现代光学系统第四章
现代光学系统设计和优化研究
现代光学系统设计和优化研究光学系统作为一种能够对可见光、红外线和紫外线等辐射进行控制和利用的工具，被广泛应用于人类社会的种种领域。
它的采用不仅可以用于半导体加工中，还可以用于激光器设计、成像，甚至是生命科学等方面的研究中。
然而，在这些应用领域中，光学系统的性能优化是至关重要的。
第一章光学系统设计由于光学传输越长，对初始信号的干扰就越强，因此，在光学系统设计中，我们需要选用适宜的传输介质，并且确保光束在空气、水等介质中的传输稳定性。
此外，为了保持光束的准直度，我们还需要选用高品质的透镜和光学镜头，进行尺寸优化和焦距优化。
光学系统中最重要的组成部分是透镜。
透镜将通过透明介质传输的光束聚焦或分散，实现图片或激光束的成像。
在进行光学系统设计的时候，有以下几个需要考虑的因素：1.前向距离和背向距离：透镜和其他光学元件之间的距离称为透镜的前向距离和背向距离。
为了避免误差，需要将透镜放在约束空间中。
2.设计重心：对于对称光路，设计重心概念非常重要，它可以帮助您识别组成部分的重心位置，从而提高光学系统的稳定性。
3.透镜凸度：对于特定的应用环境，选择透镜凸度很重要。
凸透镜用于分散光束而凹透镜用于聚敛光束。
第二章光学系统优化光学系统的优化是科学研究和产品开发的重要环节。
光学系统的优化可以使光束的传输、成像和定位更加准确，并且可以改善系统的稳定性。
在光学系统优化中，通常会考虑以下几个方面：1.材料优化：光学元件的材料对传输性能、光学特性和光学稳定性都有影响。
低折射率、高透过率和低色散率的玻璃材料被广泛用于透镜的制造中。
2.透镜设计：透镜的形状、厚度和半径对其光学性能有重大影响。
优化透镜的形状、厚度和半径可以使光学系统的一个或多个性能指标得到改善。
对于非常规透镜，我们可以使用切片、渐变折射率和非球面去实现效果。
3.光源优化：光源的发光特性、色温、入射角度和光强决定了进入光学系统的初始光束的性质。
优化光源可以实现更加均匀和稳定的光束，并且可以减少离散误差和噪声。
现代光学第4章 光学全息 数字全息的原理及激光散斑 共192页
21
第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
图4.2-1中，记录物体为一透明图片，位于透镜的前焦 平面上； 参考点光源(针孔)与物共面，位置坐标为(-b，0)； 记录介质位于透镜的后焦面。用相干单色平面波垂直入射 照明物面时，透明图片后表面上的光波场复振幅分布 即为物光的复振幅，表示为 O(x0,y0)， 在记录平面即透 镜的后焦面上得到其傅里叶变换为
光强分布为
(4.1-3)
(4.1-4)
5
第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
在线性记录条件下，全息图的振幅透射系数为
(4.1-5) 再现时，设照明全息图的光波场在全息图上的复振幅 分布为
(4.1-6)
6
第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
则透过全息图光波的复振幅分布为
(4.1-7) 式中: 第一项是直射光； 第二项是原始像(含O)； 第三项 是共轭像(含O*)。 这就是全息照相的基本公式。应当指出， 一般情况参考光是平面波或球面波，可看成是点光源； 而 物体都有一定的大小，可看成点光源的线性组合，则
对于原始像,有
可见，原始像和物完全重合。
(4.1-18)
13
第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
对于共轭像，有 (4.1-19)
14
第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
4.1.3 再现像的放大率 1. 横向放大率 当物光和参考光的夹角不大时，横向放大率定义为
(4.1-20)
应用式(4.1-17)，分别求关于xi和xO的一阶导数，得到横向 放大率的显式表达式为
(4.2-4)
26
第4章 光学全息、数字全息的原理及激光散斑
《现代光学系统》PPT课件
精选ppt
21
空间频率的意义：
x
由于光波在k方向上每走一
k
个 行程，位相变化2，
因此，每间隔一个 就出
现一个等 位相面 ， 在 z=z0 平面上一簇垂直于k的平行 dT xx
直线。
y
z0
空间周期：
Tdy y
d x /c ， o d y s /c , o d z s /c os
在 x和 y方向相应的 :u空 d1x 间 cos频 ,vd1 率 y c为 os
若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，就得到被高度放大 的光。
