综合训练二
（测控、信息、电科、光科专业适用）
一、题目：
典型光学系统的外形尺寸计算与分析
二、目的：
1）课程知识的综合运用：综合运用已经学过的理想光学系统理论、光束限制理论和像差理论，进行实际光学系统的外形尺寸计算，为光学设计打下良好基础。
2）促进协助和自学能力的提高：通过小组共同研究，促进学生团结协助精神的培养。同时培养学生查阅资料及自学能力。
三、内容
外形尺寸计算，是指根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计过程，其主要内容包括：
1)确定系统的孔径、视场、分辨率以及光组构成和光束限制情况；
2)确定各光组的光学特性（焦距、放大倍率等）及几何关系（轴向位置、
通光孔径等）；
3)画出完整的系统光路图，标示主要参数予以验证；
4)规划成像质量、视场、孔径的权重。
本次综合练习要求做到第3步。
四、选题方式
1）以综合练习一确定的小组为单位选题；
2）有兴趣做光学设计的小组先选（第7题和第15题）；
3）剩下的小组，由小组长抽签选择其余13题。
五、要求
1）根据要求画出系统光路图，标识系统结构、光束限制和成像典型光线。
2）设计思路、分析步骤和设计过程齐全，设计合理，结果可靠。
3）第11教学周布置任务，完成选题和资料查找工作；
5）第12教学周完成理想参数计算；
6）第13教学周完成各光组的选型及初步计算；
7）第14教学周完成整体的外形尺寸计算；（网上提交）
8）第15教学周根据反馈完善，周末网上提交提交电子最终版，同时上交纸版。
六、成绩评定
根据设计综合情况，以百分制给分。
附：设计题目
练习题一
开普勒望远镜是最简单的望远镜系统，已知视觉放大率Γ=-10X ，视场角2ω=2?，出瞳直径D '=5mm ，出瞳距l z '=11.25mm ；另有一对称式双透镜转像系统，两透镜之间的距离为60mm ，插入上述望远镜光路中将筒长拉长180mm 。请计算组合系统的外形尺寸（包括物镜、场镜、转像透镜、目镜的焦距、位置、通光孔径以及系统的光束限制情况等）。
（提示：目镜可选用凯涅尔型，其后工作距2F
l '和焦距2f '有如下近似关系：220.35F
l f ''≈；前工作距28.6F l mm =。） 练习题二
开普勒望远镜是最简单的望远镜系统，已知视觉放大率Γ=-8X ，视场角2ω=4?，出瞳直径D '=5mm ，目镜焦距f 2'=25mm ；另有一对称式双透镜转像系统，两透镜之间的距离为80mm ，插入上述望远镜光路中将筒长拉长240mm 。请计算组合系统的外形尺寸（包括物镜、场镜、转像透镜、目镜的焦距、位置、通光孔径以及系统的光束限制情况等）。
（提示：目镜可选用凯涅尔型，其后工作距2F
l '和焦距2f '有如下近似关系：220.35F
l f ''≈；前工作距28.6F l mm =。） 练习题三
开普勒望远镜是最简单的望远镜系统，已知视觉放大率Γ=-6X ，视场角2ω=6?，出瞳直径D '=6mm ，机械筒长L =168mm ；另有一对称式双透镜转像系统，两透
镜之间的距离为50mm ，插入上述望远镜光路中将筒长拉长150mm 。请计算组合系统的外形尺寸（包括物镜、场镜、转像透镜、目镜的焦距、位置、通光孔径以及系统的光束限制情况等）。
（提示：目镜可选用凯涅尔型，其后工作距2F
l '和焦距2f '有如下近似关系：220.35F
l f ''≈；前工作距28.6F l mm =。） 练习题四 背景：伽利略望远镜常用在大地测量和航空测量仪器中。由于它采用了负目镜，所以它具有结构简单、筒长短、正像和光能损失少的优点。但它没有中间实像面，不能安放分划板做瞄准测量用，而主要用在观察系统中。 提示：在外形尺寸计算时，必须把眼睛作为孔径光阑来考虑，它是整个系统的孔径光阑和出射光瞳。物镜框是渐晕光阑和入射窗，因此有较大的渐晕。一般选用单组双胶合透镜作为物镜，其相对孔径一般取1:4~1:3。 要求：已知的条件包括：视觉放大率Γ=3X ，相对孔径取1:3，出瞳直径D '=4mm ，物镜通光孔径D o =30mm ，出瞳距l z '=10mm 。请计算伽利略望远镜的外形尺寸，包括：
(1)物镜、目镜焦距o f ′、e f ′；
(2)入瞳距z l ；
(3)入瞳直径D ；
(4)无渐晕时物方和像方视场角%K=ω100、%K=ω100′；
(5)目镜的通光孔径e D 。
练习题五 背景：伽利略望远镜常用在大地测量和航空测量仪器中。由于它采用了负目镜，所以它具有结构简单、筒长短、正像和光能损失少的优点。但它没有中间实像面，不能安放分划板做瞄准测量用，而主要用在观察系统中。
提示：在外形尺寸计算时，必须把眼睛作为孔径光阑来考虑，它是整个系统的孔径光阑和出射光瞳。物镜框是渐晕光阑和入射窗，因此有较大的渐晕。一般选用单组双胶合透镜作为物镜，其相对孔径一般取1:4~1:3。 要求：已知的条件包括：物镜焦距f o '=100mm ，目镜焦距f e '=-25mm ，相对孔径取1:3，出瞳直径D '=4mm ，出瞳距l z '=10mm 。请计算伽利略望远镜的外形尺寸，包括：
(1)视觉放大率Γ；
(2)物镜通光孔径o D ；
(3)入瞳距z l ；
(4)入瞳直径D ；
(5)50%渐晕时物方和像方视场角%K=ω50、%K=ω50′；
(6)目镜的通光孔径e D 。
练习题六 背景：伽利略望远镜常用在大地测量和航空测量仪器中。由于它采用了负目镜，所以它具有结构简单、筒长短、正像和光能损失少的优点。但它没有中间实像面，不能安放分划板做瞄准测量用，而主要用在观察系统中。 提示：在外形尺寸计算时，必须把眼睛作为孔径光阑来考虑，它是整个系统的孔径光阑和出射光瞳。物镜框是渐晕光阑和入射窗，因此有较大的渐晕。一般选用单组双胶合透镜作为物镜，其相对孔径一般取1:4~1:3。 要求：已知的条件包括：视觉放大率6Γ=，相对孔径取1:4，出瞳直径mm 4′
=D ，物镜通光孔径D o =30mm ，出瞳距l z '=10mm 。请计算伽利略望远镜的外形尺寸，包括：
(1)物镜、目镜焦距o f ′、e f ′；
(2)入瞳距z l ；
(3)入瞳直径D ；
(4)完全渐晕时物方和像方视场角%K=ω0、%K=ω0′；
(5)目镜的通光孔径e D 。
练习题七 背景：反射式望远镜与折射式望远镜相比没有色差、光路折叠而且可以做到更大的通光孔径，因此在天文领域得到广泛应用。其中，牛顿式望远镜的主镜通常做成抛物面反射镜，次镜则为45?放置平面反射镜，可以很好地校正轴上点像差，但轴外像差比较大。 要求：请设计一牛顿式望远镜，物镜焦距1000mm ，相对孔径F8，视场角2ω=1?；目镜选用凯涅尔型，出瞳直径D '=5mm 。请计算系统外形尺寸并将数据输入Code V 或Zemax 等光学软件验证优化，分析其主要像差特点。
（提示：安排主镜、次镜及目镜位置时应考虑尽量减小遮挡比；为提高轴外像质可将次镜改进为简单非球面。）
练习题八
一个生物显微镜，放大率x =250Γ， 分辨率小于1μm ，共轭距195mm L =，，请进行系统外形尺寸计算。要求:
1) 选用阿米西型物镜和惠更斯目镜，合理分配物镜和目镜的放大倍率并选择合
适的镜头参数；
2)
要计算物镜和目镜的焦距； 3)
要计算并标出物镜和目镜的线视场； 4)
要计算并标出显微系统的出瞳位置及口径； 5)
要计算显微镜的景深； 6)
