08 级本科课程设计（论文）开题报
告
题目信息光学综合实验
学院物理与电子工程学院
年级08 专业光电信息工程
班级学号
姓名
指导教师职称
函数的概念结合，使光学研究不再限于用光强、振幅的空间分布来描述光学图像，而把图像看作是由缓慢变化的背景、粗的轮廓等比较低的"空间频率"成分和急剧变化的细节等比较高的"空间频率"成分构成的，用频率的分布和变化来描述光学图像。一门新的学科-信息光学(付里叶光学)从传统的经典波动光学中脱颖而出。
信息光学（Information Optics）
又称傅立叶光学。
傅立叶变换光学的主要内容：
1、衍射系统的屏函数
2、夫琅和费衍射的傅立叶频谱分析
3、阿贝成像原理
变换光学
处理光的衍射和干涉问题，最基本的方法是研究光的相干叠加。这是传统光学的一般方法。
可以从另外一个角度分析这类问题。入射波场，遇到障碍物之后，波场中各种物理量重新分布。衍射障碍物将简单的入射场变换成了复杂的衍射场。
所以可以从障碍物对波场的变换作用，来分析衍射。
从更广义的角度，不仅仅是相干波场的障碍物，非相干系统中的一切使波场或者波面产生改变的因素，它们的作用都可以应用变换的方法处理。
1873年阿贝（E.Abbe）首先提出显微镜成像原理以及随后的阿贝—波特空间滤波实验，在傅里叶光学早期发展史上做出重要的贡献。这些实验简单、形象，令人信服，对相干光成像的机理及频谱分析和综合原理做出深刻的解释，同时这种用简单的模板作滤波的方法一直延续至今，在图像处理技术中仍然有广泛的应用价值。
研究一个随时间变化的信号，可以在时域也可以在频域进行。实现信号从时域到频域或者从频域到时域变换的方法称为傅里叶变换。类似的，光学系统的成像过程既可以从信号空间分布的特点来理解，也可以从“空间频率”角度来
图1 阿贝成像原理
上形成一系列衍射斑。第二步是各衍射斑作为新的次波源，其发出球面次波，
相叠加，形成物体的像。将显微镜成像过程看成是上述两步成像的过程，是波动光学的观点，后来人们称其为阿贝成像理论。阿贝成像理论不仅用傅里叶变换阐述了显微镜成像的机理，更重要的是首次引入频谱的概念，启发人们用改造频谱的手段来改造图像信息。
（b）(c)
(e)
图2 阿贝-波特实验
用平行相干光束照明一张细丝网格，在成像透镜的后焦面上出现周期性网格的傅立叶频由于这些傅立叶频谱分量的再组合，从而在像平面上复现网格的像。若把各种遮挡物如：光圈、狭缝或小光栏）放在频谱平面上，就能以不同方式改变像的频谱，从而在像平面上得到由改变后的频谱分量重新组合得到的对应的像。图中2（a）表示网格（正交光栅）所对应的频谱分布；2（b）是使用一条水平狭缝时透过的频谱，对应的像只包括网格的垂直结构。如果将狭缝旋转9°，则透过的频谱和对应的像如2（c）所示。若在透镜的焦面上放
1.常用的非初等函数：矩形函数、Sinc函数、三角形函数、符号函数、阶跃函数、圆柱函 数。 2.δ函数的定义：a.类似普通函数定义b.序列极限形式定义c.广义函数形式定义 δ函数的性质：a.筛选性质 b.坐标缩放性质 c.可分离变量性 d.与普通函数乘积性质 4.卷积，性质：线性性质、交换律、平移不变性、结合律、坐标缩放性质 5.互相关，两个函数f(x,y）和g(x,y)的互相关定义为含参变量的无穷积分 6.惠更斯-菲涅尔原理：光场中任意给定曲面上的诸面元可以看作是子波源，如果这些子 波源是相干的，则在波继续传播的空间上任意一点处的光振动都可看作是子波源各自发出的子波在该点相干叠加的结果。 7.基尔霍夫理论：在空域中光的传播，把孔径平面上的光场看作点源的集合，观察平面上 的场分布则等于他们所发出的带有不同权重的因子的球面子波的相干叠加。 8.角谱理论：孔径平面和观察平面上的光场分布都可以分别看成是许多不同方向传播的单 色平面波分量的线性组合。 9.点扩散函数：面元的光振动为单位脉冲即δ函数时，这个像场分布函数叫做~。 10.菲涅尔衍射成立的充分条件： 传递函数： 11.泰伯效应：当用单色平面波垂直照明一个具有周期性透过率函数的图片时，发现在该透 明片后的某些距离上出现该周期函数的现象，这种不用透镜就可以对周期物体成像的现象称为~。 12.夫琅禾费衍射： 13.衍射受限系统：不考虑系统的几何像差，仅仅考虑系统的衍射限制。 14.单色信号的复表示：去掉实信号的负频成分，加倍实信号的正频成分。 多色信号的复表示： 16.如果两点处的光扰动相同，两点间的互相干函数将变成自相干函数。 18.光学全息：利用干涉原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光 波前的全部信息都储存在记录介质中，做记录的干涉条纹图样被称为“全息图”，当用光波照射全息图时，由于衍射原理能能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像，这个波前记录和重现的过程成为~ 19.+1级波（虚像），-1级波（实像），±1级波（赝像） 20.从物光与参考光的位置是否同轴考虑：同轴全息、离轴全息。 从记录时物体与全息图片的相对位置分类：菲涅尔全息图、像面全息图、傅里叶变换全息图。 从记录介质的厚度考虑：平面全息图、体积全息图。 21.菲涅尔全息图：记录平面位于物体衍射光场的菲涅尔衍射区，物光由物体直接照到底片 上 傅里叶全息图：物体或图像频谱的全息记录。
