工程光学-讲义课件(PPT·精·选)

智能制造
智能制造需要高精度、高效率的光学检测和测量技术，工程光学将大有可为。
医疗健康
光学成像、光谱分析等技术将为医疗健康领域带来更多创新。
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《工程光学与技术》ppt课件
目录
• 工程光学概述 • 光学基础知识 • 工程光学技术 • 现代光学技术 • 工程光学实验 • 工程光学前沿与展望
01
工程光学概述
光学的基本概念
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。
光的传播
光在真空中沿直线传播，在其他介质中传播方向会发生改变。
光的反射、折射和散射
04
现代光学技术
非线性光学
非线性光学效应
非线性光学效应是光与物质相互作用时产生的非线性现象，如倍频 、和频、差频等。
非线性光学材料
非线性光学材料是实现非线性光学效应的关键，如晶体、玻璃、聚 合物等。
非线性光学应用
非线性光学在激光技术、光电子学、光通信等领域有广泛的应用，如 光参量振荡器、光倍频器等。
光子学与光子技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光子学基本概念
光子学是研究光子的产生、传播、相互作用和应 用的科学。
光子器件
光子器件是实现光子技术的关键，如激光器、光 放大器、光调制器等。
光子技术的应用
光子技术在通信、信息处理、传感等领域有广泛 的应用，如光纤通信、光计算等。
光学信息存储与处理
01
光学信息存储
光学信息存储是利用光的干涉、 衍射等光学效应实现信息的存储 和读取。
工程光学的研究内容
光学系统设计
研究光学系统的基本理论和设 计方法，涉及光学仪器、摄影
镜头、显微镜等。
光学材料与制造

1.0
0.8
光谱光效率
为什么暗环境下能
0.6
做饭、洗衣，但不
0.4
能描龙绣凤？
0.2
2024/10/8
0.0 400 500 600 700 800
l(nm)
光谱光效率函数曲线
第七章 光度学基础
7
§8.1.5 眼睛的分辨率
眼睛刚能分辨开二个很靠近点的能力称为眼睛的分辨率。 二者成反 比
刚能分辨的二个点对眼睛物方节点的张角称为极限分辨角。
瞄准精度和前面讲到的分辨率是不是一个概念？
瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。
二实线重合 60
2024/10/8
二直线端部对准 叉线对准单线
（10～20）
10
第七章 光度学基础
双线对称夹单线 （5～10）
9
§8.1.7 眼睛的立体视觉
眼睛观察空间物体时，能区别它们的相对远近而具有立体视觉。简称体视。 C
若以50％渐晕点为界来决定线视场2 y
F
2 y 2B2F
f tanW2
f h d
250 f
2 y 500h d
W F
f 眼瞳
W3W2 W1 2a 2h
眼瞳
d
2024/10/8
第七章 光度学基础
14
讨论：
逢年过节，要买放大镜孝敬老人， 该如何选择其放大倍率？
2y h
2y 1
2y 1 d
（2）与照明光谱成份有关：单色光分辨率高（眼睛有色差）； （3）与视网膜上成像位置有关，黄斑处分辨率最高。
对眼睛张角小物体的要借助望远镜或显微镜等仪器，仪器 应有适当的放大率，使能被仪器分辨的也能被眼睛分辨。

E 1 v B
第一节 光的电磁性质 三、球面波（点光源）和柱面波（线光源） A 1、球面波 E＝ exp[i( kr t )] r ~ A 发散的球面波： E ＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的球面波： E ＝ e xp(ikr ) r A i( kr t )] 2、柱面波 E＝ e xp[ r ~ A 发散的柱面波： E＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的柱面波： E＝ e xp(ikr ) r
2 2
z z 令 ＝ t , t，则有 v v z z z z E＝f1 ( t ) f 2 ( t )，和 B＝f1 ( t ) f 2 ( t ) v v v v
第一节 光的电磁性质 （一）波动方程的平面波解
z z z z E＝f1 ( t ) f 2 ( t ) f1 和 f2 是以( t )和( t ) v v v v z z 为变量的任意函数。 B＝f1 ( t ) f 2 ( t ) v v z z f1 ( －t )表示沿 z轴正向传播， f 2 ( ＋t )表示沿 z轴负向传播。 v v z 取正向传播：E＝ f1 ( t ) －－行波的表示式。 v 源点的振动经过一定的时间 z B＝f1 ( t ) 推迟才传播到场点。 v
第一节 光的电磁性质 （二）平面简谐电磁波的波动公式
沿空间任一方向 k 传播的平面波的波动公式：
E＝A cos(k r t ) E＝A cosk x cos y cos z cos t
x P(x,y,z) k
平面波的复数形式： E＝A e xp[ i( k r t )] 复振幅： ~ E＝A e xp( ik r )
2 E 2 结果： E 2 0 t 2 B 2 B 2 0 t