计算物镜和目镜（包括场镜和接目镜）的通光口径； 7) 给出清晰的设计步骤，用规范的绘图标示所计算的各部件的位置及尺寸。
（提示：分辨率按瑞利判断，波长按D 光波长计算；镜头参数选取参考“李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”。）
练习题九
L=，，请进一个生物显微镜，放大率x
Γ，分辨率小于1μm，共轭距195mm
=300
行系统外形尺寸计算。要求:
1)选用阿米西型物镜和冉斯登目镜，合理分配物镜和目镜的放大倍率并选择合
适的镜头参数；
2)要计算物镜和目镜的焦距；
3)要计算并标出物镜和目镜的线视场；
4)要计算并标出显微系统的出瞳位置及口径；
5)要计算显微镜的景深；
6)计算物镜和目镜（包括场镜和接目镜）的通光口径；
7)给出清晰的设计步骤，用规范的绘图标示所计算的各部件的位置及尺寸。
（提示：分辨率按瑞利判断，波长按D光波长计算；镜头参数选取参考“李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”。）
练习题十
读数显微镜目镜的前焦面上放置有两块分划板，一块是固定的，上面有10个刻度，其总长等于1mm长的物被物镜放大β倍后的长度，即分划刻度值为0.1mm。另一块分划板上面刻有十字刻线并与螺距为1mm的测微螺杆联动，测微螺杆鼓轮上刻有100个刻度，螺杆转动一周与之相连的分划板移动一个刻度，即鼓轮上一个刻度相当于1μm。已知该测量显微镜的共轭距L=195mm。请按如下要求对该显微镜进行外形尺寸:
1)分别计算物镜和目镜的放大倍率和焦距；
2)计算显微镜的总放大率Γ；
3)选用里斯特物镜和无畸变目镜，选择合适的镜头参数；
4)计算物镜、孔阑、目镜（包括场镜和接目镜）、出瞳的口径及出瞳距；
5)给出清晰的设计步骤，用规范的绘图标示所计算的各部件的位置及尺寸。
ε'''≈?镜头参数选取参考“李士贤，（提示：人眼的极限分辩角-4
=60310rad
郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”。）
练习题十一
背景：万能工具显微镜通过瞄准工件轮廓实现测量，属于瞄准定位系统。
要求：设计一万工显，工件大小为6mm ，工作距50mm ，视觉放大率Γ=-30X ，瞄准精度δ=0.5μm ；照明光源为20mm*20mm 面光源，采用柯拉照明方式。请计算该系统的外形尺寸，包括各元件焦距、位置、通光孔径、各部件的放大倍率以及系统的光束限制情况等。给出清晰的设计步骤，用规范的绘图标示所计算的各部件的位置及尺寸。
（提示：用米字型虚线瞄准被测件轮廓时，眼睛的瞄准精度为α=20"；测量显微镜必须是物方远心光路，其照明系统则为像方远心光路；测量显微镜选用Γ=300NA 关系；镜头参数选取参考“李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”。）
练习题十二
一投影系统，所用胶片尺寸为2436b h mm ?=?，屏幕尺寸为 1.32b h m ''?=?，投影物镜到屏幕距离16l m '=，屏幕照度大于100lx ，光源亮度721.810/cd m ?，光源尺寸1010mm ?，投影系统光能透过率为0.5，请进行系统外形尺寸计算。要求:
[1] 投影物镜采用天塞型物镜，请设计选择合适的镜头；
[2] 要计算并标出投影物镜入瞳，出瞳，像方主点，像方焦点，物方主点和物方
焦点的位置；
[3] 要给出投影物镜的视场角；
[4] 照明系统采用两片平凸透镜组成、凸面相对的结构作为聚光镜，（每片透镜
厚度10mm ，透镜间距0.5mm ）；
[5] 照明方式为柯拉照明方式；
[6] 要给出聚光镜的孔径角，聚光镜的通光口径（聚光镜的最后一面距胶片的距
离取为10mm ，聚光镜像方主面距聚光镜的最后一面的距离为 -8mm ）；
[7] 要标出光源的位置；
[8] 需绘制图显示所计算的各部分尺寸；
（提示：a.聚光镜大光束物像孔径关系采用弧矢不变量公式，
sin sin U U β'=; b.光瞳放大率z D D
β'=，D '为出瞳直径，D 为入瞳直径；c. 镜头参数选取参考“李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”;d. 注意投影镜头是照相物镜倒置使用）
练习题十三
一电影放映系统，放映放大率120β=-，胶片尺寸为1824b h mm ?=?，投影物镜到屏幕距离20l m '=，屏幕照度大于200lx ，光源尺寸1010mm ?，请进行系统外形尺寸计算。要求:
[1] 放影物镜采用匹兹万（或称匹兹伐尔型）型物镜，请设计选择合适的镜头（相
对孔径≥1：2）；
[2] 要计算并标出放影物镜入瞳，出瞳，像方主点，像方焦点，物方主点和物方
焦点的位置；
[3] 要给出放影物镜的视场角；
[4] 要给出光源所需亮度（系统光能透过率取成0.5）；
[5] 照明系统采用球面反射镜作为聚光镜；
[6] 照明方式为临界照明方式；
[7] 要给出聚光镜的孔径角，聚光镜的通光口径；
[8] 要标出光源的位置；
[9] 需绘制图显示所计算的各部分尺寸；
（提示：a.聚光镜大光束物像孔径关系采用弧矢不变量公式，sin sin U U β'=; b.光瞳放大率z D D
β'=，D '为出瞳直径，D 为入瞳直径；c. 镜头参数选取参考“李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”；d. 注意投影镜头是照相物镜倒置使用）
练习题十四
一投影系统，投影放大率10β=-，所用胶片尺寸为6060b h mm ?=?，投影物镜到屏幕距离1100l mm '=，屏幕照度大于100lx ，光源尺寸2020mm ?，投影系统光能透过率为0.5，请进行系统外形尺寸计算。要求:
[1] 投影物镜采用相对孔径1：3左右的双高斯物镜，请设计选择合适的镜头；
[2] 要计算并标出投影物镜入瞳，出瞳，像方主点，像方焦点，物方主点和物方
焦点的位置；
[3] 要给出投影物镜的视场角；
[4] 要给出光源所需亮度；
[5] 照明系统采用两片平凸透镜组成、凸面相对的结构作为聚光镜，（每片透镜
厚度15mm ，透镜间距0.5mm ）；
[6] 照明方式为柯拉照明方式；
[7] 要给出聚光镜的孔径角，聚光镜的通光口径（聚光镜的最后一面距胶片的距
离取为10mm ，聚光镜像方主面距聚光镜的最后一面的距离为 -8mm ）；
[8] 要标出光源的位置；
[9] 需绘制图显示所计算的各部分尺寸；
（提示：a.聚光镜大光束物像孔径关系采用弧矢不变量公式，
sin sin U U β'=; b.光瞳放大率z D D
β'=，D '为出瞳直径，D 为入瞳直径；c. 镜头参数选取参考“李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990”；d. 注意投影镜头是照相物镜倒置使用）
练习题十五
背景：医学内窥镜的种类很多，其中硬管镜是指将物镜所成的像通过一组或多组共轴的透镜转像系统中继出来，然后将较小的像面放大到CCD靶面上获取图像，或者直接通过目镜观察。其中前端的物镜和转像系统部分要求口径越小越好，以减小对人体的创伤，而后面的图像放大系统或目镜则可以适当增大。
