表观深度要比实际深度 小 。
一、填空题1、光路是可逆的2、光从光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角I 0，其中，sinI 0=n 2/n 1。
3、垂轴放大率；角放大率；轴向放大率；一4、轴上无穷远的物点5、－20；－2； 106、实7、视度瞳孔8、在不影响系统光学特性的的情况下改变成像光束的位置,使后面系统的通光口径不致过大.9、3010、1011、12、13、小二、简答题1、什么是共轴光学系统、光学系统物空间、像空间？答:光学系统以一条公共轴线通过系统各表面的曲率中心，该轴线称为光轴，这样的系统称为共轴光学系统.物体所在的空间称为物空间，像所在的空间称为像空间.2、如何确定光学系统的视场光阑？答：将系统中除孔径光阑以外的所有光阑对其前面所有的光学零件成像到物空间。
应用光学（applied5
应用光学（applied51、光阑（stop ）：中心在光轴上，垂于光轴放置的开孔屏。
An opening aperture whose center is at the optic axis.2、分类：孔径光阑（aperture stop ）和视场光阑（field stop ）：用于限制光学系统中的光束。
（limit the imaging rays in system.）1）孔径光阑：用于限制轴上物点入射光束大小的光阑定义为孔径光阑。
（the opening inan optical system that limits the amount of light that can be collected . ）入瞳：孔径光阑通过它前方的光学系统所成的像。
（从物空间看）Entrance pupil:the aperture stop’s image formed by its front optical system.出瞳：孔径光阑经由它后方的光学系统所成的像。
（从像空间看）Exit pupil: the aperture stop’s image formed by its back optica l system. Or the aperture stop ’s image in the image space.性质：入瞳、孔径光阑、出瞳三者之间两两共轭。
意义：轴上物点A 发出的光束，先被入瞳限制，然后充满整个孔径光阑，最后从出瞳边缘出射，会聚到像点A ’。
在一个系统中，孔径光阑不是绝对的，而是事物的相对位置。
The location of the aperture stop is determined by optical structure of the system and the location of the object.主光线（chief ray ）：由轴外一物点发出，并通过孔径光阑中心的光线。
应用光学复习提纲-超详细
《应用光学》总复习提纲第一章★1、光的反射定律、折射定律I1 = R1；n1sinI1=n2sinI22、绝对折射率介质对真空的折射率。
通常把空气的绝对折射率取作1，而把介质对空气的折射率作为“绝对折射率”。
★3、光路可逆定理假定某一条光线，沿着一定的路线，由A传播到B。
反过来，如果在B点沿着相反的方向投射一条光线，则此反向光线仍沿原路返回，从B传播到A。
★4、全反射光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射与反射。
但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，没有折射光产生，这种现象称为光的全反射现象。
发生全反射的条件可归结为:（1）光线从光密介质射向光疏介质；（2）入射角大于临界角。
(什么是临界角？)★5、正、负透镜的形状及其作用正透镜：中心比边缘厚度大，起会聚作用。
负透镜：中心比边缘厚度小，起发散作用。
★7、物、像共轭对于某一光学系统来说，某一位置上的物会在一个相应的位置成一个清晰的像，物与像是一一对应的，这种关系称为物与像的共轭。
例1：一束光由玻璃（n=1.5）进入水中(n=l.33)，若以45°角入射，试求折射角。
解：n1sinI1=n2sinI2n1=1.5; n2=l.33; I1=45°代入上式得I2=52.6°折射角为52.6°第二章★1、符号规则；2、大L公式和小l公式★3、单个折射球面物像位置公式例：一凹球面反射镜浸没在水中，物在镜前300mm 处，像在镜前90mm 处，求球面反射镜的曲率半径。