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-=
第五章 习题解答 5．1两束夹角为 θ = 450的平面波在记录平面上产生干涉，已知光波波长为632.8nm ，求对称情况下（两平面波的入射角相等）该平面上记录的全息光栅的空间频率。 答：已知：θ = 450，λ= 632.8nm ，根据平面波相干原理，干涉条纹的空间分布满足关系式 2 d sin （θ/2）= λ 其中d 是干涉条纹间隔。由于两平面波相对于全息干板是对称入射的，故记录 在干板上的全息光栅空间频率为 f x = （1/d ）= （1/λ）·2 sin （θ/2）= 1209.5 l /mm 故全息光栅的空间频率为1209.5 l /mm 。 5．2 如图5.33所示，点光源A （0，-40，-150）和B （0，30，-100）发出的球面波在记录平面上产生干涉： x z 图5.33 （5.2题图） （1） 写出两个球面波在记录平面上复振幅分布的表达式； 答：设：点源A 、B 发出的球面波在记录平面上的复振幅分布分别为U A 和U B ， 则有 ()[{]}2 2--22 )()()/(e x p e x p A A A A A A y y x x z jk jkz a U += ()[{]}22--22)()()/(exp exp B B B B B B y y x x z jk jkz a U += 其中: x A = x B = 0, y A = -40, z A = -150, y B = 30, z B = -100; a A 、a B 分别是球面波的振幅；k 为波数。 （2） 写出干涉条纹强度分布的表达式； I = |U A +U B |2 = U A ·U A * + U B ·U B * +U A *·U B + U A ·U B *
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
光学系统设计（Zemax初学手册） 蔡长青 ISUAL 计画团队 国立成功大学物理系 （第一版，1999年7月29日） 前言 整个中华卫星二号“红色精灵”科学酬载计画，其量测仪器基本上是个光学仪器。所以光学系统的分析乃至于设计与测试是整个酬载发展重要一环。 这份初学手册提供初学者使用软体作光学系统设计练习，整个需要Zemax光学系统设计软体。它基本上是Zemax使用手册中tutorial的中文翻译，由蔡长青同学完成，并在Zemax E. E. 7.0上测试过。由于蔡长青同学不在参与“红色精灵”计画，所以改由黄晓龙同学接手进行校稿与独立检验，整个内容已在Zemax E. E. 8.0版上测试过。我们希望藉此初学手册（共有七个习作）与后续更多的习作与文件，使团队成员对光学系统设计有进一步的掌握。（陈志隆注） (回内容纲目) 习作一：单镜片(Singlet) 你将学到：启用Zemax，如何键入wavelength，lens data，产生ray fan，OPD，spot diagrams，定义thickness solve以及variables，执行简单光学设计最佳化。 设想你要设计一个F/4单镜片在光轴上使用，其focal length 为100mm，在可见光谱下，用BK7镜片来作。 首先叫出ZEMAX的lens data editor(LDE)，什么是LDE呢？它是你要的工作场所，譬如你决定要用何种镜片，几个镜片，镜片的radius，thickness，大小，位置……等。 然后选取你要的光，在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入你要的波长，同时可选用不同的波长等。现在在第一列键入0.486，以microns为单位，此为氢原子的F-line 光谱。在第二、三列键入0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.486的位置，primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 再来我们要决定透镜的孔径有多大。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，在aper value上键入25，而aperture type被default为Entrance Pupil diameter。也就是说，entrance pupil的大小就是aperture的大小。 回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO即aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按滑鼠，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面 (surface)，于是在STO栏上，选取insert cifter，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ 为0，STO为1，而IMA为3。 再来如何输入镜片的材质为BK7。在STO列中的glass栏上，直接打上BK7即可。又