要求：请设计一硬管镜成像光学系统，需满足（1）物镜视场角90?，相对孔径1:4；（2）物镜加转镜总长220mm，口径小于4mm（去掉机械遮挡，通光孔径小于3.6mm）；（3）采用1/2英寸CCD获取图像。请计算物镜、转镜、放大系统的基本参数，选择初始结构形式，并将数据输入Code V或Zemax等光学软件优化、验证。
（提示：物镜需采用像方远心光路，转镜采用对称形式远心光路且通过计算选取最少的转镜组）
参考书：
1. 郁道银，谈恒英，工程光学（第3版），北京：机械工业出版社，2011
2. 张以谟，应用光学（第3版），北京：电子工业出版社，2008
3. 李士贤，郑乐年，光学设计手册，北京：北京理工大学出版社，1990
English Homework for Chapter 1 ancient times the rectilinear propagation of light was used to measure the height of objects by comparing the length of their shadows with the length of the shadow of an object of known length. A staff 2m long when held erect casts a shadow long, while a building’s shadow is 170m long. How tall is the building Solution. According to the law of rectilinear propagation, we get, 4.32170= x x=100 (m) So the building is 100m tall. from a water medium with n= is incident upon a water-glass interface at an angle of 45o. The glass index is . What angle does the light make with the normal in the glass Solution. According to the law of refraction, We get, ' 'sin sin I n I n = 626968 .05.145 sin 33.1sin =?= ' I 8.38='I So the light make 3. A goldfish swims 10cm from the side of a spherical bowl of water of radius 20cm. Where does the fish appear to be Does it appear larger or smaller Solution. According to the equation. r n n l n l n -'=-'' and n ’=1 , n=, r=-20 we can get 11416.110133 .15836.8)(5836.81165.02033.01033.11>-=??-=''= -='∴-=--+-=-'+='l n l n cm l r n n l n l β A
第一章 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小得像,若将屏拉远50mm,则像得大小变为70mm,求屏到针孔得初始距离。 解:在同种均匀介质空间中光线直线传播,如果选定经过节点得光线则方向不变,令屏到针孔得初始距离为x,则可以根据三角形相似得出: 所以x=300mm 即屏到针孔得初始距离为300mm。 4、一厚度为200mm得平行平板玻璃(设n=1、5),下面放一直 径为1mm得金属片。若在玻璃板上盖一圆形得纸片,要求在玻璃板上方任何方向上都瞧不到该金属片,问纸片得最小直径应为多少？ 解:位于光纤入射端面,满足由空气入射到光纤芯中,应用折射定律则有: n0sinI1=n2sinI2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层得时候满足全反射,使得光束可以在光纤内传播,则有: (2) 由(1)式与(2)式联立得到n0、
16、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1、5得玻璃球上,求其会聚点得位置。 如果在凸面镀反射膜,其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜,则反射光束在玻璃中得会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后,会聚点又在何处？说明各会聚点得虚实。 解:该题可以应用单个折射面得高斯公式来解决, 设凸面为第一面,凹面为第二面。 (1)首先考虑光束射入玻璃球第一面时得状态,使用高斯公 式: 会聚点位于第二面后15mm处。 (2) 将第一面镀膜,就相当于凸面镜 像位于第一面得右侧,只就 是延长线得交点,因此就是虚像。 还可以用β正负判断: (3)光线经过第一面折射:, 虚像 第二面镀膜,则:
得到: (4) 在经过第一面折射 物像相反为虚像。 18、一直径为400mm,折射率为1、5得玻璃球中有两个小气泡,一个位于球心,另一个位于1 ／2半径处。沿两气泡连线方向在球两边观察,问瞧到得气泡在何处？如果在水中观察,瞧到得气泡又在何处？ 解: 设一个气泡在中心处,另一个在第二面与中心之间。 (1)从第一面向第二面瞧 (2)从第二面向第一面瞧 (3)在水中
第一章习题 1、已知真空中的光速c＝3 m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。 解： 则当光在水中，n=1.333时，v=2.25 m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99 m/s, 当光在火石玻璃中，n＝1.65时，v=1.82 m/s， 当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97 m/s， 当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24 m/s。 2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x，则 可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm。 3、一厚度为200mm的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？ 解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。 4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n0sinI1=n2sinI2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：