n ′l ′－n l=n ′－n r l =-300mm ，l ′=-90mm求得r=-138.46mm由公式解：由于凹球镜浸没在水中，因此有n ′=-n=n 水★4、单个球面物像大小关系例：已知一个光学系统的结构参数：r = 36.48mm ；n=1；n ′=1.5163；l = -240mm ；y=20mm ；可求出：l ′=151.838mm ，求垂轴放大率β与像的大小y ′。
应用光学课件：ch5 光学系统中成像光束的选择
望远系统成像光束选择的分析
根据 D通 2(h hz ) 公式可求出各光学零件的通光口径 如下表，这里h是轴上点边光在光学零件上的投射高。 表中棱镜通光口径的值是估算的。
望远系统成像光束选择的分析
满足出曈距的要求，且使得物镜尺寸最小的光阑的位置为 （2），即将物镜框作为系统孔径光阑。
还要考虑光阑位置对轴外点成像光束的选择。为图示清晰， 只画出三种情况时的入瞳位置。
y y'
例如：一个40x的显微物镜的最大线视场为0.5mm。
显微系统光束限制的分析
➢ 成像光束的大小
• 望远系统中，用入曈或出曈口径表示。 • 显微系统中，一般用数值孔径表示。
数值孔径（NA）：显微镜物方孔径角和折射率的乘积。
NA nu D' 500
例如：一个目镜15x，物镜3x的显微系统，其物镜的 NA取为0.1。
y' f '物 tg 8mm
分划板限制了系统视场，它就是系统的视场光阑。
望远系统成像光束选择的分析
4. 出曈距：出曈与目镜最后一面之间的距离称为出瞳 距，用 lz’ 表示。 望远系统作为目视光学系统，要求满足出瞳在目镜 之外的要求。所以，孔径光阑要放在分划板以左的 地方。 假定孔径光阑分别安放在如下三个地方，通 过分析比较三组像方数据来确定孔径光阑的位置： 1）物镜左侧10mm （2）物镜上 3）物镜右侧10mm
5-3 显微系统的光束限制
一般的显微镜由物镜和目镜所组成，其光束限制：
孔径光阑：物镜框 视场光阑：目镜物方焦面上的圆孔光阑或分划板框
’ -
显微系统光束限制的分析
➢ 视场
• 望远系统中，成像范围用视场角表示。 • 显微系统中，直接用成像物体的最大尺寸表示。
应用光学各章知识点归纳
第一章 几何光学基本定律与成像概念波面：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。
光的传播即为光波波阵面的传播，与波面对应的法线束就是光束。
波前：某一瞬间波动所到达的位置。
光线的四个传播定律：1）直线传播定律：在各向同性的均匀透明介质中，光沿直线传播，相关自然现象有：日月食，小孔成像等。
2）独立传播定律：从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响，各光线独立传播。
3）反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内，入射光线和反射光线在法线的两侧，反射角等于入射角。
4）折射定律：入射光线、法线和折射光线在同一平面内；入射光线和折射光线在法线的两侧，入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率之比，即nn I I ''sin sin = 光路可逆：光沿着原来的反射（折射）光线的方向射到媒质表面，必定会逆着原来的入射方向反射（折射）出媒质的性质。
光程：光在介质中传播的几何路程S 和介质折射率n 的乘积。
各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。
各向异性介质：单晶体（双折射现象）马吕斯定律：光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。
费马原理：光总是沿光程为极小，极大，或常量的路径传播。
全反射临界角：12arcsinn n C = 全反射条件：1）光线从光密介质向光疏介质入射。
2）入射角大于临界角。
共轴光学系统：光学系统中各个光学元件表面曲率中心在一条直线上。
物点/像点：物/像光束的交点。
实物/实像点：实际光线的汇聚点。
虚物/虚像点：由光线延长线构成的成像点。
共轭：物经过光学系统后与像的对应关系。
（A ，A’的对称性）完善成像：任何一个物点发出的全部光线，通过光学系统后，仍然聚交于同一点。
每一个物点都对应唯一的像点。
理想成像条件：物点和像点之间所有光线为等光程。
应用光学第五章光度学
光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播中的任 一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的亮度
d1 d2
L1 L2
