工程光学郁道银二版PPT课件
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第二版工程光学第六章PPT
一、基本概念
正弦函数的级数展开为：
θ3 θ5 θ7 sin θ θ 3! 5! 7!
利用展开式中的第一项 θ 代替三角函数 sin θ ，导 出了近轴公式。用 θ 代替sin θ 时忽略了级数展开 式中的高次项，而这些高次项即是产生像差的原因 所在。 由于光学系统的成像均具有一定的孔径和视场， 因此对不同孔径的入射光线其成像的位置不同，不 同视场的入射光线其成像的倍率也不同，子物面和 弧矢面光束成像的性质也不尽相同，
一、基本概念
总之，由于实际光学系统的成像不完善，光线经光学系统 各表面传输会形成多种像差，使成像产生模糊、变形等缺陷。 因此像差就是光学系统成像不完善程度的描述。 光学系统设计的一项重要工作就是要校正这些像差，使成 像质量达到技术要求。光学系统的像差可以用几何像差来描
述，包括：
单色像差 像 差
一、基本概念
若基于波动光学理论，在近轴区内一个物点发出 的球面波经过光学系统后仍然是一球面波，由于衍 射现象的存在，一个物点的理想像是一个复杂的艾 里斑。 对于实际的光学系统，由于衍射现象的存在，经 光学系统形成的波面已不是球面，实际波面与理想 波面的偏差称为波像差，简称波差。 由于波像差的大小可直接用于评价光学系统的成 像质量，而波像差与几何像差之间又有着直接的变 换关系，因此了解波像差的概念是非常有用的。
Um
Um
A
lm
A0
T
L l
L l
第三节 轴上点的球差
L是沿光轴方向量度的，又称为轴向球差。球差也
可以沿垂直于光轴的方向来量度，在高斯像面上形 成的弥散斑的半径称为垂轴球差，以 T 表示，即：
δT δL tan U 把表中的数据绘成 L曲线，同时给出垂轴球差 T h h 曲线。
第二版工程光学分解课件
详细描述：当光从光密介质射向光疏介质时，如 果入射角大于临界角，光波将被完全反射回原介 质，不进入光疏介质，这种现象称为全反射。全 反射是光的波动性的一种表现。
02
光学系统与元件
透镜与光学镜头
透镜的分类
光学镜头的应用
根据透镜的形状和焦距，透镜可以分 为球面透镜、非球面透镜、双凸透镜 、双凹透镜和凸凹透镜等。
折反镜由反射镜和折射镜 组成，通过改变光路，将 光线聚焦在一点上。
折反镜的应用
在望远镜、显微镜和照相 机等光学仪器中广泛应用 ，用于改变光路和聚焦光 线。
滤光片与分光仪
滤光片的分类
根据滤光片的透过光谱， 滤光片可以分为可见光滤 光片、红外滤光片、紫外 滤光片等。
分光仪的结构
分光仪由棱镜或光栅等分 光元件和探测器组成，可 以将光谱分成不同的波段 。
非线性光学材料
研究和发展新型非线性光学材料，如有机晶体、 无机晶体、光折变晶体等，以提高非线性光学效 应的转换效率。
非线性光学应用
非线性光学在光通信、光信息处理、光计算等领 域有广泛应用，如光参量振荡、倍频、和频等。
光子学与光子技术
光子学基础
01
研究光子的产生、传播、相互作用等基本规律，以及光子与物
在摄影、摄像、显微镜、望远镜等领 域广泛应用，用于聚焦光线、改变光 路等。
光学镜头的基本参数
包括焦距、光圈、视场角、相对孔径 等，这些参数决定了镜头的光学性能 和使用范围。
反射镜与折反镜
01
02
03
反射镜的分类
根据反射面的形状，反射 镜可以分为平面反射镜、 凹面反射镜和凸面反射镜 等。
折反镜的结构
质的相互作用机制。
光子器件
02
02
光学系统与元件
透镜与光学镜头
透镜的分类
光学镜头的应用
根据透镜的形状和焦距，透镜可以分 为球面透镜、非球面透镜、双凸透镜 、双凹透镜和凸凹透镜等。
折反镜由反射镜和折射镜 组成，通过改变光路，将 光线聚焦在一点上。
折反镜的应用
在望远镜、显微镜和照相 机等光学仪器中广泛应用 ，用于改变光路和聚焦光 线。
滤光片与分光仪
滤光片的分类
根据滤光片的透过光谱， 滤光片可以分为可见光滤 光片、红外滤光片、紫外 滤光片等。
分光仪的结构
分光仪由棱镜或光栅等分 光元件和探测器组成，可 以将光谱分成不同的波段 。
非线性光学材料
研究和发展新型非线性光学材料，如有机晶体、 无机晶体、光折变晶体等，以提高非线性光学效 应的转换效率。
非线性光学应用
非线性光学在光通信、光信息处理、光计算等领 域有广泛应用，如光参量振荡、倍频、和频等。
光子学与光子技术
光子学基础
01
研究光子的产生、传播、相互作用等基本规律，以及光子与物
在摄影、摄像、显微镜、望远镜等领 域广泛应用，用于聚焦光线、改变光 路等。
光学镜头的基本参数
