工程光学基础学习报告 ——典型光学系统之显微镜系统
由于成像理论的逐步完善，构成了许多在科学技术和国民经济中得到广泛应用的光学系统。为了观察近距离的微小物体，要求光学系统有较高的视觉放大率，必须采用复杂的组合光学系统，如显微镜系统。 ●显微镜的介绍 显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，是人类进入原子时代的标志。主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。光学显微镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.1微米，国内显微镜机械筒长度一般是160mm。列文虎克，荷兰显微镜学家、微生物学的开拓者。 显微镜是人类这个时期最伟大的发明物之一。在它发明出来之前，人类关于周围世界的观念局限在用肉眼，或者靠手持透镜帮助肉眼所看到的东西。 显微镜把一个全新的世界展现在人类的视野里。人们第一次看到了数以百计的“新的”微小动物和植物，以及从人体到植物纤维等各种东西的内部构造。显微镜还有助于科学家发现新物种，有助于医生治疗疾病。 ●显微镜的分类 显微镜以显微原理进行分类可分为光学显微镜与电子显微镜，而我们课堂上讲的是光学显微镜。 ●显微镜的结构 普通光学显微镜的构造主要分为三部分：机械部分、照明部分和光学部分。 ◆机械部分 （1）镜座：是显微镜的底座，用以支持整个镜体。 （2）镜柱：是镜座上面直立的部分，用以连接镜座和镜臂。 （3）镜臂：一端连于镜柱，一端连于镜筒，是取放显微镜时手握部位。 （4）镜筒：连在镜臂的前上方，镜筒上端装有目镜，下端装有物镜转换器。 （5）物镜转换器(旋转器)简称“旋转器”：接于棱镜壳的下方，可自由转动，盘上有3－4 个圆孔，是安装物镜部位，转动转换器，可以调换不同倍数的物镜，当听到碰叩声时，方可进行观察，此时物镜光轴恰好对准通光孔中心，光路接通。转换物镜后，不允许使用粗调节器，只能用细调节器，使像清晰。 （6）镜台(载物台)：在镜筒下方，形状有方、圆两种，用以放置玻片标本，中央有一通光孔，我们所用的显微镜其镜台上装有玻片标本推进器(推片器)，推进器左侧有弹簧夹，用以夹持玻片标本，镜台下有推进器调节轮，可使玻片标本作左右、前后方向的移动。 （7）调节器：是装在镜柱上的大小两种螺旋，调节时使镜台作上下方向的移动。 ①粗调节器(粗准焦螺旋)：大螺旋称粗调节器，移动时可使镜台作快速和较大幅度的升降，所以能迅速调节物镜和标本之间的距离使物象呈现于视野中，通常在使用低倍镜时，先用粗调节器迅速找到物象。 ②细调节器(细准焦螺旋)：小螺旋称细调节器，移动时可使镜台缓慢地升降，多在运用高倍
光学练习题 一、 选择题 11. 如图所示，用厚度为d 、折射率分别为n 1和n 2 (n 1＜n 2)的两片透明介质分别盖住杨氏双缝实验中的上下两缝, 若入射光的波长为, 此时屏上原来的中央明纹处被第三级明纹所占 据, 则该介质的厚度为 [ ] (A) λ3 (B) 1 23n n -λ (C) λ2 (D) 1 22n n -λ 17. 如图所示，在杨氏双缝实验中, 若用一片厚度为d 1的透光云母片将双缝装置中的上面一个缝挡住; 再用一片厚度为d 2的透光云母片将下面一个缝挡住, 两云母片的折射率均为n , d 1＞d 2, 干涉条纹的变化情况是 [ ] (A) 条纹间距减小 (B) 条纹间距增大 (C) 整个条纹向上移动 (D) 整个条纹向下移动 18. 如图所示，在杨氏双缝实验中, 若用一片能透光的云母片将双缝装置中的上面一个缝盖住, 干涉条纹的变化情况是 [ ] (A) 条纹间距增大 (B) 整个干涉条纹将向上移动 (C) 条纹间距减小 (D) 整个干涉条纹将向 下移动 26. 如图(a)所示，一光学平板玻璃A 与待测工件B 之间形成空气劈尖，用波长λ＝500nm(1nm = 10-9m)弯曲部分的顶点恰好与其右边条纹的直线部分的切线相切．则工件的上表面缺陷是 [ ] (A) 不平处为凸起纹，最大高度为500 nm (B) 不平处为凸起纹，最大高度为250 nm (C) 不平处为凹槽，最大深度为500 nm (D) 不平处为凹槽，最大深度为250 nm 43. 光波的衍射现象没有声波显著, 这是由于 [ ] (A) 光波是电磁波, 声波是机械波 (B) 光波传播速度比声波大 (C) 光是有颜色的 (D) 光的波长比声波小得多 53. 在图所示的单缝夫琅禾费衍射实验中，将单缝K 沿垂直光的入射光(x 轴)方向稍微 平移，则 [ ] (A) 衍射条纹移动，条纹宽度不变 (B) 衍射条纹移动，条纹宽度变动 (C) 衍射条纹中心不动，条纹变宽 (D) 衍射条纹不动，条纹宽度不变 K S 1 L L x a E f