在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分 布规律。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情 况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。
精选ppt
3
2、产生激光的先决条件
在热平衡条件下 ，受激吸收能量大于受激发射能量。 要实现受激发射能量大于受激吸收能量，必须使高 能态的原子数目多于低能态的原子数目，即粒子数 反转。首先是原子能级起码要具有三级，即原子能 级系统中要有亚稳态存在，其次运用外界激发方式 实现粒子数反转。
t(x1, y1)expi2(ux1 vy1)dx1dy1
Cf expi(kf)expik(x22fy2)
t(x1, y1)expi2(ux1 vy1)dx1dy1
常数因子， 可以忽略
二次因子，在求 强度分布时被自
动消去。
因此，夫琅 的 和 复 费 E ~振 (x衍 y） ,幅 射 为场 刚透过 的 衍 复振 t(1x ,幅 y1)的傅里叶变换，
最基本的要求是：光学性质均匀、光学透明性良 好且性能稳定、量子效率较高、具有亚稳态能 级等。
现代光学基础课件：第四章 光学仪器的基本原理
• 放大镜放大率的公式，通常采用以下形式
M 250 f'
• 放大镜的放大率仅由放大镜的焦距f ′ 所决定，焦 距越大则放大率越小。
§4-3 目 镜
放大镜是一种通过直接放大实物达到增大视角的助视仪器。下面将介绍 一种放大像的助视仪器——目镜。 一、目镜
• 由于场镜的物为虚物，所以这种目镜无法对物镜所成的像进行测量。
• 此目镜的视角较大（可达400），在250范围内像更清晰。而且结构 紧凑，适用于生物显微镜。
2、冉斯登目镜 1
Q 'Q
2
⑴ 结构：如图示 3
⑵ 特点：
F2 F
o1
• 场镜、视镜均为同种材
3
F1' 3
o2
2
2
料的平凸透镜，二镜凸 面相向，平面朝外。
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
前室
晶状体
盲斑
总能将像成在网膜上。
后室
角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液；
晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
1.376
前室
1.336
晶状体
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
视轴
光轴
盲斑
后室 1.336
眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。
x'
f1' f1'
• 物镜的像被目镜放大，其放大率为
Me
250 f2 '
• 式中： f2' 为目镜的焦距。由此，显微镜系统的
现代光学基础教学大纲
现代光学基础教学⼤纲现代光学基础(Fundamentals of Modern Optics)(学时50)⼀、简要说明本⼤纲是根据福建农林⼤学本科培养计划⾯向电⼦科学与技术本科专业及相关专业制定的教学⼤纲，总学时为50，总学分为3学分。
课程类别是：专业基础课。
⼆、课程的性质、地位和任务本课程以波动光学为基础，系统⽽深⼊地论述了从经典波动光学到现代变换光学所包括的基本概念和基本规律，全⾯⽽细致地分析了典型光学现象及其重要应⽤，反映了光学在诸多⽅⾯的新进展。
通过本课程的学习，使学⽣系统和全⾯地掌握波动光学的基本理论、研究⽅法和实际应⽤，为学习与光学相关的其它专业课打下基础。
三、教学基本要求和⽅法教学内容的基本要求分三级:掌握、理解、了解。
掌握：属较⾼要求。
对于要求掌握的内容（包括定理、定律、原理、物理意义及适⽤条件）都应⽐较透彻明了，并能熟练地⽤以分析和计算与⼯科本科⽔平的有关问题，对于那些由基本定律导出的定理要求会推导。
理解：属⼀般要求。
对于要求理解的内容（包括定理、定律、原理、物理意义及适⽤条件）都应明了，并能⽤以分析和计算与⼯科本科⽔平的有关问题，对于那些由基本定律导出的定理不要求会推导。
了解：属较低要求。
对于要求了解的内容，应知道所涉及问题的现象和有关实验，并能对它进⾏定性解释，还应知道与问题直接有关的物理量和公式等的物理意义1、基本要求要求学⽣较系统、全⾯的掌握光学设计理论和设计⽅法、了解光学材料及其加⼯要求。
2、教学⽅法采⽤理论和实际、传统教学与现代教学技术相结合的办法进⾏教学。
