应用光学
《应用光学》第2章课后答案全文
12. 由两个透镜组成的一个倒像系统，设第一组透镜的焦距 为f1′，第二组透镜的焦距为f2′，物平面位于第一组透镜 的物方焦面上，求该倒像系统的垂轴放大率。
解:
1
1
1
1
F2
1
1
第一组透镜
第二组透镜
1
第二组透镜
13. 由两个同心的反射球面(二球面球心重合)构成的光学系 统，按照光线反射的顺序第一个反射球面是凹的，第二个 反射球面是凸的，要求系统的像方焦点恰好位于第一个反 射球面的顶点，求两个球面的半径r1，r2和二者之间的间隔 d之间的关系。
B′
面,如图示.
l ′ = 2f′
4 试用作图法对位于空气中的正透镜组( f 0 )分别求 下列不同物距的像平面位置.
l = −f′
B
……
F
F′
A
H H′
像平面在像 空间无限远 处.
l′=∞
4 试用作图法对位于空气中的正透镜组( f 0 )分别求 下列不同物距的像平面位置.
l f' 2
B′
r1 无穷远物点
r2
r1/2
最终像点
11 2
l2 l2 r2
l2
l2
2 r2
(l2l2 )
14. 假定显微镜物镜由相隔20mm的两个薄透镜组构成，物平 面和像平面之间的距离为180mm，放大率β=-10×，要求近 轴光线通过二透镜组时的偏角Δu1和Δu2相等，求二透镜 组的焦距。
y n1u1 u1 10
l = −f′
B
……
F′
F
H H′
A
像平面在像 空间无限远 处.
5 试用作图法对位于空气中的负透镜组( f 0 )分别求 下列不同物距的像平面位置.
最新应用光学第一章PPT课件
Applied Optics
❖ 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性， 那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光 抽象成一条条光线，然后按此来研究光学系统 成像。
问题变得简单 而且实用！
20
Applied Optics
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。
《墨经》 欧几里德《反射光学》 阿勒·哈增《 光学全书》 开普勒、斯涅尔、笛卡儿、费马
折射定律的确立，使几何光学理论得到很快的 发展。
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Applied Optics
应用光学研究内容
❖研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的 原理和应用。 ❖“应用”包含两层意思：
1、作为粒子看待 2、涉及具体的光学系统
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Applied Optics
三、光束 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光向 四周传播，形成以发光点为球心的球面波。
某一时刻相位相 同的点构成的面 称为波面
波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方 向，波面上的法线束称为光束
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Applied Optics
❖ 同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波
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Applied Optics
物像的虚实
在凸透镜2f 外放一个点燃的蜡烛，后面放一个纸屏， 当纸屏放到某一位置时，会在屏上得到蜡烛清晰的 像。
※ 由实际光线成的像，称为实像。
如电影，幻灯机，照相机成像
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Applied Optics
有的光学系统成的像，能被眼睛看到，却无法 在屏上得到
F’ F’
40
Applied Optics
n' B
应用光学作业题答案
第二题： （1）光线由水中射向空气，求在界面处发生全反射的临界角。
解： 全反射的临界角Im arcsin（n '/ n）
光线由水中射向空气，n’=1，n=1.333
则 Im arc sin（n '/ n）=arc sin（1/1.333）=48.61
（2）光线由玻璃内部射向空气，求发生全反射的临界角。
1 l2
'
-
1 130
=
1 120
l2'=-62.4mm
A”成象于透镜2左侧62.4mm处。
（2）等效光组成象的方法：
解： H’
A
F1
F2’
F1’
F2
f1’=120mm f2’=-120mm d=70mm △= d-f1’- f2’=70mm
f ' f1 ' f2 ' 120 (120) 205.714mm
n0sini1=nsini1’ sini1=0.6552 i1=40.93° 由三角形内角和可求出太阳和幻
日之间的夹角
α=180 °－2×（i1-i1’） =158.14 °
第七题：
为了从坦克内部观察外界目标，需要在坦克上开一个孔，假 定坦克壁厚250mm,孔宽150mm,在孔内装一块折射率 n=1.52的玻璃，厚度与装甲厚度相同，问能看到外界多大的 角度范围？
O’
A’
解：（1）对于在球心的气泡，以O作为 球面顶点，根据符号规则，