折射情形 dA位于n1介质内。入射光束的光亮度L1，在O点附近 取一微元dA，则过dA输出的光通量：
d1 L1dAcos I1d1 L1dAcos I1 sin I1dI1d
Ω
r dΦ
光出射度－光源上不同位置的发光特性
• 用单位面积所发射的光通量描写光源上某点的发光本领 • M＝dΦ/ds，面光源上A附近的面积元ds辐射的光通量 • 单位：勒克斯，1lx=1lm/m2 dΦ A ds
透射面或反射面接受光通量，又可作为二次光源发出光 通量。M= ρE，ρ为透射率或反射率，与波长有关，因而物体呈 现彩色 。 对所有波长ρ 趋于0的物体，黑体
n1 sin I1 n2 sin I 2 n1 cos I1dI1 n2 cos I 2 dI2
L2 n 2 2 L1 n1
2
L2 L1 2 2 n2 n1
当光线处于同一介质，同前L2＝L1
反射情形，L2＝L1 综上，光束在均匀介质中传播，或在两种介质分界面 上的反射时的光亮度变化，都看成折射时的特例
dΦ=683VλdΦe=683×0.24×10×10-3=1.6152流明
d Ω=πθ2=3.14× (10-3)2 L=dΦ/（ds· dΩ)=6.553×107st L太阳＝1.5×105st LHe-Ne=440L太阳 “勿对着眼睛照射” “激光致盲武器”
§5.2朗伯余弦定律及朗伯源
发光强度空间分布可用式Iθ＝ INcosθ表示的的发光表面 只有绝对黑体是理想的余弦 辐射体，具有粗糙表面的发 光体与余弦发光体接近 对朗伯源，发光强度向量Iθ端 点轨迹是一个与发光面相切 的球面 余弦辐射体在和法线成任意 I I cos I L n n Const dA cos dA cos dA 角度方向的光亮度 朗伯源的光亮度Lθ与方向无关，只是I随θ变化而变化
(应用光学)第五章-光学系统中成像光束的选择
5 光学系统中成像光束的选择
★ 视场光阑设在中间像的平面上， 其在物、像方的共轭分别落在物、像平面上。
例： 望远镜 显微镜
3. 入射窗与出射窗 ★入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间） ★出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间） 视场光阑、入射窗与出射窗三者互为共轭关系。
c. 孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。
应用光学（第四版）
5 光学系统中成像光束的选择
例1：已知物点A离透镜1的距离为-l1=30mm，透镜1的通光口径D1=30mm, 光孔2的直径D2=22mm，像点A’离透镜的距离l1´=60mm，透镜与光孔之间 距离为d=10mm，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。
5 光学系统中成像光束的选择
应用光学（第四版）
5 光学系统中成像光束的选择
应用光学（第四版）
5 光学系统中成像光束的选择
★ 含义2：孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像 光束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保证 轴上物点成像光束的孔径角不变。
应用光学（第四版）
5 光学系统中成像光束的选择
——随着物点离轴距离的增大，主光线会被某光阑（非孔 径光阑）边缘所遮断，使得光学系统清晰成像的物面范 围（特别是轴外物）受到限制。
应用光学（第四版）
5 光学系统中成像光束的选择
★ 视场光阑：限定光学系统成像范围的光阑。
渐晕？
以主光线刚好被视场光阑边缘遮断的轴外物点为分界： ★入射视场角：主光线入射部分与光轴的夹角ω0
解：判断孔径光阑：轴上物点的成像张角比较法
1）透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。
2）光孔2相对于前面透镜成像：
应用光学
第一章 几何光学的基本定律§ 1-1 发光点、波面、光线、光束 返回本章要点 发光点 ---- 本身发光或被照明的物点。
既无大小又无体积但能辐射能量的几何点。
对于光学系统来说， 把一个物体看成由许多物点组成，把这些物点都看成几何点 ( 发光点 ) 。
把不论多大的物体均看作许多 几何点组成。
研究每一个几何点的成像。
进而得到物体的成像规律。
当然这种点是不存在的，是简化了的概念。
一个实际的光源总有一定大小才能携带能量，但在计算时，一 个光源按其大小与作用距离相比很小便可认为是几何点。
今后如需回到光的本质的讨论将特别指出。
