应用光学课程设计指导书
何平安编
武汉大学电子信息学院
2010年3月
应用光学课程设计任务书
一、课程设计题目
内调焦准距式望远系统光学设计
二、设计要求
内调焦准距式望远系统是工程用水准仪的照准望远镜，其作用是观察和照准目标。要求仪器体积小、重量轻，便于携带，成像清晰，使用和保养方便。
具体技术要求如下：
放大率：Γ≥ 24?加常数：c = 0
分辨率：?≤ 4"最短视距：Ds≥2m
视场角：2w≤ 1.6?筒长：LT≤195mm
乘常数：k = 100
三、设计题纲
1、技术参数选择；
2、外形尺寸计算；
3、结构选型；
4、初始结构参数求解；
5、像差校正；
6、绘制光学系统图与光学零件图；
四、计划进度
1、布置任务，专题讲座 2.0h+2.0h
2、参数选择及外形尺寸计算 3.5 h+4.0h
3、结构选型与初始结构参数求解 4.0h+8.0h
4、像差校正与像差自动平衡 4.0h+8.0h
5、目镜选择及缩放0.5h+1.0h
6、绘制光学系统图和光学零件图 2.0h+12.0h
7、编写设计报告 2.0h+10.0h
共计18h+45h
五、考核方式
考勤与表现＋完成任务情况＋报告、图纸评分
第一章内调焦准距式望远系统
内调焦准距式望远系统是各种工程水准仪的主要部件之一，其主要作用是观察并照准竖立在测站上的水准标尺。照准标尺目标后，通过标尺像上的视距丝，读取分划板上视距丝对应的标尺读数，即可得到标尺到仪器转轴的距离及标尺与仪器间的高度差。
§1-1 望远镜的调焦
望远镜的调焦是通过移动光学系统中某光学元件的位置，使远近不同位置的物体都能清晰地成像在分划板上。望远镜的调焦有如下二种方式：
一、外调焦
外调焦是通过移动望远镜的目镜和分划板来实现的，即当观察有限距离的物体时，将目镜和分划板一起向后移动适当的距离，使有限距离的物体仍然成像在分划板上，供目镜观察，如图1-1所示。
图1-1 外调焦望远镜系统
外调焦的优点是结构简单，成像质量好。缺点是外形大，密封性差。
二、内调焦
1 内调焦望远系统
内调焦望远系统物镜由两个光组组成，其中一个称为主物镜，一个称为调焦镜。在调焦过程中，目镜和分划板固定不动，通过移动调焦镜来实现对远近不同距离的物体进行调焦。如图1-2所示。
内调焦望远物镜的筒长比其组合焦距短，因此，在相同放大倍率的情况下，内调焦望远镜比外调焦望远镜筒长短。由于其筒长缩短，可以使仪器外形尺寸缩小，结构紧凑，携带方便，密封性好。因此，在水准仪、经纬仪、测距仪及全站仪等大地测量仪器中，多采用内调焦望远镜作为观察照准系统。
当然，相对于外调焦系统而言，内调焦系统的结构相对复杂，加工、装调要求较为严格。
2 内调焦系统的调焦量
当观察从无穷远到有限远最短视距处的物体时，调焦镜在调焦过程中的最大移动量称为调焦量。系统的调焦量可以通过如下两步分析确定。
1) 当对无穷远调焦时，因为l 1 = -∞，l 1' = f '1，则：
0101
2-d f -d l l '='= (1-1) 把物像关系的高斯公式用于调焦镜，即：
2221
11f l -l '
=
' (1-2) 得：
???
? ??''=''+''='='101220210
121f d -f f -d f f -d f l l F
(1-3) 于是，物镜的筒长为：
????
?
?''+=+'=1012001f d -f d d l L F
(1-4)
2) 当调焦至有限远距离-l 时，先求出物体经过主物镜L 1的像距l '1。移动调焦镜L 2，使所成像落在分划
板上，这时，分划板到主物镜的距离为d ，则系统的调焦量为：
0d-d Δd = (1-5)
由于d = L -l '2，将其与(1)式一起代入调焦镜物像公式(2)，则有：
L-d
f -d l 11121='+' 从中解出d ，得：
()()[]
211142
1
f -L l -L l L-l d '+''+'=
(1-6) 若以l 1= -D s 的像距l '1代入，求得d ，即可由(1-5)式求得调焦镜的最大移动范围。
§1-2 光学测距原理
一、 光学测距原理与测距方程
为简单起见，我们以外调焦系统来分析说明光学测距原理。如图1-3所示，标尺BC 位于离仪器转轴O 距离为D 的测站A 点处，成像在分划板上。分划板上刻有十字丝和一对水平视距丝，上下两视距丝的间距是一定的。十字丝用于照准标尺，视距丝用于读取标尺上的读数。设视距丝的间距为b '，上下视距丝在标尺上读数之差为b ，标尺到物镜主面的距离为l 。由图中几何关系有：
δ+=l D (1-7)
由图中相似三角形的关系，有：
f f -l--f -l-(-f)b b -'
'
=
=' 得：
f f b b
--l '+''
= 代入(1-7)式，得测距方程为：
D = k | b | + c (1-8)
式中：b f k '
'
=
称为乘常数，c = δ + f '称为加常数。δ 为仪器转轴到物镜后主面H '的距离。 由于k 和c 都是已知的常数，因此，只要在分划板上读出上下视距丝在标尺上的读数差b ，就可以求出标尺到仪器的距离D 了。
二、 准距系统及准距条件
对于内调焦系统，测距方程仍然可以写成(1-8)式的形式，只是乘常数
b
f k ''
=
0 (1-9) 加常数
F δ-l b b f Δc +'
'
=
(1-10) 式中，f '0为物镜组调焦至无穷远时的系统焦距，?f ' = f ' -f '0为对有限距离的物体调焦后物镜组焦距的变
图1-3 光学测距原理
化量，f '为调焦后物镜组的焦距。这里，加常数c 在调焦过程中是变化的。
为了测距的方便，最好使加常数c = 0。乘常数k 一般取100或50，因此，所测距离D 可直接由分划板上的标尺读数而得。由于在调焦过程中，加常数c 是变化的，不能严格地满足c = 0的条件，但要满足c ≈ 0还是容易实现的。我们把c ≈ 0称为准距条件，满足准距条件的系统称为准距系统。
由c = 0可以推导出准距条件的表达式：
02110='
+'
+
f δf δd L- (1-11)
即满足准距条件，加常数c ≈ 0，这时测距方程简化为：
b k D ?= (1-12)
从而使测距过程简化，如k = 100，若读得| b | = 43.5cm ，则得D ＝43.5m 。
第二章 参数选择与外形尺寸计算
光学设计一般是从技术参数的选择与确定开始的。技术参数确定后，拟定系统方案，即确定系统的组成，而后进行外形尺寸计算，确定各组成光学元件的焦距、通光孔径及各元件之间的间隔，为系统结构参数求解和像差校正打好基础。技术参数选择得与否合理、方案拟定得是否合理，直接关系到光学系统设计的成败，影响光学系统的结构性和工艺性。
光学设计是一个工程性问题，并不片面追求设计结果的先进性，即只要满足设计的基本要求就行。在满足基本设计要求的前提下，尽量做到结构简单、紧凑，具有良好的工艺性，成本低。
§2-1 内调焦望远系统参数的确定
一、望远镜的缩短系数Q
内调焦望远系统一个显著的优点是能缩短筒长，即物镜的筒长比其组合焦距要短。为满足体积小、重量轻，便于携带的要求，应使望远镜的筒长尽可能短。下面我们会看到，筒长并不是越短越好。为便于研究筒长与焦距的关系，我们定义一个缩短系数Q ：
12
f L
Q '=
(2-1) 表征内调焦望远镜长的缩短程度。
二、内调焦准距式望远系统应满足的条件
内调焦准距式望远镜系统应满足如下条件：
1、系统组合起来的总光焦度?12与主物镜、调焦镜的焦距与间隔应满足
2102112-＋?????d ＝
2、物镜的筒长满足关系式（4），即：
????
?