第一章 2、已知真空中的光速c ＝3*108m/s ，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的 光速。 解： 则当光在水中，n=1.333 时，v=2.25*108m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51 时，v=1.99*108m/s, 当光在火石玻璃中，n ＝1.65 时，v=1.82*108m/s ， 当光在加拿大树胶中，n=1.526 时，v=1.97*108m/s ， 当光在金刚石中，n=2.417 时，v=1.24*108m/s 。 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向 不变，令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 4、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？ 解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm ， 所以纸片最小直径为358.77mm 。 8、.光纤芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，光纤所在介质的折射率为0n ，求光纤的数值孔径（即10sin I n ，其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n 0sinI 1=n 2sinI 2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：
第一章 3、一物体经针孔相机在 屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变， 令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 4、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n =），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃板上盖一圆形的纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片的最小直径应为多少 2211sin sin I n I n = 66666.01 sin 2 2== n I 745356.066666.01cos 22=-=I 88.178745356 .066666 .0* 200*2002===tgI x mm x L 77.35812=+= 1mm I 1=90? n 1 n 2 200mm L I 2 x
8、.光纤芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，光纤所在介质的折射率为0n ，求光纤的数 值孔径（即10sin I n ，其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n 0sinI 1=n 2sinI 2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有： (2) 由（1）式和（2）式联立得到n 0 . 16、一束平行细光束入射到一半径r=30mm 、折射率n=的玻璃球上，求其会聚点的位置。如 果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处说明各会聚点的虚实。 解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决， 设凸面为第一面，凹面为第二面。 （1）首先考虑光束射入玻璃球第一面时的状态，使用高斯公式：
简答题、填空题： 1、光线的含义是什么？波面的含义是什么？二者的关系是什么？ 光线：发光点发出光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线。 波面：发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻起振动位相相同的点所构成的等相位面。 二者关系：波面法线即为光线。 2、什么是实像？什么是虚像？如何获得虚像？ 实像：实际光线相交所会聚成的点的所组成的像。 虚像：光线的延长线相交所形成的点所组成的像。 如何获得虚像：光线延长线所形成的同心光束。 3、理想光学系统几对基点？分别是什么？ 2对。像方焦点（F’），像方主点（H’），物方焦点（F），物方主点（H）。 4、什么是孔径光阑？什么是入瞳？什么是出瞳？孔径光阑与入瞳、出瞳之间有什么系？ 孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径的光阑称为孔径光阑。 入瞳：孔径光阑在透镜后，经前面光学系统所成的像，称为入瞳。 出瞳：孔径光阑在透镜前，经后面光学系统所成的像，称为出瞳。 关系：入瞳、出瞳和孔径光阑对整个系统是共轭的，经过入瞳的光线必经过孔径光阑、也经过出瞳。 5、光学系统的景深是什么含义？ 能够在像面上获得清晰像的物空间深度，就是系统的景深。 6、发生干涉的条件是什么？发生干涉的最佳光源是什么类型的光源？ 两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源。 7、近场衍射和远场衍射的区别是什么？ 近场衍射：光源和衍射场或二者之一到衍射屏的距离比较小时的衍射。 远场衍射：光源和衍射场都在衍射屏无限远处的衍射。 8、什么是光学系统的分辨率？人眼的极限分辨率是多少？ 极限分辨角为60``(=1`) 9、完善像和理想光学系统的含义分别是什么？ 完善像：每一个物点对应唯一的一个像点。或者，物点发出的同心光束经过光学系统后仍为同心光束。或者，入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。 理想光学系统：任何一个物点发出的光线在系统的作用下所有的出射光线仍然相交于一点的系统。 10、近轴光线的条件是什么？近轴光线所成像是什么像？ 条件：当孔径角U很小时，I、I’和U’很小。 成像：高斯像。 11、光学系统中主点有什么特点？节点有什么特点？ 12、一束光入射到平面镜上，有反射光从平面镜射出，当平面镜旋转了5°，试问反射光旋转过多少度？ 13、视场光阑的作用是什么？入窗、出窗和视场光阑的关系是什么？ 作用：限制物平面上或物空间中成像范围。 关系：入窗、出窗和视场光阑三者互为共轭。