包括焦距、光圈、视场角、相对孔径 等，这些参数决定了镜头的光学性能 和使用范围。
反射镜与折反镜
01
02
03
反射镜的分类
根据反射面的形状，反射 镜可以分为平面反射镜、 凹面反射镜和凸面反射镜 等。
折反镜的结构
质的相互作用机制。
光子器件
02
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。
工程光学第四章郁道银版PPT作者窦柳明(长沙理工大学)
3，物镜右侧10mm hz物＝0.82mm hz分＝8mm hz目＝9.51mm lz'=21.3mm
阑位
通光口径D通 D通 2（h hz )
h是轴上点边光在光学零件上的投射高度
D物
D棱
D分
D目
Lz’
(1)
31.5
31.5>D棱>16
16 23.5 20.5
(2)
30
30>D棱>16
16 23.7 21.0
可变
感光
第一节 照相系统和光阑
二、光阑
光阑：限制成像光束的光孔或限制成像范围的光孔或框 孔径光阑：限制轴上点或视场中央部分成像光束口径的光阑。 如照相系统中的可变光阑A. 视场光阑：限制成像范围的光阑。如照相系统中的底片框B1B2
A 可变
感光
第一节 照相系统和光阑 三、孔径光阑的作用
孔径光阑的位置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。
tgU
' k
tgUk
hk fk '
tgUk
tgU
' k
1
hk
hk 1
d
k
1tgU
' k
1
第二节 望远系统中成像光束的选择
孔径光阑在：1，物镜左侧10mm hz物＝0.75mm hz分＝8mm hz目＝9.25mm lz'=20.5mm
2，物镜上 hz物＝0mm hz分＝8mm hz目＝9.35mm lz'=21mm
入瞳与出瞳对于整个系统是物像共轭关系 主光线：通过入瞳中心的光线称为主光线。主光线（或其延长线） 必通过入瞳、孔径光阑和出瞳中心。
工程光学郁道银第二版
P
u (1/ n)
2
u n
1/
u n
u 1/
n
2
u n
u n
W
u (1/ n)
u n
1/
u n
u 1/
n
u n
u n
光学系统的 7 种初级像差，分别被 7 个塞得和数决定
ZF 2 : nD 1.67268, 32.2, nF 1.68747, nC 1.66662
I 0.02013, II 0.01013 L0 (1909022 871.332 9.943) 0
1
1 1 2
2
2 1 2
A.双胶合物镜 （小视场，校正色差，球差，近轴慧差）--胶合面：有足够大的 正球差抵消1,3面的负球差，伴随大孔径要求，导致大的正高级球 差（大于1,3面的负高级量和），系统因此有正高级球差。
焦距f‘mm
50
100 150
200
300
500
1000
相对孔径D/f’ 1:3
1:3.5 1:4
1:5
1:6
,
3, II
a112 a232 b11 b23 c
三、薄透镜的正弦差：OSC0
1 2J
SII
SII
lunip (i
i)(i i)
SI
ip i
OSC0
1 2
h2
n
《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
工程光学第三章郁道银版作者窦柳明长沙理工大学
角与入射角无关，只取决于双面镜的夹角α 。
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。
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。
第11章工程光学 郁道银 第二版ppt课件
则波动微分方程可写为简洁的形式：
2
1 0 2 2 v t
2
该偏微分方程的通解是各种形式以速度 v传播的波的叠加。因此 任何物质运动，只要它的运动规律符合上式，就可以肯定它是以 v为传播速度的波动过程！
1 2E 2 v 1 2B 2 v
2E 0 2 t 2B 0 2 t
2 p0 sin E expikr t 2 4v r 2 p0 sin B expikr t 3 4v r
一个振荡电偶极子的E场
（2）辐射能: 1 1 2 1 2 w E D H B E B 电磁场的能量密度为 2 2
二、平面电磁波
1 E 2 v 1 2 B 2 v
2
2E 0 2 t 2B 0 2 t
该方程的解可以有多种形式，如平面波、球面波和柱面波解， 也可以是各种频率的简谐波及其叠加，解的具体形式有赖于电 磁场的边界条件和初始条件。下面以该方程最基本的解---平面 简谐波解讨论。