?''+=+'=1012001f d -f d d l L F
3、准距条件（1-11）式，即：
021
10='+'
+
f δf δd L- 4、仪器支撑起来的平衡问题。
水准仪的望远镜支撑在一个回转轴上，可以在水平面内360?范围内作任意角度的旋转，要求旋转平稳可靠。因此，望远镜的支撑必须平衡。
显然，从总体结构上看，整个望远镜的重心应偏向于主物镜一方，考虑目镜组对主物镜的平衡，我们把仪器转轴设在L/2处，即主物镜后主面到仪器转轴的距离：
图2-1 DSZ2自动安平水准仪实物
L δ2
1
=
(2-2) 联立上述四个方程式，并考虑缩短系数的定义式，则可解得：
()()???
???
?
??
?
??
?''''='???? ??'+'+=++='='12
12101211021
1222111612f f -f -d f f f L f L L d Q --Q L f Q L f (2-3) 取不同的筒长L 和缩短系数Q 值，通过式(2-3)便可以计算一系列的f '12、f '1、f '2、d 0、f '3、l 'F 和调焦镜
的轴向放大率α2。
三、主要参数的确定
这里取Γ = -24?，取不同的筒长L 和缩短系数Q ，根据上述公式(15)计算的结果列表2-1。
?
上述计算表明：
1、为了使仪器结构紧凑，必须缩短仪器筒长。缩短筒长L ，f '1、f '
2、f '3减小，导致各透镜组的相对孔径D /f '将增大。透镜组相对孔径的增大，将使 像差校正困难，或使结构复杂，成本增加。因此，仪器筒长L 不宜术小。
2、当筒长L 一定时，希望一定筒长所能获得的组合焦距f '12越大越好，即缩短系数Q 越小越好。Q 越小，f '1、f '2就越小，从而D 1/f '1和D 2/f '2增大，且α2增大，主物镜的剩余像差经调焦镜后将被放大α2倍，于像差校正是不利的。另一方面，Q 越大，f '12和f '3就越小，但目镜的焦距不能太小，否则，目镜的镜目距小，影响观察。
综上所述，应该取适当的L 和Q 。作为例子，我们取：
Γ = -24?， L =170， Q = 0.65
f '12 = 261.54， d 0 = 111.71
f '1 = 143.74， f '2 = -71.11， f '3 = 10.90
由于计算误差和取舍误差，亦或计算错误，有可能使得加常数c ≠ 0。因此，必须检验加常数是否为0。检验公式为：
()
2
22
212
2142f -f -f L-f δ-f c '
'''+'= (2-4)
将所确定的参数代入，得：
c = 0.00254
由此可见，系统满足准距条件，其所引起的测量误差可以忽略不计。
参数确定后，就可以进行外形尺寸计算了。
§2-2 内调焦望远系统外形尺寸计算
一、物镜通光孔径及出瞳大小
这里，我们把孔径光阑设置在物镜框上，视场光阑设置在分划板上。这样，入瞳与物镜框重合，出瞳在目镜后焦点以外靠近焦点的地方，入窗和出窗均在无穷远。
为了满足分辨率的要求，即 ? ≤ 4"，由
D 014'
'=
? 得：
35mm 4
140
140
D =≥
=
?
另一方面，由D
D
Γ'=
可知，Γ一定时，出瞳D '随D 的增大而增大。D 的增大，即物镜通光孔径增大，使仪器外形增大。当f '1一定时，物镜的相对孔径D 1/ f '1也随之增大，物镜的高级像差增大，像差校正
困难。通常，用于大地测量仪器的望远镜系统，为了提高测量精度，出瞳直径D ' = 1.3~1.5mm ，一般取D ' = 1.5mm ，则：
D = -Γ D ' ≥ 24 ? 1.5 =36mm
因此，取入瞳直径，即物镜的通光孔径D 1=36mm ，对应的出瞳直径D '=1.5mm 。
二、调焦镜的通光孔径
如图2-5所示，调焦镜的通光孔径D 2由轴外物点的上光线的入射高度确定。由图中三角关系，有：
21111222d /-D /D f y -/D ='' 而：
y '1 = f '1tg w
则得调焦镜的通光孔径：
D 2 = D 1- d 0(D 1/f '1- 2tg w )
=36-111.71?(36/143.74-2?tg0.8?) = 11.14mm
三、分划板直径及视距丝间隔
由于场阑与分划板重合，所以分划板的通光孔径即为场阑直径，即：
D P = D 场 =2f '12tg w
= 2?261.54?tg0.8?=7.30mm
根据乘常数的定义：
b f k '
'=12 得视距丝间隔
mm ..k f b 6152100
5426112
=='='
四、像方视场角、出瞳距和目镜孔径
1、像方视场角 由tgw
w tg -Γ'
=，得： tg w ' = -Γ tg w = 24?tg0.8? = 0.33512499 所以像方视场角2w '=37.05?。
2、出瞳距
出瞳距的确定可由入瞳逐面用成像公式计算而得： 因l z 1 = 0，所以l 'z 1 = 0，
l z 2 = l 'z 1 -d 0 = -111.71
45432222.-f
l f l l z z z
='+'
?='
图2-5 调焦镜的通光孔径
图2-6 目镜的成像光路
()64112302223.-f L-d -l -d l l z z
z ='+'='= 于是得出瞳距为：
mm .f l f l l l z z z z
07123333='
+'
?='='
3、目镜的通光孔径
由图2-6可得，目镜的通光孔径为：
59
98024071225123..tg .. w tg l D D z
=????+='?'+'=
4、目镜的视度调节
为了适应不同视力的人眼观察的需要，目镜应具备视度调节功能。目镜的视度调节范围一般取±5
个折光度，它是通过目镜相对于分划板前后移动一定和距离来实现的。因此，视度调节时，目镜的最大移动范围为：
601000
9105100052
2
3..f x ±≈±='±=
五、调焦镜的调焦移动量
在调焦过程中，调焦镜沿光轴前后移动，其移动量必须保证对无穷远至有限远最短视距范围内的物
体能调焦清晰。一般情况下，调焦镜的初始位置对应无穷远物体，因此，只须计算出物体在有限远最短视距处调焦镜的位置，就可以确定出调焦镜的移动量。
取l 1 = -2000mm ，由物像关系的高斯公式，计算得l 'z = 154.87。由公式(1-6)计算得：
()()[]
211142
1
f -L l -L l L-l d '+''+'=
= 128.77mm 于是得调焦镜的调焦量：
?d = d – d 0 = 128.77 – 111.71 = 17.06mm
§2-3 光学元件的装夹与全直径
光学元件在系统中还必须通过机械结构的装夹来实现定位与固定。通光孔径是指光学元件通过机械结构装夹，必须保证通光的孔径，如图2-7所示是某S3水准仪的装配图。显然，光学元件的全直径比通光孔径要大。上面计算的是各光学元件（透镜组）的通光孔径D 通，还必须根据装夹方式不同，确定一定的装夹余量?，从而确定各光学元件的全直径D 全，即： D 全＝D 通＋?