O L’A=-200mm，n’=1，n=1.52
由 n ' n n ' n l' l r
1 -1.52 = 1-1.52 l=-200mm -200 l -200
应用光学课件-PPT
5)入射窗、出射窗、视阑之间得相互共轭关系。
大家应该也有点累了,稍作休息
大家有疑问得,可以询问与交流
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例:有一光学系统,透镜O1、O2得口径D1=D2=50mm,焦距 f1′= f2′=150mm,两透镜间隔为300mm,并在中间置一光 孔O3,口径D3=20mm,透镜O2右侧150mm处再置一光孔O4,口 径D4=40mm,平面物体处于透镜O1左侧150mm处。求该系统 得孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗得位 置与大小。
两正薄透镜组L1与L2得焦距分别为100mm与50mm,通光口径 分别为60mm与30mm,两透镜之间得间隔为50mm,在透镜L2之 前30mm处放置直径为40mm得光阑,问 1)当物体在无穷远处时,孔径光阑为哪个？ 2)当物体在L1前方300mm处时,孔径光阑为哪个？
4、说明: 1)物体位置改变,原孔阑可能失去控制轴上点孔径角得作用,要重复上述 三个步骤确定孔阑。
工具显微镜中(β 准确)被测物得像与刻度尺相比较,可测物之长度。
物体不论处于何位 置,发出得主光线 都不随物体位置得 移动而变化;读出 刻尺面上光斑得中 心示值,即可求出 准确得象高。
三、 象方远心光路
1、 概念: 某些大地测量仪器或投影仪器中,为了消除像平面与标尺分划刻
线面不重合而引起得测量误差,在物镜得物方焦平面上加入一个光 阑作为孔径光阑,出瞳则位于像方无穷远,称为“像方远心光路”。 2、 应用:
3)物点在无限远时,各光孔像中,直径最小者即为入瞳。入瞳对应得实际 光孔即为孔径光阑。
例:有两个薄透镜L1与L2 ,焦距分别为90mm与30mm,孔径分 别为60mm与40mm,相隔50mm,在两透镜之间,离L2为 20mm处放置一直径为10mm得圆光阑,试对L1前120mm处 得轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳得位置与大小。
应用光学 学科名称
应用光学学科名称应用光学是一门广泛涉及到光学技术和应用的学科，从基础的光传输、成像和检测到高级的光学器件、仪器和系统开发应用领域都有应用。
它涉及的应用领域非常多，包括医学、通信、光学加工、测量、军事、工业、消费电子等等。
下面对应用光学的学科名称进行详细介绍。
1. 光纤通信与光子学光纤通信和光子学是应用光学中极为重要的一部分，用于传输高速数据的光纤、激光、光发射二极管、光检测器等都是光子学技术。
光子学的应用领域已经广泛发展，包括光传感器、高速光信号处理、高精度测量、光通信、激光微加工、生物光子学等。
2. 光学显微镜与成像系统光学显微镜和成像系统是应用光学中另一个重要的分支。
显微镜本质上是一项用于放大和分辨视野中微观物体的工具。
光学显微镜的应用领域包括材料科学、生物医学、纳米技术等领域。
成像系统主要是通过光学成像原理采集、处理和显示图像。
常见的成像系统包括数码相机、显示器、扫描器、激光打印机等。
3. 光学传感与检测技术光学传感技术是应用光学中的一个热门领域，通过利用光与物质之间的相互作用来感知环境，实现对各种物理、化学和生物信号的检测和识别。
这种技术在生物医学、环境监测、物种检测和安全检测方面都有广泛应用。
4. 激光技术激光技术是应用光学中的一类关键技术，是通信、材料加工、医疗、科学研究等众多领域的重要工具。
激光技术还被用于制造并检测自然界中微观尺度的物体，包括制造光柵、雾化液滴、量子点、与量子点固体材料的研究、用于纳米制造和半导体加工等。
光学仪器和系统的应用广泛，适用于各种环境，包括教育、医疗、生产和政府等领域。
其中一些仪器和系统可用于扫描、测量、检测、成像和分析样品，包括分光仪、光度计、显微镜、精密机器等等。
6. 光学加工光学加工是一项涉及到器件加工、共振器制造、表面处理、表面微结构等领域的技术。
这种加工方式与传统的机械加工、电子加工相比，在精度、制造复杂度、处理速度和加工精度方面具有明显的优势。
应用光学习题解答
习题巩固
巩固练习
习题难度：从易到难，逐步提高解题能力 习题类型：覆盖多种题型，包括选择题、填空题、计算题等 习题内容：涉及多个知识点，帮助学生巩固所学内容 习题答案：提供详细的答案解析，帮助学生理解解题思路
练习答案
答案：光在平面镜上的反射遵守光的反射定律。
答案：在应用光学中，透镜的焦距是指平行于主轴的光线通过透镜后汇聚 的点到透镜中心的距离。
题目：应用光学实验操作
解析：通过实验操作，加深对应用光学理论的理解，掌握实验仪器的使用技巧，提高实验操作能力 和数据分析能力。
练习总结
习题巩固：通过 练习题来巩固所 学知识
解题技巧：掌握 解题技巧，提高 解题效率
错题分析：分析 错题原因，避免 重复犯错
举一反三：通过练 习题学会举一反三， 拓展知识面
学科交叉：与其 他学科的知识点 进行交叉融合， 拓宽学生的知识 面和思维方式。
创新实验：设计 一些创新性的实 验，让学生通过 动手实践来加深 对光学的理解。
拓展总结
解题技巧：掌握常用解题方 法，提高解题效率
习题难度：由易到难，逐步 提高解题能力
知识点拓展：通过习题巩固 和拓展所学知识点
举一反三：学会触类旁通， 能够解决类似问题
应用光学习题解析
01
02
习题拓展
习题巩固
03
04