第十章 光的电磁理论基础 解：（1）平面电磁波cos[2()]E A t c πν?=-+ 对应有14 62,10,,3102 A Hz m π ν?λ-=== =?。 （2）波传播方向沿z 轴，电矢量振动方向为y 轴。 （3）B E → → 与垂直，传播方向相同，∴0 By Bz == 814610[210()] z Bx CEy t π π===??-+ 解：（1）215 cos[2()]10cos[10()]0.65E A t t c c πν?π=-+=- ∴15 14 210510v Hz πνπν=?=? 72/2/0.65 3.910n k c m λππ-===? （2）8 714310 1.543.910510 n c c n v λν-?====??? 3.在与一平行光束垂直的方向上插入一片透明薄片，薄片的厚度0.01h mm =,折射率n=1.5, 若光波的波长为500nm λ=,试计算透明薄片插入前后所引起的光程和相位的变化。 解：光程变化为 (1)0.005n h mm ?= -= 相位变化为)(202500 10005.026 rad πππλδ=??= ? = 4. 地球表面每平方米接收到来自太阳光的功率为 1.33kw,试计算投射到地球表面的太阳光 的电场强度的大小。假设太阳光发出波长为600nm λ=的单色光。 解：∵2201 2 I cA ε= = ∴1 320 2()10/I A v m c ε= 5. 写出平面波8 100exp{[(234)1610]}E i x y z t =++-?的传播方向上的单位矢量0k 。
解：∵ exp[()]E A i k r t ω=- x y z k r k x k y k z ?=?+?+? 0000000000 2,3,4234x y z x y z k k k k k x k y k z x y z k x y z ===∴=?+?+?=++=+ 6. 一束线偏振光以45度角从空气入射到玻璃的界面，线偏振光的电矢量垂直于入射面，试 求反射系数和透射系数。设玻璃折射率为1.5。 解：由折射定律 1 2211221122111122sin sin cos 1.5cos cos 0.3034cos cos 22cos 0.6966cos cos s s n n n r n n n t n n θθθθθθθθθθ= =∴=--∴==-+===+ 7. 太阳光（自然光）以60度角入射到窗玻璃（n=1.5）上，试求太阳光的透射比。 解： 22 2221 2 1112222221 22 111212sin sin 212111.54cos 4sin cos 30.8231cos sin () 2 cos 4sin cos 0.998cos sin ()cos ()() 0.91 2 s p s p n n ocs n n n n θθθθθθτθθθθθθτθθθθθτττ==∴=??= ?==+=?=+-+∴= = 8. 光波以入射角1θ从折射率为1n 介质入射到折射率为2n 的介质，在两介质的表面上发生反
简答题、填空题： 1、光线的含义是什么波面的含义是什么二者的关系是什么 光线：发光点发出光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线。 波面：发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻起振动位相相同的点所构成的等相位面。 二者关系：波面法线即为光线。 2、什么是实像什么是虚像如何获得虚像 实像：实际光线相交所会聚成的点的所组成的像。 虚像：光线的延长线相交所形成的点所组成的像。 如何获得虚像：光线延长线所形成的同心光束。 3、理想光学系统几对基点分别是什么 2对。像方焦点（F’），像方主点（H’），物方焦点（F），物方主点（H）。 4、什么是孔径光阑什么是入瞳什么是出瞳孔径光阑与入瞳、出瞳之间有什么系 孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径的光阑称为孔径光阑。 入瞳：孔径光阑在透镜后，经前面光学系统所成的像，称为入瞳。 出瞳：孔径光阑在透镜前，经后面光学系统所成的像，称为出瞳。 关系：入瞳、出瞳和孔径光阑对整个系统是共轭的，经过入瞳的光线必经过孔径光阑、也经过出瞳。 5、光学系统的景深是什么含义 能够在像面上获得清晰像的物空间深度，就是系统的景深。 6、发生干涉的条件是什么发生干涉的最佳光源是什么类型的光源 两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源。 7、近场衍射和远场衍射的区别是什么 近场衍射：光源和衍射场或二者之一到衍射屏的距离比较小时的衍射。 远场衍射：光源和衍射场都在衍射屏无限远处的衍射。 8、什么是光学系统的分辨率人眼的极限分辨率是多少 极限分辨角为60``(=1`) 9、完善像和理想光学系统的含义分别是什么 完善像：每一个物点对应唯一的一个像点。或者，物点发出的同心光束经过光学系统后仍为同心光束。或者，入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。 理想光学系统：任何一个物点发出的光线在系统的作用下所有的出射光线仍然相交于一点的系统。 10、近轴光线的条件是什么近轴光线所成像是什么像 条件：当孔径角U很小时，I、I’和U’很小。 成像：高斯像。 11、光学系统中主点有什么特点节点有什么特点 12、一束光入射到平面镜上，有反射光从平面镜射出，当平面镜旋转了5°，试问反射光旋转过多少度 13、视场光阑的作用是什么入窗、出窗和视场光阑的关系是什么 作用：限制物平面上或物空间中成像范围。 关系：入窗、出窗和视场光阑三者互为共轭。
工程光学第一章习题 1、已知真空中的光速c＝3 m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。 解： 则当光在水中，n=1.333时，v=2.25 m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99 m/s, 当光在火石玻璃中，n＝1.65时，v=1.82 m/s， 当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97 m/s， 当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24 m/s。 2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到 针孔的初始距离为x，则可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm。 3、一厚度为200mm的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？ 解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。 4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n0sinI1=n2sinI2 (1)