波面 --- 发光点在某一时刻发出的光形成波面 如果周围是各向同性均匀介质，将形成以发光点为中心的球面波或平面波 第二章 球面和球面系统§ 2-1 什么是球面系统？由球面组成的系统称为球面系统。
包括折射球面和反射球面反射面：n ' =-n.平面是半径为无穷大的球面，故讨论球面系统具有普遍意义折射系统折反系统§ 2-2 概念与符号规则•概念① 子午平面 —— 包含光轴的平面② 截距：物方截距 —— 物方光线与光轴的交点到顶点的距离像方截距 —— 像方光线与光轴的交点到顶点的距离③ 倾斜角：物方倾斜角 —— 物方光线与光轴的夹角像方倾斜角 —— 像方光线与光轴的夹角返回本章要点•符号规则返回本章要点因为分界面有左右、球面有凹凸、交点可能在光轴上或下，为使推导的公式具有普遍性，参量具有确切意 义，规定下列规则：a. 光线传播方向：从左向右b. 线段：沿轴线段 ( L,L',r ) 以顶点 O 为基准，左“ - ”右“ + ” 垂轴线段 ( h ) 以光轴为准，上“ + ”下“ - ” 间隔 d(O1O2) 以前一个面为基准，左“ - ”右“ + ” c. 角度：光轴与光线组成角度 ( U,U' ) 以光轴为起始边，以锐角方向转到光线，顺时针“ + ”逆时针“ - ”光线与法线组成角度 ( I,I' ) 以光线为起始边，以锐角方向转到法线，顺“ + ”逆“ - ”光轴与法线组成角度 ( φ ) 以光轴为起始边，以锐角方向转到法线，顺“ + ”逆“ - ”§ 2-3 折射球面返回本章要点•由折射球面的入射光线求出射光线已知： r, n, n',L, U 求： L', U'，由 以上几个公式可得出 L' 是 U 的 函数这一结论， 不同 U 的光线经 折射后不能相交于一点点－》斑，不完善成像•近轴光线经折射球面折射并成像.1 ．近轴光线：与光轴很靠近的光线，即 -U 很小 ， sin(-U) ≈ -U ，此时用小写：sin(-U)= - usinI=iL=l 返回本章要点近轴光线所在的区域叫近轴区2 ．对近轴光，已知入射光线求折射球面的出射光线：即由 l , u —> l ',u' , 以上公式组变为：当 u 改变时， l ' 不变！点 —— 》点，完善成像 此时 A ， A' 互为物像，称共轭点近轴光所成像称为高斯像，仅考虑近轴光的光学叫高斯光学返回本章要点近轴光线经折射球面计算的其他形式（为计算方便，根据不同情况可使用不同公式）利用：可导出返回本章要点4 ．（近轴区）折射球面的光焦度，焦点和焦距可见，当（ n'-n )/r 一定时， l ' 仅与 l 有关。
应用光学_国防科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
应用光学_国防科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.波长一定，提高照相机分辨率的方法有：答案:增大照相机镜头的相对孔径2.轴上单色像差有：答案:球差3.关于平面镜和棱镜系统，下面说法错误的是：答案:屋脊棱镜的作用是变相似像为镜像；4.关于屋脊棱镜，下面说法正确的是：答案:屋脊棱镜的展开是沿着屋脊棱展开；_屋脊棱镜的主截面是由光轴与屋脊棱决定的面；_屋脊棱镜的作用是变镜像为相似像；5.远点与视网膜共轭，下面说法错误的是：答案:近视眼的远点在眼睛后方有限远处；_远视眼的远点在眼睛前方有限远处；6.关于目视光学仪器，下面说法正确的是：答案:放大镜的焦距越短，其视放大率越大；_双目观察仪器的基线越长，其体视放大率越大；_显微镜有两级放大，物镜放大物体成像尺寸，目镜放大视角；_望远镜的垂轴放大率、轴向放大率和角放大率只与物镜焦距和目镜焦距有关，与共轭面的位置无关；7.增大显微镜数值孔径的方法有：答案:增大物方孔径角_增大物方折射率8.一个物方、像方折射率相同的折射光学系统对实物成像时，其垂轴放大率【图片】，则下面正确的是：答案:成倒立缩小的实像；9.有一无限远物点，经某一理想光学系统成像，则正确的陈述是：答案:其像点必在理想光学系统的像方焦平面上；10.教室使用的教学投影仪，为了消除渐晕现象，通常将视场光阑设在：答案:接收屏处11.几何光学中，光学系统成理想像（或称完善像）应满足下列条件之一：答案:物点和像点之间任意两条光路的光程相等；_入射光束是同心光束时，出射光束也是同心光束；_入射波面是球面波时，出射波面也是球面波；12.下面关于物像及其相关概念的正确陈述是：答案:可以用屏直接接收的物（像）即为实物（像），不能用屏直接接收的物（像）即为虚物（像）；_实物、虚像对应发散同心光束，虚物、实像对应会聚同心光束；。
应用光学课件
应用光学讲稿
§5-2 望远系统中成像光束的选择 一、双目望远镜
