第11章工程光学 郁道银 第二版ppt课件

简介本文档将通过郁道银工程光学天津天大蔡怀宇54视频的赠ppt讲义典型光学系统6 11chap6-4，详细介绍该光学系统的结构、原理和应用。

该光学系统是典型的工程光学系统，在实际的工程应用中有着广泛的应用价值。

光学系统的结构光学系统由多个光学元件组成，其中包括透镜、反射器、光学窗口等。

这些光学元件按照一定的顺序排列，形成一个完整的光学路径。

光线从光源经过光学系统的各个光学元件，最终汇聚到焦点或者形成所需的光斑。

对于典型的光学系统6 11chap6-4，其结构如下所示：光学系统结构图光学系统结构图该系统包括透镜L1、透镜L2、光学窗口W1和光学窗口W2。

光线从左侧的光源射入光学系统，经过透镜L1和L2的折射后，通过光学窗口W1抵达光学系统的输出端，最终到达光学窗口W2。

光学系统的原理光学系统的原理主要通过光学元件对光进行折射、反射和衍射等处理来实现。

透镜是最常见的光学元件之一，其主要作用是通过折射来聚焦光线。

透镜的折射效果是根据菲涅尔公式和斯涅尔定律来计算的。

在光学系统6 11chap6-4中，透镜L1和L2起到了聚焦光线的作用。

透镜的焦距决定了光线经过透镜后的汇聚效果。

通过控制透镜L1和L2的参数，可以达到所需的光学效果。

另外，光学窗口W1和W2在光学系统中起到保护透镜和光学元件的作用。

它们通常由透明材料制成，具有较好的透光性能和物理强度。

光学系统的应用光学系统在工程领域中有着广泛的应用。

光学系统能够将光线聚焦到微小的光斑上，从而实现高分辨率成像。

这一特性使得光学系统在光学测量、成像、通信等领域中得到了广泛的应用。

在光学系统6 11chap6-4中，该系统可能用于实现光学测量或者成像。

通过调整透镜L1和L2的参数，可以实现对光线的精确聚焦，从而得到清晰的成像效果。

同时，在系统设计中，要考虑光学窗口W1和W2的选择，以保证光线的传输质量和系统的稳定性。

此外，光学系统还可以应用于激光器、放大器、扫描仪等光学设备中。

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)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 sinI1 .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。

1 、波面：点光源发出的光波向四周传播时，某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。

2 、几何光学的四大基本定律1 ）光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播的。

2 ）光的独立传播定律：不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。

3 ）反射定律和折射定律（全反射）：全反射：当光线从光密介质向光疏介质入射，入射角大于临界角时，入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生。

sinI m =n ’/n ，其中I m 为临界角。

3 、费马原理光从一点传播到另一点，其间无论经历多少次折射和反射，其光程为极值。

4 、马吕斯定律光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面正交，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。

5 、完善成像条件（3种表述)1）、入射波面为球面波时，出射波面也为球面波；2）、入射光束为同心光束时，出射光束也为同心光束； 3）、物点A 1及其像点A k ’之间任意二条光路的光程相等。

6 、单个折射面的成像公式（定义、公式、意义）rnn l n l n -=-''' r l l 21'1=+ ( 反射球面，n n -=' )7 、垂轴放大率成像特性：β>0,成正像，虚实相反；β<0,成倒像，虚实相同。

|β|>1,放大；|β|<1，缩小。

注：前一个系统形成的实像，若实际光线不可到达，则为下一系统的虚物。

若实际光线可到达，则为下一系统的实物。

8 、理想光学系统两焦距之间的关系nn f f ''-= 9 、解析法求像方法为何？（牛顿公式、高斯公式）1）牛顿公式：2）高斯公式：'11'1f l l =-10 、理想光学系统的组合公式为何？正切计算法'tan '31U h f11 、几种典型的光组组合及其特点（组成、特点和应用）？12、平面光学元件的种类？作用？（4种）平面反射镜，唯一能成完善像的最简单的光学元件，可用于做光杠杆 平行平板，平行平板是个无光焦度的光学元件，不使物体放大或缩小， 反射棱镜，实现转折光路、转像和扫描等功能。