工程光学课程设计 班级 学号 姓名 一、目的 了解光学系统外形尺寸计算在光学系统设计中的作用，学习和掌握外形尺寸计算的内容和一般方法。根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计过程称为光学系统的外形尺寸计算。光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组成、各光组元的焦距、各光组元的相对位置和横向尺寸。 外形尺寸计算基本要求： 第一，系统的孔径、视场、分辨率、出瞳直径和位置； 第二，几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸，整体结构的布局； 第三，成像质量、视场、孔径的权重。 二、要求 对题中所涉及的光学系统 ⑴按照工作原理正确作出光路图并能正确描述； ⑵完整叙述及列举计算的过程，步骤要详细不能省略中间中程； ⑶完成设计报告 三、内容 （一）只包括物镜和目镜的望远系统 计算一个镜筒长L=f1′+f2′=200+（学号最后两位）mm，放大率Γ= -24+（学号最后一位），视场角2ω=1°40′的刻普勒望远镜的外形尺寸。 1、求物镜和目镜的焦距；
图1只包括物镜和目镜的望远系统结构图 2、求物镜的通光孔径D1。可根据望远系统的有效放大率求出D1。 3、求出瞳直径D1’； 4、视场光阑的直径D3； 5、目镜的视场角2ω′； 6、求出瞳距lz′； 7、求目镜的口径D2； 8、目镜的视度调节（目镜相对视场光阑的移动量x）； 9、选取物镜和目镜的结构。 （二）带有棱镜转像系统的望远镜 双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像，系统要求为： 1、望远镜的放大率Γ＝8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＝10°； 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、lz′=8～10mm 要求计算棱镜转像望远镜的各类尺寸
物理光学总复习
一、选择题 1.E=E0exp(-i(wt-kz))和E=E0(-i(wt+kz))描述的是相反（沿+z或-z方向）传播的光波。 2.牛奶在自然光照时呈白色，由此可以肯定牛奶对光的散射主要是米氏散射。 3.早上或晚上看到太阳是红颜色，这种颜色可以用瑞利散射解释。 4.拍摄薄雾景色时，可在照相机物镜前加上红色滤光片，其原因可以用瑞利散射解释。 5.天空呈蓝色，这种现象可以用（瑞利散射）解释。 6.对右旋圆偏振光， ? ? ? ? ? ? -i 1 2 2 逆着光传播的方向看，E顺时针方向旋转）。对 左旋圆偏振光，（ ? ? ? ? ? ? i 1 2 2 逆着光传播的方向看，E逆时针方向旋转）。 7.根据光强度的物理意义，光波的强度正比于振幅的平方（E2）。8光波的能流密度S正比于（电场强度E和磁场强度H）。 9琼斯矩阵 ? ? ? ? ? ? 1 表示的是沿x轴方向振动的线偏振光标准归一化琼斯矢量形式。 10.光在介质中传播时，将分为o光和e光的介质属于单轴晶体。 11.光束经过乌拉斯敦棱镜后，出射光只有一束，入射光应为线偏振光或入射光束锥角大于偏振棱镜的有效孔径。 12.劈尖的干涉属于等厚干涉，对反射光的干涉，若（不）考虑半波损失，其棱线总是处于暗纹（亮纹）位置。 13.如果线偏振光的光矢量与1/4玻片光轴夹角为45°，那么该线偏振光通过1/4玻片后一定是圆偏振光。
14.一束自然光自空气射向一块平板玻璃，设入射光等于布儒斯特角θB，则在界面的反射光为线偏振光(完全偏振光)。 15.对于完全非偏振光，其偏振度为P=(IM-Im)/(IM+Im)=0；对于完全偏振光，其偏振度为P=(IM-Im)/(IM+Im)=1。 16.线偏振片通过玻片后，一定是线偏振光，只是振动面的方位较入射光转过了2 。 17.在晶体中至少存在4个（单轴晶体），5个（双轴晶体）方向，当强度E沿这些方向时，E与相应的电位移矢量D的方向相同。 18.四个复数exp[-i(wt-kz)]、exp[+i(wt-kz)]、exp[-i(kz-wt)]、exp[+i(kz-wt)]表示的是同一列光波。 19.对于单轴晶体中的o光而言，以下说法正确的是O光：E//D,k//s；e光：E 与D有夹角α，E不平行D。 20.斯托克斯参量表示法描述的光部分、完全非偏振光。 21.喇曼散射和瑞利散射的主要区别在于散射光和入射光波长不同。 22.菲涅尔衍射和夫琅和费衍射的区别条件是观察屏到衍射屏距离Z1与衍射孔的线度之间的相对大小。当λ=0.633um，孔径线度为2mm时，菲涅尔衍射区域是Z1>>1cm(Z1>>3cm为夫琅和费衍射)。 23.为表征椭圆偏振，必要的三个独立量是（振幅α１、α２和位相差δ，或长短轴ａ、ｂ和表明椭圆取向的ψ角）。 24.由光密介质射向光疏介质的能量入口处和返回能量的出口处不在同一点，相隔大约（半个波长）。
English Homework for Chapter 1 1.In ancient times the rectilinear propagation of light was used to measure the height of objects by comparing the length of their shadows with the length of the shadow of an object of known length. A staff 2m long when held erect casts a shadow 3.4m long, while a building’s shadow is 170m long. How tall is the building? Solution. According to the law of rectilinear