（1）波动方程的平面波解： 平面电磁波指电场或磁场在与传播方向正交的平面上各点具有相同 值的波。如图所示，假设波沿直角坐标系xyz的z方向传播，则平面 波的E和B仅与z、t有关，而与x、y无关，则电磁场的波动方程变为
（三）平面电磁波的性质 1、电磁波是横波 取 E A exp[ik r t ] 散度：
E A expik r - t ik Aexpik r t ik E
E 0 k E 0
同理得到 B 0 k B 0
2 E 1 2 E 2 0 2 2 z v t
2B 1 2B 2 2 0 2 z v t
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】
为真空，则介质 b 对真空的折射率也称为 绝对折射率，用 n b 表示
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）。
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
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 第二章 郁道银版 PPT作者窦柳明(长沙理工大学)
第二节 理想光学系统的基点和基面
（3）为求物镜的物方焦距f、物方焦点的位置F、物方主点的位 置H，可沿反向光路追迹一条平行于光轴的光线。 利用近轴光线的光路计算公式 平行光线初始坐标为： 逐面计算，其结果为：
l u1 0 h1 10m m i1 h1 / r1
' lF mm, u' 0.121869 ' l ' 70.0183 h h f ' 82.055m m tgU ' u 'l ' l f ' 12.0366 mm
第一节
理想光学系统与共线成像理论
作图法证明： ①已知两对共轭面的位置和放大率
已知：M为理想光学系统 像面O’1与物面O1共轭，其对应放大率为β1 像面O’2 与物面O2共轭，其对应放大率为β2 求： 物空间任意物点O的像点位置O’ B A M O’ B’ A’
第一节
理想光学系统与共线成像理论
作图法证明： ②已知一对共轭面的位置和放大率，以及轴上两对共 轭点的位置
定义：像方焦点、焦平面；像方主点、主平面；像方焦距
A B Q’ F’ H’ E’
像方主平面
像方主点H’：平行于光轴的入射光线AB的延长线，与其出射光 线E’F’反向延长线交于Q’，过Q’作垂直光轴的平面与光轴的交点 H’。 像方主平面：过像方主点H’且垂直于光轴的平面Q’ H’ 。
第二节 理想光学系统的基点和基面
第二章
理想光学系统
第二章
1 第一节 第二节 第三节
理想光学系统
理想光学系统与共线成像理论 理想光学系统的基点与基面 理想光学系统的物像关系
2
3
4
4 5
第四节
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评价方法
• 1 不考虑衍射： 光路追迹法（点列图，像差曲线）；
• 2 考虑衍射： 绘制成像波面，光学传递函数等
第一节
• 最大波像差小 于λ/4时，此 波面可看作是 无缺陷的。
瑞利判断
• 球差曲线： 球差曲线 纵坐标是孔径，横坐标 是球差（色球差），使 用这个曲线图，一要注 意球差的大小，二要注 意曲线的形状特别是代 表几种色光的几条曲线 之间的分开程度，如果 单根曲线还可以，但是 曲线间距离很大，说明 系统的位置色差很严重。
积； • 面积越大，信息越多，像质越好；
传函测量
• 传函测量要使用光学传递函数测试仪，下 图是一台传函测试仪，使用时只要将被测 物镜装夹好，将光点调到最小，就可以得 到这个物镜传函曲线图。
传函与离焦关系 图
此图表明对设 定空间频率不同 视场的子午、弧 矢MTF与离焦量的 关系，图中横坐 标是离焦量，纵 坐标是对比度， 通过此图可以看 出各视场的最佳 焦面是否比较一 致，MTF是否对离 焦比较敏感。此 图在光学设计后 期，精细校正时 很有用。
MTF曲线的积分值评价成像质量
• MTF曲线只能反映少数点的情况； • 理论上像点的中心亮度值等于MTF曲线的面
科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上 最小的算盘。
中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨 表面通过搬迁碳原子而绘制出世界上最小的中国地图。
像差回顾
像质评价的阶段
• 1 设计完成后，加工前，对成像情况进行 模拟仿真；
• 2 加工装配后，批量生产前，要严格检测 实际成像效果。
将扫描隧道显微镜技术用于分子级加工， 主要基于量子力学中的隧道效应。