名词解释 单色平面波 波函数E 取余弦或正弦形式，对应的光波等相面为平面，且等相面上个点的扰动大小时刻相等的光波称为单色平面波。 光学全息 利用光的干涉原理将物体发出的特定光波以干涉条纹形式记录下来，使物光波前的全部信息都贮存在记录介质中形成全息图，当用适当光波照射全息图时，由于光的衍射原理能重现原始物光波，从而形成与原物相同的三维像的过程称为光学全息。 色模糊 由于波长不同而产生的像的扩展的现象叫做像的色模糊。 范西泰特—策尼克定理 指研究一种由准单色（空间）非相干光源照明而产生的光场的互强度，特别指研究干涉条纹可冗度。 11222(,) exp()2(,;,)(,)exp ()()j J x y x y I j x y d d z z ψπαβαβαβλλ+∞-∞?? = -?+??????? 其中 22 2222221121[()()]()x y x y z z ππψρρλλ= +--=- 12ρρ分别是点11(,)x y 和点22(,)x y 离光轴的距离 基元全息图 指单一物点发出的光波与参考光波干涉所形成的全息图。 彩虹全息 只利用纪录时在光路的适当位置加一个夹缝，使再现的同时再现狭缝像，观察再现像将受到狭缝再现像的调制，当用白光照明再现时，对不同颜色的光波，狭缝和物体的再现像位于不同颜色的像，犹如彩虹一样的全息图。 判断 1.衍射受限系统是一个低通滤波器。 2.物 000(,)x y μ通过衍射受限系统后的像分布(,)i i i x y μ是000(,)x y μ的理想像和点扩散 (,)i i h x y 的卷积。 3.我们把(,)H ξη称为衍射受限系统的想干传递函数。 4.定义：()()f x h x 为一维函数，则无穷积分 ()()()()() g x f h x d f x h x ααα+∞ -∞ =-=*? 5.二维卷积 (,) (,)(,)(,)(,)(,) g x y f h x y d d f x y h x y αβαβαβ+∞-∞= --=*?? 6.1,()()() ,x x x x x a rect rect a a a a a o ?-≤?*==Λ???其他 7.透镜作用 成像；傅里叶变换；相位因子。
光学课程设计报告 姓名： 学号： 班级： 学校：
EDFA掺铒光纤放大器 一、设计任务与要求 设计目的与要求： 掺饵光纤放大器的设计，系统要求为： 1、进一步熟练Optisystem软件的使用，双向系统的模拟； 2、掌握掺铒光纤放大器的工作原理； 3、设计前向泵浦的EDFA，并采用光学延迟工具来解决双向模拟问题； 4、研究掺铒光纤放大器的增益与噪声指数随信号光波长的变化。 5、掺铒光纤的长度（2 m~40m）范围内进行优化，使得EDFA的增益最大，记录优化后的光纤长度。 二、设计原理 EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。 掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下，形成粒子数反转，从而对入射光信号提供光增益。对于波长为980nm的泵浦源，掺铒光纤相当于一个三能级的系统。铒离子通过受激吸收入射波长为980nm的光子的能量，从N1能级跃迁到N3能级，由于N3能到N2能级的驰豫时间很短，N3能级上的粒子很快跃迁到N2能级，N3能级上的粒子数基本上可认为是零。
掺饵光纤放大器的工作原理图 N2能级到N1能级的驰豫时间比较长，为毫秒量级，是一个亚稳态。当有波长1550nm左右的信号光子输入时，N2能级的粒子受激辐射向N1能级跃迁，产生和入射光子同频、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。N2能级没有受激辐射的粒子会以自发辐射的方式向N1能级跃迁，产生波长1550nm左右的光子，其频率、相位、方向时随机的。 掺铒光纤放大器的基本物理结构： 在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为 980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线，还加入了增益平坦滤波器。 EDFA有前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种泵浦方式，不同的泵浦方式放大器具有不同的性能，结构图如下：