2．瞳孔调节（适应特性）
➢ 人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。
➢ 这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮 情况适应的过程 称为适应（即为瞳孔的调节）。
➢ 眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼 睛的进光亮（2mm~8mm)。在设计目视光学仪器 时要充分考虑与眼瞳的配合。
➢ 适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产 生的变态过程，可分为对暗适应和对光适应两种， 前者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在 自黑暗处到光亮处的时候。
眼睛内的折射主要发生在角膜上； *脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜
巩膜
角膜
脉络膜
*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；
*瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹
膜肌肉能使瞳孔的直径在2~8mm范围内变化；它是人眼
的孔径光阑。
➢ 眼睛自动改变焦距的过程称为眼睛的调节。
.
13
➢ 正常人眼在完全放松的自然状态下，
➢ 无限远目标成像在视网膜上，即眼睛的 像方焦点在视网膜上。
➢ 在观察近距离物体时，人眼水晶体周围 肌肉收缩，使水晶体前表面半径变小。
➢ 眼睛光学系统的焦距变短，后焦点前 移，从而使该物体的像成在视网膜上。
.
14
➢ 当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所 能看清的最远的点称为远点，其相应的距
对应着负视度，配 上适当的负光焦度 眼镜后，即可使无 限远物体成像于眼 睛的远点上，然后 再经眼睛成像于网 膜上，因而眼镜矫
正了眼睛的缺陷。
所谓远视眼就是其远点在眼睛之后（r > 0），
后室
角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液；

D' l'z D lz
[例7-4] 有一显微镜，物镜的放大率β=-40×，目镜的倍率 为Γe=15（均为薄透镜），物镜的共轭距为195mm，求物 镜和目镜的焦距、物体的位置、光学筒长、物镜和目镜的间 距、系统的等效焦距和总倍率。
解： 已知物镜的共轭距L=195mm和放大率β=-40×
11 1
l' l f0'
眼睛的视角分辨率相适应，即光学系统的放大率和被观察物体所
需的分辨率的乘积等于眼睛的分辨率。
五、眼睛的对准精度
对准：是指在垂直于视轴方向上的重合或置中过程； 对准误差：对准后，偏离置中或重合的线距离或角距离。
六、眼睛的景深
当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节 能同时看清对准平面前和后某一距离的物体， 称作眼睛的景深。
设艾里斑的半径为 a,则 :
a 0.61 n'sin u'
道威判断：两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为 0.85a 时，则能被光学系统分辨。
设显微镜能分辨的物方两点间最短距离为
由瑞利判断可得：
a 0.61 0.61 n sin u NA
（7-28）
由道威判断或得：
0.85a 0.5 NA
眼睛的调节能力：用能清晰调焦的极限距离表示， 即远点距离lr和近点距离lp。以远点距离lr和近点 距离lp的倒数差来度量：
1 1 RP A lr lp
(7-1)
正常眼：眼睛的像方焦点F’与视网膜重合； 远点位于人眼前无限远处。
近视眼：眼睛的像方焦点F’位于视网膜前方； 远点位于人眼前有限距离处。
开普勒望远镜746三望远镜的视场孔径光阑渐晕光阑y为分划板半径2一般在1015伽利略望远镜孔径光阑视场光阑例76有一架开普勒望远镜视觉放大率为6物方视场角28出瞳直径d5mm物镜和目镜之间距离l140mm假定孔径光阑与物镜框重合系出瞳距离目镜口径分划板直径物镜口径和目镜焦距物镜焦距目镜的作用类似于放大镜把物镜所成的像放大在人眼的远点或明视距离供人眼观察其光学特性参数有