四、授课教材及主要参考书⽬教材：钟锡华主编.现代光学基础.北京⼤学出版社出版,2003.参考书：1、赵凯华、钟锡华编.光学.北京⼤学出版社出版,1984.2、⽺国光、宋菲君编.⾼等物理光学.中国科技⼤学出版社出版,1989.3、姚启钧编.光学教程.北京:⾼度教育出版社出版,2002.五、学分和学时分配六、教学主要内容及学时分配（50学时）第⼀章费马原理与变折射率光学 (3学时)1、⽬的要求：本章以费马原理作为光线光学的理论基础来分析光线径迹。
物理学史——第四章光学的建立与发展
③判决性实验
他用两块木版各开一小孔F和G，并分别放于三棱镜两侧， 光从S 处平行射入F后，经棱镜折射穿过小孔G，到达另一 块木版de上，投过小孔g的光再经棱镜abc的折射后，抵达 墙壁MN。使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转，这样第二块 木版上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc。实验 结果是：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个 三棱镜时也偏折的最多。结论：白光是由折射性能不同的 各种颜色的光组成。
1、 斐索的旋转齿轮法
在地面上首先成功测出光速的是法国物理学家斐索（ A. Fizeau，1819-1896）。他于1849年创造了旋转齿轮法，即巧妙 地利用旋转齿轮作为遮光测时设备，确定光传播时间，再通过 光程计算光速。
他的实验数据为： L（齿轮和平面镜间的距离）= 8.633 公里， N（齿轮齿数）=720， Z（齿轮转数）=12.67/秒。 利用公式c=2L/t，t=1/2NZ，则可算出c=315014公里/秒。 考虑到他所利用仪器的局限，这个结果已经相当精确了。
一.早期光学
欧几里得——光的反射
阿勒.哈增——光的折射
西奥多里克——彩虹现象
达芬奇——针孔照相机
二 折射定律的建立
光学真正形成一门科学，应该从建立反射定律和折射定 律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。17 世纪，望远镜和显微镜的应用大大促进了几何光学的发 展。
1 开普勒的工作：1611年写了《折光学》，记载了两个
如右图，若当地球(人)从B点运 动到A点时，恒星发出的光线从C点 传播到A，则光速和地球的公转速 度之比为：
v tg c v c
由此测得光速为：C=299930千米/秒
三. 光速的地面测定方法
1849年，法国人菲索（1819-1896）用齿轮旋转 法测得光速为 3.15× 108 米 / 秒。他是第一个首次证明 光速可以在实验中测得的人。另外，法国人傅科、美 国人纽克姆等都对光速测定做过贡献。
现代光学系统的设计与优化
现代光学系统的设计与优化光学系统是目前人类利用光学的科技产物，具有广泛应用领域，包括通信、医疗、航空航天、军事等领域。
随着光学技术的不断进步和光学器件的不断优化，现代光学系统的设计与优化也变得更加复杂和精细。
本文将从现代光学系统的基本组成、设计原理与优化方法进行介绍和探讨。
一、现代光学系统的基本组成现代光学系统的基本组成包括光源、光路、光学器件和检测器。
其中，光源是产生光波的物体，光路是光线传播的轨迹，光学器件是用来接受或变换光线的器件，检测器是用来检测光线的强度、波长等参数的器件。
在整个光学系统中，光路的设计和优化是最为关键的部分。
二、现代光学系统的设计原理现代光学系统的设计原理以拉格朗日光学原理为基础，即光线传播是遵循最小光程原理的。
在光学设计中，通常采用光学软件和计算机来进行系统的设计和模拟，以达到最优的设计效果。
光学系统的设计需要考虑到光路的长度、畸变、色差、扭曲等各种因素，同时还要考虑到器件的可制造性和使用寿命等实际因素。
三、现代光学系统的优化方法现代光学系统的优化方法主要包括两个方面，一是光学器件和光路的优化，二是系统参数的优化。
在光学器件和光路的优化中，通常采用的方法是改变光学器件的材料、曲率、形状等参数，或改变光路的长度、角度、位置等参数。
在系统参数的优化中，通常采用的方法是通过电子计算机来模拟设计，通过修正器件参数或调整器件位置来达到最优的系统效果。
四、光学系统的应用领域现代光学系统的应用领域非常广泛，主要包括以下几个方面。
1、光刻技术光刻技术具有高精度、高分辨率、高速度、成本低等优点，广泛应用于集成电路、液晶显示器、平板电视等电子产品的制造。
2、医疗器械和诊疗设备光学技术在医疗器械和诊疗设备中的应用非常广泛，比如光学心电图、超声波影像诊断、光热疗法、激光手术等。
3、航空航天科技航空航天科技中的各种光学监测设备、光学成像设备、激光定位设备等都需要光学系统的设计和优化。
4、军事科技军事科技中的各种光学探测设备、光学武器设备、激光干扰设备等都需要光学系统的设计和优化。