信息光学是现代光学前沿阵地的一个重要组成部分。 信息光学采用信息学的研究方法来处理光学问题，采用信息传递的观点来研究光学系统，这之所以成为可能，是由于下述两方面的原因。 首先，物理上可以把一幅光学图象理解为一幅光学信息图。一幅光学图象，是一个两维的光场分布，它可以被看作是两维空间分布序列，信息寓于其中。而信息学处理的电信号可以看作是一个携带着信息的一维时间序列，因此，有可能采用信息学的观点和方法来处理光学系统。 然而，仅仅由于上述原因就把信息学的方法引入光学还是远远不够的。在光学中可以引入信息学方法的另一个重要原因是光学信号通过光学系统的行为及其数学描述与电信号通过信息网络的行为及其数学描述有着极高的相似性。在信息学中，给网络输入一个正弦信号，所得到的输出信号仍是一个正弦波，其频率与输入信号相同，只不过输出波形的幅度和位相（相对于输入信号而言）发生了变化，这个变化与、且仅与输入信号的性质以及网络特点有关。在光学中，一个非相干的光强按正弦分布的物场通过线性光学系统时，所得到的像的光强仍是同一频率的正弦分布，只不过相对于物光而言，像的可见度降低且位相发生了变化，而且这种变化亦由、且仅由物光的特性和光学系统的特点来决定。很显然，光学系统和网络系统有着极强的相似性，其数学描述亦有共同点。正因为如此，信息学的观点和方法才有可能被借鉴到光学中来。 信息学的方法被引入光学以后，在光学领域引起了一场革命，诞生了一些崭新的光学信息的处理方法，如模糊图象的改善，特征的识别，信息的抽取、编码、存贮及含有加、减、乘、除、微分等数学运算作用的数据处理，光学信息的全息记录和重现，用频谱改变的观点来处理相干成像系统中的光信息的评价像的质量等。这些方法给沉寂一时的光学注入了新的活力。 信息光学和网络系统理论的相似是以正弦信息为基础的，而实际的物光分布不一定是正弦分布，因此，在信息光学中自然必须引入傅里叶分析方法。用傅里叶分析法可以把一般光学信息分解成正弦信息，或者把一些正弦信息进行傅里叶叠加。把傅里叶分析法引入光学乃是信息光学的一大特征。在此基础上引入了空间频谱思想来分析光信息，构成了信息光学的基本特色。 信息光学的基本规律仍然没有超出经典波动理论的范围，它仍然以波动光学原理为基础。信息光学主要是在方法上有了进一步的发展，用新的方法来处理原来的光学问题，加深对光学的理解。当然如果这些发展只具有理论的意义，它就不会像现在这样受到人们的重视，它除了可以使人们从更新的高度来分析和综合光现象并获得新的概念之外，还由此产生了许多应用。例如，引入光学传递函数来进行像质评价，全息术的应用等。
西安邮电大学 光学报告 学院：电子工程 学生姓名： 专业名称：光信息科学与技术班级：光信1103班
光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真 一、课程设计目的 1．掌握反射系数及透射系数的概念； 2．掌握反射光与透射光振幅和相位的变化规律； 3．掌握布儒斯特角和全反射临界角的概念。 二、任务与要求 对n1=1、n2=及n1=、n2=1的两种情况下，分别计算反射光与透射光振幅和相位的变化，绘出变化曲线并总结规律 三、课程设计原理 根据麦克斯韦电磁理论，利用电矢量和磁矢量来分析光波在两介质表面的反射特性，把平面光波的入射波、反射波和折射波的电矢量分成两个分量：一个平行于入射角，另一个垂直于入射角，对平面光波在电介质表面的反射和折射进行分析，推导了菲涅尔公式，并结合MATLAB研究光波从光疏介质进入光密介质，以及光波从光密介质进入光疏介质时的反射率、透射率、相位等随入射角度的变换关系。同时对光波在不同介质中传播时的特性变化进行仿真研究，根据仿真结果分析了布鲁斯特角、全反射现象及相位变化的特点。有关各量的平行分量与垂直分量依次用指标p和s来表示，s分量、p分量和传播方向三者构成右螺旋关系。 假设界面上的入射光，反射光和折射光同相位，根据电磁场的边界条件及S分量，P分量的正方向规定，可得Eis+Ers=Ets. 由着名的菲涅耳公式： rs=E0rs/E0is=-(tanθ1-tanθ2)/(tanθ1+tanθ2); rp=E0rp/E0ip=(sin2θ1-sin2θ2)/ (sin2θ1+sin2θ2); ts=E0ts/E0is=2n1cosθ1/n1cosθ1+n2cosθ2; tp=E0tp/E0ip=2n1cosθ1/n2cosθ1+n1cosθ2;
《光学》期中测试 一、单项选择题. (3×10=30分) 1． 如图，S 1、S 2 是两个相干光源，它们到P 点的距离分别 为r 1 和r 2 ，路径S 1P 垂直穿过一块厚度为t 2 ，折射率 为n 1的介质板，路径S 2P 垂直穿过厚度为t 2折射率为n 2 的另一介质板，其余部分可看作真空，这两条路径的 光程差等于 [ B ] （A ）（r 2+n 2t 2）－(r 1+n 1t 1)； （B ）[r 2+(n 2－1)t 2－[r 1+(n 1－1)t 1 ]； （C ）(r 2－n 2t 2)－(r 1－n 1t 1)； （D ）n 2t 2－n 1t 1。 2． 如图所示，折射率为n 2 、厚度为e 的透明介质薄膜的上方和下方 的透明介质的折射率分别为n 1和n 3 。已知n 1< n 2 < n 3 λ束①与②的光程差是 [ A ] （A ）2 n 2e ； （B ） 2 n 2e - ? λ ； （C ） 2 n 2e - λ ； （D ） 2 n 2e - ? n 2 λ。 