propagation, we get, x=100 (m) So the building is 100m tall. 2.Light from a water medium with n=1.33 is incident upon a water-glass interface at an angle of 45o. The glass index is 1.50. What angle does the light make with the normal in the glass? Solution. According to the law of refraction, We get, So the light make 38.8o with the normal in the glass. 3. A goldfish swims 10cm from the side of a spherical bowl of water of radius 20cm. Where does the fish appear to be? Does it appear larger or smaller? Solution. According to the equation. and n ’=1 , n=1.33, r=-20 we can get So the fish appears larger. 4.32170= x ''sin sin I n I n =626968 .05.145sin 33.1sin =?=' I 8.38='I r n n l n l n -'=-''11416.110133 .15836.8)(5836.81165.02033.01033.11>-=??-=''= -='∴-=--+-=-'+='l n l n cm l r n n l n l β n A
一、考试模块划分方式： 考试内容分为A、B 两个模块，考生可任选其中一个模块。A 模块为工程光学，B 模块为光电子学基础。 二、各模块初试大纲： A模块：工程光学 （一）考试的总体要求 本门课程的考试旨在考核学生有关应用光学和物理光学方面的基本概念、基本理论和实际解决光学问题的能力。 考生应独立完成考试内容，在回答试卷问题时，要求概念准确，逻辑清楚，必要的解题步骤不能省略，光路图应清晰正确。 （二）考试的内容及比例 考试内容包括应用光学和物理光学两部分。 “应用光学”应掌握的重点知识包括：几何光学的基本理论和成像概念、理想光学系统理论、光学系统中的光束限制、平面和平面系统对成像的影响、像差的基本概念和典型光学系统的性质、成像关系及光束限制等。具体知识点如下： 1、掌握几何光学基本定律与成像基本概念，包括：四大基本定律及全反射的内容与现象解释；完善成像条件的概念和相关表述；几何光学符号规则以及单个折射球面、反射球面的成像公式、放大率公式等。 2、掌握理想光学系统的基本理论和典型应用，包括：基点、基面的主要类型及其特点；图解法求像的方法；解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）；理想光学系统三个放大率的定义、计算公式及物理意义；理想光学系统两焦距之间的关系；正切计算法以及几种典型组合光组的结构特点、成像关系等。 3、掌握平面系统的主要种类及应用，包括：平面镜的成像特点及光学杠杆原理和应用；反射棱镜的种类、基本用途及成像方向判别；光楔的偏向角公式及其应用等。 4、掌握典型光学系统的光束限制分析，包括：孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系；视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系；渐晕、渐晕光阑、渐晕系数的定义；物方远心光路的工作原理；光瞳衔接原则及其作用；场镜的定义、作用和成像关系等。 5、了解像差基本概念，包括：像差的定义、种类和消像差的基本原则；7 种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法等。 6、掌握几种典型光学系统的基本原理和特点，包括：正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征，校正非正常眼的方法；视觉放大率的概念、表达式及其意义；显微镜系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式；临界照明和坷拉照明系统的组成、优缺点；望远系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式；摄影系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式；投影系统的概念、计算公式以及其照明系统的衔接条件等。 “物理光学”应掌握的重点知识包括：光的电磁理论基础、光的干涉和干涉系统、光的衍射、光的偏振和晶体光学基础等。具体知识点如下：