习题解答
光的折射与反射
光的折射：光从一 种介质斜射入另一 种介质时，传播方 向发生改变的现象。
光的反射：光在两 种介质的交界面上 返回原介质的现象。
折射定律：入射角i 、折射角r和介质的 折射率n之间的关 系。
反射定律：入射角i 、反射角i'和介质 的折射率n之间的 关系。
应用光学课后习题答案
应用光学课后习题答案应用光学课后习题答案光学是物理学的一个重要分支，研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射等现象。
应用光学是将光学原理应用于实际问题的学科，广泛应用于光学仪器、光学通信、光学材料等领域。
在学习应用光学的过程中，习题是巩固知识、提高应用能力的重要途径。
下面是一些应用光学课后习题的答案，希望对大家的学习有所帮助。
1. 一束入射光线从空气射向玻璃，入射角为30°，玻璃的折射率为1.5。
求折射光线的入射角和折射角。
解答：根据折射定律，入射角和折射角之间满足的关系是：n₁sinθ₁ =n₂sinθ₂，其中n₁和n₂分别为两种介质的折射率，θ₁和θ₂分别为入射角和折射角。
已知n₁ = 1（空气的折射率），θ₁ = 30°，n₂ = 1.5（玻璃的折射率），代入折射定律得：1sin30° = 1.5sinθ₂，解得θ₂ ≈ 19.47°。
所以，折射光线的入射角为30°，折射角为19.47°。
2. 一束光线从空气射入水中，入射角为60°，水的折射率为1.33。
求折射光线的入射角和折射角。
解答：同样利用折射定律，已知n₁ = 1（空气的折射率），θ₁ = 60°，n₂ = 1.33（水的折射率），代入折射定律得：1sin60° = 1.33sinθ₂，解得θ₂ ≈ 45.05°。
所以，折射光线的入射角为60°，折射角为45.05°。
3. 一束光线从玻璃射入空气，入射角为45°，玻璃的折射率为1.5。
求折射光线的入射角和折射角。
解答：同样利用折射定律，已知n₁ = 1.5（玻璃的折射率），θ₁ = 45°，n₂ = 1（空气的折射率），代入折射定律得：1.5sin45° = 1sinθ₂，解得θ₂ ≈ 30°。
所以，折射光线的入射角为45°，折射角为30°。
第二章：应用光学——高斯光学
高斯光学的历史背景
创始人：卡尔·弗里德里希·高斯 形成时间：19世纪初 目的：研究光的传播和成像 应用领域：光学仪器、光学设计、光学测量等
高斯光学的基本原理
基本概念：高斯光学是研究光在均匀介质中的传播和聚焦的学科 基本原理：光的传播遵循高斯定理即光在均匀介质中的传播速度与介质的折射率成正比 应用领域：高斯光学广泛应用于光学仪器的设计和制造如显微镜、望远镜等 发展历程：高斯光学起源于19世纪初经过不断发展和完善已成为光学领域的重要分支
高斯光束的变换
变换原理：基于高斯光束的 性质和光学原理
变换类型：包括平移、旋转、 缩放等
变换应用：在光学测量、成 像、通信等领域有广泛应用
变换效果：可以实现对高斯 光束的精确控制和调整提高
光学系统的性能和效率。
高斯光束的耦合与分离
耦合：将两个或多个高斯光束合并为一个光束 分离：将高斯光束分解为两个或多个光束 应用：在光学通信、光学测量、光学成像等领域有广泛应用 技术：包括光束整形、光束耦合、光束分离等技术
03
高斯光学的应用
高斯光束的传输
光束传输：高斯光束在传输过程中保持其形状和强度不变 应用领域：高斯光束广泛应用于激光通信、激光加工、激光医疗等领域 传输特性：高斯光束具有较好的传输特性如低发散、低损耗等 传输距离：高斯光束的传输距离取决于其功率、波长和传输介质等因素
高斯光束的聚焦
聚焦原理：高斯光束在传播过程中保持其形状和强度不变 应用领域：激光切割、焊接、打标等 聚焦方法：使用透镜或反射镜进行聚焦 聚焦效果：高斯光束的聚焦效果取决于其形状和强度
感谢观看
汇报人：
实验结果：高斯光束具有很好的聚焦特性能量分布均匀符合高斯分布
实验结论：高斯光束在光学实验和实际应用中具有重要价值可用于激光加工、光学测量等领 域。
应用光学教材
应用光学教材
应用光学教材有很多，其中比较经典的有《应用光学》（第五版），这是一本在国内外享有盛誉的光学教材，由国内著名光学专家、教授撰写，内容丰富、系统、全面。
该教材共十五章，包括几何光学基本原理、共轴球面系统的物像关系、眼睛和目视光学系统、平面镜棱镜系统、光学系统中成像光束的选择、辐射度学和光度学基础、色度学基础、光学系统成像质量评价、望远镜和显微镜、照相机和投影仪、光纤光学系统、激光光学系统、红外光学系统、现代新型光电器件及其成像系统以及非成像光学系统等。
另外，该教材具有鲜明的特色，以光波和光线为基础，深入浅出地介绍了应用光学的基本原理和方法，通过大量的实例和图表，使读者能够快速掌握应用光学的核心内容和最新进展。
同时，该教材也注重培养读者的创新思维和实践能力，提供了大量的思考题和习题，以帮助读者加深对应用光学的理解和应用。
总之，《应用光学》（第五版）是一本优秀的应用光学教材，适用于光学、光电信息工程、电子科学与技术等相关专业的学生使用，也可作为从事光学研究和应用的科技人员的参考书籍。
应用光学原理的仪器
应用光学原理的仪器光学原理的应用非常广泛，涉及到许多仪器和设备。
下面将介绍几个比较常见的应用光学原理的仪器。
1.显微镜显微镜是一种应用光学原理的仪器，它利用光线的折射、衍射和散射等现象来观察显微尺度下的样品。
显微镜主要由物镜、目镜和光源等部件组成。
物镜通过透镜原理将样品的细节放大，目镜通过透镜原理让观察者看到放大的像。
显微镜广泛应用于生物学、医学、材料科学等领域。