1、光学系统图 、 视放大率： 视放大率： Г=6 成像范围（视场角）：2ω=8°30’ 成像范围（视场角）：2 =8° ）： 出瞳直径： 出瞳直径： 出瞳距离： 出瞳距离： 物镜焦距： 物镜焦距： 目镜焦距： 目镜焦距： D´=5mm l´z≥11mm f´物=108mm f´目=18mm
10 （1） tg ω = ，所以 240
（2）
1 ω = arctg 即为物方视角。 24
1 ω ′ = arctg 即为像方视角。 3
10 tg ω ′ = ，所以 30
（3）出瞳是孔径光阑在系统像空间所成的像，对目镜来说：
l = −240 mm − 30 mm = − 270 mm
应用光学讲稿
出瞳：是光能最集中的地方， 出瞳：是光能最集中的地方，为了看清整个视场 眼睛的瞳孔应该和出瞳重合。 ，眼睛的瞳孔应该和出瞳重合。 对出瞳距离必须有一定的要求，一般仪器大于6毫米， 对出瞳距离必须有一定的要求，一般仪器大于 毫米， 毫米 对于军用仪器，要大一些，可能大于20毫米 毫米。 对于军用仪器，要大一些，可能大于 毫米。 出瞳直径的大小，直接与像的亮暗有关 出瞳直径的大小， 问题：是否出瞳直径越大越好，出瞳距离越长越好？ 问题：是否出瞳直径越大越好，出瞳距离越长越好？
应用光学讲稿
二 光阑概念 1、孔径光阑（Aperture Stop） 、孔径光阑（ ） 光束口径的光阑 2、视场光阑（Field Stop） 、视场光阑（ ） 限制成像范围的光阑 底片框 3、消杂光光阑（False 、消杂光光阑（ Light Stop） ）
应用光学实验 实验五 望远镜光学特性参数测量
3．望远镜的视场
望远镜的视场是指人眼通过该仪器所能 见到的物空间的最大范围。
用所能见到的物空间最大范围的边缘向 入瞳中心所引的张角的角度值来表示望 远镜的物方视场
象方视场用象空间的边缘向出瞳中心所 引的张角的角度值来表示
三、实验仪器设备
导轨，被测望远镜，支架，测量显微镜， 标准光阑，平行光管，视场仪，游标卡 尺
1-物镜 2-物镜框(孔径光阑、入瞳) 3-分划板 4-分划板框(视场光阑) 5-
目镜 6-目镜框 7-出瞳
望远镜的光路示意图
1．望远镜的出瞳直径和出瞳距离
几何光学中，把限制轴上点光束孔径的 光阑称为孔径光阑；把限制光学仪器所 能观察到的视场大小的光阑称为视场光 阑。把孔径光阑经过它的前方所有的光 学系统部分所成的象称为入瞳，把孔径 光阑经过它的后方所有的光学系统部分 所成的象称为出瞳
应用光学实验 实验五 望远镜光学特性参数测量
一、实验目的
1．深入了解望远镜的结构。 2．深入了解望远镜的各种光学特性。 3．掌握望远镜的出瞳直径、出瞳距离、放大
率、视场等光学特性参量的基本测量方法。
1. 二、实验原理
1. 望远镜的主要光学特性参数有： 2. 出瞳直径 3. 出瞳距离 4. 放大率 率
用标准光阑和测量显微镜测量望远镜扩大 1-平行光管 2-被测望远镜 3-测量显微镜
a a
测量望远镜的视场
a）原理结构图 1-视场仪 2-被测望远镜
b）视场仪分划板的一部分图形
五、测量数据记录和处理
根据实验指导书的表格来进行测量数据记 录和处理
六、思考题
1．用望远镜观察具有等间距标记的目标时， 能否直接知道望远镜的放大率？
2．为什么说望远镜的放大率与物体的位置无 关？
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物象都有虚实之分： 实物— 物方实际光线直接相交而成的点。 虚物— 物方实际光线不能相交，延长线相交而成的点。 实象— 象方实际光线直接相交的点。 虚象— 象方实际光线不能直接相交，反向延长相交。 物空间— 构成物的光线所处的空间。（实物、虚物） 象空间— 构成象的光线所处的空间。（实象、虚象）
由一点A发出的光线经过光学系统后聚交或近似的聚 交在一点A′，则A为物点， A′为物点A通过光学系统 所成的像点。物与象之间的对应关系称为“共轭”。
一个物点，总是发出同心光束，与球面波相对应； 一个像点，理想情况应该由球面波对应的同心光束汇交 而成，称这种像点为完善像点。
3. 成完善象的条件 发光体每一物点发出球面波，通过光学系统后仍为
1. 共轴球面系统的结构参量： 各球面半径：r1 、 r2 …… rk-1 、 rk 相邻球面顶点间隔：d1 、 d2 …… dk-1 各球面间介质折射率：n1 、 n2 …… nk-1 、 nk n 、 k+1
2. 转面公式
原则：前一折射面的象为后一面的物 ，前一面的象空间为后一面的物空间
n2 ＝ n1′， n3 ＝ n2′ …… nk ＝ nk-1′