3．用白光源进行杨氏双缝干涉实验，若用一个纯红色的滤光片遮盖一条缝，用一个纯蓝色滤光片 遮盖另一条缝，则 [ D ] （A ）纹的宽度将发生改变； （B ）产生红色和蓝色的两套彩色干涉条纹； （C ）干涉条纹的亮度将发生变化； （D ）不产生干涉条纹。 4． 把一平凸透镜放在平玻璃上，构成牛顿环装置当平凸透镜慢慢的向上平移时， 由反射光形成的牛顿环 [ B ] （A ） 向中心收缩，条纹间隔变小； （B ） 向中心收缩，环心呈明暗交替变化； （C ） 向外扩张，环心呈明暗交替变化； （D ） 向外扩张，条纹间隔变大。 5．在单缝夫琅和费衍射装置中，将单缝宽度b 稍稍变宽，同时使单缝沿y 轴正方向作为微小位移， 则屏幕上的中央衍射条纹将 [ C ] （A ） 变窄，同时向上移； （B ） 变窄，同时向下移； （C ） 变窄，不移动； （D ） 变宽，同时向上移； （E ） 变宽，不移动。 S S ① 3
一、简答题 1、根据系统工作的基本目的，通常光电系统可以分为哪两大类？ 答：(1)信息光电系统。例如：光电测绘仪器仪表、光电成像系统、光电搜索与跟踪系统、光电检测系统、光通信系统等。(2)能量光电系统。例如：激光武器、激光加工设备、太阳能光伏发电、“绿色”照明系统等。 2、光电系统的研发过程需要哪些学科理论与技术的相互配合？ 答：光电系统的发展需要多种学科相互配合。它是物理学、光学、光谱学、电子学、微电子学、半导体技术、自动控制、精密机械、材料学等学科的相互促进和渗透。应用各学科的最新成果，将使光电系统不断创新和发展。 3、光学系统设计基本要求包括哪些？ 答：基本要求包括：性能、构型选择、和可制造性三个方面。 4、光学系统设计技术要求包括哪些？ 答：基本结构参数（物距、成像形式、像距、F数或数值孔径、放大率、全视场、透过率、焦距、渐晕）；成像质量要求（探测器类型、主波长、光谱范围、光谱权重、调制传递函数、RMS波前衰减、能量中心度、畸变）；机械和包装要求；其它具体要求。 5、望远物镜设计中需要校正的像差主要是哪些？ 答：球差、慧差和轴向色差。 6、目镜设计中需要校正的像差主要是哪些？ 答：像散、垂轴色差和慧差。 7、显微物镜设计中需要校正的像差主要是哪些？ 答：球差、轴向色差和正弦差，特别是减小高级像差。 8、几何像差主要有哪些？ 答：几何像差主要有七种：球差、慧差、象散、场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差。 9、用于一般辐射测量的探头有哪些？ 答：光电二极管 10、可用于微弱辐射测量的探头有哪些？ 答：光电倍增管 11、常用光源中哪些灯的显色性较好？ 答：常用光源中，白炽灯、卤钨灯、氙灯的显色性较好。（高压汞灯、高压钠灯的显色性较差） 12、何谓太阳常数？ 答：太阳常数——在地球-太阳的年平均距离，大气层外太阳对地球的的辐照度(1367±7) W2m-2
第一章激光的基本概念 §1.1时间相干性和空间相干性 １．相干时间 ２．相干面积 ３．相干体积 §1.2光波模式和光子状态 １．光波模式 ２．光子及其状态 §1.３光与物质的相互作用 １．光与物质相互作用的三过程(自发辐射受激吸收受激辐射)２．爱因斯坦系数间的关系 ３．光子简并度 ４．激光器与起振条件 第二章腔模理论的一般问题 §2.1变换矩阵 １．变换矩阵的基本性质 ２．变换矩阵各元素的意义 §2.2腔的稳定性问题 １．稳定性条件 ２．等效方法 §2.3腔的本征模式 §2.4腔的损耗 1. 平均单程损耗因子 2．光子在腔内平均寿命 3．无源谐振腔的品质因数Q 4．本征振荡模式带宽 第三章稳定球面腔 §3.1共焦腔的振荡模 §3.2光斑尺寸和等价共焦腔 §3.3衍射损耗及横模选择 §3.4谐振频率，模体积和远场发散角第四章高斯光束 §4.1 厄米高斯光束和拉盖尔高斯光束§4.2 高斯光束的q参数 第五章非稳定腔 §5.1 非稳定腔的谐振模 §5.2 几何放大率和功率损耗率 §5.3 单端输出虚共焦腔的设计 第六章电磁场和物质相互作用 §6.1 线性函数 1. 定义 2.自然加宽和碰撞加宽N 3. 多普勒加宽
4. 综合加宽 §6.2 速率方程组 1.三能级系统 2.四能级系统 第七章增益饱和与光放大 §7.1 发射截面和吸收截面 §7.2 小信号增益系数 §7.3 均匀加宽工作物质的增益饱和 1. 反转集居数的饱和 2. 均匀加宽大信号增益系数 §7.4 非均匀加宽工作物质的增益饱和 1. 加宽大信号增益系数 2. 强光作用下弱光的增益系数 第八章激光振荡理论 §8.1激光器的振荡阈值,阈值反转集居数密度 §8.2连续激光器或长脉冲激光器的阈值泵浦功率§8.3多模激光器 §8.4 频率牵引 第九章激光的半经典理论 §9.1处理方法 §9.2 密度矩阵 1.定义 2.性质 §9.3 集居数运动方程迭代解 1. 静止原子的单模理论 2. 运动原子的单模理论 3. 静止原子的多模理论 4. 环形激光器 5. 塞曼激光器 第十章激光的量子理论 §10.1 辐射场的量子化 §10.2 相干态 §10.3 相干态的几个性质 §10.4 约化密度矩阵 §10.5 原子和辐射场的相干作用 §10.6 主方程 §10.7 振荡阈值和增益饱和 §10.8 光子统计 §10.9 内禀线宽 §10.10 激光场的光强涨落 第十一章相干光学瞬态效应 §11.1 二能级系统和辐射场相互作用 §11.2 相干瞬态光学过程 §11.3 相干双光子过程