2.望远镜望远镜是一种利用光学原理观察遥远物体的仪器。
它通常包括物镜、目镜和反射镜或折射镜等光学元件。
物镜通过聚集远处物体的入射光线，目镜通过放大物镜聚焦的图像来让观察者观察到远处物体。
望远镜广泛应用于天文学、航海、军事侦察等领域。
3.激光器激光器是一种利用激光原理产生高纯度、高强度、高一致性的激光光束的设备。
它利用光的受激辐射过程，通过将原子、分子、离子等粒子激发至激发态，然后通过受激辐射将激发态能级的能量转化为具有特定频率和相位的光子。
激光器广泛应用于切割、焊接、医疗、通信等领域。
4.光学显微拉曼光谱仪光学显微拉曼光谱仪是一种结合显微镜和拉曼光谱技术的仪器。
它利用拉曼光谱技术，通过激光照射样品，观察样品散射光的频率变化，从而获得样品的化学成分和结构信息。
光学显微拉曼光谱仪广泛应用于材料科学、生物医学、化学分析等领域。
5.透射电子显微镜透射电子显微镜是一种利用电子束传输样品内部结构信息的仪器。
它利用电子衍射、电子干涉、透射等原理，通过电子束穿透样品，观察样品的微观结构和组成。
透射电子显微镜广泛应用于材料科学、纳米技术、生物学等领域。
总而言之，应用光学原理的仪器广泛应用于各个领域。
它们通过利用光的折射、衍射、散射等现象，将光学原理转化为实际的观测、分析和应用工具，为人们提供了丰富的科学、医学和工程技术手段。
应用光学名词解释总结
应用光学名词解释总结应用光学名词解释总结B薄透镜：如果透镜的厚度很小可以忽略，这光学间隔：前一个光组的像方焦点与后一个类透镜即为薄透镜。
光组的物方焦点之间的距离。
波像差：实际波面与理想波面的光程差。
光焦度：折合焦距的倒数。
倍率色差：轴外物点发出的两种色光的主光光楔：折射角很小的棱镜称为光楔。
线在清单色光像差的高斯像面上交点高度之光瞳衔接原则：前一个光学系统的出瞳应该差。
与后一个光学系统的入瞳相重合，否则就会不晕成像：当光学系统满足正弦条件时，若出现光束拦截现象。
轴上点理想成像，则近轴物点也理想成像，光照度：单位受照面积接受的光通量，定义即光学系统既无球差也无正弦差。
为光照面的光照度。
C垂轴放大率：像的大小与物的大小之比。
光通量：标度可见光对人眼的视觉刺激程度出瞳：孔径光阑经过后面的光组在像空间所的量。
成的像。
光出射度：光源单位发光面积发出的光通量。
出射窗：视场光阑经过后面的光组在物空间光谱光视效率：人眼对不同波长视觉刺激程所成的像。
度的量。
D独立传播定律：不同光源发出的光在空间光亮度：体现的是光源投影到某方向的单位某点相遇时，彼此互不影响各光束独立传播。
面积、单位立体角内光通量的大小。
等晕成像：轴上点与轴外点有相同的成像缺H慧差：表示轴外物点宽光束经光学系统成陷，我们将这样的成像称为等晕成像。
像后失对称的情况对准误差：对准后偏离置中或重合的线距离弧失面：垂直于子午面并且经过主光线的平或角距离。
面。
E二级光谱：若F光在0.707带相交，即校正J角放大率：在近轴区内，角放大率为一对共了位置色差，但二色光的交点与D光的球差轭光线的像方孔径角与物方孔径角之比。
曲线并不重合，则称该交点到D光球差曲线节点：角放大倍率为一的一对共轭点。
的轴向距离为二级光谱。
（图形上线段表示）焦距：主点与焦点之间的距离。
F费马原理：光从一点传播到另一点，期间无渐晕：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的论经过多少次折射或反射，其光程为极值。
应用光学课件完整版
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
反射定律可表示为 I I ''
4. 光的折射定律
折射定律可归结为：入射光线、折射光线和投射点
的法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角正弦
之比与入射角大小无关，而与两介质性质有关。对一定 波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一
常数，等于折射光线所在介质的折射率与入射光线所在
介质折射率之比。
0 i arcsin n12 n2 2 n0
n0 ＝1
n0 sin i n1 cos ic n12 n22
5. 费马原理（光程极值原理）
1）光程— 光在介质中经过的几何路程l与该介质折射率n的乘积。
s=n • l
均匀介质
m层均匀介质
连续变化的非均匀介质
s=n • l=c • t
m
s
波面可分为：平面波、球面波、任意曲面波。 波面法线方向即为光传播方向。
光源
光线
波面
5. 光束— 与波面对应的法线集合。
同心光束— 波面为球面，聚于一点。 发散光束— 光线在前进方向上无相交趋势。 会聚光束— 光线在前进方向上有相交趋势。
平行光束— 波面为平面。 象散光束— 波面为曲面，不聚于一点。
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
物理光学与应用光学
物理光学与应用光学物理光学是光学领域的一个重要研究方向，其研究范围涵盖了光的产生、传播与相互作用等方面。
应用光学是物理光学的一个分支，主要研究如何将物理光学的理论知识应用到实际生产和科学研究中。
光学作为物理学的一个重要分支，在人类历史上扮演着重要的角色。
从早期光学仪器的发明，到现代光电技术的应用，都离不开物理光学的基础。
而物理光学主要研究光的传播规律、光与物质的相互作用以及光的产生等。
在物理光学中，人们研究了光通过透镜成像的原理，也研究了光的干涉、衍射等现象。
应用光学则是将物理光学的知识应用到实际问题中。
