北京理工大学应用光学大全李林

<<光学工程基础>>参考文献和习题1 光波、光线和成像参考文献：1. Walker Bruce H. Optical Engineering Fundamentals. Bellingham, Washington: SPIE,19982. 袁旭滄. 应用光学. 北京：国防工业出版社，19883. Ditteon Richard 著，詹涵菁译. 现代几何光学. 长沙：湖南大学出版社，20044. Smith W J. Modern Optical Engineering. Boston: The McGreaw-Hill Companies, Inc, 20015. 陈熙谋. 光学•近代物理. 北京：北京大学出版社，20026. 钟钖华. 现代光学基础. 北京：北京大学出版社，20037. Ghatak A K, Thyagarajan K. Contemporary Optics. New Y ork: Plenum Publishing Corporation, 19788. 彭旭麟，罗汝梅. 变分法及其应用. 武汉：华中工学院出版社，19839. Kidger Michael J. Fundamental Optical Design. Bellingham, Washington: SPIE,200210. Jenkins F , White H. Fundamentals of Optics. New Y ork: The McGreaw -Hill Companies, Inc, 197611. Hecht E. Optics. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley, 1987习题:1. 简述几何光学的几个基本定律。

2. 简述成像的基本概念。

3. 光在真空中的速度是多少？在水中呢？在钻石中呢？4. 画出折射角i '随入射角i 变化的函数曲线，条件是1=n ，n '是下列值：(a) 1.333；(b)1.5163；(c) 1.78831。

第1页，共3页 一、问答题（共60分，每小题6分）
1.用显微镜观察相距0.0005mm 的两物点，采用划线对准的方式，视放大率至少要多少？
2.什么叫望远镜的视角分辨率和衍射分辨率？已知望远镜的视放大率为30×，出瞳距离为1.5mm ，求该望远镜的视角分辨率和衍射分辨率。

3.什么叫主平面？什么叫节平面？主平面和节平面什么条件下重合？
4.什么叫波像差？光学系统成像质量的判断标准是什么？
5.已知棱镜展开厚度为d = 50mm ，折射率n = 1.5，求像面的移动距离。

6.一个发光圆盘（可视为朗伯光源），在与法线成30°角方向上的光强为I 。

求出射光通量。

7.什么是光圈数？在5.6、8、11这几个光圈数中，相同曝光时间下，哪个进光量最大？
8.投影仪分为哪几个部分？分别有什么作用？
9.什么叫场镜？场镜有什么作用？
10.什么叫渐晕？渐晕大小如何表示？
二、叙述及证明题（共30分，每小题10分）
1.描述如何判断平面棱镜系统的成像方向。

2.两组透镜组成倒像系统，对无限远物体成像，焦距分别为f 1′和f 2′，中间的两个透镜之间为平行光。

将倒像系统旋转180°，保持物、像位置不变。

证明系统总的视放大率
2014年攻读硕士学位研究生入学考试试题 科目代码： 820 科目名称： 应用光学
★ 答卷须知
试题答案必须书
写在答题纸上，在
试题和草稿纸上
答题无效。

《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)1.2.3.4.5.6.第二章:共轴球面系统的物像关系(14学时)1.2.3.4.5.共轴理想光学系统的基点——6.7.共轴球面系统主平面和焦点位置的计8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.第三章:眼睛的目视光学系统(7学时)1.2.3.4.5.6.第四章:平面镜棱镜系统(9学时)1.2.3.4.5.6.7.8.第五章:光学系统中成像光束的选择(5学时) 1.2.3.4.5.空间物体成像的清晰深度——第六章:辐射度学和光度学基础(10学时) 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.15.第七章:光学系统成像质量评价(7学时)1.2.轴上像点的单色像差——3.4.5.6.7.8.9.实验教学部分 (8学时)（1）光线成像实验（2学时）（2）目视光学仪器原理实验（2学时）（3）光具座演示几何像差实验（2学时）（4）计算机演示波像差和光学传递函数实验（2学时）三、考核与成绩评定考核：本课程为中英文双语教学，采用全英文命题，统一阅卷，教研组集体复查,严把质量关。