光学课程设计 ——望远镜系统结构参数设计
一设计背景：在现在科学技术中，以典型精密仪器透镜、反射镜、棱镜等及其组合为关键部分的大口径光电系统的应用越来越广泛。如：天文、空间望远镜；地基空间目标探测及识别；激光大气传输、惯性约束聚变装置等等…… 二设计目的及意义 （1）、熟悉光学系统的设计原理及方法； （2）、综合应用所学的光学知识，对基本外形尺寸计算，主要考虑像质或相差；
（3）、了解和熟悉开普勒望远镜和伽利略望远镜的基本结构及原理，根据所学的光学知识（高斯公式、牛顿公式等）对望远镜的外型尺寸进行基本计算； （4）、通过本次光学课程设计，认识和学习各种光学仪器（显微镜、潜望镜等）的基本测试步骤； 三设计任务 在运用光学知识，了解望远镜工作原理的基础上，完成望远镜的外形尺寸、物镜组、目镜组及转像系统的简易或原理设计。并介绍光学设计中的PW法基本原理。同时对光学系统中存在的像差进行分析。四望远镜的介绍 1．望远镜系统：望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。又称“千里镜”。望远镜的第一个作用是放大远处物体的张角，使人眼能看清角距更小的细节。望远镜第二个作用是把物镜收集到的比瞳孔直径（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼,使观测者能看到原来看不到的暗弱物体。2．望远镜的一般特性 望远镜的光学系统简称望远系统，是由物镜和目镜组成。当用在观测无限远物体时， 物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合，光学间隔d＝o。当月在观测有限距离的物体时， 两系统的光学问隔是一个不为零的小数量。作为一般的研究，可以认
《光电仪器原理与设计》 MEA04007 本课程是一门专业技术课，适合于近测控技术与仪器，光学工程类各专业。本课程的目的是通过光电仪器原理与设计课程的学习，培养学生光电仪器原理分析、仪器使用和仪器系统设计能力。 本课程的任务是使学生以现有光、机、电、算基础知识为起点，通过常用光电仪器工作原理及设计原则的理论和方法的学习，从普遍规律和具体经验两方面提高对于光电仪器原理和设计的认知和掌握；熟知常用光电仪器的工作原理；掌握光电仪器重要组成部件的结构、功能及参数设计方法；培养学生进行总体设计的能力；为后续课程的学习和工程设计奠定理论基础和工程实践基础。 《Optoelectronic Instrument Principle and Design》 MEA04007 The objective of this course is to familiarize students with principles and basic design methods of commonly used optoelectronic instruments. Students will be trained to master the operating procedure of the instruments, distinguish the structure and function of each component, and present preliminary results of both overall design and parameter design. This course starts from basic physical principles adopted in optoelectronic instruments, and covers accuracy analysis of measuring instrument and modern instrument design methods such as ergonomics or optimum design. The focused functional contents include light sources, optical elements, detectors and metrical standards. Micro displacement technology for precision instruments and common alignment schemes are also introduced. Examples of conventional instruments like interferometers or microscopes are proposed to train the students to solve specific practical problems.