光学综合复习 一、填空题 1、月亮、闪闪发光的红宝石、太阳、点燃的蜡烛，其中属于光源的是． 2、晴天，在茂密的树林下面，阳光透过树叶的缝隙，会在地上留下许多圆形的光斑，这是由于的原理。如果是在发生日偏食的短暂时间 里，则地上的光斑是圆形的光斑（填“仍然”或“不再”）。 3、如图为我国电视播放的我国首批女子仪仗队训练时的画面，队员们之所以 能够 站的这么整齐是利用了光的原理，她们在行走过程中以其中一名队员为 参照物，其他队员是（选填“运动”或“静止”）的 4、教室里的黑板有时会“反光”晃眼，这是黑板表面发生了反 射；老师放在讲桌上的教具从各个角度多能看到，这是教具发生反射. 5、早晨的太阳光与水平方向成40°角射到一水平放置的平面镜上，经镜面反射后，反射角 为． 6、超市中用来识别货物和价格的条形码，它就是黑白相间的条纹，当扫描仪照射 它时，黑条纹将光（选填“反射”或“吸收”），白条纹将光，再通过电脑解码就可 以了。 7、一只小鸟在平静的湖面上飞过，当小鸟距离水面4m时，小鸟在湖面上的“倒影”是________(选填“实”或“虚”)像，该“倒影”距离小鸟________m。 8、目前光污染越来越严重，白亮污染是普遍的一类光污染，建筑物的玻璃幕墙、釉面砖墙、磨光大 理石 都能造成白亮污染，形成白亮污染的主要原因是由于光 的________现象. 9、小李从平面镜里看到平面镜对面的电子钟的示数如图3所示，这时的实际时间是________ 10、如图所示,平面镜PN与一支长15cm的铅笔AB竖直放置在水平桌面上,它们之 间相距20 cm,铅笔的像高为cm;若铅笔绕B点逆时针方向转过90°,此时铅笔尖A 与其所成像A′间的距离为cm。 11、一束光线从空气射入某种透明液体时，已知入射光线与液体表面的夹角 是450， 反射光线与折射光线的夹角 是1050，则折射角是_______0，入射角是 __________0。 12、古诗中有许多描述光学现象的诗句，如“潭清疑水浅”说的就是光的现象；“池水映 明月”说的就是光的现象.“大漠孤烟直，长河落日圆”的诗句中，诗人观察到的落日并 非 太阳的实际位置，而是光线经过不均匀大气时发生而成的像，此时太阳的实际位置是图中的（选“甲”或“乙”）. 13、电视机画面的颜色是由___________三种色混合而成的，电视遥控器 用__________（选填“红外线” 或“紫外线”）来遥控电视机的。 14、如图所示，太阳光通过三棱镜后，在光屏上会形成一条彩色光带，这种现象叫光的 __________，产生这一现象的原因是白光中包含的不同颜色的光通过三棱镜 发生________ （选填“反射”或“折射”）时的偏折程度不同；图中射到光屏上光束的________侧有明 显的热效应（选填“上”或“下”）． 15、一个上身穿黄衣，下身穿红裙的姑娘在舞台红色的追光灯 下，上衣呈色，
工程光学课程设计 设计名称：工程光学课程设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： XXX教务处制 20 13 年12 月
工程光学课程设计评分表 最后成绩的以优（90~100）、良（80~89）、中（70~79）、及格（60~69）和不及格（少于60分）五级给出。
第1章引言 1.1 简单介绍 对于实际的光学系统来说，它的成像往往是非完善成像，对于怎样来判断一个光学系统的性能的优劣，是光学设计中遇到的一个重要问题.在当前计算机辅助科研、教学的迅猛发展过程中，计算机辅助光学系统设计已成为光学设计不可缺少的一种重要手段.其中，由美国焦点软件公司所发展出的光学设计ZEMAX，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是可以运算Sequential及Non-Sequential的软件.其主要特色有分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG等，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。 但是，这里必须强调一点的是，ZEMAX软件只是一个光学设计辅助软件，也就是说，该软件不能教你怎么去进行光学设计，而只是能对你设计的光学系统进行性能的优化以达最佳成像质量所以，在应用本教程进行光学辅助设计之前，您最好先学习一下光学设计的有关知识：首先是几何光学基础，几何光学是光学设计的基础，要做光学设计必须懂得各种光学仪器成像原理，外形尺寸计算方法，了解各种典型光学系统的设计方法和设计过程.实际光学系统大多由球面和平面构成。记住共轴球面系统光轴截面内光路计算的三角公式，了解公式中各参数的几何意义是必要的，具体公式可参考有关光学书籍，在此就不一一介绍了。对于平面零件有平面反射镜和棱镜，它们的主要作用多为改变光路方向，使倒像成为正像，或把白光分解为各种波长的单色光.在光学系统中造成光能损失的原因有三点：透射面的反射损失、反射面的吸收损失和光学材料内部的吸收损失。其次是像差理论知识，对于一个光学系统，一般存在7种几何像差，他们分别是球差、彗差、像散、场曲、畸变和位置色差以及倍率色差.另外，还必须了解一点材料的选择和公差的分配方面的知识，以及一些光学工艺的知识，包括切割，粗磨，精磨，抛光和磨边，最后还有镀膜和胶合等。