透镜的装夹方式有两种，即压圈法和滚边法。
一、 压圈法
如图2-8所示，透镜靠镜筒内的台阶定位，从外面用压圈压紧固定。压圈法装夹往往用于较大或大透镜的安装，如照相镜头和望远镜的装夹。压圈法固定便于拆卸、调整，是常用的装夹方式。
图2-8 压圈法装夹方式
二、 滚边法
如图2-9所示，滚边法的固定是将透镜放入镜筒后，用挤压的方
式将薄的镜筒壁变形，将透镜“包”在镜筒内，实现定位与夹紧，其特点是固定稳定可靠，但不能拆卸和调整。常用于较小透镜或不便用压圈法固定的元件，如显微物镜、针孔透镜、手机数码镜头等的固定。 三、 装夹余量
根据透镜的装夹方式和透镜通光孔径的大小，光学零件的外径余量见表2-2所示。
表2-2 光学零件的外径余量（mm ）
表2-3 内调焦准距式望远镜各光学元件的外径
图2-9 滚边法装夹方式
图2-7 S3水准仪的装配图
§2-4 光学系统的像差校正方案与结构选型
外形尺寸计算完后，在进行初始结构参数求解前，还必须确定光学系统的像差校正方案，确定各光组的结构选型，这两个问题至关重要，涉及光学设计的成败与光学系统的性能。这里作一简单介绍。
一、像差校正方案的确定
如果一个系统由几个光组组成，如本设计中的内调焦准距式望远镜系统由主物镜、调焦镜和目镜三个光组组成，那么，既可以对整个系统进行像差校正，这时各光组之间的像差相互抵消，相互平衡；也可以对其中的各个光组各自单独校正像差，进而达到整个光组校正像差的目的；还可以其中某几个光组消像差，其他光组单独消像差。这样，同一个系统，就会有不同的像差校正方案。不同的像差校正方案所获得的结果是不同的。
对于目视系统，如望远系统和显微系统，往往是对物镜和目镜单独校正像差，即物镜与目镜之间没有像差补偿关系，像质互不影响。对于内调焦望远系统的物镜，主物镜和调焦镜通常也是单独校正像差的。因为在调焦过程中，调焦镜的位置在变化，如果调焦镜与主物镜之间有像差补偿，那么调焦镜位置的变化，将会引起像差很大的变化，会严重影响系统的成像质量。
二、系统的结构选型
像差校正方案确定后，必须根据单独校正像差的系统或光组的光学特性选择适当的结构型式。
所谓系统的光学特性，对于望远物镜而言，即其相对孔径D/f'、焦距f'和视场角2w表示，这些参数决定了望远系统的分辨率、像的主观亮度和系统的外形尺寸。对于目镜而言，其光学特性由焦距f'、视场角2w'、出瞳直径D'、相对镜目距p'/f'和工作距离lz决定。一定结构型式的光学系统，只能满足一定光学特性的像质要求。因此，光学系统光学特性要求的提高，必然伴随着系统结构的复杂化。
下面，以折射式望远物镜的结构型式为例来说明。折射式望远物镜的结构型式通常有双胶合物镜、双分离物镜和三片式物镜三种基本结构型式：
双胶合物镜如图2-9 a) 所示，在适当选择玻璃对的情况下，双胶合物镜能同时校正位置色差、球差和正弦差，是能够满足一定像质要求的最简单结构型式。但因胶合面产生较大的正高级球差，相对孔径受到限制。用普通玻璃时，二级光谱为常数，色球差也无法控制，因此，双胶合物镜难以达到很好的像质，也不能满足较大相对孔径系统的要求。但其结构简单，工艺方便，光能损失小，多用在焦距不长、相对孔径不大的场合。表2-4给出了双胶合物镜的常用焦距和相对孔径的对应关系。
表2-4 双胶合物镜的常用焦距和相对孔径的对应关系
双分离物镜如图2-9 b) 所示，与双胶合物镜相比，双分离物镜对玻璃的选择有较大的自由度。同时，正负透镜间的微小间隙也可作为校正像差的变量，且高级球差比双胶合物镜小。因此，它所能适应的相对孔径比双胶合大。但双分离物镜的装配与调整比双胶合困难些。
三片式物镜如图2-9 c) 和d)所示，三片式物镜校正像差的参数较多。c)型的光焦度由二组负担，
使胶合面的曲率半径增大，对校正高级像差和色球差很有利，相对孔径可达1:2。d)型的弯曲比较自由，能有效地校正色球差，选用特种玻璃，并与其他玻璃适当配组时，可以校正二级光谱。但此时再要控制带球差，只能在较小的相对孔径下才能做到。这种相对孔径小、像质高的结构型式往往用做平行光管物镜。
在本设计中，主物镜的相对孔径约1:4，调焦镜的相对孔径1:5.6，因此，主物镜和调焦镜均可选用最简单的双胶合物镜。
调焦镜和目镜的初始结构进行优化，获得满足像质
a) b) d) 图2-9 折射式望远物镜的常用结构型式
上海电力学院 《应用光学课程设计》课程设计报告 课题名称应用光学课程设计 课题代码132601904 院（系）计算机与信息工程学院 专业 班级 学生 指导教师 时间 2011 /2012学年第 2学期
一、课程设计目的： 1、 通过本课程的学习，学会使用ZEMAX 软件，了解并掌握使用该软件绘制光路原理图和光路优化的方法。 2、同时学会使用该软件设计、绘制以及添加各种元器件的基本技巧、基本 方法和步骤。 二、课程设计要求： （1） 请建立一个以“学号+姓名”为文件名建立一个文件夹，用来存放所有文 件，报告中的截图采用“学号+姓名”为名。 （2） 绘制光学系统图；绘制优化前后的像差曲线图。 （3） 熟悉ZEMAX 软件光学设计的步骤和方法 （4） 熟悉各种像差产生的原因 （5） 能够在软件中察看7种像差的大小 （6） 完成设计内容，提交设计报告，通过答辩。 三、设计内容与过程: mm f 180'=，?=82ω，6/1'/=f D ，mm D 30=∴ 083.012 118015'1',152 ====== f h u mm D h 58.124tan 180tan ''+=?+=+=ωf y 04.158.12083.01'''=??==y u n J ' 'u in Si -=∴2 ()083.02'?-=L δ2()106088005.0?=-?-5 ''u n Sic -=2()083.0'-=?FC L 21088.6001.0?=?-6 1088.6p 15?=?== n p Si -5 0=Sii ()15=Sic 2Ci 1088.6?=-6 1058.4?=p -6 0=W 1005.3?=Ci -8 108?=∞p -5 0=∞W 105.5?=Ci -6 ()1 .085.00+?-=∞W P P 2 00842 .0-=
光弹性法简介 光弹性法是应用光学原理研究弹性力学问题的一种实验应力分析方法。利用光弹性法，可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的工程构件的应力分布状态。利用光弹性法，可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的工程构件的应力分布状态，特别是应力集中的区域和三维内部应力问题。对于断裂力学、岩石力学、生物力学、粘弹性理论、复合材料力学等，也可用光弹性法验证其所提出的新理论、新假设的合理性和有效性，为发展新理论提供科学依据。 光弹性法测试的原理主要为光弹性效应，即塑料、玻璃、环氧树脂等非晶体在通常情况下是各向同性而不产生双折射现象的，但当它们受到应力时，就会变成各向异性显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。 当将受载模型置于正交圆偏振光场中时，获取的是图1a，b，c所示的等差线(又名等色线)的条纹图形。等差线代表模型内主应力差相等点的轨迹。 当受载模型置于正交平面偏振光场中时，则得到既有等差线又包含一条黑色粗条纹的图形，如图2所示。在两个偏振镜光轴保持正交(互相垂直)而又相对于固定不动的模型旋转时，那种随着转角改变位置而移动的黑色条纹称为等倾线，它是模型内各点主应力方向相同点的
轨迹。正交偏振镜光轴相对于模型转动的角度α，即表示主应力所指方向。当正交偏振镜光轴连续转动时，将依次出现对应于不同的α角的等倾线。一般用即时描图法或通过光电扫描，由计算机采集并绘制0°～90°范围内的，包含足够数量的等倾线综合图形(图3c)。 等差线与等倾线图合称应力光图。按等差线判断出各条纹的级次，用预先标定的条纹值，结合等倾线图，利用边界上某个已知条件，采用剪应力差法可得出该模型的全场应力。得出应力场后，由相似理论可换算出原型的应力分布图形，以此作为改进结构设计的依据。 光弹性法是研究接触应力最有效的模拟实验手段之一，优点是可测出接触表面任意点处的应力值，且精度极高(误差3 ％～4 ％)。当进行金属塑性加工工具工作状态下的应力分布情况的研究时，用光学敏感材料作变形元件(工模具)模型，而塑性介质(被加工金属)则由易熔材料，如铅或铅加碲及锑的合金，以及由环氧树脂与增塑剂等进行精心调配的聚合物等制作。为了使铅质模型材料性能高度均匀，铅必须预先承受锻造加工，以改变铸态组织为加工组织。上述一些变形介质与变形元件，可用来研究平面变形问题和轴对称变形问题。图3a，b为采用光弹性法研究在108 mm直径轧辊中，在无润滑状态下轧制时所得等差线图，c为等倾线图，d为经过计算所得出的剪应力和法线应力沿接触弧分布的图形。 以上所述为平面光弹性法。研究三维问题则需采用冻结应力法，即将制作的模型(包括