第一章 2、已知真空中的光速c＝3*108m/s, 求光在水( n=1.333) 、冕牌玻璃 ( n=1.51) 、火石玻璃( n=1.65) 、加拿大树胶( n=1.526) 、金刚石( n=2.417) 等介质中的 光速。 解: 则当光在水中, n=1.333 时, v=2.25*108m/s, 当光在冕牌玻璃中, n=1.51 时, v=1.99*108m/s, 当光在火石玻璃中, n＝1.65 时, v=1.82*108m/s, 当光在加拿大树胶中, n=1.526 时, v=1.97*108m/s, 当光在金刚石中, n=2.417 时, v=1.24*108m/s。 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm 大小的像, 若将屏拉远50mm, 则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解: 在同种均匀介质空间中光线直线传播, 如果选定经过节点的光线则方向 不变, 令屏到针孔的初始距离为x, 则能够根据三角形相似得出: 因此x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm。 4、一厚度为200mm 的平行平板玻璃( 设n=1.5) , 下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片, 要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金 属片, 问纸片最小直径应为多少? 解: 令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理, 光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全 反射临界角时均会发生全反射, 而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看 不到金属片。而全反射临界角求取方法为:
(1) 其中 n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系, 利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为: (2) 联立( 1) 式和( 2) 式能够求出纸片最小直径x=179.385mm, 因此纸片最小直径为358.77mm 。 8、 .光纤芯的折射率为1n , 包层的折射率为2n , 光纤所在介质的折射率为0n , 求光纤的数值孔径( 即10sin I n , 其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角) 。 解: 位于光纤入射端面, 满足由空气入射到光纤芯中, 应用折射定律则有: n 0sinI 1=n 2sinI 2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射, 使得光束能够在光纤内传播, 则有: (2) 由( 1) 式和( 2) 式联立得到n 0 . 16、 一束平行细光束入射到一半径r=30mm 、 折射率n=1.5 的玻璃球上, 求其会聚点的位置。如果在凸面镀反射膜, 其会聚点应在何处? 如果在凹面镀反射
工程光学第三版课后 答案
第一章 2、已知真空中的光速c ＝3*108m/s ，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的 光速。 解： 则当光在水中，n=1.333 时，v=2.25*108m/s, 当光在冕牌玻璃中，n=1.51 时，v=1.99*108m/s, 当光在火石玻璃中，n ＝1.65 时，v=1.82*108m/s ， 当光在加拿大树胶中，n=1.526 时，v=1.97*108m/s ， 当光在金刚石中，n=2.417 时，v=1.24*108m/s 。 3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm ，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向 不变，令屏到针孔的初始距离为x ，则可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm 。 4、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？ 解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm ， 所以纸片最小直径为358.77mm 。 8、.光纤芯的折射率为1n ，包层的折射率为2n ，光纤所在介质的折射率为0n ，求光纤的数值孔径（即10sin I n ，其中1I 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。
2.12 有一薄透镜组，由焦距为－300mm 的负透镜和焦距为200mm 的正透镜组成，两透镜相距100mm ，置于空气中，求该透镜组的组合焦距和组合基点位置。 解：121212 300200 300200f f f f f mm d f f ''''-?'=- =-=-=?'-+ 焦点和主点位置：1(1)400F d l f mm f ''=- =' 2 (1)150F d l f mm f =+ =- 100H F l l f mm '''=-= 150H F l l f mm =-= 2.17 若有一透镜位于空气中，r 1= 100mm ，d= 8mm ，n = 1.5，若有一物体的物距l =－200mm ，经该透镜成像后的像距l ′= 50mm ，求第二面的曲率半径r 2。若物高y = 20mm ，求像高。 解：由成像公式 111 l l f -='' ，可得 40f mm '= 又()( )12 21(1)1nrr f n n r r n d '= --+-???? 故可得 225r mm =- 由于 l y l y β'' = =，所以5y mm '=- 3.2一眼睛，其远点距r = 2m ，近点距p =－2m 。问： （1）该眼镜有何缺陷？ （2）该眼睛的调节范围为多大？ （3）矫正眼镜的焦距为多大？ （4）配戴该眼镜后，远点距和近点距分别为多大？ 解：（1）远点r = 2m ，只有入射会聚光束，且光束的会聚点距离眼睛后2m 才能在视网膜上形成一个清晰的像点，故此眼睛为远视眼 （2）调节范围：11 1A R P D r p =-=-= （3）对远视眼应校正其近点，正常人眼明视距离L 0=—25cm ，远视眼近点为l p 。戴上眼镜后，将其近点移至L 0处 111 p n L l f -= ''
第一章 习题答案 4. 一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm 的金属薄片。若在玻璃板上盖一圆形的纸片，使得在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属薄片，问纸片的最小直径应为多少？ 解：如图所示，设纸片的最小直径为L ，考虑边缘光线满足全反射条件时 6667.090sin sin 02 12==n n I 74536.06667.01cos 22=-=I L=(2x+1)mm=358.77mm