现代光学系统
自发辐射（荧光）：处于高能态的原子在没有受到外来光 子作用而自发地返回低能级，并同时发出光辐射的过程。
受激辐射 ：在能量相应于两个能级差的外来光子作用下， 会诱导处于高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出 数量加倍的光子，即光被放大了。这正是产生激光的基 本过成。受激发射的光子与入射光子频率、相位相同， 偏振方向和传播方向也相同。因此由受激发射跃迁所产 生的光子具有很好的相干性和方向性。
x
u
2 sin x
, y ,v
2 sin y
2 夫琅和费衍射和傅里叶变换
二维函数f ( x, y )在满足了普遍的傅里叶 积分存在的条件 后可以表示为: f ( x, y ) F (u, v) exp[i 2 (ux vy)]dudv F (u, v) f ( x, y ) exp[i 2 (ux vy)]dxdy 上式表明二维函数 f ( x, y )为连续空间频率基元函 数 exp[i 2 (ux vy)]的线性组合， (u, v)是基元函数在 x, y方向的空间频率 . F (u, v)叫做f ( x, y )的傅里叶变换或空间频 谱, 记作F (u, v) [ f ( x, y )],它代表基元函数的权重 , 即基元函数的幅值和相 位, F (u, v)由f ( x, y )的傅里叶变换求出。
4、激光光束（高斯光束）的特性
激光作为一种光源，其光束截面内的光强分部是 不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相等的， 其振幅A与光束截面半径r 的函数关系为： 光束波面的振幅A呈高斯函数分布
A A0 e
r2
2
A0 为 光 束 截 面 中 心 的 振 ; 幅
为 一 个 与 光 束 截 面 半 有 径关 的 参 数 ; r为 光 束 截 面 半 径 ; 常 以r 时 的 光 束
现代光学导论第四次
灯丝高度过低时灯丝像
合轴后的灯丝像
栅格样品像
栅格样品像
3.4 实验验证
实验平台
3.4 实验验证
实验方法
高放大倍率光斑
标定
放大倍数
低放大倍率光斑
记录
光斑大小
实际激励 电流值
电子枪
聚光镜
物镜
样品 A 中间象 B＇
投影镜
3.2成像系统仿真与调试
物镜
第一中间镜
B
A＇
第二中间镜
投影镜
最终像
A〞
B〞
TEM 模式
3.2.6 仿真结果：
加速电压
200kV 衍射模式
相机长度(cm)
10 25 35 60 86 165
物镜
11838.5565 11838.5565 11838.5565 11838.5565 11838.5565 11838.5565
第一中间镜
2313.518 2052.98 1999.296 1942.40 1922.506 1897.259
物镜
0 0 2.201 2.201 2.166 2.168 2.133 2.133 2.121 2.134 2.134 2.134 2.134 2.134
第一中间镜
0.421 0.516 0.324 0.325 0.331 0.337 0.355 0.406 0.492 0.77 0.77 0.77 0.77 0.77
第二中间镜
1311.893 1653.216 1859.093 2325.025 2660.93 3527.781
投影镜
4105.2680 4105.2680 4105.2680 4105.2680 4105.2680 4105.2680
第四章材料的光学性能_材料物理
第四章材料的光学性能_材料物理第四章主要介绍材料的光学性能，包括传统光学性能和现代光学性能。
在本章中，我们将探讨材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，并深入了解这些性能对材料的应用和性能起到的影响。
首先，折射率是一个物质对光的折射能力的度量。
它表示光在通过一种介质时，光线的传播速度相对于真空中的传播速度的比值。
折射率越大，光线在介质中的传播速度越慢，同时也会使光线的传播方向发生变化。
折射率在光学器件的设计和制造中起着至关重要的作用，例如在光纤通信和光学透镜等领域。
透过率是指光线从一个介质传播到另一个介质时的透明程度。
透过率越高，介质光学效果越好。
材料的透过率取决于折射率和吸收率等因素。
在光学器件中，透过率是一个重要的性能指标，它决定了器件的光学传输效率和亮度。
吸收率是材料吸收光的能力。
当光线穿过材料时，一部分能量被材料所吸收，而另一部分则被材料所反射或透射。
吸收率对于材料的应用非常重要，特别是在光电子器件和光热器件中。
高吸收率的材料可以有效地将光能转化为电能或热能，以实现各种功能。
