工程光学基础教程
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第一章 几何光学基本定律1. 已知真空中的光速c =3810⨯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 =66666.01sin 22==n I745356.066666.01cos 22=-=I88.178745356.066666.0*200*2002===tgI xmm x L 77.35812=+=4.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 .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。
工程光学基础教程第一章工程光学是一门研究光学现象和光学器件在工程领域中应用的学科。
它涵盖了光学基础知识、光学器件和系统设计、光学测量和测试、光学传感和图像处理等方面的内容。
本文将以工程光学基础教程的第一章为主题,讨论工程光学的基本概念和原理。
第一章介绍了光的物理性质和光的波动理论。
光是一种电磁波,具有波动性和粒子性的特点。
光波动的基本特性包括波长、频率、振幅和相位。
光的波动可以通过实验来验证,例如干涉、衍射和折射等实验。
干涉是指两束光波相遇时发生的干涉现象。
干涉可以分为同相干和非相干干涉两种情况。
同相干干涉是指两束光波的相位差为整数倍的情况下发生的干涉。
非相干干涉是指两束光波的相位差不是整数倍的情况下发生的干涉。
衍射是指光通过一个小孔或经过不规则边缘时发生的衍射现象。
衍射可以用赫兹普龙原理来描述,即波的传播过程中每个波前都可以看作是一系列波源发出的球面波。
折射是指光从一种介质传播到另一种介质时发生的折射现象。
光的折射是由介质的折射率引起的,折射率是光在介质中传播速度与真空中传播速度的比值。
光的粒子性可以通过光的能量传播和光的吸收来解释。
光的能量在空间中传播时遵循能量守恒定律和动量守恒定律。
光的吸收是指光被物质吸收并转换为其他形式的能量,例如热能。
本章还介绍了光的能量和功率的计算方法。
光的能量可以通过光的强度和面积来计算,光的功率可以通过光的能量和时间来计算。
光的强度可以用辐射亮度和辐射通量来描述。
此外,本章还介绍了坐标系和光的传播方向。
坐标系是研究物体位置和光传播方向的基本工具。
光的传播方向可以用传播矢量和波矢量来描述,传播矢量指示光的传播方向,波矢量指示光的传播速度和方向。
综上所述,工程光学基础教程的第一章主要介绍了光的物理性质和光的波动理论。
通过学习这些基本概念和原理,我们可以更好地理解和应用工程光学知识。
工程光学是一门应用广泛的学科,对于光学器件和系统的设计、光学测量和测试、光学传感和图像处理等方面都有很大的意义和价值。
第一章 几何光学基本定律1. 已知真空中的光速c =3810⨯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 = 66666.01sin 22==n I745356.066666.01cos 22=-=I1mm I 1=90︒n 1 n 2200mmL I 2 x88.178745356.066666.0*200*2002===tgI xmm x L 77.35812=+=4.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 .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。
第一章几何光学基本原理与成像概念在工农业,科学技术以及人类生活的各个领域,使用着种类繁多的的光学仪器,如望远镜,显微镜,投影仪等。
光学系统:千差万别但是其基本功能是共同的:传输光能或对所研究的目标成像。
研究光的传播和光学成像的规律对于设计光学仪器具有本质的意义!§1 光波和光线第一节几何光学的基本定律•从本质上讲,光是电磁波,按照波动理论进行传播。
•但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系统是的传播规律或成像问题时将会造成计算和处理上的很大困难,在实际解决问题时也不方便。
好累!太不方便了!•按照近代物理学的观点,光具有波粒二象性,那么如果只考虑光的粒子性,把光源发出的光抽象成一条条射线,然后来研究光学系统成像。
问题变得简单而且实用!几何光学:以光线为基础,用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。
•点:光源、焦点、物点、像点•线:光线、法线、光轴•面:物面、像面、反射面、折射面由于光具有波动性,因此这种只考虑粒子性的研究方法只是一种对真实情况的近似处理方法。
必要时要辅以波动光学理论。
几何上的点:既无大小,又无体积。
当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时,也可认为是一个点。
天体遥远的距离观察者一. 发光点任何被成像的物体,也是由无数个发光点组成。
1.本身发光。
2. 反射光。
因此研究物体成像时,可以用某些特征点的成像规律来推断整个物体的成像。
二、光线•发光点向四周辐射光能量,在几何光学中将发光点发出的光抽象为带有能量的射线,它代表光的传播方向。
三、光束一个位于均匀介质中的发光点,它所发出的光向四周传播,形成以发光点为球心的球面波。
某一时刻相位相同的点构成的面称为波面波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方向,波面上的法线束称为光束•同心光束:发自一点或会聚于一点,为球面波•平行光束:光线彼此平行,是平面波•像散光束:光线既不平行,又不相交,波面为曲面。
在几何光学中研究成像时,主要要搞清光线在光学元件中的传播途径,这个途径称为光路。
工程光学基础教程_习题参考答案工程光学基础教程_习题参考答案第一章光学基本知识与技术1.1 什么是光学?光学在人类生活中有哪些应用?答:光学是研究光的行为和性质的物理学科。
它涉及到光的产生、传播、变换、干涉、衍射、偏振以及光在介质中的行为等问题。
光学在人类生活中有着广泛的应用,如眼镜、镜头、显示器、照明、医疗器械、天文望远镜等。
1.2 光的波动性是如何描述的?答:光的波动性是指光是一种电磁波,具有振幅、频率、波长等特征。
它可以在空间中传播,并且可以表现出干涉、衍射等波动性质。
光的波动性可以通过波长、频率、振幅等参数进行描述。
1.3 什么是光的干涉?举例说明其应用。
答:光的干涉是指两列或两列以上的光波在空间中叠加时,由于光波的叠加产生明暗相间的干涉条纹的现象。
光的干涉在很多领域都有应用,例如光学干涉仪、双缝干涉实验、全息照相、光学通信等。
1.4 什么是光的衍射?举例说明其应用。
答:光的衍射是指光在遇到障碍物或孔径时,会绕过障碍物或孔径边缘,产生明暗相间的衍射图案的现象。
光的衍射在很多领域也有应用,例如光学透镜、衍射光学器件、全息照相、光学存储等。
1.5 什么是光的偏振?举例说明其应用。
答:光的偏振是指光波的电矢量在振动时,只在某个方向上振动,而在其他方向上振动为零的现象。
光的偏振在很多领域也有应用,例如偏振眼镜、偏振片、偏振光学器件等。
第二章光学透镜与成像2.1 什么是透镜?列举几种常见的透镜及其特点。
答:透镜是一种光学器件,它由一块透明材料制成,可以聚焦或发散光线。
常见的透镜包括凸透镜、凹透镜、平凸透镜、平凹透镜等。
2.2 凸透镜的成像原理是什么?如何计算凸透镜的焦距?答:凸透镜的成像原理是光线经过凸透镜后,平行于主轴的光线会聚于一点,这个点称为焦点。
焦距是指从透镜中心到焦点的距离。
凸透镜的焦距可以通过公式 f=1/v+1/u 进行计算,其中f为焦距,u为物距,v为像距。
2.3 凹透镜的成像原理是什么?如何计算凹透镜的焦距?答:凹透镜的成像原理是光线经过凹透镜后,平行于主轴的光线会朝透镜中心方向会聚于一点,这个点称为虚焦点。