16. 一束平行细光束入射到一半径mm r 30=、折射率n=1.5的玻璃球上，求经玻璃球折射后会聚点的位置。如果在凸面（第一面）镀反射膜，其会聚点应爱何处？如果在凹面（第二面）镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处？说明各个会聚点的虚实。 解：（1）此时的成像过程如图（4）所示，平行细光束入射到玻璃球上，经左侧球面折射后形成中间像'1A ，它又是右侧球面的物2A ，经右侧球面再次成像于'2A 。 将-∞=1l ，11=n ，5.1' 1=n ，mm r 301=代入单个折射球面 成像公式 r n n l n l n -=-'' '得 mm mm n n r n l 905.0305.11 '1' 1'1=?=-= 由于1l 和'1l 异号，01 '1' 111<=l n l n β，故无限远物与像'1A 虚实相同，即'1A 为实像。但由于右侧球面的存在，实际光线不可能到达此处，故对于右侧球面2A 为虚物。 将 mm r n n mm mm r l l 30,1,5.1,30)6090(22' 22'12-====-=-= 再次代入单个折射球面成像公式得
第七章习题及答案 1．一个人近视程度是-2D（屈光度），调节范围是8D，求：（1）其远点距离； （2）其近点距离； （3）配带100 度的近视镜，求该镜的焦距； （4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离； （5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。 解：这点距离的倒数表示近视程度 2．一放大镜焦距，通光孔径，眼睛距放大镜为50mm，像距离眼睛在明视距离250mm，渐晕系数K=50%，试求：（1）视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。 解：
3．一显微物镜的垂轴放大倍率，数值孔径NA=0.1，共轭距L=180mm，物镜框是孔径光阑，目镜焦距。 （1）求显微镜的视觉放大率； （2）求出射光瞳直径； （3）求出射光瞳距离（镜目距）； （4） 斜入射照明时，，求显微镜分辨率； （5）求物镜通光孔径； （6）设物高2y=6mm，渐晕系数K=50%，求目镜的通光孔径。解：
4．欲分辨0.000725mm 的微小物体，使用波长，斜入射照明，问： （1）显微镜的视觉放大率最小应多大？
（2）数值孔径应取多少适合？ 解：此题需与人眼配合考虑 5．有一生物显微镜，物镜数值孔径NA=0.5，物体大小 2y=0.4mm，照明灯丝面 积，灯丝到物面的距离 100mm，采用临界照明，求聚光镜焦距和通光孔径。 解： 视场光阑决定了物面大小，而物面又决定了照明的大小
6．为看清 4km 处相隔 150mm 的两个点（设 ），若用开普勒望远 镜观察，则： （1） 求开普勒望远镜的工作放大倍率； （2） 若筒长 L=100mm ，求物镜和目镜的焦距； （3） 物镜框是孔径光阑，求出设光瞳距离； （4） 为满足工作放大率要求，求物镜的通光孔径； （5） 视度调节在 （屈光度），求目镜的移动量； （6） 若物方视场角，求像方视场角； （7） 渐晕系数 K=50%，求目镜的通光孔径； 解： 因为：应与人眼匹配
第十一章 光的电磁理论基础 解：(1)平面电磁波cos[2()]z E A t c πν?=-+ 对应有14 62,10,,3102 A Hz m π ν?λ -=== =?。 （2)波传播方向沿z 轴，电矢量振动方向为y 轴。 （３)B E → → 与垂直,传播方向相同,∴0By Bz == 814610[210()] z Bx CEy t π π===??-+ 解：(1）215 cos[2()]10cos[10 ( )]0.65z z E A t t c c πν?π=-+=- ∴15 14 210510v Hz πνπν=?=? 72/2/0.65 3.910n k c m λππ-===? (２）8 714310 1.543.910510 n c c n v λν-?====??? 3.在与一平行光束垂直的方向上插入一片透明薄片,薄片的厚度0.01h mm =,折射率n=1．5, 若光波的波长为500nm λ=,试计算透明薄片插入前后所引起的光程和相位的变化。 解：光程变化为 (1)0.005n h mm ?=-= 相位变化为)(202500 10005.026 rad πππλδ=??= ? = 4. 地球表面每平方米接收到来自太阳光的功率为 1.33kw,试计算投射到地球表面的太阳 光的电场强度的大小。假设太阳光发出波长为600nm λ=的单色光。 解：∵2201 2 I cA ε= = ∴1 32 2()10/I A v m c ε= ５. 写出平面波8 100exp{[(234)1610]}E i x y z t =++-?的传播方向上的单位矢量0k 。
1.简述成像系统分辨极限的瑞利判据的内容；据此判据，可采用什么方法来提高望远镜的分辨率？答：瑞利判据：当一个物点经过成像系统的夫朗和费圆孔衍射图样的中央极大与近旁一个物点的夫朗和费圆孔衍射图样的第一极小重合时,作为判定成像系统分辨率极限的判断方法。(3分)。据此，望远系统的分辨率为1.22λ/D，可以通过增大物镜的直径D、减小λ来提高分辨率。.(3分) 2.为何在设计望远镜系统时要将孔径光阑置于物镜上？答：望远镜是目视系统，需要与人眼联用。根据光瞳衔接的原则，望远镜的出瞳应与人眼的瞳孔衔接，故它因该位于望远目镜之后，一般要求6mm以上的距离。（3分）计算表明，将孔径光阑置于物镜上可以满足对出瞳的位置要求，而且望远镜的物镜、棱镜的尺寸最小。（3分） 3.光的全反射现象及其产生的条件是什么？试举出一个全反射的工程应用实例。答：光入射到两种介质分界面时，入射光被全部反射，没有折射光，这就是全反射现象。（2分） 产生的条件：1光线从光密介质射向光疏介质；2入射角大于临界角； （3分） 如光纤就是利用全反射实现光传输的。（1分） 1．已知一台显微镜的物镜和目镜相距200mm，物镜焦距为7.0mm，目镜焦距为 5.0mm，若物镜和目镜都可看成是薄透镜，试计算：（1）如果物镜把被观察物 体成像于目镜前焦点附近，那么被观察物体到物镜的距离是多少？物镜的垂轴 放大率β是多少？（2）显微镜的视觉放大率是多少？解：（1）根据高斯公式：（1分） 依题意：（1分），代入高斯公式即可计算出物距： ，（2分） 垂轴放大率为：（2分） （2）视觉放大率为物镜的垂轴放大率于目镜的视觉放大率之积，即： （4分） 3、角放大率、轴向放大率和垂轴放大率三者之间的关系为、拉赫不变J=nuy 、牛顿公式以焦点为坐标原点。 6．获得相干光的方法有分波前法、分振幅法。
1．在单缝衍射中，设缝宽为a ，光源波长为λ，透镜焦距为f ′，则其衍射暗条纹间距e 暗=f a λ ' ，条纹间距同时可称为线宽度。 3．光线通过平行平板折射后出射光线方向__不变_ ___ ,但会产生轴向位移量，当平面板厚度为d ，折射率为n ，则在近轴入射时，轴向位移量为1 (1)d n - 。 4．在光的衍射装置中，一般有光源、衍射屏、观察屏，则衍射按照它们距离不同可分为两类，一类为 菲涅耳衍射，另一类为 夫琅禾费衍射 。 5．光轴是晶体中存在的特殊方向,当光在晶体中沿此方向传播时不产生双折射。n e 第一章习题及答案 1、已知真空中的光速c＝3*108m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。 解： 则当光在水中，n=1.333 时，v=2.25*108m/s, 当光在 冕牌玻璃中，n=1.51 时，v=1.99*108m/s, 当光在火 石玻璃中，n＝1.65 时，v=1.82*108m/s，当光在加 拿大树胶中，n=1.526 时，v=1.97*108m/s，当光在 金刚石中，n=2.417 时，v=1.24*108m/s。 