例如，在光学制造中，通过物理光学的原理，可以设计和制造出高精度的光学元件，如透镜、棱镜、光纤等。
这些光学元件在不同的领域中有着广泛的应用，如光学仪器、光学通信、光学传感等。
在医学领域中，应用光学也发挥了重要的作用。
通过物理光学的原理，可以研究生物组织的光学特性，从而开展光学成像技术，如光学断层扫描（OCT）等。
这些技术在医学诊断和治疗中有着重要的应用，如眼科、肿瘤学等领域。
在科学研究领域中，物理光学也被广泛应用。
例如，在物质表征中，通过物理光学的原理，可以研究材料的光学特性，如折射率、吸收系数等。
这些表征方法在材料科学、纳米科学等领域中有着重要的应用。
应用光学还在光学通信、光学计算、激光技术等领域中有着广泛的应用。
光学通信是一种基于光传输信号的通信技术，具有高带宽、大容量、低损耗等优势。
光学计算则是利用光学元件实现数据处理和计算的方法，具有高速度和并行性的优势。
激光技术则是应用光学中最具代表性的技术之一，其应用于材料加工、医学手术、激光雷达等领域。
总的来说，物理光学和应用光学在现代科学和技术中发挥了重要作用。
物理光学是光学领域的基础理论研究，研究光的传播规律和相互作用等基本问题；而应用光学则将物理光学的理论知识应用到实际生产和科学研究中，推动了光学技术的发展和应用。
无论是在医学、科学研究还是工业生产中，物理光学和应用光学都发挥着不可替代的重要作用。
应用光学课程设计论文
应用光学课程设计论文一、教学目标本课程的学习目标包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。
知识目标要求学生掌握光学的基本概念、原理和定律，了解光学在现实生活中的应用。
技能目标要求学生能够运用光学知识解决实际问题，具备基本的实验操作能力和科学思维。
情感态度价值观目标要求学生培养对科学的热爱和好奇心，提高科学素养，意识到光学在现代科技和社会发展中的重要性。
通过分析课程性质、学生特点和教学要求，我们将目标分解为具体的学习成果。
课程目标明确，具体可衡量，便于学生和教师了解课程的预期成果。
后续的教学设计和评估将以此为基础，确保教学目标的实现。
二、教学内容根据课程目标，我们选择和了与之相关的教学内容。
教学大纲详细制定了教学内容的安排和进度。
本课程的教学内容主要包括光学的基本概念、光的传播、反射、折射、衍射等基本现象和原理，以及光学在现实生活中的应用。
教材的章节安排如下：1.光学基本概念和光的传播2.光的反射和折射3.光的衍射和偏振4.光学仪器和光学应用以上教学内容科学系统，与课本紧密相关，符合教学实际。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，我们选择了多样化的教学方法。
包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
1.讲授法：通过教师的讲解，系统地传授光学知识，帮助学生建立知识体系。
2.讨论法：学生进行分组讨论，引导学生主动思考和探索，培养学生的科学思维。
3.案例分析法：通过分析实际案例，使学生更好地理解和运用光学知识。
4.实验法：安排实验课程，让学生亲自动手进行实验，培养学生的实验操作能力和科学素养。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们选择了适当的教学资源。
包括教材、参考书、多媒体资料和实验设备等。
1.教材：选择权威、实用的光学教材，作为学生学习的基础。
2.参考书：提供相关领域的参考书籍，帮助学生拓展知识面。
3.多媒体资料：制作精美的教学PPT、视频等多媒体资料，增强课堂教学的趣味性。
应用光学教学课件完整
• 图1-9
※光学系统 的作用之一是对物体成像，因此必须搞 清物像的基本概念和它们的关系。
※物体通过光学系统（光组）成像，光学系统(各 种光学仪器)由一系列光学零件 组成。。
※光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，
全反射现象
当
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。
光 由
由公式 n sin I n' sin I ' 可知
光
密
sin I sin I '
介 质
射
即折射光线较入射光线偏离法线
向
光
疏
sin I ' 不可能大于1，此时入射光线将不能射入
另一介质。
按照反射定律在介面上全部被反射回原介质
原点
+
-
原点
※ 原点规定：
（1）曲率半径 r ,以球面顶点O为原点，球
心C在右为正，在左为负。
E
A
C
O +r
E
A
C
-r O
（2）物方截距L 和像方截距L’ 也以顶点O为原点，到光线
与光轴交点，向右为正，向左为负。
E
A
A’
O
C
-L
+L’
E
A
A’
O
C
-L’
-L
（3）球面间隔 d 以前一个球面的顶点为原点， 向右为正，向左为负。
（在折射系统中总为正，在反射和折反系统中才有为负的情况）
O1
O2
+d
O1
O2
《应用光学》课件
超材料与光操控技术在隐身衣、光镊、 光操控机器人等领域具有广泛的应用前 景，如实现物体隐身、微纳粒子的精确
操控等。
目前，超材料与光操控技术的研究重点 在于设计新型超材料、优化光操控效果 、提高操控精度等方面，同时也在探索
其在生物医学、能源等领域的应用。
量子光学与量子信息
量子光学是研究光的量子性质和光与物质相互作用的一门 学科，而量子信息则是利用量子力学原理进行信息处理和 传输的一门技术。
应用光学
目录
CONTENTS