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 面称为波阵面，简称波面。光的传播即 为光波波阵面的传播。 光束：几何波面与几何光线的关系：在 各项同性介质中，波面上某点的法线即 代表了该点处光的传播方向，即光沿着 波面法线方向传播，因此，波面法线即 为光线。与波面对应的所有光线的集合， 称为光束。
时，可以全反射传送，
i i0
时，光线将会透过内壁进入包层
26
定义 na sin i0 为光纤的数值孔径
够传送的光能越多。
i0
越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是光纤能
这意味着光信号越容易耦合入光纤。
27
三、费马原理
费马原理与几何光学的基本定律一样，也是描 述光线传播规律的基本理论。 它以光程的观点描述光传播的规律，涵盖了光 的直线传播和光的折、反射规律，具有更普遍 的意义。 根据物理学，光在介质中走过的几何路程与该 介质折射率的乘积定义为光程。设介质的折射 率为n，光在介质中走过的几何路程为l，则光程 s表示为
同心光束：通常波面可分为平面波、
球面波和任意曲面波。与平面波对应的光
束成为平行光束，与球面波对应的光束称
为同心光束。
平行光束与同心光束
平面波面
球形波面
同心光束
平行光束
各类光束及对应的波面
返回
折射率：折射率是表征透明介质光学 性质的重要参数。我们知道，各种波长的 光在介质中的传播速度会减慢。介质的折 射率正是用来描述介质中光速减慢程度的 物理量，即：
c n v
这就是折射率的定义。
10
二、几何光学的基本定律
几何光学的基本定律决定了光线在一般 情况下的传播方式，也是我们研究光学 系统成像规律以及进行光学系统设计的 理论依据。 几何光学的基本定律有三大定律：

孔径光阑的判断
例5-2：如图5-6a所示，L1，L2是两个直径 相等的正薄透镜，A为物点，P是光孔，已 知透镜的焦距 f1' 20mm ，f2'10mm，物距 l1 100mm，间距 d1 40mm，直径 D1 D2 6mm， DP 2mm ，求此系统的孔径光阑。
L
L
1
P
2
A
100
40
20
D1=6
图5-6a
D =2 P
D2=6
孔径光阑的判断
解 求出所有器件在物空间的像。为此将整个系统 翻转180，首先，光孔P经透镜L1成像：
1 l'
1 40
1 20
，得：
l'
40(mm)
l' l
40 40
1
，得：DP '
DP
2(mm)（表示直径大小可不考虑符号）
再将透镜L2对透镜L1成像：
1 1 1 l' 60 20
第一节 概述
▪孔径光阑：
光学系统中用于限制成像光束大小的光阑称 为孔径光阑，如照相机中的可调光圈就是该系 统的孔径光阑。
在光学系统中，描述成像光束大小的参量称 为孔径，系统对近距离物体成像时，其孔径大 小用孔径角U表示，对无限远物体成像时，孔 径大小用孔径高度h表示，如图5-1所示。
孔径光阑
视场光阑
第二节 孔径光阑
❖光学系统的所有元件都有有限的通 光口径，其中必有一个元件的口径 限制着给定轴上物点所能进入系统 的最大光束，这就是孔径光阑。
▪ 1、光束限制的共轭原则 ▪ 2、孔径光阑的判断 ▪ 3、入射光瞳和出射光瞳
光束限制的共轭原则
所谓光束限制共轭原则是指，当一条光线 被其所在介质空间的某一元器件的口径所限 制，则该光线的共轭光线也将被器件共轭像 的口径所限制，如图5-3 。