成绩评定：考试占90%，平时作业、实验及日常考核质疑等占10%，按百分制给出最终成绩。

四、大纲说明1.本大纲是根据教育部电子信息与电气学科教学指导委员会和仪器科学与技术教学指导委员会审定的《应用光学》课程教学基本要求，并适当考虑我校教学改革要求而制定的。

第20卷　第1期2000年2月北京理工大学学报Jo urnal of Beijing Instit ute o f T echnolog y V o l.20　No.1F eb.2000 文章编号:1001-0645(2000)01-0112-03光学系统热效应及分析软件研制李　林,　王　煊,　张丽琴,　张　波(北京理工大学光电工程系,北京　100081)摘　要:研究温度对光学系统的影响,讨论无热设计方法.采用温度热膨胀系数和光线追迹分析温度变化对光学系统结构参数的影响及成像质量的变化.研究表明,温度对光学系统的影响是明显的,无热设计是可行的.温度的热效率不可忽视,利用热效应分析光学设计软件可对光学系统的热效应进行有效分析.关键词:热效应;无热技术;光学设计;软件设计中图分类号:O 439 文献标识码:A收稿日期:19990303作者简介:李林,男,1957年生,副教授,硕士.在非常温、非常压环境下,光学系统所承受的温度、压力及辐射与地面差别极大,使得光学系统的曲率半径、透镜厚度及空气间隔、玻璃的折射率及固定零件等发生变化,从而引起成像质量的变化.在以上因素中,温度是最主要的.因此,设计者必须探索在空间环境下系统性能指标的变化,尤其是随温度的变化,采取措施防止系统性能恶化,以满足空间探测的要求.国外从40年代就开始了环境温度对光学系统像质影响的研究[1],提出了透镜无热设计(Athermal-isatio n )的概念.从70年代中期至今,国外在无热设计方面取得了一些进展,一些软件相继增加了环境温度分析模块.虽然在功能上还不能使设计者感到满意,但能在一定程度上帮助设计者在温度变化时对系统进行分析和修正.国内在这方面还处于起步阶段,常用的几种光学设计软件包目前尚未具备环境温度分析功能[2].1　温度变化对光学系统成像质量的影响温度变化对光学系统的影响主要有两个方面:一是温度变化d t 引起介质的折射率变化d n ,由此光程随之改变.定义折射率的温度系数为B g =d n /d t ,(1)式中　B g 是一个只和介质有关的系数,通常称为光学材料的折射率热系数.温度变化引起光学元件的厚度、空气间隔L 以及各折射面的面形发生变化,光线的光程亦因此而改变.把其用介质的线性热膨胀系数表示为l =(1/L )d L /d t .(2)在一定的温度范围内,l 是常数,不同介质的 l 不同.通常把温度环境分为均匀温度变化和具有径向温度梯度分布两种情况.均匀温度变化是指经过一瞬间后,从一稳定的温度状态到另一稳定的温度状态.而径向温度梯度分布,是指从一环境突然变化到另一环境,或是在稳定的外界热平衡条件下,热量以对流的方式从光学元件的表面流入,由于光学玻璃的低导热性,在元件的内部形成了从中心到边缘的径向温度梯度分布.对于单个透镜,当温度发生均匀变化时,设其焦距为f ,折射率为n ,则其焦距位移系数为x f =B g /(n -1)- l ,(3)xf 的大小决定了透镜焦距的变化量随温度的变化关系.对n 个薄透镜组成的系统,其温度焦距位移系数为xf =f f 1xf 1+f f 2x f 2+f f 3xf 3+…+f f n xf n ,(4)式(4)表明,系统中各元件的焦距位移之和等于总的焦距位移.对于径向温度分布,在半径为R 处的温度近似为t (R )≈t 0+ R2(5)其中　t 0为光轴处的温度; = t (R m )/R 2m ;R m 为边缘半径; t (R m )为轴上和边缘温度差.该式表明,在近似的情况下,温度分布与半径的平方成线性关系.对于光学系统,定义热光系数为g =B g /(n -1)+l ,(6)则光程函数E 可以近似表示为E = 0R 2/2-d 0(n -1) g R 2,(7)其中　d 0为系统厚度; 0R 2/2为对应高斯光焦度 0的无扰动球面波的光程;第二项表明引入温度梯度后,对应的光程差变化由热光系数 g 来控制.无热(Athermalisation)设计是通过一定的补偿技术,使光学系统在一较大的温度范围内保持焦距不变或变化很小.温度均匀变化对系统像质的影响有两方面: 装配材料热胀冷缩引起焦移; 光学材料的光学特性发生变化引起焦移.如果不考虑装配材料的影响,可直接利用光学材料间xf 的互补性,通过不同材料的适当组合消除热效应.