3）在光学设计中有重要作用。为了设计出一定垂 轴倍率的光学系统，在物方参数nuy固定的条件下，常通 过改变像方孔径角u′的大小来改变y′的数值，使得y′与y 的比值满足系统设计的要求。
§ 2－3 共轴球面系统
探讨方法— 将光线的光路计算公式及放大率公式反复应 用于各个折射面，分别求出各面的u、 u′、l 、 l′、 β、α、γ、y、y′J、J′、Q、 Q′。 转面公式— 前后相邻面之间的基本量的转化关系。
反射定律可表示为 I I ''
5平面镜和棱镜(应用光学第五次课)
1 l d (1 ) n (6) 对于近轴光线，轴向位移只和 d, n 有关，与 i1 无关。
所以，物点以近轴光线入射经平行平板折射后，成象是完善 。
反射棱镜
棱镜 将两个反射面做在同一块玻璃上以代替一般的平面镜， 这类光学零件
一.反射棱镜
表面是否做处理？
说明： 使用棱镜的优点：装配方便， 零件不容易损坏，
cos I1 DG d sin I1 (1 ) n cos I1
计算轴向位移
I2 I2
D
A1
I1 U1
A
U1
A1
U2 G
F
L
I1
DG L sin I 1
cos I1 DG d sin I1 (1 ) n cos I1 cos I1 L d (1 ) n cos I1
x
当光轴反向时，反射
次数时奇数次，y, 同向
y
例：
y x z
x z
y
例：
y x z
x
y
z
450
y x z
z y
x
y x z z
y
x
z z y
x
y
x
六. 折射棱镜
1.名词 折射棱 折射角 工作面 主截面
工作面
2.主截面内的光路
用途 (1) 用于测量玻璃的折射率 (2) 起到分光的作用，制作光谱仪的原理。
(3) 平面反射镜是理想光学系统，那反射棱镜对成象质量
有影响吗？
反射棱镜对成象质量有影响的。因为它还有两个折射 面。 (3) 反射棱镜其成像特性相当于平面反射镜。 它的作用是：转折光路或者使像改变方向。 它在光路中的影响相当于一块具有相应厚度的平行平板。
应用光学课程设计实验报告
应用光学课程设计实验报告1. 实验背景应用光学是光学原理在工程和技术应用中的具体应用，例如光学成像、光学通信和激光技术等。
本实验旨在通过实际操作，加深对应用光学知识的理解，提高实验者的实践能力。
2. 实验目的1.了解光学实验仪器的使用方法。
2.掌握光学成像的基本原理。
3.学习激光技术在通信中的应用。
3. 实验内容3.1 光学成像实验使用凸透镜和凹透镜进行实验，观察不同物距和像距的关系，验证透镜成像公式。
3.2 激光通信实验设计并搭建激光通信系统，测试传输距离和传输速率，分析干扰和衰减情况。
4. 实验步骤4.1 光学成像实验1.安装凸透镜和凹透镜在光学台上。
2.调整光源位置，发出平行光束。
3.移动屏幕，观察成像情况。
4.测量物距、像距，计算倍率并与理论值比较。
4.2 激光通信实验1.搭建发射端和接收端。
2.调试激光器和接收器参数。
3.测试传输距离和传输速率。
4.分析实验结果，探讨优化方案。
5. 实验数据与分析5.1 光学成像实验数据物距（cm）像距（cm）焦距（cm）倍率20 40 30 230 10 15 2根据实验数据计算的倍率与理论值相符，说明成像实验结果正确。
5.2 激光通信实验数据传输距离：100m传输速率：10Mbps经过分析发现，传输距离过远时，信号衰减严重，需要增加中继设备进行信号放大。
6. 实验总结通过本次实验，我对应用光学的实际应用有了更深入的了解，掌握了光学成像和激光通信的基本原理和实验方法。
实验中遇到的问题和挑战也让我更加深入地理解了光学技术的重要性和难点所在。
希望在今后的学习和工作中能够更好地运用光学知识，为科学研究和工程应用提供更好的支持。
7. 参考文献1.王小明. 光学原理与技术. 北京：科学出版社，2010.2.李大伟. 激光应用技术导论. 上海：上海科技出版社，2015.。
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5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 孔径光阑及其确定方法 主光线与边光线 视场光阑 渐晕和渐晕光阑 消杂光光阑 光学不变量 景深 远心光路
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
光阑的作用：
获得一定的像面照度和分布(孔径光阑、渐晕光阑) 要有一定的成像范围(视场光阑) 具有反映物面细节的能力(孔径光阑) 对杂散光的控制(消杂散光光阑)
n(uy uy) Ж
被定义为某折射面的拉格朗日不变量它对任意多次折
射过程均保持不变。