院( 系) 别: 光电工程学院/ 第二学期主讲: 丁松峰 专业: 光信息科学与技术光学与光电子基础实验授课计划表辅导: 丁松峰 班级: B080403 ( 考查) 审查(系、中心): 课程编号: B0402031C 学时: 24 学分: 1.5 批准(院系): 第1页填表日期: 2月 23 日
教材: 光学与光电子基础实验指导书．南京邮电大学光电工程学院( 自编) 参考书: [1] 周炳琨, 高以智等．激光原理( 第四版) ．北京: 国防工业出版社, [2] 石顺祥, 张海兴, 刘劲松．物理光学与应用光学．西安: 西安电子科技大学出版社, [3] 杨之昌, 马秀芳．物理光学实验．上海: 复旦大学出版社, 1993
院( 系) 别: 光电工程学院/ 第二学期主讲: 孙晓芸 专业: 光信息科学与技术光学与光电子基础实验授课计划表辅导: 孙晓芸 班级: B080404 ( 考查) 审查(系、中心): 课程编号: B0402031C 学时: 24 学分: 1.5 批准(院系): 第1页填表日期: 2月 23 日
教材: 光学与光电子基础实验指导书．南京邮电大学光电工程学院( 自编) 参考书: [1] 周炳琨, 高以智等．激光原理( 第四版) ．北京: 国防工业出版社, [2] 石顺祥, 张海兴, 刘劲松．物理光学与应用光学．西安: 西安电子科技大学出版社, [3] 杨之昌, 马秀芳．物理光学实验．上海: 复旦大学出版社, 1993
院( 系) 别: 光电工程学院/ 第二学期主讲: 沈骁 专业: 光信息科学与技术光学与光电子基础实验授课计划表辅导: 沈骁 班级: B080405 ( 考查) 审查(系、中心): 课程编号: B0402031C 学时: 24 学分: 1.5 批准(院系): 第1页填表日期: 2月 23 日
第一类题目：双目望远镜 要求： 1）双镜筒之间可以调节距离，调节范围56～72mm 2）右眼目镜可以调节视度，调节距离 1000 52 e f x ' ±= 3）透镜间空气间隔公差05.0±mm 4）透镜装调光轴偏心5'（角分） 参考： 目镜2-28， 焦距216.20='e f mm （参考光学仪器设计手册P295） 目镜2-25 焦距597.15='e f mm （参考光学仪器设计手册P294） 别汉屋脊棱镜 （参考光学仪器设计手册P92） 普罗I 型棱镜 （参考工程光学郁道银P47） 1、设计一个10倍的双目望远镜 全视场： 0 62=ω；出瞳直径：d=4.0,镜目距：5.10=p ；分辨率："6=α；渐晕系数： 6.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：3.28=a ；棱镜：普罗I 型棱镜；材料：BAK7；目镜： 2-25 2、设计一个8倍的双目望远镜 全视场： 0 72=ω；出瞳直径：d=5,镜目距：20=p ；分辨率："6=α；渐晕系数： 55.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：3.26=a ；棱镜：普罗I 型棱镜；材料：BAK7；目镜： 2-28
3、设计一个8倍的双目望远镜 全视场： 0 72=ω；出瞳直径：d=4,镜目距：5.10=p ；分辨率："6=α；渐晕系数： 6.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：3.28=a ；棱镜：普罗I 型棱镜；材料：K9；目镜： 2-25 4、设计一个8倍的双目望远镜 全视场： 0 72=ω；出瞳直径：d=5,镜目距：20=p ；分辨率："6=α；渐晕系数： 55.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：3.26=a ；棱镜：普罗I 型棱镜；材料：BAK7；目镜： 2-28 5、设计一个10倍的双目望远镜 全视场： 0 62=ω；出瞳直径：d=4.0,镜目距：5.10=p ；分辨率："6=α；渐晕系数： 6.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：3.28=a ；棱镜：别汉屋脊棱镜；材料：BAK7； 目镜：2-25
\ 本科实验报告 课程名称：应用光学实验姓名：韩希 学部：信息学部系：信息工程专业：光电 学号：3110104741 指导教师：蒋凌颖 实验报告
课程名称： 应用光学实验 指导老师 成绩：__________________ 实验名称：典型光学系统实验 实验类型： 同组学生姓名： 蒋宇超、陈晓斌 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 深入理解显微镜系统、望远镜系统光学特性及基本公式； 掌握显微镜系统、望远镜系统光学特性的测量原理和方法。 二、实验内容和原理 (1)望远镜特性的测定 测定望远镜的入瞳直径D 、出瞳直径D ’和出瞳距错误!未找到引用源。；测定望远镜的视觉放大率Γ；测定望远镜的物方视场角错误!未找到引用源。，像方视场角错误!未找到引用源。；测定望远镜的最小分辨角φ。 对于望远镜系统来说，任意位置物体的放大率是常数，此值由物镜焦距错误!未找到引用源。和目镜焦距错误!未找到引用源。确定，其视觉放大率可表示为 (2) 显微镜视场及显微物镜放大率的测定 显微物镜的放大率是指横向放大率 式中 y ——标准玻璃刻尺上一对刻线的距离（物）（格值0.01mm ）； y ′——由测微目镜所刻得的像高。 (3)显微物镜数值孔径的测定 显微物镜的数值孔径为错误!未找到引用源。,其中n 为物方介质的折射率，u 为物方半孔径角。若在空气中n=1,则错误!未找到引用源。。 数值孔径通常用数值孔径计来测定，数值孔径计的结构如图5示，其主要元件是一块不太厚的玻璃半圆柱体，沿直径方向的侧面是与上表面成45度角的斜面，从侧面入射的光线在斜面上全反射，上表面上有两组刻度沿圆周排列。其外圈刻度为数值孔径（即角度的正弦值）， 专业： 光电信息工程 姓名： 韩希 学号： 3110104741 日期：2013年6月15日 地点：紫金港东四605
（操作性实验） 课程名称：应用光学 实验题目：薄透镜焦距测量和光学系统基点测量 指导教师： 班级：学号：学生姓名： 一、实验目的 1.学会调节光学系统共轴。 2.掌握薄透镜焦距的常用测定方法。 3.研究透镜成像的规律。 4.学习测定光具组基点和焦距的方法 二、仪器用具 1、光源（包括LED，毛玻璃等） 2、干板架 3、目标板 4、待测透镜（Φ50.0，f75.0mm） 5、反射镜 6、二维调节透镜/反射镜支架 7、白屏 8、节点器（含两Φ40透镜，f 200和f 350） 三、基本原理
1.自准直法测焦距 如下图所示，若物体AB 正好处在透镜L 的前焦面处，那么物体上各点发出的光经过透镜后，变成不同方向的平行光，经透镜后方的反射镜M 把平行光反射回来，反射光经过透镜后，成一倒立的与原物大小相同的实象B A ''，像B A ''位于原物平面处。即成像于该透镜的前焦面上。此时物与透镜之间的距离就是透镜的焦距f ，它的大小可用刻度尺直接测量出来。 图1.2 自准直法测会聚透镜焦距原理图 2. 二次成像法测焦距 由透镜两次成像求焦距方法如下： 图1.3 透镜两次成像原理图 当物体与白屏的距离f l 4>时，保持其相对位置不变，则会聚透镜置于物体与白屏之间，可以找到两个位置，在白屏上都能看到清晰的像．如上图所示，透镜两位置之间的距离的绝对值为d ，运用物像的共扼对称性质，容易证明： l d l f 42 2-=' 上式表明：只要测出d 和l ，就可以算出f '．由于是通过透镜两次成像而求得的f '，这种方法称为二次成像法或贝塞尔法．这种方法中不须考虑透镜本身的厚度，因此用这种方法测出的焦距一般较为准确． 3.主面和主点 若将物体垂直于系统的光轴，放置在第一主点H 处，则必成一个与物体同样 L M
应用光学课程设计 一.题目：8倍观察镜的设计 二.设计要求 全视场： 2ω=7°； 出瞳直径： d=5mm ； 镜目距： p=20mm ； 鉴别率：α=''6； 渐晕系数： k=0.55； 棱镜的出射面与分划板之间的距离：a=10mm ； 棱镜：别汉屋脊棱镜，材料为K10； 目镜：2-28。 三.设计过程 （一）目镜的计算 1.目镜的视场角 ?=?????? ?? = = Γ1451.52'25.3tan 'tan 8tan 'tan ωωωω 2.由于目镜存在负畸变（3%～5%），所以目镜的实际视场角为： ?=?=+=7524.5405.11451.52%51'22'）（实际ω ω 3.目镜的选型：目镜2-28如下图所示：