反射率是指光线从介质中的表面反射回来的能力。
反射率取决于入射角度和材料的折射率。
反射率高的材料适用于光学镜面和反射镜等应用，可以将光线有效地反射出去，而不是被吸收或透射。
透射率是指光线通过材料时传输的能力。
透射率在光学器件和材料中起着重要作用，尤其是在光纤传输和光学滤波器等应用中。
高透射率的材料可以有效地传输光线，减少能量损失。
散射率是指光线在碰撞或与材料表面相互作用时发生方向改变的能力。
散射率对于材料的外观和质量也有很大影响，尤其是在透明材料和杂质掺杂材料中。
控制散射率可以改善材料的光学性能，使其更适用于各种应用。
总之，材料的光学性能对于很多应用至关重要。
通过理解和控制材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，我们可以设计和制造出更好的光学器件和材料，满足不同领域的需求。
现代光学(刘继芳)(第二版)1-3章 (2)
第2章 线性系统概论
以上结论推广到n个线性不变系统组成的串联系统，其
传递函数、调制传递函数和相位传递函数分别为
(2.3-3)
40
第2章 线性系统概论 2. 并联系统 图2.3-2所示为两个独立的线性不变系统的并联系统，
两独立系统的传递函数分别为
41
第2章 线性系统概论
图 2.3-2 并联复合系统示意图 42
状不变，其输出函数位置仅产生相同的移动，则称该系统为 位移不变系统，即若
L｛f(x)｝=g(x)
则
L｛f(x－x0)｝=g(x－x0)
(2.1-7)
式中: x0为实常数。
7
第2章 线性系统概论 一个系统既是线性的，又是位移不变的，则称为线性位
移不变系统，简称为线性不变系统。该系统用算符表示为
(2.1-8)
式中: x1和x2为实常数。
8
第2章 线性系统概论
2.2 线性系统分析方法
2.2.1 线性系统对基元函数的响应 1. 脉冲响应
当系统的输入是一个用δ函数表示的脉冲时，其对应的 输出称为系统的脉冲响应。如果线性系统对位于x=x0处的输 入脉冲δ(x－x0)的响应用h(x；x0)表示，即
(2.2-1)
性不变系统的脉冲响应可以简化为
(2.2-4a) 和
(2.2-4b)
11
第2章 线性系统概论
2. 复指数函数的响应 当线性不变系统的输入为复指数函数 出为
时，其输
(2.2-5)
式中： ξ0为一任意实参数。若输入为位移形式 (其中x0为实常数)，则由线性性质可得
(2.26)
12
第2章 线性系统概论 由位移不变性得
(2.2-7) 因此有
东南大学《现代光学基础》复习总结
《现代光学基础》复习总结第一章几何光学费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。
即光沿光程为最小值、最大值或恒定值的路程传播，一般情况下，实际光程大多是极小值。
光在平面上反射不改变光的单心性，光在分界面上折射将破坏光的单心性。
在水面上沿竖直方向看水中物体时，像最清晰，像似深度y y n n y <='12，沿着倾斜角度较大的方向观看时，像的清晰度由于像散而受到破坏。
当光由光密介质射向光疏介质时，全反射临界角12arcsin n n i c =，光导纤维中光的入射临界角2221arcsin n n u -=。
通过测量棱镜的最小偏向角可计算棱镜的折射率，最小偏向角A i -=102θ，折射角22A i =，即折射率2sin2sinsin sin 021A A i i n +==θ。
球面镜反射：物像公式：f r s s '==+'1211，横向放大率ss y y '-='=β，球面镜反射将破坏光的单心性；球面镜折射：物像公式：r n n s n s n -'=-''，光焦度r n n -'=Φ，横向放大率n ns s y y '⋅'='=β，球面镜折射将破坏光的单心性。
物方焦距r n n n f -'-=，像方焦距r n n n f -''='，即n nf f '-='。
高斯物像公式：1=+''s f s f ，牛顿公式：()()f f f s f s x x '='-'-='；薄透镜成像：物像公式：221112r n n r n n s n s n -+-=-'，光焦度2211r n n r n n -+-=Φ，横向放大率ss y y '='=β，高斯公式：s f s f +''1=，牛顿公式：()()f f f s f s x x '='-'-='。
现代光学基础课件：光学教程-总结
第一章 光的干涉
等倾干涉：
此装置是分振幅干涉（即分能量干涉。）薄膜上下表面反射光
的光程差为：
2d0
n22
n12
sin 2
i1
2
2nd cosi
2
2j
2
明纹 j 0,1,2,3,
(2 j 1) 暗纹 j 0,1,2,3,
2
第一章 光的干涉
等厚干涉：