对于径向梯度温度分布,热波像差可由各个分立透镜元件互相补偿得到校正.2　光学热效应分析软件(OTEAS )的研制作者研制的能对光学系统的热效应进行分析评估的软件的主要功能有[3]:几何像差和均匀温度效应计算　此功能可计算光学系统从一温度变化到另一温度时几何像差的值.还能输出均匀温度变化下系统各面面形的变化量、玻璃元件的伸缩量和空气间隔的变化量等参数.径向温度梯度分布效应计算　此功能可根据给定的几个温度采样点的温度数据,拟合出元件的径向温度分布多项式,并由此计算折射率的径向分布.此外,还能拟合出透镜的面形,进行光线追迹,计算出几何像差.光学材料热参数查询　软件内含光学材料热参数数据库,可在程序中查询光学材料的线性热膨胀系数、折射率温度系数等热参数值.径向温度梯度分布近似按径向高度的平方分布,因此可用一个二次多项式来拟合,即t h =a 1+a 2h 2,(8)其中　h 为距光轴的径向高度;a 1,a 2为待定系数.对此函数,根据用户输入的温度采样值,采113　第1期李　林等:光学系统热效应及分析软件研制114北京理工大学学报第20卷　用线性最小二乘法进行拟合.根据拟合出的温度分布函数,可得任意径向高度h处的折射率为n(h)=n20+(t h-20)B g=n20+(a1+a2h2-20)B g=n0+a2B g h2,(9)其中　n20为在20℃时介质的折射率;t h为该处的温度;B g为折射率温度系数.而轴上温度时的折射率值为n0=n20+a1B g-20B g.此时的光线轨迹公式为y=y0ch[(n0 /p)x]+[(q0/(n0 )]sh[(n0 /p)x]z=z0ch[(n0 /p)x]+[(L0/(n0 )]sh[(n0 /p)x]q=q0ch[(n0 /p)x]+y0n0 sh[(n0 /p)x].(10) L=L0ch[(n0 /p)x]+z0n0 sh[(n0 /p)x]p=p02=2a2B g/n0式(9)和式(10)就是在径向温度梯度分布n(h)=n0+a2B g h2的介质中光线的轨迹公式.当已知光线的初始位置坐标(x0,y0,z0)和方向余弦(p0,q0,L0),以及折射率温度系数B g时,结合所拟合出的温度分布参数a2,利用这两组公式就可求得任意x处的光线位置(x,y,z)和方向余弦(p,q,L).参考文献:[1]　Gr ey D S.A ther malisatio n of optical systems[J].Jo urnal of optical society of A mer ican,1948,38(6):542～546.[2]　李　林,王　煊.环境温度对光学系统影响的研究及无热系统设计的现状与展望[J].光学技术,1997(5):26～29.[3]　王　煊.环境温度对光学系统影响的研究及环境温度分析软件的研制[D].北京:北京理工大学光电工程系,1998.Thermal Effects for Optical System andDesign of an Analysis ProgramLI Lin,　WANG Xuan,　ZHA NG Li-qin,　ZHANG Bo(Departm ent o f O ptica l Engineer ing,Beijing Instit ut e of T echnolog y,Beijing100081) Abstract:To study the effects o f the tem peratur e v ariation on the optical sy stem, and discuss the method o f atherm alisatio n,the effects w er e analyzed by using the co-efficient of thermal expansion and w ith the method of ray tracing.T he ther mal ef-fects is distinct,how ev er athermalisation is feasible.The ther mal effects can not be ignored and the analy sis of the effects can be co mpleted with the metho d presented.Key words:thermal effect;atherm alisatio n techniques;optical design;progr am ming。