河北工业大学2019年硕士研究生招生考试 自命题科目考试大纲 科目代码：822 科目名称：工程光学基础 适用专业：仪器科学与技术、仪器仪表工程（专业学位） 一、考试要求 工程光学基础适用于河北工业大学机械工程学院仪器科学与技术专业、仪器仪表工程（专业学位）专业硕士研究生招生专业课考试。主要考察对于工程光学基础的基本概念、方法及运用所学知识分析问题和解决问题的能力。 二、考试形式 试卷采用客观题型和主观题型相结合的形式，主要包括选择题、填空题、判断题、简答题、计算题、分析论述题、设计题等。考试时间为3小时，总分为150分。 三、考试内容 （一）几何光学基本定律与成像概念 1、几何光学的基本定律：折射定律、反射定律、全反射定律、马吕斯定律、费马原理等。 2、几何光学的基本概念：光波、折射率等。 （二）光线光路计算及近轴区成像 1、单个折射球面光线计算 能够利用公式进行实际光路中的光线轨迹运算。 2、近轴区单个折射球面及球面系统的成像物象位置关系计算 能够利用光线追迹计算结果初步判断光学系统的像差；能够利用近轴区的各种公式计算像的位置，像的大小并判断像的虚实。 （三）理想光学系统
1、理想光学系统的基本理论 能够利用共线成像理论求解基点和基面，并完成图解法求像。 2、理想光学系统的解析法求像 能够利用工作理想光学系统的各种计算公式计算理想光学系统的物象位置关系、计算像的大小、位置并判断像的虚实；能够利用节点的性质进行实际问题的分析。 3、光学系统的组合 利用两个理想光学组合等效系统的基点和基面的几何求解方法求解任何所需要的透镜。利用正切法将三个及以上系统的组合等效系统求解。 4、透镜 能够利用透镜的相关公式求解透镜的焦距和基点位置。 （四）平面与平面元件 1、平面元件简介 能够利用平面镜的成像特性解释各种有关平面镜的光学现象及成像特点。能够利用平面镜的旋转性、平移性、双面镜的成像特性进行系统设计。 2、平行平板 能够平行平板成像公式及成像特性解释有关光学现象并应用到实际之中。 3、反射棱镜及像方坐标系求解 能够利用反射棱镜像方坐标系及透镜在不同情况下的像方坐标系的求解方法求解系统的像方坐标系；能够利用棱镜的光学系统的成像方法进行光学系统分析。 4、折射棱镜及光楔 利用折射棱镜最小偏向角的原理解决实际光学问题；学生能够利用光楔的作用分析其在光学系统中的作用。
精心整理一、光的直线传播、光速练习题： 一、选择题 1.下列说法中正确的是（CD） A.光总是沿直线传播 B.光在同一种介质中总是沿直线传播 C.光在同一种均匀介质中总是沿直线传播 D.小孔成像是光沿直线传播形成的 2.下列关于光线的说法正确的是(BD) A.光源能射出无数条光线 B.光线实际上是不存在的 C.光线就是很细的光束 D.光线是用来表示光传播方向的直线 3. (BCD) A. C. 4. A. C. 5. A. C. 6 A C 7 A C 8.如图1 A. C. 9 10.身高1.6m的人以1m/s的速度沿直线向路灯下走去，在某一时刻，人影长1.8m，经2s，影长变为1.3m，这盏路灯的高度应是__8或2.63_m。 11.在阳光下，测得操场上旗杆的影长是3.5m。同时测得身高1.5m同学的影子长度是0.5m。由此可以算出旗杆的高度是__10.5_m。 二、光的反射、平面镜练习题 一、选择题 1.关于光的反射，正确的说法是（C） A.反射定律只适用于平面镜反射 B.漫反射不遵循反射定律 C.如果甲从平面镜中能看到乙的眼睛，那么乙也一定能通过平面镜看到甲的眼睛
D.反射角是指反射线和界面的夹角 2.平面镜成像的特点是(ABCD) A.像位于镜后，是正立的虚像 B.镜后的像距等于镜前的物距 C.像的大小跟物体的大小相等 D.像的颜色与物体的颜色相同 3.如图1两平面镜互成直角，入射光线AB经过两次反射后的反射光线为CD，现以两平面镜的交线为轴，将两平面镜同向旋转15°,在入射光方向不变的情况下，反射光成为C′D′，则C′D′与CD关系为(A) A.不相交，同向平行 B.不相交，反向平行 C.相交成60° D.相交成30° 4.两平面镜间夹角为θ，从任意方向入射到一个镜面的光线经两个镜面上两次反射后，出射线与入射线之间的夹角为(C) A.θ/2 B.θ C.2θ D.与具体入射方向有关 5.一束光线沿与水平方向成40°角的方向传播，现放一平面镜，使入射光线经平面镜反射后沿水平方向传播，则此平面镜与水平方向所夹锐角为：(AD) A.20° B.40° C.50° D.70° 6.下列说法正确的是(ABCD) A.发散光束经平面镜反射后仍为发散光束 B.本应会聚到一点的光线遇到平面镜而未能会聚，则其反射光线一定会聚于一点 C.平行光束经平面镜反射后仍平行 D.平面镜能改变光的传播方向，但不能改变两条光线间的平行或不平行的关系 7.在竖直的墙壁上挂一平面镜，一个人站在平面镜前刚好能在平面镜中看到自己的全身像.当他向后退的过程中，下列说法正确的是(C) A.像变小，他仍能刚好看到自己的全身像 B.像变大，头顶和脚的像看不到了 C.像的大小不变，他仍能刚好看到自己的全身像 D.像的大小不变，他仍能看到自己的全身像，但像未占满全幅镜面 9.a、b、c三条光线交于一点P，如图3如果在P点前任意放一块平面镜MN，使三条光线皆能照于镜面上，则(B) A.三条光线的反射光线一定不交于一点 B.三条光线的反射光线交于一点，该点距MN的距离与P点距MN的距离相等 C.三条光线的反射光线交于一点，该点距MN的距离大于P点距MN的距离 D.三条光线的反射光线的反向延长线交于一点 10.一点光源S通过平面镜成像，如图4光源不动，平面镜以速度v沿OS方向向光源平移，镜面与OS方向之间夹角为30°，则光源的像S′将(D) A.以速率v平行于OS向右运动 B.以速率v垂直OS向下运动 D.以速率v沿S′S连线向S运动 二、填空题 13.一个平行光源从地面竖直向上将光线投射到一块和光线垂直的平面镜上，平面镜离地面3m 高，如果将平面镜绕水平轴转过30°，则水平地面上的光斑离光源3根号3__m。 17.一激光束从地面竖直向上投射到与光束垂直的平面镜上，平面镜距地面的高度为h.如果将平面镜绕着光束的投射点在竖直面内转过θ角，则反射到水平地面上的光斑移动的距离为.htg2θ__. 三、作图题 19.如图7所示，MN为一平面镜，P为一不透光的障碍物，人眼在S处，试用作图法画出人通过平面镜能看到箱子左侧多大范围的地面。要求画出所有必要光线的光路图，并在直线CD上用AB线段标出范围。