第十一章 光的干涉和干涉系统1． 双缝间距为1mm,离观察屏1m,用钠光灯做光源，它发出两种波长的单色光nm 0.5891=λ和nm 6.5892=λ，问两种单色光的第十级亮条纹之间的间距是多少？解：由题知两种波长光的条纹间距分别为961131589105891010D e m d λ---⨯⨯===⨯ 962231589.610589.61010D e m d λ---⨯⨯===⨯ ∴第十级亮纹间距()()65211010589.6589100.610e e m -∆=-=⨯-⨯=⨯2． 在杨氏实验中，两小孔距离为1mm,观察屏离小孔的距离为50cm,当用一片折射率为1.58的透明薄片贴住其中一个小孔时（见图11-17），发现屏上的条纹系统移动了0.5场面，试决定试件厚度。

解：设厚度为h ，则前后光程差为()1n h ∆=- ()1x dn h D∆⋅∴-=230.510100.580.5h --⨯⨯=21.7210h mm -=⨯3． 一个长30mm 的充以空气的气室置于杨氏装置中的一个小孔前，在观察屏上观察到稳定的干涉条纹系。

继后抽去气室中的空气，注入某种气体，发现条纹系移动了25个条纹，已知照明光波波长nm 28.656=λ，空气折射率000276.10=n 。

试求注入气室内气体的折射率。

解：设气体折射率为n ，则光程差改变()0n n h ∆=-图11-47 习题2 图()02525x d dn n h e D Dλ∆⋅∴-==⋅= 9025656.2810 1.000276 1.0008230.03m n n h λ-⨯⨯=+=+= 4． ** 垂直入射的平面波通过折射率为n 的玻璃板，投射光经投射会聚到焦点上。

玻璃板的厚度沿着C 点且垂直于图面（见图11-18）的直线发生光波波长量级的突变d ，问d 为多少时，焦点光强是玻璃板无突变时光强的一半。

解：无突变时焦点光强为04I ，有突变时为02I ，设',.d D 200'4cos 2xd I I I Dπλ== ()'104xd m m D λ⎛⎫∴∆==+≥ ⎪⎝⎭又()1n d ∆=-114d m n λ⎛⎫∴=+ ⎪-⎝⎭5． 若光波的波长为λ，波长宽度为λ∆，相应的频率和频率宽度记为ν和ν∆，证明λλνν∆=∆，对于nm 8.632=λ的氦氖激光，波长宽度nm 8102-⨯=∆λ，求频率宽度和相干长度。

第三章1．人照镜子时，要想看到自己的全身，问镜子要多长？人离镜子的距离有没有关系？解：镜子的高度为1/2人身高，和前后距离无关。

2、有一双面镜系统，光线平行于其中一个平面镜入射，经两次反射后，出射光线与另一平面镜平行，问两平面镜的夹角为多少？解：OAM M //323211M M N M ⊥∴1''1I I -= 又2''2I I -=∴α同理：1''1I I -=α321M M M ∆中︒=-+-+180)()(1''12''2I I I I α ︒=∴60α答：α角等于60︒。

3、如图3-4所示，设平行光管物镜L 的焦距'f =1000mm ，顶杆离光轴的距离 a =10mm 。

如果推动顶杆使平面镜倾斜，物镜焦点F 的自准直象相对于F 产生了y =2mm 的位移，问平面镜的倾角为多少？顶杆的移动量为多少？解：θ'2f y = rad 001.0100022=⨯=θ Oθx=mm a x 01.0001.010=⨯=⨯=∴θ图3-44、一光学系统由一透镜和平面镜组成，如图3-29所示。

平面镜MM 与透镜光轴垂直交于D 点，透镜前方离平面镜600mm 有一物体AB ，经透镜和平面镜后，所成虚像''A ''B 至平面镜的距离为150mm,且像高为物高的一半，试分析透镜焦距的正负，确定透镜的位置和焦距，并画出光路图。

图3-29 习题4图解： 由于平面镜性质可得''B A 及其位置在平面镜前150mm 处''''B A 为虚像,''B A 为实像则211-=β21'1-==L L β450150600'=-=-L L解得 300-=L 150'=L又 '1L -L 1='1f mmf150'=∴答：透镜焦距为100mm 。