平行光从相同的倾角入射不均匀的薄膜，相干光光程差Δ，随膜
上式称为菲涅耳积分。借助惠更斯—菲涅耳原理可解释和描述 光束通过各种形状的障碍物时所产生的衍射现象。菲涅耳衍射的计 算很困难，可以用振幅矢量叠加法做近似的处理。
第二章 光的衍射
菲涅耳半波带
S
r2 r0 2( / 2)
O
R
BBB321 B0
r3 r0 3( / 2)
P r1 r0 ( / 2)
光（也称平面偏振光）。
大量的振幅相同、振动方向任意、彼此没有固定相位关系的 光振动的集合叫自然光。
第五章 光的偏振
第五章 光的偏振
yLeabharlann 1.220df1'
f
f2
Q
F1’ F2
P
U
P` P‘’ o2
o1
U
y' -U‘
-U‘’
-U‘’ O
物镜系 统
Q`
目镜系统
Q‘’
第五章 光的偏振
偏振—振动方向对于传播方向的不对称性。 偏振是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振 现象。
光矢量（E）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫线偏振
f n r f ' n' r
nn'
第四章 光电成像器件
电荷耦合器件（CCD）
CCD类型： 表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与 绝缘体之间的界面，并沿界面传输； 体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表 面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传 输——用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而 使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内 的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件 的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达 100MHz，且能做成大规模器件。 下面以表面沟道CCD为例介绍CCD基本原理
电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injection Device，即CID）
4.3 电荷耦合器件
CCD(Charge Coupled Devices)
CCD图像传感器主要特点：
双列两相线阵CCD结构
光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。
转移栅:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。
移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。
输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。
在Al电极上加驱动信号，MOS阵列使光生电荷包 自扫描输出。
输出端：输出栅OG；
进一步说明：
栅电极G
氧化层
P型半导体
耗尽区 浅势阱
反型层 深势阱
uG=0
uG<uth（MOS晶体管的开启电压）
uG>uth
电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态
现代光学工程-4-衍射
检测与装配
对加工完成的元件进行性 能检测，确保其满足设计 要求，并进行装配和调试。
关键技术与挑战分析
高精度制造技术
新型材料应用
衍射元件对制造精度要求极高，需要 发展高精度制造技术以满足需求。
探索新型光学材料，提高衍射元件的 性能和稳定性。
大规模生产技术
随着衍射元件应用领域的不断拓展， 需要实现大规模生产以提高效率。
不同类型衍射元件对激光束空 间分布的影响
实验方法和数据采集技巧分享
实验装置搭建和调试技巧
激光束参数测量方法
衍射元件制作和表征方法
数据采集、处理和分析技巧
结果讨论与实际应用价值评估
01
实验结果的理论解释和讨论
02 激光束通过衍射元件传输特性的优化方法
03
衍射元件在激光加工、光通信等领域的应用 前景
环保领域
衍射技术可用于环境监测和污染治理， 如利用衍射光栅对大气成分进行检测 和分析，为环保工作提供科学依据。
06 总结与展望
本文主要内容回顾
衍射现象及其分类
详细介绍了衍射的基本概念、分类以及在光 学工程中的应用。
衍射元件与技术
介绍了光栅、透镜、全息图等衍射元件及其 制造技术。