• 应用光学概述 • 光学基础知识 • 光学仪器 • 光学系统设计与优化 • 现代光学技术 • 应用光学前沿研究
01 应用光学概述
应用光学的基本概念
应用光学的基本原理包括光的干涉、衍射、折射、反 射、偏振等，以及光学材料、光学元件和光学系统的 基本知识。
应用光学是研究如何将光学原理和技术应用于实际生 活和工业生产中的一门学科。它涉及到光的产生、传 播、变换、检测和应用，以及光学系统设计、光学仪 器制造和光学信息处理等领域。
光学系统优化算法
优化目标
明确优化的目标，如减小系统像差、提高成像质量或增加光学信 息量等。
优化方法
掌握常用的光学系统优化算法，如梯度优化、遗传算法、粒子群 算法等。
算法实现
具备使用编程语言实现优化算法的能力，如Python、C等。
光学系统性能评估
性能指标
结果分析
ห้องสมุดไป่ตู้
了解光学系统性能的评价指标，如分 辨率、对比度、信噪比等。
光学陀螺仪
利用光的干涉效应感知旋转角度变化，广泛应用于导航、航空、航 天等领域。
全息显示技术
3D全息投影
利用全息技术将三维图像投影到空中，无需佩戴 眼镜或头盔即可观看。
应用光学系统实训报告
一、实训目的本次实训旨在通过实际操作，使学生深入了解光学系统的基本原理、结构特点和应用领域，掌握光学元件的制作、光学系统的调试和测试方法，提高学生的实践能力和创新意识。
二、实训内容1. 光学元件的制作- 学习光学玻璃、光学塑料等光学材料的特性及加工方法。
- 学习光学元件的切割、磨光、抛光等基本工艺。
- 制作简单的光学元件，如平面镜、透镜等。
2. 光学系统的组装- 学习光学系统的基本结构，包括物镜、目镜、调焦机构等。
- 学习光学元件的装配方法，包括定位、固定、调整等。
- 组装简单的光学系统，如放大镜、显微镜等。
3. 光学系统的调试与测试- 学习光学系统调试的基本原理和方法。
- 使用光学仪器对光学系统进行测试，如测量像差、分辨率等。
- 分析测试结果，调整光学系统参数，提高系统性能。
4. 光学系统的应用- 学习光学系统在各个领域的应用，如天文观测、医疗诊断、工业检测等。
- 分析光学系统在实际应用中的优缺点，探讨改进方案。
三、实训过程1. 光学元件的制作- 实训开始，首先学习了光学玻璃、光学塑料等材料的特性及加工方法。
在指导老师的指导下，我们动手切割、磨光、抛光光学材料，制作了平面镜、透镜等光学元件。
- 通过实际操作，我们掌握了光学元件加工的基本工艺，提高了动手能力。
2. 光学系统的组装- 在光学元件制作完成后，我们开始组装光学系统。
在指导老师的指导下，我们学习了光学系统的基本结构，并按照设计要求组装了放大镜、显微镜等光学系统。
- 在组装过程中，我们学会了光学元件的定位、固定、调整等技巧，提高了组装效率。
3. 光学系统的调试与测试- 组装完成后，我们对光学系统进行了调试和测试。
使用光学仪器测量了像差、分辨率等参数，分析了测试结果，并根据结果调整了光学系统参数。
- 通过调试和测试，我们掌握了光学系统调试的基本原理和方法，提高了系统性能。
4. 光学系统的应用- 在实训的最后阶段，我们学习了光学系统在各个领域的应用。
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.。
《应用光学》课程教学大纲
应用光学Applied optics一、课程基本情况课程类别: 专业任选课课程学分: 3学分课程总学时: 48学时（讲课: 48学时）课程性质: 必修开课学期: 第7学期先修课程: 高等数学适用专业: 光电信息科学与工程, 物理学1教材: 《工程光学基础教程》, 机械工业出版社, 编者: 郁道银, 出版年份: 2007.4o 开课院系: 物理与光电工程学院光电工程系二、课程性质、课程的教学目标和任务2应用光学是光信息科学与技术专业的技术基础课。
它主要是要让学生学会解决几何光学、典型光学仪器原理、光度学、色度学、光纤光学系统、激光光学系统及红外光学系统等的基础理论和方法。
它包括了此类专业学生必备的光学知识, 为光学仪器、微光夜视、激光红外等学科奠定了理论基础和应用基础, 在培养光学和光电类人才中具有不可替代的地位。
本课程从光波、光线和成像等几何光学的概念出发讲述了光线在介质中传播的基本规律, 描述了近轴光学、理想光学系统和平面镜及棱镜的成像性质和规律, 讨论了常用光学仪器的工作原理、成像性能和分辨率。
通过本课程的学习, 学生应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, 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、教学内容和要求3.章节名称几何光学基本定律与成像概念（8学时）（1）掌握: 几何光学基本定律: 光的直线传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律、光路的可逆性、费马原理（最短光程原理）: 应用光学中的符号规那么, 单个折射球面的光线光路计算公式、单个折射面的成像公式, 包括垂轴放大率、轴向放大率、角放大率、拉赫不变量等公式。