《工程光学》郁道银版第一章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：(2)由（1）式和（2）式联立得到n0 sinI1 .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。

《工程光学-物理光学》习题集_测控专业【教程章节】第十一章光的电磁理论基础第十二章光的干涉和干涉系统第十三章光的衍射第十五章光的偏振和晶体光学【核心教材】郁道银，谈恒英，《工程光学》， 2011年出版了国家“十一五”规划教材（第3版）。

【参考教材】1.蔡怀宇，《工程光学复习指导与习题解答》，机械工业出版社。

2.梁铨廷，《物理光学》，电子工业出版社（第3版）。

配套教材《物理光学·学习指导与题解》，3.石顺祥等编著，《物理光学与应用光学》，（第2版）。

4.韩军等著，《物理光学学习指导》，西北工业大学出版社。

5.赵建林（西北工业），《高等光学》，国防工业出版社，2002年第一版，6.波恩，沃尔夫，《光学原理》(中英文版)，电子工业出版社。

7.Eugene Hecht, Cunlin Zhang,《Optics》, Higher educationpress.8.工程光学网站：202. 113. 13. 85。

9.中国期刊网，万方网，维普期刊全文数据库等。

10.中国光学学会网 /;11.SPIE:【课程题型类别】传统型作业、模拟题、思考题、阅读题第十一章光的电磁理论基础【阅读理解题】【思考与讨论题】【计算题】【一、阅读理解题】==《工程光学复习指导与习题解答》P.99-101例题7-1, 7-2, 7-3, 7-4, 7-5【三、计算题】==《工程光学》书本，P.337--339第1，2, 3----23，30题，任选10-15题【思考与讨论题】== 写出无源、无传导电流静场的麦克斯韦方程组（积分形式或者微分形式）== 无色散情况下的物质方程和其物理意义，== 波动方程一般形式，及光波沿z轴正向传播的波动方程表示式。

== 沿z轴正向传播的平面波简谐波解的表达式，以及主要参量之间的关系。

== 总结驻波的特点。

== 理解相速度和群速度。

==什么是光和光学？研究内容的分类？==理解：“几何光学” 和“物理光学” 各自的理论体系，研究方法，了解之间的区别和之间的关系。

郁道银主编工程光学（知识点）郁道银主编工程光学（知识点）第一章小结（几何光学基本定律与成像概念）1、光线、波面、光束概念。

光线：在几何光学中，我们通常将闪烁点收到的光抽象化为许许多多随身携带能量并具有方向的几何线。

波面：发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。

光束：与波直面应当所有光线的子集称作光束。

2、几何光学的基本定律（内容、表达式、现象解释）1）光的直线传播定律：在各向同性的光滑介质中，光是沿着直线传播的。

2）光的单一制传播定律：相同光源收到的光在空间某点碰面时，彼此互不影响，各光束单一制传播。

3）反射定律和折射定律（全反射及其应用）：反射定律：1、坐落于由入射光线和法线所同意的平面内；2、反射光线和入射光线坐落于法线的两侧，且反射角和入射角绝对值成正比，符号恰好相反，即i’’=-i。

全反射：当满足1、光线从光密介质向光疏介质入射，2、入射角大于临界角时，入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生。

sinim=n’/n，其中im为临界角。

应用领域：1、用全反射棱镜替代平面反射镜以增加光能够损失。

（镀膜平面反射镜就可以散射90%左右的入射光能够）2、光纤折射定律：1、折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；2、折射角的正弦和入射角的正弦之比与入射角大小无关，仅由两种介质的性质决定。

n’sini’=nsini。

应用领域：光纤4）光路的可逆性光从a点以ab方向沿一路径s传递，最后在d点以cd方向出射，若光从d点以cd方向入射，必原路径s传递，在a点以ab方向出射，即光线传播是可逆的。

5）费马原理光从一点传播到另一点，其间无论经历多少次折射和反射，其光程为极值。

（光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的），也叫“光程极端定律”。

6）马吕斯定律光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。