1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D.M.Eigler等人 在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母，每个 字母高5nm，Xe原子间的最短距离为1nm，如图所示。
1992年又成功移动了吸附在Pt表面上的CO原子，1993年成功移 动48颗Fe原子排列成圆形，实现原子操纵技术。
• 轴外细光束像差曲线 这一般是由两个曲线 图构成图中左边的是 像散场曲曲线，右边 的是畸变，不同颜色 表示不同色光，T和S 分别表示子午和弧矢 量，同色的T和S间的 距离表示像散的大小， 纵坐标为视场，右图 横坐标是场曲，左图 是畸变的百分比值， 左图中几种不同色曲 线间距是放大色差值。
瑞利判断的特点
优点：方便使用、关系简单；（几何像差曲 线进行图形积分得到波像差。）
缺点： • 只考虑波像差的允许公差，未考虑其在整
个波面的比重；（气泡、划痕） • 只适用于小像差光学系统。
第二节 中心点亮度（斯托列尔 准则）
• 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S.D来表示成像质量。
• S.D≥0.8,成像完善； • 与瑞利判断方法是一致的； • 只适用小像差系统； • 计算复杂，计算机软件计算。
第四节 点列图
• 由一点发出的许多光线经光学系统后，因 像差使其与像面的交点不再集中于同一点， 而形成了一个散布在一定范围的弥散图形， 称为点列图。点列图是在现代光学设计中 最常用的评价方法之一。
• 分别表示给定的几个视场上不同光线与像面交点的分布情况。使用点列 图，一要注意下方表格中的数值，值越小成像质量越好。二根据分布图 形的形状也可了解系统的几何像差的影响，
第三节 分辨率
• 反映光学系统分辨物体细节的能力，可以 评价成像质量。
瑞利判据
瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物S1的艾里斑中心恰好 与另一个点物S2的艾里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰 可分辨两物点。
S1 可分辨
S2
S1
100%
S2
恰可分辨
75%
S1
S2
不可分辨
SUCCESS
THANK YOU
2019/6/20
工程光学
一个点物衍射图样的中央极大与近旁另一个点物衍 射图样的第一极小重合，作为光学成像系统的分辨极限，认为 此时系统恰好可以分辨开两个点物。称此分辨标准为瑞利判据。
ISO12233鉴别率板
• 投影鉴别率 左图是 光学车间常用的投影 鉴别率仪，使用时只 要将被测镜头装夹好， 将投影图调至最清晰 就可以对各个方向上 的分辨率进行判度， 适用于大批量生产波器
（玻璃片中心镀个不透明的斑），挡掉0级和低频 成分，从而突出轮廓亮度 —— 形成亮的镶边。
F
扩束
大
P1
L
头
高频滤波和轮廓突出 针
亮
P2 边
• MTF曲线图
• 图中不同色的曲线 表示不同视场的复 色光（白光）MTF 曲线，T和S分别表 示子午和弧矢方向， 最上方黑色的曲线 是衍射极限。横坐 标是空间频率 lp/mm，纵坐标是 对比度，最大是1。 曲线越高，表明成 像质量越好。
TTL 2.4米望远镜
TTL 2.4m robotic telescope
2.4米望远镜科学目标
大视场巡天观测 高角分辨成像观测 瞬变源的观测 国际联合监测
• 望远镜采用RC 光学系统和卡 塞格林焦点系 统
• 美国 Photometrics 公司的1024CCD 系统
荣获1986年诺贝尔物理学奖的扫描隧道显 微镜最小分辨距离已达0.01Å，能观察到单 个原子的运动图像。
点列图特点
• 大量光路计算，只有利用计算机完成； • 形象直观的评价方法； • 应用于大像差的照相物镜等设计中；
第五节 传递函数
• 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。能反映不同空间 频率、不同对比度的传递能力。一般而言， 高频传递函数反映了物体细节传递能力， 低频传递函数反映物体轮廓传递能力，中 频传递函数反映对物体层次的传递能力。
第九章 光学系统的像质 评价
• 第一节 瑞利判断与波前图 • 第二节 中心点亮度与能量包容图 • 第三节 分辨率与点扩散函数 • 第四节 星点检测法与点列图 • 第五节 光学传递函数评价成像质量 • 第六节 其它像质评价方法 • 第七节 光学系统的像差公差
丽江站天文观测条件
H-P comet and the ecliptic light