光线从一个面过渡到下一个面的过程中 Ж 的性质
根据过渡公式，任意面的近轴边光线表示为
tk yk 1 yk uk
对近轴的主光线，有： 消去 t k 可以得到,
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
14
5.4 消杂光光阑
该光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制那些非成像物体射 来的光、光学系统各折射面反射的光和仪器壳体内壁反射的光。这些 光称为杂光。 杂光最后进入成像面，将使像面叠加一明亮背景，使像的衬度降低。 常把镜管内壁加工成内螺纹并使其发黑，用以消除杂光。 大多数装置的内壁都需要在镜筒内中放置挡板来减少杂散光。挡板 的内侧边缘必须尖锐，而其表面必须粗糙和黑化。
1
5.1 孔径光阑及其确定方法
一、孔径光阑
孔径光阑是限制轴上物点光束大小的光孔，也称为“有效光阑”。
入射窗
P1
P1
Q2
P1
视场光阑 出射窗
B
A
Q 1
Q1
O2
U
P
O1
P
P
U
A
B
Q2
P2
Hale Waihona Puke P2 出射光瞳孔径光阑
P2
入射光瞳
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
当k=1时，上式变成：
(2)
(u1 y1 u1 y1 ) n1 (u1 y2 u1 y2 ) Ж n1
上式重写为，即
(u1 y1 u1 y1 ) n1 (u1 y1 u1 y1 ) Ж = n1
若我们将(2)式的右边改写为：
(u1 y1 u1 y1 ) n2 (u2 y2 u2 y2 ) Ж n1
入瞳通过整个光学系统所成的像就是出瞳，二者对整个光学系统是
共轭的。如孔径光阑的后面已无成像光学零件，它本身就为出瞳；反 之，其前面无成像光学零件，它就是入瞳。 孔径光阑位置的合理选择可以改善轴外点成像光束的质量。
2
二、孔径光阑的确定方法
P 1
P 1
O2
A
U
O1
P
P2
O2
F2
P'
P2
y h光瞳 y 0
光瞳 边光线 主光线
O
(a) 边光线确定像的位置， 主光线确定像的大小
z
(b)主光线确定光阑（瞳）的位置， 边光线确定光阑（瞳）的大小
z
图5.2.2 主光线和边光线的性质
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
当边光线与光轴相交于一点时，像的位置和像平面就被确定，并 且物体所成的像的大小就被主光线在这像平面上的高度所确定。 同理，当主光线与光轴相交于一点时，孔径光阑或光瞳面所在的 位置就被确定，并且孔径光阑或光瞳的半径被边光线在这些平面上 的高度所确定。
消杂光光阑
B'
A
O2
O1
A'
B
孔 径 光 阑
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
渐 晕 光 阑
视 场 光 阑
导致产生渐晕的光阑称为“渐晕光阑”，渐晕光阑多为透镜框。 渐晕光阑的作用是限制轴外点成像光束的大小，以改善轴外物点成 像质量及减小仪器的径向尺寸 。
11
(续：)
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
—简称光学系统的 拉赫不变量。
19
(续：)
例：用拉赫不变量计算像的高度
h h n u 1.0 0.025 m k k 1 1 uk 1.0 (0.0999617) h1 10 nk
与光线追迹得到的高度一致（见表2.3-2）。 2.共轴球面系统的拉赫不变量 对每一个面都可以写出其拉赫不变量，即
图中，轴外视场点发出的光束被某些光学元件框所遮栏而发生了 渐晕，从而使像面边缘的光照度产生了下降。
12
二、入射窗和物平面不重合产生渐晕
物 平 面 入 射 窗
Q1
入射光瞳
A
P 1
Q
P 1
P
P1
P 1
B1
B2
P
P 2
P
P 2
P
P 2
Q2
P 2
a)
B3
b)
c)
图5.3-2 入射窗与物平面不重合产生渐晕
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
线渐晕系数K是轴外物点与轴上物点在出瞳面上光束宽度之比。
以B1A为半径的圆形区，K为100%； B1B2绕光轴一周所形成的环形区域，K由100％到50％渐变； B2B3绕光轴一周所形成的环形区域，K由50％降低到零。
13
(续：)
例：入射窗和物平面不重合(P103)
n1
边 近轴
n1
光线
u1
h
y1
u1
h
u1
y1
u1
近轴主光线
图5.5.1 拉格朗日不变量