衍射理论基础
阐述了衍射的波动理论、惠更斯-菲涅尔原 理等基础理论。
现代衍射理论
19世纪，法国物理学家菲涅尔在惠更斯原理的基础上，提出 了半波带法，成功解释了夫琅禾费衍射现象；随后，英国物 理学家瑞利进一步完善了衍射理论，提出了瑞利判据，为光 学仪器的分辨率设定了理论极限。
实际应用领域举例
光学仪器
通信技术
材料科学
生物医学
衍射现象对光学仪器的分辨率 有着重要影响，如望远镜、显 微镜等；同时，一些光学仪器 也利用衍射现象进行工作，如 光谱仪、干涉仪等。
现代光学(刘继芳)(第二版)1-3章 (3)
为拉普
拉斯算符。把式(3.1-2)代入式(3.1-3)，得到自由空间单色
光场满足的波动方程为
(3.1-4)
式中: k=2πν/c=2π/λ为波矢量的大小。该式称为亥姆霍
兹方程。这表明自由空间传播的任何单色光波的复振幅必然 满足亥姆霍兹方程。
6
第3章 傅里叶光学基础 3. 格林定理 格林定理是基尔霍夫衍射积分定理的数学基础。格林定
(3.1-10) 14
第3章 傅里叶光学基础
式中: Ω为Sε面对P点所张开的立体角。将式(3.1-10)代入
式(3.1-8)得
(3.1-11)
15
第3章 傅里叶光学基础 2. 基尔霍夫衍射公式 现在讨论无限大不透明屏幕上透光孔所引起的衍射问题。
衍射装置如图3.1-3所示，从点源P0发出的单色光波，传播并 通过不透明屏S′上的一个小孔Σ，在屏后的P点观察。假设 开孔Σ的线度、P0点和P点到孔Σ的距离远大于波长λ，P0和 P到Σ上任一点P1的矢径分别为r0和r。
根据1.1节的知识，光波场中P点在t时刻的光振动用复值标 量函数u(P,t)表示，对于单色光场，有
(3.1-2)
式中: U(P)为光波场中P点的复振幅； ν为光波的时间频率。
根据电磁场理论，光波场中的每一个无源点上，光振5
第3章 傅里叶光学基础
式中: c为光在真空中的速度;
(3.1-7)
10
第3章 傅里叶光学基础
在V′中,G和U都满足亥姆霍兹方程
把上式代入式(3.1-7)，得到
11
第3章 傅里叶光学基础 于是式(3.1-7)简化为 或
(3.1 -8) 12
第3章 傅里叶光学基础
在Sε面上，n与r处处反向，有
现代光学设计课程设计
现代光学设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解现代光学设计的基本原理，掌握光学元件的功能和特性；2. 学生能掌握光学系统的基本组成部分，了解不同类型光学系统的设计方法和应用；3. 学生能了解光学设计中的像差及其校正方法，提高光学系统成像质量。
技能目标：1. 学生能运用光学设计软件进行光学系统的搭建和优化；2. 学生能通过实际操作，解决光学设计中的实际问题，具备一定的光学设计能力；3. 学生能运用所学知识，对光学元件和系统进行性能分析和评价。
情感态度价值观目标：1. 学生能培养对光学设计的兴趣，提高科学探究精神；2. 学生能认识到光学技术在现代科技领域的重要地位，增强国家科技发展的责任感和使命感；3. 学生能在团队协作中发挥个人优势，培养合作精神和沟通能力。
课程性质：本课程为选修课程，旨在让学生深入了解现代光学设计的基本原理和方法，提高学生的实践操作能力和创新意识。
学生特点：高中学生具有一定的物理基础和光学知识，对光学设计有一定的好奇心，但实践操作能力有待提高。
教学要求：结合课程性质和学生特点，注重理论与实践相结合，强调学生在学习过程中的参与和体验，培养其光学设计能力和科学素养。
通过本课程的学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的学习和研究打下坚实基础。
二、教学内容1. 光学基本原理回顾：光学基础知识，光的传播定律，光学元件的基本概念和功能。
教材章节：第一章 光学基础2. 光学系统设计原理：光学系统的组成，光学系统设计的基本原则，光学系统设计方法及应用。
教材章节：第二章 光学系统设计3. 像差理论：像差的定义，常见像差类型，像差校正方法。
教材章节：第三章 像差理论与校正4. 光学设计软件应用：光学设计软件介绍，光学系统建模与优化，光学元件性能分析。
教材章节：第四章 光学设计软件及其应用5. 实践操作：光学系统搭建与调试，光学设计实例分析，光学元件性能测试。
教材章节：第五章 实践操作6. 光学设计案例解析：分析典型光学设计案例，了解光学设计在实际应用中的关键作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
与时间无关。
激光器的空间相干性与谐振腔的横模结构有关。在单横模 工作模式下，波面上的各点实际上是同位相的，以此它们
有特别好的空间相干性。