相应的系统参数为：mm f 216.20'=；?=57'2ω；mm S f 49.4'=；mm d 5= 其结构参数如下表所示： 4.目镜倒置 目镜倒置后的结构参数如下表所示：
5.手动追迹光线，求出倒置后的S f’ 用l 表进行目镜近轴光的追迹，如下表所示： 通过光线追迹得到S f’=18.276mm 6.计算出瞳距p ’ 望远系统的结构图如图所示： 由于孔径光阑是物镜框，则孔径光阑经目镜所成的像为出瞳，则 Γ + =?Γ=-?-=-??? ???=-=-='2''2'' 2''1'22'' 1')'()'('''f S p f S p f S p f f f xx S p x f x f f f f mm p 803.208216 .202760.18'=+= 求得的出瞳距mm p 803.20'=与设计要求mm p 20'=较接近，因此选择的目镜满足要求。 （二）物镜的计算 1.物镜焦距 mm f f f f e o e o 728.161216.208'''' =?=?Γ=?=Γ
1. 目的/范围 规范镀膜操作工艺，确保安全生产。 2. 定义/缩写词 NA 3. 参考文件 NA 4. 职责与权限 本文件适用于高意光学镀膜中心镀膜工种，在所有工程师商讨通过之后有权改动其中内容。文件制定、执行者姜海，镀膜总工艺李全民对此文件有最终解释权。 5. 工具及设备 国产镀膜机及配件、分光光度计。 6. 作业内容 1膜厚控制方式：过正极值法、定值法和晶控法。 2镀膜操作步骤： 2.1镀膜员工基本要求： 每天早晨开机之前了解一天内所要镀的产品，镀每一灶之前都要检查核对派工内容，检查产品或试镀品的生产任务单号、数量、镀膜指标，跟据相应的指标找出《镀膜生产工艺卡》，无相应镀膜生产记录表，操作员有权利拒绝镀膜。 2.2开机： 2.2.1确认总电源、总气路、总循环水正常工作，开启镀膜机总电源。 (重要环节/语言很难描述的环节) 2.2.2北仪：依次开（维持泵）、机械泵、前级阀、扩散泵，扩散泵温 度到设定温度（须预热60分钟以上才能正常工作）。
南光：依次开机械泵、预阀、扩散泵（1#镀膜机260℃，7#镀膜 机230℃，8#镀膜机240℃），各阀门开关间隔5秒。 2.2.3依次开启真空计、晶控仪、膜厚控制仪、气体流量显示仪、光源 （预热80分钟，非正常工作下电流值调至工作状态的一半）、单 色仪控制器、工转电源、计时器和照明。 2.3热机 2.3.1如果超过8小时未开机，除7#镀膜机，其余都需要热机。各机台 大清洗之后，必须热机。 2.3.2 按照此文件依次执行抽低真空、抽高真空、镀膜前准备等各步 骤，开烘烤到100℃恒温10分钟。 2.3.3开启离子源、电子枪，使机器处于镀膜状态，镀Ta2O5膜料 10nm ，镀膜之后关闭电子枪，离子源，此操作为检验镀膜机各设 备是否处于正常工作状态。 2.3.4按此文件执行镀膜后步骤，以上步骤具体内容详见下文。 2.4抽真空前准备： 2.4.1北仪： 按充气阀对真空室充气，充气完毕关充气阀。
视场：; 出瞳直径：d = 5mm ; 镜目距：p = 25mm 分辨率：; 渐晕系数：k = 0.54 棱镜出射面与分划板距离：a = 10 mm； 棱镜和材料: 施密特屋脊棱镜(k = 3.04) 材料：k9 目镜：2-35 N0.2 10 倍炮对镜： 视场：; 出瞳直径：d = 5mm ; 镜目距：p = 25mm 分辨率：; 渐晕系数：k = 0.55 棱镜出射面与分划板距离：a = 42mm； 棱镜和材料: 靴型屋屋脊棱镜(k = 2.98)，材料：k9 目镜：2-35 N0.3 10 倍潜望镜： 视场：; 出瞳直径：d = 5mm ; 镜目距：p = 25mm 分辨率：; 渐晕系数：k = 0.55 棱镜出射面与分划板距离：a = 45 mm；潜望高：300 mm 棱镜和材料: 普罗11型棱镜(k = 3.0)，材料：k9 目镜：2-35 N0.4 10 倍潜望镜： 视场：; 出瞳直径：d = 5mm ; 镜目距：p = 25mm 分辨率：; 渐晕系数：k = 0.575 ， 棱镜出射面与分划板距离：a = 45 mm；潜望高：300 mm 棱镜和材料: 五角屋脊棱镜(k = 4.233)，材料：K9 目镜：2-35
视场：; 出瞳直径：d = 5mm ; 镜目距：p = 25mm 分辨率：; 渐晕系数：k = 0.64 棱镜出射面与分划板距离：a = 10 mm； 棱镜和材料: D1J-450屋脊棱镜(k = 3.552)，材料：Bak7 目镜：2-35 N0.6 10 倍观察镜： 视场：; 出瞳直径：d = 5mm ; 镜目距：p = 25mm 分辨率：; 渐晕系数：k = 0.64 棱镜出射面与分划板距离：a = 10 mm； 棱镜和材料: D1J-600屋脊棱镜(k = 2.646)，材料：k9 目镜：2-35 N0.7 10 倍观察镜： 视场：; 出瞳直径：d = 5mm ; 镜目距：p = 25mm 分辨率：; 渐晕系数：k = 0.64 棱镜出射面与分划板距离：a = 10 mm； 棱镜和材料: D1J-800屋脊棱镜(k = 1.96)，材料：Bak7 目镜：2-35 N0.8 10 倍双目望远镜： 视场：; 出瞳直径：d = 5mm ; 镜目距：p = 25mm 分辨率：; 渐晕系数：k = 0.54 棱镜出射面与分划板距离：a = 28 mm； 棱镜和材料: 普罗1型棱镜(k = 4)，材料：k9 目镜：2-35
《材料科学基础》实验指导书 （试用） 院系： 班级： 姓名： 学号： 大连理工大学 年月日
实验目录 实验一金相显微镜的使用及金相试样制备方法（2学时）实验二金属材料的硬度（2学时）实验三 Sn-Pb二元平衡相图测试（2学时）实验四金相定量分析方法（2学时）实验五 Fe-C合金平衡组织观察（2学时）实验六材料弹性及塑性变形测定（2学时）实验七碳钢试样的制备及测试综合性实验（4学时）实验八金属塑性变形及回复再结晶设计性实验（6学时）实验九金属凝固组织及缺陷的观察（2学时）
实验一金相显微镜的使用及金相试样制备方法 一、实验目的 1）了解光学显微镜的原理及构造，熟悉其零件的作用。 2）学会正确操作和使用金相显微镜。 3）掌握金相试样的制备过程和基本方法。 二、实验设备与材料 实验设备：x-1型台式光学显微镜，磨样机、抛光机、砂轮机 实验材料：碳钢标准样品 三、实验内容 1.通过本次实验使学生了解光学显微镜并熟悉光学显微镜的构造和使用方法； 2.要求每个学生会实际操作光学显微镜，观察金相样品并测定其放大倍数。 3.演示并初步认识金相试样的制备过程及方法 四、实验报告撰写 撰写实验报告格式要求： 一、实验名称 二、实验目的 三、实验内容 包括：1. 光学显微镜的构造及其零部件的作用 2. 使用光学显微镜观察标准样品的收获 3. 概述金相试样制备过程及方法 四、个人体会与建议
实验二金属材料的硬度 一．实验目的 1.了解布氏、洛氏、维氏硬度的测试原理。 2.初步掌握各种硬度计的操作方法和使用注意事项。 二．实验设备和样品 1．布氏、洛氏、维氏硬度计 2．铁碳合金试样 三．实验内容和步骤 1.通过老师讲解，熟悉布氏和洛氏硬度计的原理、构造及正确的操作方法。 2.演示测定维氏硬度值，演示测定布氏和洛氏硬度值， 注：每个样品测量压痕数，由指导老师根据学生人数确定，保证每位学生可以操作硬度计1-2次。因为实验条件限制，所以不需要严格按照多次测量取平均值的要求进行实验。 四．实验报告内容 1．简述实验目的和步骤。 2．简要叙述布氏、洛氏、维氏硬度计的测量原理和特点。 3．写出测量步骤，附上实验结果。 4．总结各种硬度计的使用注意事项和使用体会。
第一组、第三组：双目望远镜 要求： 1）双镜筒之间可以调节距离，调节范围56～72mm 2）右眼目镜可以调节视度，调节距离 1000 52 e f x ' ±= 3）透镜间空气间隔公差05.0±mm 4）透镜装调光轴偏心5'（角分） 参考： 目镜2-28， 焦距216.20='e f mm （参考光学仪器设计手册P295） 目镜2-25 焦距597.15='e f mm （参考光学仪器设计手册P294） 普罗I 型棱镜 （参考工程光学郁道银P47） 第一组设计一个10倍的双目望远镜 全视场： 0 62=ω；出瞳直径：d=4.0,镜目距：5.10=p ；分辨率："6=α；渐晕系数：6.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：3.28=a ；棱镜：普罗I 型棱镜；材料：BAK7；目镜：2-25 第三组设计一个8倍的双目望远镜 全视场： 0 72=ω；出瞳直径：d=5,镜目距：20=p ；分辨率："6=α；渐晕系数：55.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：3.26=a ；棱镜：普罗I 型棱镜；材料：BAK7；目镜：2-28