光学信号处理原理
光学信号处理概述 简要介绍了光学信号处理的基本 概念和原理，包括光波的干涉、 衍射、傅里叶变换等方面的知识 。
全息术与光学信息处理 简要介绍了全息术的基本原理和 应用，以及光学信息处理技术的 发展和应用前景。
干涉测量技术 详细介绍了干涉测量技术的基本 原理和应用，包括干涉仪的结构 和工作原理、干涉图样的分析和 解释等方面的知识。
的发展提供了新的机遇和挑战。
工程光学在各领域的应用
能源领域
太阳能利用、激光焊接、激光切割等 。
通信领域
光纤通信、光网络技术等。
环境监测领域
光谱分析、大气污染监测等。
生物医学领域
医学成像、光谱诊断、激光医疗等。
CHAPTER 02
工程光学基础知识
光的本质与传播
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。 其电磁场振动方向与传播方向垂直， 表现出横波的特征。
显微镜
介绍了显微镜的基本原理和结构，包括透射光显微镜和反 射光显微镜等类型，以及显微镜的性能参数和选择方法。
激光器
简要介绍了激光器的基本原理和结构，包括气体激光器、 固体激光器、光纤激光器等类型，以及激光器的性能参数 和应用领域。
光学系统设计原理
光学系统设计基础
介绍了光学系统设计的基本概念和原则， 包括光学材料、光学镀膜、光学元件加工
光学信息处理实验
研究光学信息处理技术，如傅里叶 变换、光学图像处理等，掌握光学 信息处理系统的基本构成和操作方 法。
光学系统设计与制造实践
光学系统设计实践
通过实践了解光学系统设计的基本原理和方法，掌握光学设 计软件的使用技巧，熟悉光学元件的选择和加工工艺。
光学制造工艺实践

工程光学
本课程的基本情 况
专业基础课
总学时：64 其中：理论学时：48 实验学时：16
教材及参考书
教 材： 《工程光学》 郁道银 谈恒英 机械工业出版社 参考书：《应用光学》 胡玉禧 安连生 中国科技大学出版社
《应用光学》 王文生 华中科技大学出版社
考核方式
闭卷考试 总评成绩比例：卷面70% 实验20% 平时10%
天体
遥远的距离
观察者
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线，它代表光的传 播方向。
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。
sin I sin I '
nab
n ab :介质 b 对介质 a 的相对折射率，
如果介质 a 为真空，则介质 b 对真空的折
射率也称为绝对折射率，用 n b 表示
也可表述为：
nb
c vb
C：在真空中光速， v b ：在介质 b 中光速
两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示
n ab
va vb
重点：几何光学基本定律
一、光的直线传播定律
在各向同性的均匀透明介质中，光线沿 直线传播。
二、光的独立传播定律
不同的光源发出的光线在空间某点相遇 时，彼此互不影响。在光线的相会点上，光 的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后 ，各个光束按原方向传播。
三、折射和反射定律
光的折射和反射定律研究光传播到两 种均匀介质的分界面时的定律。

※ 入射光线AE与光轴的夹角为物方倾斜角也叫物方 孔径角，用U 表示。
Engineering Optics
授课：任秀云
n
E n’
A
-U
h
C U’
A’
O r
-L
L’
折射光线EA’ 由以下参量确定：
※像方截距：顶点O到折射光线与光轴交点，用L’表示。
※像方倾斜角：折射光线EA’ 与光轴的夹角，也叫像方 孔径角，用U’ 表示。
（5）r = -40mm, L = -100mm, U = -10°, L’= -200mm
Engineering Optics
授课：任秀云
2.1.3 单折射球面成像的光路计算
一、实际光路的计算公式（追迹公式或大L公式）：
nE
n’
A
-U
C O
r
-L
当结构参数 r , n , n’ 给定时，只要知道 L 和 U ，就可求L’ 和 U’
光轴 为起始边。
B
y -U
A
-L
E I
h
I’
φ
C
U’
A’
O
r
-y’ B’
L’
Engineering Optics
授课：任秀云
×
×
√
×
L = 100mm, U = 30°
Engineering Optics
授课：任秀云
同学们一定要记住上面 的符号规则！
Engineering Optics
授课：任秀云
Engineering Optics
n
授课：任秀云
I
E
n’
-U A
-L
φC
O
r