光源的时间相干性与光波频谱 光源的时间相干性是指在同一空间点处．在任意相等的时
A A
Source
B
B
xs
b
P1 t/2 t/2
r1 x r2
-b Source P 2 ls
l0
从b点发出的光经P1、P2孔后到达观测屏上某点的光程差
r ls2 t / 2 xs l02 t / 2 x ls2 t / 2 xs l02 t / 2 x
间区间 t 内测得该点的位相差随时间的变化情况。光源的
时间相干性取决于光源的频谱宽度。 实际的光源都是以不连续的许多有限长的波列形式 ( 称为 “波串”)发射光波的。而任何有限长的波列必然包含着不 同波长的光波，只有纯单色光才是无限长的波列。
0代表各个 波列的平均 持续时间。
如果时间间隔 t0, 则在 t 与 t+t 时刻的两个光场具有确定
整个光源在观察屏上 x 处的总强度则可由该式在光源宽度
2b积分得到。
1 b 2 I x I cos 0 2b b
1 I x I0 2
kt xs x dxs l0 2 ls
sin 2 bt /(ls ) 2 tx cos 1 2 bt /( l ) l s 0
2
在观测屏上的干涉条纹的亮暗取决于不同的 x 、 xs 值。但条 纹间隔与x、xs值无关。
kt x 2 l0
x
2 l0 l0 kt t
光源上一 点发出的 光
实际上，并不是对所有x都能观测到条纹的，在多大的范围
内能观测到条纹与光源本身的性质和光路布置有关。
关于光源本身的性质： 1）每个光源不可能是点光源，而且光源上各点独立发光； 2）光源上各点发出的光频率或波长是相同的； 3）光源上各点发出的光之间位相是随机的。 线光源 不同的发光点对应于不同的 xs ，于是不同发光点各自产生直 线条纹，它们的亮或暗条纹位置不同，降低了整体条纹图样 的对比度。
教学内容
1）光场的空间相干性概念及其相关性； 2）光场的时间相干性概念及其相关性； 3）光场的复相干度。
教学目的和要求
了解掌握光场的空间、时间相干性和复相干度概念及其与 哪些因素有关。
4.1 光源的空间相干性与光源线度
光源的空间相干性： 指光场中空间任意两点的光场的相干关系。 方法： 将空间任意两点的光场引出来，并使之相遇、叠加，观测干 涉 l0 , l2
txs tx r ls l0
根据杨氏干涉场的强度分布
I I1 I 2 2 I1 I 2 cos , 当I1 I 2 I 0时,有 kt xs x I I 0 cos l0 2 ls
3) 将同一准直光分成两束，然后合并，观测两束光的干涉；
4) 其中一束通过平移一反射镜调节合并的两束的光程差。
M1
M2
1) 两束光光程相等时，条纹最清晰，调制度最大； 2) 随着光程差增大，条纹清晰（对比)度降低，最终条 纹消失； 3) 其中一束通过平移一反射镜调节合并的两束的光程差。
波列长度0、光谱宽度、时间相干性
有限光谱宽度的影响： 各波长的明、暗条纹的位置不同，导致干涉条纹对比度下降，
时间相干性变差；
准单色光： / 1 式中＝2－ （光谱两端波长差），＝ 2＋1 /2 1 2l 2l
sin 2 bt /( ls ) sin c 2 bt /( ls ) 2 bt /( ls )
对比度为
V
显然，只有当光源尺寸趋于零 (b=0) 时，条纹对比度才最好 (V=1) 。随着光源尺寸的增加，条纹对比度降低，相干性变差。
当光源尺寸满足：
2bt /(ls ) 1
的位相关系；而对于 t0 的两个光场，即使是由同一光
源发出的光波，它们之间也几乎没有任何位相关系了。在t 大致等于0的时间间隔内，即可说这两个光场仍然是相干的。
0称为辐射的相干时间，相应地波列的长度称为相干长度Lc，
有
Lc c 0 , 而且 Lc＝02 /
迈克尔逊干涉仪考察时间相关性 1) 对一点光源发出的光进行适当准直，提高光的利用率； 2) 用点光源可有效的消除空间相干性的影响；
ls
对于选定的光源尺寸2b，两个小孔的距离t越小，干涉条纹就越清
晰，而随着t增大，干涉条纹对比度下降，直至条纹最后消失。两 小孔间最大允许间隔应为：
tc ls / 2b /
横向相 干宽度
光源的张角
光源极限尺寸与干涉孔径角成反比；而横向相干宽度与光
源张角成反比。这两个公式统称为空间相干性的反比公式。
为：
bt / ls 2
时，条纹消失，故得光源的极限尺寸 (或称光源的临界宽度 )
2bc ls / t /
干涉孔径角
光源宽度不超过其临界宽度的 1/4 时， 条纹对比度大于0.9，干涉条纹仍清晰
可见。欲使干涉条纹有较好的清晰度，
光源的尺寸应进一步减小到：
光源的许 可宽度
1 2b / 4t 4
2 2 2 2
2 2 2 2 x x x t t xs t t ls 1 s 1 l0 1 s 1 s 2ls ls 2ls ls 2l0 l0 2l0 l0