第二组、第五组、第七组：观察镜 参考： 目镜2-28， 焦距216.20='e f mm （参考光学仪器设计手册P295） 目镜2-25 焦距597.15='e f mm （参考光学仪器设计手册P294） 棱镜参考： 阿贝屋脊棱镜 （参考光学仪器设计手册P92） 列曼屋脊棱镜 （参考光学仪器设计手册P90） 设计一个8倍的观察镜第二组 全视场： 0 62=ω；出瞳直径：d=5,镜目距：20=p ；分辨率："6=α；渐晕系数：61.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：15=a ；棱镜：阿贝屋脊棱镜；材料： K9；目镜：2-28 设计一个8倍的观察镜第五组 全视场： 05.62=ω；出瞳直径：d=5,镜目距：20=p ；分辨率："6=α；渐晕系数：61.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：15=a ；棱镜：阿贝屋脊棱镜；材料： K9；目镜：2-28 设计一个8倍的观察镜第七组 全视场： 05.62=ω；出瞳直径：d=5,镜目距：20=p ；分辨率："6=α；渐晕系数：61.0=k ；棱镜的出射面与分划板之间的距离：15=a ；棱镜：列曼屋脊棱镜；材料： K9；目镜：2-28 第四组、第六组：炮对镜 棱镜参考： 目镜2-28， 焦距216.20='e f mm （参考光学仪器设计手册P295）
实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧 一. 引言 不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成，因此掌握一些常用的光学元器件的结构和性能，特点和使用方法，对安排试验光路系统时正确的选择光学元器件，正确的使用光学元器件有重要的作用 二．实验目的 掌握光学专业基本元件的功能；调整光路，主要包括共轴调节、调平行光和针孔滤波。 三．基本原理 (一)、光学实验仪器概述: 主要含： 激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质 1. 激光光源; 激光器即Laser(Light Amplification by stimulated emission of radiation)，原意是利用受激辐射实现光的放大．然而实际上的激光器,一般不是放大器,而是振荡器,即利用受激辐射实现光的振荡,或产生相干光。 . 960年,梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器.现在被广泛用于各个行业 激光的特性:(1)高度的相干性(2)光束按高斯分布 激光器的分类: (1)气体激光器——He-Ne激光器,Ar离子激光器 (2)液体激光器——染料激光器 (3)固体激光器———半导体激光器,红宝石激光器 本套实验方案的选择的激光器是气体型He-Ne内腔式激光器,波长为632.8nm的红光，功率2mW。个别实验中还会用到白光点光源。 2、用于光学实验的元件一般包括： 防震平台、分束镜、扩束镜、准直镜、反射镜、成像透镜、傅立叶变换透镜、多自由度微调器、可变光栏、观察屏等部件。如果是全息实验还需要快门、干版架、自动曝光和显定影定时器、记录干版等。
（本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器，准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜均采用双凸透镜） ⑴防震平台 光学实验需要一个稳定的工作平台。特别是对于全息图制作实验，由于是参考波和物光波干涉条纹的记录，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹的调制度。通常要求该光波的振动变化小于十分之一波长。影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对工作台采取减震措施。专用全息气浮工作台是最好的减震台。简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重1000～2000kg的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。如果不用隔离罩，记录全息图时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距工作台远一些。 ⑵光学元件 ①分束镜: 分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将激光束分为两束，在干涉仪系统组装的实验中可产生两束有一定夹角的相干波，在全息制作实验中可产生参考光和物体的物光光波。分束镜一般是在玻璃板上镀干涉膜。干涉膜有两种：多层介质膜和金属膜。分光比可以连续变化或分段变化。 ②扩束器(扩束镜): 因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以加大光束的发散角。通常可用20倍、40倍的显微物镜或焦距很短的单片正透镜或负透镜。本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器。 ③双凸透镜: 准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜之功能均可使用不同内径和焦距的双凸透镜来实现。为了提高光的透射率，透镜面要镀增透膜。在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜.(因为它们会使观察或记录图像产生噪声) ④反射镜: 当光入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，反射光的损失很大。同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。 ⑤其它: 还有一些辅助元件：如多自由度微调器，可三维控制镜架或者滤波器的位置和方向；可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑、观察屏可用白纸或白屏；电子计时器用来控制曝光时间等。 3、光学信息的记录介质 主要用在全息类实验中。包括两大类,一类银盐感光材料，另一类非银盐感光材料，其中非银盐感光材料又包括，重铬酸盐明胶、光致聚合物等材料。银盐感光材料灵敏度高，但是衍射效率低。非银盐感光材料响应速度快，能及时的记录和显示，材料分辨率高，有些材料能多次反复使用，不用贵金银，免除了暗室的显影定影操作，加工过程简便快速，但灵敏度低。它们各有优缺点，而且不同的非银盐感光材料的性能也是不一样的。 (二)、共轴调节： 光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜成像，为了获得较好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。另外，为
应用光学课程设计报告 ———15倍双目望远镜 姓名： 班级学号： 指导教师： 光电工程学院 2016年01月04日
一、望远镜系统的原理 (3) 二、课程设计的内容及要求 (3) 三、光学元件尺寸计算及数据处理总结 (4) （一）、目镜的计算 (4) （二）、物镜的结构形式及外形尺寸计算 (7) （三）、计算分划板 (7) （四）、计算棱镜 (8) （五）、像差计算 (9) （六）、建立数据文件 (15)
一、望远镜系统的原理 亥普勒望远镜的原理示意如下图1所示： 图 1 图中可见亥普勒望远镜是由正光焦度的物镜与正光焦度的目镜构成，与显微镜不同的是望远镜的光学间隔为0，平行光入射平行光射出。其系统的视觉放大倍率为： '//D D f f e o -=''-=Γ 式中，0f '为物镜的焦距；e f '为目镜的焦距；D 为入瞳直径；'D 为出瞳直径。在此成像过程中，有一个实像面位于分划面上，可以实现相应的瞄准或测量。 由于亥普勒望远镜成倒像不利于观察，故而需在系统中加入一个由透镜或棱镜构成的转像系统。军用望远镜的转像系统多是用两个互相垂直放置的 180-II D 棱镜（即保罗棱镜）组成。 伽利略望远镜是由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成，其视觉放大率大于1，形成的是正立的像，无需加转像系统，也无法安装分划板，应用较少。 二、课程设计的内容及要求 1、根据已知的一些技术要求，进行外型尺寸计算； 1）目镜的选取及计算； 2）物镜的结构型式及外型尺寸计算； 3）分划板的外型尺寸计算； 4）棱镜的类型选取及外型尺寸计算； 2、像差计算 1）求取棱镜的初级像差； 2）求取物镜的初级像差； 3）根据物镜的像差求出双胶合物镜的结构参数。