实习报告 实习名称：工程光学课程设计院系名称：电气与信息工程专业班级：测控12-1 学生姓名：张佳文 学号：20120461 指导教师：李静
黑龙江工程学院教务处制2014 年 2 月
工程光学课程设计任务书
目录 1摘要 ...................................................................... 错误！未定义书签。2物镜设计方案 . (1) 3物镜设计与相关参数 (2) 3.1物镜的数值孔径 (2) 3.2物镜的分辨率 (3) 3.3物镜的放大倍数 (4) 3.4物镜的鉴别能力 (4) 3.5设计要求参数确定 (4) 4 显微镜物镜光学系统仿真过程 (5) 4.1选择初始结构并设置参数 (5) 4.2自动优化 (5) 4.3物镜的光线像差(R AY A BERRATION)分析 (6) 4.4物镜的波像均方差(OPD)分析 (7) 4.5物镜的光学传递函数(MTF)分析 (8) 4.6物镜的几何点列图(Stop Diagrams)分析 (10) 4.7仿真参数分析 (11) 5心得体会 (11) 6参考文献 (12)
1摘要 ZEMAX是Focus Software 公司推出的一个综合性光学设计软件。这一软件集成了包括光学系统建模、光线追迹计算、像差分析、优化、公差分析等诸多功能，并通过直观的用户界面，为光学系统设计者提供了一个方便快捷的设计工具。十几年来，研发人员对软件不断开发和完善，每年都对软件进行更新，赋予ZEMAX更为强大的功能，因而被广泛用在透镜设计、照明、激光束传播、光纤和其他光学技术领域中。 ZEMAX采用序列和非序列两种模式模拟折射、反射、衍射的光线追迹。序列光线追迹主要用于传统的成像系统设计，如照相系统、望远系统、显微系统等。这一模式下，ZEMAX 以面作为对象来构建一个光学系统模型，每一表面的位置由它相对于前一表面的坐标来确定。光线从物平面开始，按照表面的先后顺序进行追迹，追迹速度很快。许多复杂的棱镜系统、照明系统、微反射镜、导光管、非成像系统或复杂形状的物体则需采用非序列模式来进行系统建模。这种模式下，ZEMAX以物体作为对象，光线按照物理规则，沿着自然可实现的路径进行追迹，可按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，直到被物体拦截。与序列模式相比，非序列光线追迹能够对光线传播进行更为细节的分析。但此模式下，由于分析的光线多，计算速度较慢。 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、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是ZEMAX 的CAD 转文件程序都是双向的，如IGES 、STEP 、SAT 等格式都可转入及转出。而且ZEMAX可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系统和非成像系统。 ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户光学设计程界面中。而且工作界面简单，快捷，很方便的就能找到我们想哟实现的功能，ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。 2物镜设计方案 消色差物镜(Achromatic)是较常见的一种物镜，由若干组曲面半径不同的一正一负胶合透镜组成，只能矫正光谱线中红光和蓝光的轴向色差。同时校正了轴上点球差和近轴点慧差，这种物镜不能消除二级光谱，只校正黄、绿波区的球差、色差，未消除剩余色差和其他波区的球差、色差，并且像场弯曲仍很大，也就是说，只能得到视场中间范围清晰的像。使用时宜以黄绿光作照明光源，或在光程中插入黄绿色滤光片。此类物镜结构简单，经济实用，常和福根目镜、校正目镜配合使用，被广泛地应用在中、低倍显微镜上。在黑白照相时，可采用绿色滤色片减少残余的轴向色差，获得对比度好的相片。消色差通常由两个分离的双胶组合透镜组成，这类物镜也称为里斯特物镜，它的倍率一般在6×至30×