（2）了解: 共轴球面系统公式、成像条件的概念和相关表述、球面反射镜成像公式；（3）理解: 马吕斯定律；重点：应用光学中的符号规那么, 单个折射球面的光线光路计算公式难点: 单个折射面的成像公式.章节名称理想光学系统（8学时）（1）掌握共轴理想光学系统的成像性质、无限远的轴上（外）物点的共帆像点及光线、无限远的轴上（外）像点的对应物点及光线的性质、物（像）方焦距的计算公式、物方主平面与像方主平面的性质, 光学系统的节点及性质、图解法求像的方法、解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）（2）了解理想光学系统的放大率概念及公式, 理想光学系统两焦距之间的关系, 理想光学系统的组合公式、多个光组组成的理想光学系统的成像公式；重点：物（像）方焦距的计算公式、物方主平面与像方主平面的性质, 光学系统的节点及性质、解析法求像方法难点: 图解法求像的方法.章节名称平面与平面系统（8学时）（1）掌握；折射棱镜的作用, 其最小偏向角公式及应用, 光楔的偏向角公式及其应用；（2）了解；反射棱镜的种类、基本用途、成像方向判别、棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念、常用的光学材料种类和特点；（3）理解；平面光学元件的种类和作用、平面镜的成像特点和性质, 平面镜的旋转特性, 光学杠杆原理和应用；重点: 平面镜系统中光线旋转和平移难点：其最小偏向角公式及应用, 光楔的偏向角公式及其应用.章节名称光学系统中的光束限制（6学时）（1）掌握: 孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系、视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系；（2）了解: 照相系统的基本结构、成像关系和光束限制、望远系统的基本结构、成像关系和光束限制、显微系统的基本结构、成像关系和光束限制, 物方远心光路原理；（3）理解光瞳衔接原那么及其作用、场镜的定义、作用和成像关系、景深、远景景深、近景景深的概念, 景深公式和影响因素；重点：孔径光阑位置求解难点: 视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系.章节名称光度学和色度学基础（4学时）（2）（1）掌握：光度学中辐射量和光学量的定义、单位, 光度学基本量的定义和单位, 辐射量和光学量的关系；了解: 光传播过程中光学量的主要变化规律；4（3）理解: 颜色的基本概念、性质、定律和相关实验、CIE标准色度学系统简介；重点: 光度学基本量定义难点: 光度学中辐射量计算5.章节名称光线的光路计算及像差理论（7学时）（1）掌握: 像差的定义、种类和消像差的基本原那么；（2）了解: 7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法。
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入射矢高：ray height
二、符号规则 (Sign convention)
• 1. 光路的符号
• 2. 线量的符号
• 3. 角量的符号
• 4. 符号规则的意义
• 5. 符号在光路图中的标注
2-3
说明：
1.2. 近轴光线计算(paraxial region)
• 当物体靠近光轴且成像的光束很细时，所有的角度都可以近似
sin
cos 1
tan
• 此时实际成像的光路计算用近轴公式来计算
lr i u r
n i' i n'
h i r
近轴公式说明：在近轴区 域，l’只是l的函数，不随孔径u
• 描述物、像的位置、虚实 • 描述物与像的正倒关系
• 使公式的运用更加方便
光路图中的符号标注
• 保持几何量永远取正值 • 在取负值的参量前再增加一个负号，使得负负得正
结束
返回
三、单个球面的成像计算
• 光路计算(ray tracing) 已知光线从何处来，经光学系统后到何处去？ （成像规律）——折射定律、反射定律的应用。
物方孔径角：slope angle between the incident ray and the axis
像方截距：image distance (axial distance from the intersect point of the emergent ray and axis to the vertex of the last spherical surface)
•第一次成像
n1 1
n'1 1.5
r R
l1
1.5 1 1 .5 1 l '1 R
l1 ' 3R
实物成实像Leabharlann • 第二次成像，由过渡公式求得
n2 n1 ' 1.5
n2 ' 1
l2 l '1 d 3R 2 R R
1 1.5 1 1.5 l2 ' R R
• 实际光线的光路计算(
严格按照几何光学基本定律的光线计算，这类 光线称为实际光线 (real ray tracing)
• 近轴光线的光路计算
实际光线离光轴很近时采用的近似计算，这类 光线称为近轴光线(ray tracing in the paraxial region)
结束
返回
三、单个球面的成像计算
根据焦距的定义，反射 球面折射成像的相关公式
球面镜的焦距为：
中，令n’=-n，可得反射球
面成像公式如下：
f, f
r 2
（2-28）
四、共轴球面的成像计算
• 透镜是光学系统的基本元件，透镜由球面构成。
• 若光学系统中的所有界面均由球面构成，该光 学系统称为球面系统。 • 若所有球面的球心都在同一条直线上，称为共 轴球面系统
共轴球面系统（如何计算？）
有过渡公式：
计算方法：
例题
有一个玻璃球，直径为2R，折射率为1.5。一束近轴平行光入射，将会 聚于何处？若后半球镀银成反射面，光束又将会聚于何处？
第一种情况
求光束经过两次成像后的会聚 已知系统
r1 R
r2 R n1 1 n2 1.5
n3 1