《应用光学》 课程编号：****** 课程名称：应用光学 学分：4 学时:64 (其中实验学时：8) 先修课程：大学物理 一、目的与任务 应用光学是电子科学与技术（光电子方向）、光信息科学与技术和测控技术与仪器等专业的技术基础课。它主要是要让学生学习几何光学、典型光学仪器原理、光度学等的基础理论和方法。 本课程的主要任务是学习几何光学的基本理论及其应用，学习近轴光学、光度学、平面镜棱镜系统的理论与计算方法，学习典型光学仪器的基本原理，培养学生设计光电仪器的初步设计能力。 二、教学内容及学时分配 理论教学部分（56学时） 第一章:几何光学基本原理(4学时) 1.光波和光线 2.几何光学基本定律 3.折射率和光速 4.光路可逆和全反射 5.光学系统类别和成像的概念 6.理想像和理想光学系统 第二章:共轴球面系统的物像关系(14学时) 1.共轴球面系统中的光路计算公式 2.符号规则 3.球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式 4.近轴光学的基本公式和它的实际意义 5.共轴理想光学系统的基点——主平面和焦点 6.单个折射球面的主平面和焦点 7.共轴球面系统主平面和焦点位置的计算 8.用作图法求光学系统的理想像 9.理想光学系统的物像关系式 10.光学系统的放大率
11.物像空间不变式 12.物方焦距和像方焦距的关系 13.节平面和节点 14.无限物体理想像高的计算公式 15.理想光学系统的组合 16.理想光学系统中的光路计算公式 17.单透镜的主面和焦点位置的计算公式 第三章:眼睛的目视光学系统(7学时) 1.人眼的光学特性 2.放大镜和显微镜的工作原理 3.望远镜的工作原理 4.眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 5.空间深度感觉和双眼立体视觉 6.双眼观察仪器 第四章:平面镜棱镜系统(9学时) 1.平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用 2.平面镜的成像性质 3.平面镜的旋转及其应用 4.棱镜和棱镜的展开 5.屋脊面和屋脊棱镜 6.平行玻璃板的成像性质和棱镜的外形尺寸计算 7.确定平面镜棱镜系统成像方向的方法 8.共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合 第五章:光学系统中成像光束的选择(5学时) 1.光阑及其作用 2.望远系统中成像光束的选择 3.显微镜中的光束限制和远心光路 4.场镜的特性及其应用 5.空间物体成像的清晰深度——景深 第六章:辐射度学和光度学基础(10学时) 1.立体角的意义和它在光度学中的应用
实习报告 实习名称：工程光学课程设计院系名称：电气与信息工程专业班级：测控12-1 学生姓名：张佳文 学号：20120461 指导教师：李静
黑龙江工程学院教务处制2014 年 2 月
工程光学课程设计任务书
目录 1摘要 ...................................................................... 错误！未定义书签。2物镜设计方案 . (1) 3物镜设计与相关参数 (2) 3.1物镜的数值孔径 (2) 3.2物镜的分辨率 (3) 3.3物镜的放大倍数 (4) 3.4物镜的鉴别能力 (4) 3.5设计要求参数确定 (4) 4 显微镜物镜光学系统仿真过程 (5) 4.1选择初始结构并设置参数 (5) 4.2自动优化 (5) 4.3物镜的光线像差(R AY A BERRATION)分析 (6) 4.4物镜的波像均方差(OPD)分析 (7) 4.5物镜的光学传递函数(MTF)分析 (8) 4.6物镜的几何点列图(Stop Diagrams)分析 (10) 4.7仿真参数分析 (11) 5心得体会 (11) 6参考文献 (12)
1摘要 ZEMAX是Focus Software 公司推出的一个综合性光学设计软件。这一软件集成了包括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析等诸多功能，并通过直观的用户界面，为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具。十几年来，研发人员对软件不断开发和完善，每年都对软件进行更新，赋予ZEMAX更为强大的功能，因而被广泛用在透镜设计、照明、激光束传播、光纤和其他光学技术领域中。 ZEMAX采用序列和非序列两种模式模拟折射、反射、衍射的光线追迹。序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。这一模式下，ZEMAX 以面作为对象来构建一个光学系统模型，每一表面的位置由它相对于前一表面的坐标来确定。光线从物平面开始，按照表面的先后顺序进行追迹，追迹速度很快。许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导光管、非成像系统或复杂形状的物体则需采用非序列模式来进行系统建模。这种模式下，ZEMAX以物体作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹，可按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到被物体拦截。与序列模式相比，非序列光线追迹能够对光线传播进行更为细节的分析。但此模式下，由于分析的光线多，计算速度较慢。 ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是ZEMAX 的CAD 转文件程序都是双向的，如IGES 、STEP 、SAT 等格式都可转入及转出。而且ZEMAX可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。 ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户光学设计程界面中。而且工作界面简单，快捷，很方便的就能找到我们想哟实现的功能，ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。 2物镜设计方案 消色差物镜(Achromatic)是较常见的一种物镜，由若干组曲面半径不同的一正一负胶合透镜组成，只能矫正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。同时校正了轴上点球差和近轴点慧差，这种物镜不能消除二级光谱，只校正黄、绿波区的球差、色差，未消除剩余色差和其他波区的球差、色差，并且像场弯曲仍很大，也就是说，只能得到视场中间范围清晰的像。使用时宜以黄绿光作照明光源，或在光程中插入黄绿色滤光片。此类物镜结构简单，经济实用，常和福根目镜、校正目镜配合使用，被广泛地应用在中、低倍显微镜上。在黑白照相时，可采用绿色滤色片减少残余的轴向色差，获得对比度好的相片。消色差通常由两个分离的双胶组合透镜组成，这类物镜也称为里斯特物镜，它的倍率一般在6×至30×
《应用光学》课程导学 一、课程构成及学分要求 《应用光学》课程主要由三部分构成：48（64）学时的理论教学（3或4学分）、16学时的实验教学（0.5学分）、为期二周的课程设计（2学分）。 二、学生应具备的前期基本知识 在学习本门课程之前学生应具备前期基本知识：物理光学、大学物理、高等数学、平面几何、立体几何等课程的相关知识。 三、学习方法 1．课前预习、课后复习； 2．独立认真完成课后作业； 3．课堂注意听讲，及时记录课堂笔记； 4．在教材基础上，参看多本辅助教材及习题集。 四、课程学习的主要目标 1．掌握经典的几何光学的理论内容； 2．了解部分像差理论的基本思想； 3．掌握典型的光学系统的基本原理及设计方法。 五、授课对象 课程适用于光电信息工程专业、测控技术与仪器专业、生物医学工程专业、信息对抗技术专业、探测制导与控制技术专业及其相近专业等，课程面向大学本科学生第五学期开设。 六、教学内容及组织形式 1、理论课程教学内容 《应用光学》课程理论教学内容共计48学时，其内容主要由三部分构成：几何光学、像差理论、光学系统。 （1）几何光学 应用光学既是一门理论学科又是一门应用性学科，其研究对像是光。从本质上讲光是电磁波，光的传播就是波面的传播。但仅用波面的观点来讨论光经透镜或光学系统时的传播规律和成像问题将会造成计算和处理上的很大困难。但如果把光源或物体看成是由许多点构成，并把这种点发出的光抽象成像几何线一样的光线，则只要按照光线的传播来研究点经光学系统的成像问题就会变得简单而实用。我们将这种撇开光的波动本质，仅以光的粒子性为基础来研究光的传播和成像问题的光学学科分支称为几何光学。几何光学仅仅是一种对真实情况的近似处理方法，尽管如此，按此方法所解决的有关光学系统的成像、计算、设计等方面