2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。 解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x，则可以根据三角形相似得出： 所以x=300mm 即屏到针孔的初始距离为300mm。 3、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm 的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？ 解：令纸片最小半径为x, 则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反 射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为： (1) 其中n2=1, n1=1.5, 同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为： (2) 联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。 4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为 n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即 n0sinI1,其中 I1 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。 解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有： n0sinI1=n2sinI2 (1) 而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有： (2) 由（1）式和（2）式联立得到n0 . 5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5 的玻璃球上，求其会聚点的位置。如果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处？说明各会聚点的虚实。 解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决， 第七章 典型光学系统 1．一个人近视程度是D 2-（屈光度），调节范围是D 8，求： （1）远点距离； （2）其近点距离； （3）配戴100度近视镜，求该镜的焦距； （4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离； （5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。 解： ① 21 -== r l R )/1(m ∴ m l r 5.0-= ② P R A -= D A 8= D R 2-= ∴ D A R P 1082-=--=-= m P l p 1.010 1 1-=-== ③f D '= 1 ∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-=' m l R 1-=' ⑤P R A '-'= D A 8= D R 1-=' D A R P 9-=-'=' m l P 11.09 1 -=-=' 2．一放大镜焦距mm f 25='，通光孔径mm D 18=，眼睛距放大镜为mm 50，像距离眼睛在明视距离mm 250，渐晕系数为%50=k ，试求（1） 视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。 eye 已知：放大镜 mm f 25=' mm D 18=放 mm P 50=' mm l P 250='-' %50=K 求：① Γ ② 2y ③l 解： ① f D P '-'- =Γ1 25 501252501250-+=''-+'= f P f 92110=-+= ②由%50=K 可得： 18.050 *218 2=='= 'P D tg 放ω ωωtg tg '= Γ ∴02.09 18 .0==ωtg D y tg = ω ∴mm Dtg y 502.0*250===ω ∴mm y 102= 方法二： 18.0='ωtg mm tg y 45*250='='ω mm l 200-=' mm f e 250=' mm l 2.22-= y y l l X '==='= 92.22200β mm y 102= ③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'=' f l l '=-'11125 112001=--l mm l 22.22-= 3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x 3-=β，数值孔径1.0=NA ，共扼距mm L 180=，物镜框是孔径光阑，目镜焦距mm f e 25='。 第一章 16. 一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上，求其会聚点的位置。如果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处？说明各会聚点的虚实。 解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决， 设凸面为第一面，凹面为第二面。 （1）首先考虑光束射入玻璃球第一面时的 状态，使用高斯公 式： 会聚点位于第二面后15mm 处。 （2）将第一面镀膜，就相当于凸 面镜 像位于第一面的右侧，只是延长线的交点，因此是虚像。 还可以用β正负判断： （3）光线经过第一面折射：, 虚像 第二面镀膜，则： 得到： （4）在经过第一面折射 物像相反为虚像。 18.一直径为400mm，折射率为1.5的玻璃球中有两个小气泡，一个位于球心，另一个位于 1／2半径处。沿两气泡连线方向在球两边观察，问看到的气泡在何处？如果在水中观察，看到的气泡又在何处？ 解： 设一个气泡在中心处，另一个在第二面和中心之间。 （1）从第一面向第二面看 （2）从第二面向第一面看 （3）在水中 19.有一平凸透镜r 1=100mm,r =∝2,d=300mm,n=1.5,当物体在时，求高斯像的位置' l 。在第二面上刻一十字丝，问其通过球面的共轭像在何处？当入射高度h=10mm ，实际光线的像方截距为多少？与高斯像面的距离为多少？ 解： 19.12位置l’。在第二面上刻一十字丝，问其通过球面的共轭像处？当入 射高度h=10mm 时，实际光线的像方截距为多少？与高斯像面的距离为多少？ d=300mm r 1=100mm I I ' r 2=∞ －I 2 I 2’ B’ B” A’ n=1.5工程光学,郁道银,第一章 习题及答案
工程光学习题答案第七章_典型光学系统 郁道银
工程光学课后答案
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