《光学软件课程设计》教学大纲 适用专业：光电、通信工程、电子信息工程专业 （学分：1学分，学时：20学时） 一、课程的性质和任务 光学软件课程设计是在学习工程光学，光学等基础课程的基础上，基于光学软件进行光学系统的设计，让学生了解光学设计中的主要环节，掌握光学系统的设计、开发的基本方法，以便今后从事光学仪器的设计、研发工作。 通过光学软件课程设计,以求达到如下目的： 1）要求综合运用工程光学课程中所学到的理论知识，独立完成一个设计课题。 2）通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。 3）培养学生严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。 二、课程的教学内容 题目1：双高斯物镜的优化设计 设计一组双高斯物镜镜头，镜头的技术指标要求如下： 1、焦距：f’=40mm； 2、相对孔径D/f’不小于1/2 ； 3、视场 5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)； 6、成像质量，MTF 轴上>35% @100 lp/mm，轴外0.707 >25%@100 lp/mm。 7、校正球差、色差、场曲、像散。 在满足前面要求的前提下，尽可能减少镜头的片数，在相同的结构情况下，MTF值越高越好。 题目2：摄影物镜的优化设计 镜头的技术指标要求如下 1、焦距：f’=12mm； 2、相对孔径D/f’不小于1/2.8； 3、图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm； 4、后工作距>6mm
5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)； 6、成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm。 7、最大畸变<1% 在满足前面要求的前提下，尽可能减少镜头的片数，在相同的结构情况下，MTF值越高越好。 三、课程的教学基本要求 1)要独立完成设计任务，通过课程设计，锻炼自己综合运用所学知识的能力，并 初步掌握镜头优化设计的方法和步骤。 2)学会查阅资料和手册,根据我们的设计目标，选择合适的初始结构。 3)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、公差以及报表集中在一起，学生可以运用是ZEMAX进行镜头的优化设计，并对设计的镜头系统进行像质评价。 4)学会进行镜头优化设计及像差分析，并得出像质评价报告。 5)能够写出完整的课程设计总结报告。 四、课程的学时分配 教学内容进度 布置任务，仿真软件介绍第一周 学习ZEMAX像差控制和优化方法第一周 查询资料，确定初始结构，并进行优化设计第二周 验收设计结果第三周 验收课程设计报告第四周 五、实践性教学环节（含实验、设计、实习等）的内容安排及要求 （1）设计报告需包含：设计要求、初始结构选择与分析、像差校正、评价函数的设置、优化方法的选择、像差结果分析与评价报告、总结与体会、参考文献和辅助软件。 ①说明设计题目及要求。 ②对题目进行剖析并选择合适的初始结构。 ③对初始结构的像差结果进行分析，与我们设计目标进行比较。 ④根据选择的初始结构，进行像差控制和优化设计 ⑤对设计优化结果给出像质评价报告并与我们的设计目标进行比较。 ⑥写出自己在仿真的过程中遇到的问题、如何排除故障以及仿真结果。
《光电仪器系统设计》复习 注：以下题目的答案仅供参考，部分题目的答案可能不够完整与严格。 第一章概论 一、什么是光电仪器，其基本作用有那些？ 以光学原理为基础，综合采用电子、计算机、机械等其他技术的各类仪器，用于对物质实体及其属性进行观察、监测、测定、验证、传输、变换、显示、分析处理与控制。 二、光电仪器的基本构成包括哪几部分，涉及哪些内容？ 光电仪器的构成——三大部分 ●机械部分：仪器的传动机构、联接机构、调整机构和壳体等 ●电子与微机控制部分：各种电子线路、照明、显示和计算机控制等 ●光学部分：由各种透镜、棱镜、平面镜、光栅和光纤等元件组合而成 三、光电仪器设计的指导思想是什么？ (1) 仪器的性能指标确定要合理，综合考虑应用场合和整体性能 (2) 经济性：不盲目追求复杂、高级方案，尽可能采用最简单、最经济的设计方案满足所提出的功能要求。 (3) 可靠性：可靠性差，就没有使用价值。 (4) 环保与安全性：不污染环境，对操作人员没有伤害。 (5) 效率：尽可能提高测量速度 (6) 寿命：充分考虑器件的寿命，易耗元件的更换，维护的方便。 (7) 封装和造型：总体结构安装、部件建的造型、细部美化等都要考虑，尽量使产品。 (8) 操作方便：操作要符合人们的习惯，尽可能节省人的体力和脑力。 四、光电仪器设计的原则是什么？ (1) 从原理上提高性能的原则 (2) 精度匹配原则：在分析基础上，对各部分精度分配恰当 (3) 最短传动链原则：影响精度的测量和传动链最短，零部件最少 (4) 零部件的标准化、系列化和通用化原则