《工程光学》课程标准 课程编码：课程类别： B 适用专业：光机电、光电子授课单位：电子工程学院 学时：108 编写执笔人及编写日期：郑丹 2015.06 学分：6 审定负责人及审定日期：孙冬丽2015.06 1、课程定位和课程设计 1. 1课程性质与作用 课程的性质：本课程为光机电、光电子专业所必需掌握的一门专业核心基础课程。通过学习使学生掌握光线传输的基本过程；了解几何光学仪器的基本构造，掌握其光线传播过程；了解波动光学的基本理论。掌握光的干涉、衍射、偏振的基本理论知识，掌握常见物理光学仪器的使用及调试方法,培养学生调试光学仪器的动手能力。 课程的作用：通过学习使学生在理论上能分析光线通过常见的球面、平面光学零件及几何光学仪器的传输过程；掌握透镜焦距、光学材料折射率、棱镜、平板的检测光学原理；了解光的本质、偏振、介质表面的反射、折射基本原理及过程；掌握光的干涉、衍射、偏振的基本原理，认识各种干涉、衍射、偏振元器件和光学仪器，能分析常见物理光学现象。在实践上使学生掌握基本光学仪器如显微镜、分光计、平行光管、阿贝折射仪、激光平面（球面）干涉仪、光栅光谱仪等仪器的基本结构和原理。掌握常见的几何光学仪器的调试技能，利用几何光学仪器检测折射率、焦距、光学平板平行度、棱镜角度误差等的技能，了解像差的测量与评价；掌握常见的物理光学仪器的动手调试技能，利用物理光学仪器检测波长、光学平面度、平行度、微小物体尺寸、偏振态等物理量的技能。了解和掌握光学零件加工的一般工艺过程和特点，并运用已学的光学理论知识对零件检测和制作，对光学零件的工艺原理和质量指标进行分析设计，培养学生的实践操作能力，启发学生的技术应用能力。通过训练使学生具备一定的实验数据处理能力、问题解决能力，同时注意培养养成学生文明实验、爱护公物、团结协作的良好习惯。 本课程的先修课程为《高等数学》，后续课程为《激光原理与技术》、《激光加工技术及设备》等。通过本课程的学习使学生掌握必要的光学原理、技术与设备，并为后续课程打下理论和实验基础，并且实践课程能够让学生了解光学零件加工工艺的一般过程和光学元件的检验方法。 1.2课程基本理念 《工程光学》课程开发遵循“以工作任务为导向”的现代职业教育指导思想，其目标是学生职业能力开发，课程教学内容的取舍和内容排序遵循职业性原则，突出课程的基础性、职业性、实践性和开放性，以“必需、够用”为度，以工作任务、以及在相应任务中涉及到的职业能力，来构建教学内容。
光学课程设计报告 姓名: 班级: 学号:
一．设计目的 （1）重点掌握设计光学系统的思路。初步掌握简单的、典型的系统设计的基本技能，熟练掌握光线光路计算技能，了解并熟悉光学设计中所有例行工作，如数据结果处理、像差曲线绘制、光学零件技术要求等。 （2）在熟练掌握基本理论知识的基础上，通过上机实训，锻炼自己的动手能力。在摸索的过程中，进一步培养优化数据的能力和理论联系实际的能力。 （3）巩固和消化应用光学和本课程中所学的知识，牢固掌握典型光学系统的特点，并初步接触以后可能用到的光学系统，为学习专业课打下好的基础。 二．设计题目 双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计） 三．技术要求 双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I 型棱镜转像，系统要求为： （1）望远镜的放大率Γ＝6 倍； （2）物镜的相对孔径D/f′＝1：4（D 为入瞳直径，D＝30mm）； （3）望远镜的视场角2ω＝8°； （4）仪器总长度在110mm 左右，视场边缘允许50%的渐晕； （5）棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9 玻璃，两棱 镜间隔为2～5mm； （6）lz′=8～10mm。
七．上机结果 1．物镜 （1）优化前数据 程序注释： 设计时间：2013年4月10日星期三 08:59:50 下午 -------输入数据-------- 1.初始参数 物距半视场角(°) 入瞳半径 0 4 15 系统面数色光数实际入瞳上光渐晕下光渐晕 7 3 0 1 -1 理想面焦距理想面距离 0 0 面序号半径厚度玻璃 STO 84.5460 5.741 1 2 -44.9920 2.652 K9 3 -134.9690 56.800 F5 4 0.0000 33.500 1 5 0.0000 4.000 K9 6 0.0000 33.500 1 7 0.0000 12.630 K9 ☆定义了下列玻璃:
全息光弹性法- 正文 将全息照相和光弹性法相结合而发展起来的一种实验应力分析方法。在全息光弹性法中，用单曝光法能给出反映主应力差的等差线；用双曝光法能给出反映主应力和的等和线。根据测得的等差线和等和线的条纹级数，便可计算出模型内部的主应力分量。 20世纪60年代后期，M.E.福尔内、J.D.奥瓦内西翁等人将全息照相用于光弹性实验，获得了等和线条纹以及等和线和等差线的组合条纹。后来，许多学者应用组合条纹分析平面应力问题。 此法所用的全息光弹性仪,其光路（图1）中布置有偏振元件，能获得具有偏振特性的物光和参考光。 透过模型的物光和参考光，在全息底片上干涉而成包含着物光波阵面信息的全息图，经过曝光、显影和定影以后的全息底片，再用参考光照射，便可再现物光波阵面。如经两次曝光，将模型承受应力和不受应力两种状态的物光波阵面记录在同一张全息底片上，再现时便可以同时再现承受应力和不受应力两种状态的物光，并获得反映应力分布的两组物光干涉而得的条纹。 全息光弹性法常用的方法有： 单曝光法设模型不受应力时，物光波阵面ω0为平面，模型承受应力之后，透过的物光会在模型的两个主应力方向分解成两束平面偏振光,其波阵面为ω1和ω2(图2)。对承受应力的模型进行单次曝光全息照相后,用参考光照射全息底片,可以再现物光波阵面ω1和ω2。由于这两个光波具有和参考光相同的偏振特性，故产生干涉，所形成的干涉条纹反映两个光波ω1和ω2的光程差⊿c=⊿2－⊿1，其光强度为： 式中K为常数，N c为等差线条纹级数。 双曝光法在全息底片上，对模型加载前后两种状态进行两次曝光，可以在一张全息底片上，同时记录下模型不受应力时的物光ω0和承受应力后的物光ω1和ω2。用参考光照射这张全息底片，便可以同时再现ω0、ω1和ω2三个物光的波阵面，并互相干涉而形成组合干涉条纹。这种组合条纹，可看作是这三种光波中任何一对光波的干涉条纹的组合。两次曝光获得的干涉条纹同主应力差和主应力和都有关，它是由等和线条纹和等差线条纹调制而成的组合条纹。 双模型法上法获得的是组合条纹，如作定量分析，还须将等差线和等和线分离开来。一种简便易行的分离方法是双模型法，即用具有光学灵敏性的材料制作的模型，通过单曝光法获得等差线，再用不具有光学灵敏性的材料（如有机玻璃）制成同样的模型，通过双曝光法获得等和线。这种方法的优点是光路系统比较简单，缺点是两个模型的几何尺寸和加载条件不容易完全一致而发生误差。 旋光器法另一种常用的方法是采用旋光器。第一次通过模型的物光可以看作是两束互相垂直的平面偏振光。两束光通过旋光器,它们的偏振面都会旋转90°,当它们再由半反射镜反射而第二次通过模型时，原来快轴方向的偏振光转为慢轴方向，而慢轴方向的偏振光转为快轴方向。因此，这两束光在第二次通过模型时会产生符号相反的相对光程差,使最后总的相对光程差为零,等差线消失。而等和线的条纹级数则由于物光两次通过模型而增加一倍。此外，由于采用半反射镜，可以同时用普通照相机拍摄第一次透过模型后的物光而获得等差线。常用的旋光器有两种：采用离轴光路的石英旋光器和采用同轴光路系统的法拉第效应旋光器(图3)。 用途全息光弹性法可用于静态应力测量, 还可用于动态应力测量。采用脉冲激光器作光源进行的全息光弹性实验，可以同时记录动态载荷作用下瞬态的等和线和等差线，为分离动态的主应力分量提供了新的途径。将全息光弹性用于测量热应力问题时，不仅能获得等和线，便于主应力的分离，且能获得和模型厚度变化相关联的温度场分布。此外，应用此法还可通过等和线测定裂纹尖端的应力强度因子。 参考书目