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
u1 n1u1 y1C1 (n1 n1 ) 对第一个折射面，近轴边光线满足： n1
u1 n1u1 y1C1 (n1 n1 ) 近轴主光线满足： n1
n1 ) ，可以得到：(n1u1 n1 u1 ) y1 (n1u1 n1 u1 ) y1 以上两式消去 C1 (n1
16
( 续 1 ：)
或者
(u1 y1 u1 y1 ) Ж n1 (u1 y1 u1 y1 ) n1
(1)
等式左边的折射率和角度量对应于折射前（物空间）的相关参量，等式 右边表示折射后（像空间）的对应参量 。
视场光阑通常设置在系统的实像平面或物平面，其形状根据系统的 要求为圆形(如显微，望远等系统)或方形、矩形(如照相系统)等形状。
9
(续：)
视场也可用角度来量度，称为视场角。物方视场角为2ω，像方视
场角为2ω′，它们分别为物、像方线视场上下边缘的主光线之间的
夹角。 视场可以用长度来量度，称为线视场，2h、2h 表示。 确定视场边缘点和视场光阑的方法： (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。
n2 (u2 y2 u2 y2 ) 就是关于第二面的光学不变量。
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
Ж 保持不变，两表面间的空间 Ж也 具有不变性，因此我们说拉格朗日不变量 Ж 是一个传递不变量。
表明光线从一面过渡到下一个面
18
二、 拉格朗日—赫姆霍兹不变量
1.光学系统的拉赫不变量 边光线与轴外点主光线的数据分别为
(2) 计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小(入瞳中心位置 )。入
射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角2ω，出射窗边缘对出瞳中 心的张角为像方视场角2ω。 视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
10
5.3 渐晕与渐晕光阑
一、通过渐晕光阑产生渐晕
轴上物点由于孔径光阑限制，以孔径角2U成像。若轴外物点充满孔 径光阑的光束被部分地拦截，称为“渐晕”，此时轴外点成像光束的 孔径角减小。
首先，将系统中所有光学零件的光孔，分别通过前面的光学零件成
像到整个系统的物空间。
第二步，由轴上点A，对各个像的边缘引直线，计算各直线与光轴夹 角的大小。 孔径光阑的性质
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的。 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。
由拉格朗日不变量 Ж = n(uy uy) ，得像方
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
(uk yk uk yk ) nk uk hk nk uk (0) nk uk hk Ж = nk
根据光学系统拉格朗日不变量的性质，有
uk hk Ж n1u1h1 nk
6
入瞳位置和大小的确定
Credit to Pro. Jim Schweigerlin
图中，出射边光线(蓝色)与光轴相交于一点，交点就是轴上物点的 像，过该交点的平面就是像平面。轴外物点出射主光线(蓝色)在该像 平面上的交点到光轴的距离就是像的大小。 图中，轴外物点入射主光线的延长线(红色)与光轴相交于一点，过 交点所作的平面就是入瞳面(箭头所指)，而入射边光线的延长线(红 色)在入瞳面上形成的交点到光轴的距离就确定了入瞳半径。
B 1
边界线 探测器
2
3 A
垫圈、打磨或 内表面刻划螺纹、 黑色染料、喷砂、 绒布的使用均是 一种消除杂光的 有效方法。
D
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
1 A' B'
2 C
3
图5.4.1 消杂光挡板的设置方法
15
5.5 光学不变量
一、 光学不变量的定义
光学不变量或拉格朗日不变量，对给定的光学系统它是不变量之一， 在光学设计中具有十分重要的作用。
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7
出瞳位置和大小的确定
Credit to Pro. Jim Schweigerlin
图中，轴外物点出射主光线的反向延长线(红色)与光轴相交于一点， 过交点所作的平面就是出瞳面(箭头所指)，而轴上点出射边光线的反