1.1 实际光线 计算
已知：r，L、U 求：L ′ 、U ′
物点经单个球面的光路计算
当平行光入射时：：已知r，已知L、U，求L ′ 、U ′
U 0，L
I
E h r I′ C D
sin I
n sin I ' sin I n'
U' U I I'
h r
O
U′
A′
sin I ' L' r(1 ) sinU '
变化，轴上物点在近轴区完善
成像，这个像点称高斯像点。 (Gaussian image)
u' u i i'
i' l ' r (1 ) u'
三个主要的近轴公式
1 1 1 1 n' ( ) n( ) Q 阿贝不变量(Abbe invariant) r l' r l 物像方参数计算的不变形式
h n' u 'nu (n'n) r
n' n n' n l' l r
孔径变化式
物、像孔径角之间的关系
距离（距离倒数）变化式
物、像位置之间的关系
n, n n, n , l l r n, n －－ 光焦度 r
n n n n , l r
, ,
n, n n, n l r
umax
参考书目
• 《工程光学》，郁道银，谈恒英编，机械工业出版社;
• 《工程光学》，李湘宁等编著，科学出版社
l2 ' R 2
虚物成实像
第二种情况
光束经三次成像后会聚 ，图 • 第一次成像同前，
• 第二次被反射面成像，
l1 ' 3R
r2 R
1 1 2 l2 ' R R
l2 R
R l2 ' 3
• 第三次成像，光线从右到左，为了与符号规则一致，可将系统翻 转180°来计算
• 1. 物点经单个球面的光路计算
(single refracting spherical surface)
• 1.1. 实际光线计算 • 1.2. 近轴光线计算 • 1.3 近轴放大率
• 2.单个反射球面的光路计算 (single reflecting spherical surface)
1. 物点经单个球面的光路计算
n′ h I′ O C U′ r L′
I E
A′ -Y′ B′
规则： 以球面的顶点为原点， 沿轴量向右取正，向左取负 垂轴量向上取正，向下取负
2-1
角量的符号
• 角度量：U、U′、I、 I ′、Φ
规则：
角度正切值为正时该角度为正，反之为负
符号规则的意义
为什么要规定正负号？ 如果r=100，则可能是 也可能是 所以应该规定正负号
第二章
共轴球面光学系统 Symmetrical spherical surfaces (Coaxial spherical surfaces)
第一节 光路计算
• 一、基本概念 • 二、符号规则
• 三、单个球面的成像计算
• 四、共轴球面的成像计算
一、基本概念
1. 绝大多数光学系统由球面、平面或非球面组成，如果各 曲面的曲率中心在一条直线上，则称该光学系统为共轴 光学系统，该直线为光轴。 2. 光路计算是根据给定的光学系统，由物求像或由像求物 的过程。
(angular magnification)
垂轴放大率
定义：
y' y
• 分析：物像同侧，成正像，大于0；物像异侧，成倒像，小于0； 大于1 放大像，小于1缩小像
dl ' 定义： dl
轴向放大率
• 分析：永远取正值，物像同向移动 立体物体将产生变形（体视显微镜）
角放大率
u' 定义： u
f , n, f n
n n , f f
,
f: focal length, Φ :optical power (diopter)
145.75
1.3. 单个球面的近轴放大率 (paraxial magnification)
• 垂轴放大率（横向放大率）
(lateral or transverse magnification) • 轴向放大率（纵向放大率） (longitudinal magnification) • 角放大率
l3 5R 3 n3 1.5 n3 ' 1
r3 R
1 1.5 1 1.5 l 3 ' 5R / 3 R
l3 ' 5R / 2 2.5R
1
本章作业
• P65 2-1,其中，第（2）中不计算第二焦点和第二主点位置
• 第一章练习题： • The refractive index of a fiber without cladding is 1.3. A beam of rays incident with an angle of u1. If the rays are total-internal-reflected in the fiber, please find out the maximum incident angle of the rays to the fiber surface umax. Im
光路的符号
• 光路方向为光线行进的方向
• 从左到右规定为光路正向
• 其余符号均以光路正向为依据来规定 • 当光线从右到左行进时，所有按左右方式规定的符号均取反。
线量的符号
• 光线传播由左向右，以折（反）射面顶点 为原点（起点）: • 沿轴线量：L、L′、R • 垂轴线量：Y、Y′、H
B Y
A -U -L n
3. 光路计算是根据几何光学的基本定律利用成像光路图建 立起的物象计算式。
一、基本概念
光轴：optical axis;
顶点：vertex of the spherical system； 子午面：meridinal plane
物方截距：object distance（axial distance from the intersect point of the incident ray and axis to the vertex of the first spherical surface)