一． 解释概念 1.高斯光束的准直距离 答：一般认为基模高斯光束在瑞利长度200/z w πλ= 围是近似平行的，因此也把瑞利距离长度称为准直距离。 2.相速度和群速度 答：a.等相面沿其法线向前推进的速度——相速度 b.等幅平面的传播速度，这个速度称为群速度。 3.左旋圆偏振光 答：满足2220 x y E E E +=，E y 比E x 的相位落后π/2，sin δ <0 ，称为左旋圆偏振光。 4.倏逝波 答：全反射时，光波不是绝对地在界面上被全部返回第一介质，而是透入第二介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质，再沿反射方向射出。这个沿第二介质表面流动的波就称为倏逝波。 5.电磁波的能量密度和能流密度 答：a.能量密度是单位体积电磁场的能量。 b.能流密度是单位时间垂直通过单位面积的电磁能。 6.等倾干涉和等厚干涉 答：a.凡入射角（倾角）相同的光，形成同一干涉条纹。因此把这种干涉称为等倾干涉。 b.等厚干涉是由平行光入射到厚度变化均匀、折射率均匀的薄膜上、下表面而形成的干 涉条纹．薄膜厚度相同的地方形成同条干涉条纹，故称等厚干涉． 7.时谐电磁波 答：所谓时谐波是指空间每点的振动是时间变量的谐函数的波。 8.空间频谱 答：傅氏变换F (f x , f y ) 也称为f ( x , y ) 的空间频率谱，简称空间频谱。 9.受挫全反射 答：对介质2中透射场的任何干扰都会直接影响全反射光的强弱。 10.负折射率介质 答：电场、磁场和波矢三者之间构成左手关系的非常规材料（也就是折射率为负的材料）， 现在也称为左手材料（left-handed materials ，简称LHM ) ，或负折射率介质。 11.非定域干涉 答：在两束光的叠加区，到处都可以观察到干涉条纹， 只是不同地方条纹的间距、形状不 同而已。这种在整个光波叠加区，随处可见干涉条纹的干涉， 称为非定域干涉。 12.相干长度 答：波长宽度为Δλ的光源，能够产生干涉条纹的最大光程差，称为相干长度。 13.驻波 答：两个频率相同，振动方向相同而传播方向相反的相干光波，在同一直线上沿相反方向传 播时，叠加而形成的波就叫做驻波。
《工程光学基础》考试大纲 主要参考书目 1．工程光学基础教程，郁道银，谈恒英，机械工业出版社，2008 2．工程光学（第4版），郁道银，谈恒英，机械工业出版社，2016 考试内容和考试要求 一、几何光学基本定律与成像概念 考试内容： 1、几何光学基本定律 2、成像基本概念与完善成像 3、近轴光学系统 考试要求： 1、掌握光学基本定律及几何光学基本概念 2、掌握成像概念与完善成像条件 3、掌握近轴光线及成像特点、掌握光轴光线成像计算 二、理想光学系统 考试内容 1、理想光学系统的基点与基面 2、理想光学系统的物像关系 3、理想光绪系统的放大率 4、理想光学系统的组合 考试要求： 1、掌握理想光学系统的基点与基面概念 2、掌握理想光学系统的求物像关系（作图法与计算法） 3、掌握理想光绪系统的放大率概念与相关计算 4、理解理想光学系统的组合方法及计算 三、平面系统 考试内容 1、平面镜成像
2、平行平板 3、反射棱镜 4、折射棱镜与光楔 考试要求： 1、掌握平面镜成像规律 2、掌握平行平板成像规律 3、掌握反射棱镜成像与成像方向判断 4、了解折射棱镜与光楔传光特性 四、光学系统中的光阑和光束限制 考试内容 1、光阑 2、照相系统中的光阑 3、望远镜系统中成像光束的选择 4、显微镜系统中的光束限制与分析 考试要求： 1、掌握光阑的分类及作用 2、掌握照相系统中光束限制分析 3、掌握望远镜系统中成像光束分析方法 4、掌握显微镜系统中的光束限制与分析 五、光度学 考试内容 1、辐射量与光学量及其单位 2、光传播过程中光学量的变化规律 3、成像系统像面的光照度 考试要求： 1、掌握光学量及其单位 2、理解光传播过程中光学量的变化规律 3、理解成像系统像面的光照度的计算 六、典型光学系统 考试内容 1、眼睛及其光学系统
光学复习资料(波动光学部分)
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一、双光束干涉： 1. 如图所示，折射率2 1.2n =的油滴落在3 1.5n =的平板玻璃上，形成一上表面近似于球面的油膜测得油膜中心最高处的高度 1.1m d m μ=，用600nm λ=的单色光垂直照射油膜，求： (1) 油膜周边是暗环还是明环？ (2) 整个油膜可看到几个完整暗环？ 解：(1)因为光在油膜的上下表面反射时，均发生半波损失，故光程差： 22n d δ= 在油膜的边缘处，0d =，故0δ=，为亮纹。 (2)产生暗纹的条件是()22212 n d j λ δ==+，(j 为整数)， 故 222211 3.922 m n d n d j λ λ= - ≤-= 所以暗环最高级3j =，整个油膜可以看到4个完整暗环。 2. 如图所示，这是一种利用干涉条纹的移动来测量气体折射率的原理性结构。在双缝之一1S 后面置放一长度为l 的透明容器，待测气体徐徐注入容器而使空气逐渐排出，在此过程中，观察者视场中的条纹就将移动，人们可由条纹移动的方向和数目，测定气体的折射率。 (1)若待测气体的折射率大于空气折射率，试预测干涉条纹怎样移动？ (2)设l 为2cm ，光波长为589.3nm ，空气折射率为1.000276；往容器内充以氯气，观测到条纹移动了20个，求待测氯气的折射率。 2 n m d λ 3 n S 1 S 2 S P l