(5) 便于加工和生产的原则 (6) 最佳性价比的原则 五、光学仪器如何进行分类？ ①按光学工作原理： ●反射原理：采用各种反射镜及其组合：潜艇观察镜、反光镜等 ●成像原理：显微、望远、投影、照相、OCT等 ●物理光学：干涉、衍射、偏振等 ●导波光学：纤维光学和波导光电仪器等 ②按经典光学应用分类： ●观察仪器：望远镜、显微镜等 ●测量仪器：测距仪、干涉仪、OCT等 ●瞄准： ●摄像：照相机 ③按光谱波段分类： ●可见光仪器：目视光学仪器、可见光成像仪器 ●红外光学仪器：红外夜视仪器、空间红外探测仪器 ●紫外光学仪器：紫外成像仪器、光刻机器 ④按现代光学用途分类： ●民用光电仪器：普通目视光学仪器、可见光成像仪器、CCD观察及成像仪器等 ●军用光电仪器：观测仪器、头盔夜视仪、空间红外探测仪器、各种军用装备等 ●空间光电仪器：飞机机载光电仪器、卫星光电仪器 六、光学仪器设计包括哪些程序？ (1) 确定设计任务：根据用户需求、发展要求来确定 (2) 调研：了解国内外同类产品、性能和特点 (3) 分析设计任务，制定设计任务书 (4) 方案设计： ①实现功能分析；
《光学》试题 4 页，五道大题，满分为100分，请考生仔细检查，以免漏答。 一、单项选择题（每小题2分，共10分） 1．波长为400nm和800nm的两条谱线的瑞利散射强度之比为： （A）2 （B）16 （ C）4 （ D）32 ［］ 2．全息照片记录的是 (A) 被拍照物体表面光波光强的分布． (B) 拍照物体表面光波相位的分布． (C) 物光与参考光的干涉图样． (D) 被拍照物体的像． (E) 被摄物体的倒立实像．［］ 3．一束自然光以布儒斯特角入射于平板玻璃,则： (A)反射光束是垂直于入射面振动，而透射光束平行于入射面振动，并都为线偏光. (B)反射光束是平行于入射面振动的线偏振光，而透射光束是部分偏振光. (C)反射光束是垂直于入射面振动的线偏振光，而透射光束是部分偏振光. (D)反射光束和透射光束都是部分偏振光. ［］ 4．在单缝夫琅禾费衍射实验中，若增大缝宽，其他条件不变，则中央明条纹 (A)宽度变小. (B) 宽度变大. (C) 宽度不变，且中心强度也不变. (D) 宽度不变，但中心强度变小．［］ 5．仅用一个偏振片观察一束单色光时，发现出射光存在强度为最大的位置（标出此方向MN），但无消光位置．在偏振片前放置一块四分之一波片，且使波片的光轴与标出的方向MN平行，这时旋转偏振片，观察到有消光位置，则这束单色光是 (A) 线偏振光．(B) 椭圆偏振光． (C) 圆偏振光. （D）自然光.
二、填空题（每小题3分，共24分） 1． 能量为2电子伏特的光子频率为 。 （e=1.6310-19 C ，Js h 34 10 63.6-?=） 2. 一束单色光波在折射率为n 的介质中由A 点传播到B 点，位相改变了2π，问光程改变了_______________________。 ３． 光栅衍射中，欲使双缝夫琅禾费衍射的中央峰内恰好含有11条干涉条纹，则缝宽和缝间距需要满足什么条件______________________。 ４． 用波长λ=632.8nm 的光源照明迈克耳孙干涉仪测量长度时，发现一镜移动一段距离后，干涉条纹移动2000条，这段距离为______________mm 。 ５． 如图所示的劈形薄膜，当上表面BB’平行地向上移动时，条纹将向 移动。 6． 用波长为λ的单色光垂直照射折射率为n 2的劈形膜,各部分折射率的关系是n 1＜n 2＜n 3．观察反射光的干涉条纹，从劈形膜尖开始向右数第5条明条纹中心所对应的厚度e ＝____________________． 7． 一束单色线偏振光沿光轴方向通过厚度为l 的旋光晶体后，若旋光晶体对该 光的旋光率为α，则线偏振光的振动面发生，旋转的角度的表示式为_________． 8. 激光器的基本结构包括三部分，即________________、______________和 __________________． 8小题，共56分） 6分) 若空气中一均匀球形透明体能将平行光束会聚于其背面的顶点上，此透明体的折射率应等于多少？
光学课程设计报告 姓名：罗风光 学号：U201013534 班级：光电1005
一、课程设计要求 (3) 二、设计步骤 (3) 1. 外形尺寸计算 (3) 2. 选型 (5) 3. 物镜设计 (5) （1）初始结构计算 (5) i. 求h、hz、J (5) ii. 平板的像差 (5) iii. 物镜像差要求 (6) ?求P、W (6) ?归一化处理 (6) ?选玻璃 (7) ?求Q (7) ?求归一化条件下透镜各面的曲率及曲率半径 (7) ?玻璃厚度 (8) （2）像差容限计算 (8) （3）像差校正 (9) （4）物镜像差曲线 (11) 4. 目镜设计 (12) （1）初始结构计算 (12) i. 确定接眼镜结构 (12) ii. 确定场镜结构 (14) （2）像差容限计算 (15) （3）像差校正 (16) 三、光瞳衔接 (19) 四、像差评价 (20) 五、总体评价 (20) 六、零件图、系统图 (20) 七、设计体会 (23) 八、参考资料 (24)
一、 课程设计要求 设计要求：双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I 型棱镜转像。 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、l z ′>8～10mm 二、 设计步骤 1. 外形尺寸计算 物镜焦距' 14120f D mm =?= 出瞳直径' 5D D mm = =Γ 目镜焦距'' 12120206 f f mm ===Γ 分划板直径' 21216.7824D f tg mm =ω= 分划板半径2 8.39122 D = 由设计要求：视场边缘允许50%的渐晕，可利用分划板拦去透镜下部25%的光，利用平板拦去透镜上部的25%的光，这样仅有透镜中间的50%的光能通过望远系统。 7.51208.39127.5120 h a --= -