解：(1) 条纹向上移动。 (2) 光程差变化为： 1 20 δλ = () 20 n n l δ=- 根据题意， 12 δδ = 解得 20 1.000865 n n l λ =+= 3. 如图所示的劳埃德镜装置中，各物理量的数值分别为：2 a cm =，3 b m =，5 c cm =， 0.5 e mm =。光波的波长为589.3nm λ=。试求： (1) 屏上条纹间距； (2)屏上的总条纹数。 解：(1) 劳埃德镜为双光束干涉，两个光源的间距为：2 d e = 条纹间距为： 1.77 a b c y r mm d d λ λ ++ ?=== (2) 干涉区域的线度为： () 1221 21 tan tan y y y Oy Oy c b b αα ==- =+- a e c b S O
第一章 几何光学基本定律 1. 已知真空中的光速c ＝38 10?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 = 66666.01 sin 2 2== n I 745356.066666.01cos 22=-=I 1mm I 1=90? n 1 n 2 200mm L I 2 x
88.178745356 .066666 .0* 200*2002===tgI x mm 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。如果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处？说明各会聚点的虚实。 解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决， 设凸面为第一面，凹面为第二面。 （1）首先考虑光束射入玻璃球第一面时的状态，使用高斯公式： 会聚点位于第二面后15mm 处。 （2） 将第一面镀膜，就相当于凸面镜
光学复习题 3.设光栅平面、透镜均与屏幕平行．则当入射的平行单色光从垂直于光栅平面入射变为斜入射时，能观察到的光谱线的最高级次k (A) 变小．(B) 变大． (C) 不变．(D) 改变无法确定． 5.一束光强为I0的自然光，相继通过三个偏振片P1、P2、P3后，出射光的光强为I＝I0 / 8．已知P1和P3的偏振化方向相互垂直，若以入射光线为轴，旋转P2，要使出射光的光强为零，P2最少要转过的角度是 (A) 30°．(B) 45°． (C) 60°．(D) 90°． 6.一束自然光自空气射向一块平板玻璃(如图)，设入射角等于布儒斯特角i0，则在界面2 的反射光 (A) 是自然光． (B) 是线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面． (C) 是线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面． (D) 是部分偏振光． 二.填空题 1.如图所示，假设有两个同相的相干点光源S1和S2，发出波长为λ的光．A是它们连线的中垂线上的一点．若在S1与A之间插入厚度为e、折射率为n的薄玻璃片，则两光源发出的光在A点的光程差＝________．若已知λ＝500 nm，n＝1.5，A点恰为第四级明纹中心，则e＝_____________nm．(1 nm =10-9 m) (n-1)e，4×103 2.如图所示，在双缝干涉实验中SS1＝SS2，用波长为λ的光照射双缝S1和S2，通过空气后在屏幕E上形成干涉条纹．已知P点处为第三级明条纹，则S1和S2到P点的光程差为__________．若将整个装置放于某种透明液体中，P点为第四级明条纹，则该液体的折射率n＝____________． 3λ ，1.33 三.计算题 2.一衍射光栅，每厘米200条透光缝，每条透光缝宽为a=2×10-3 cm，在光栅后放一焦距f=1 m的凸透镜，现以λ=600 nm (1 P E
天津大学2018年《807工程光学》考研大纲 一、考试的总体要求 本门课程的考试旨在考核学生有关应用光学和物理光学方面的基本概念、基本理论和实际解决光学问题的能力。 考生应独立完成考试内容，在回答试卷问题时，要求概念准确，逻辑清楚，必要的解题步骤不能省略，光路图应清晰正确。 二、考试的内容及比例： 考试内容包括应用光学和物理光学两部分。 “应用光学”应掌握的重点知识包括：几何光学的基本理论和成像概念、理想光学系统理论、光学系统中的光束限制、平面和平面系统对成像的影响、像差的基本概念和典型光学系统的性质、成像关系及光束限制等。具体知识点如下： 1、掌握几何光学基本定律与成像基本概念，包括：四大基本定律及全反射的内容与现象解释；完善成像条件的概念和相关表述；几何光学符号规则以及单个折射球面、反射球面的成像公式、放大率公式等。 2、掌握理想光学系统的基本理论和典型应用，包括：基点、基面的主要类型及其特点；图解法求像的方法；解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）；理想光学系统三个放大率的定义、计算公式及物理意义；理想光学系统两焦距之间的关系；正切计算法以及几种典型组合光组的结构特点、成像关系等。 3、掌握平面系统的主要种类及应用，包括：平面镜的成像特点及光学杠杆原理和应用；反射棱镜的种类、基本用途及成像方向判别；光楔的偏向角公式及其应用等。 4、掌握典型光学系统的光束限制分析，包括：孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系；视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系；渐晕、渐晕光阑、渐晕系数的定义；物方远心光路的工作原理；光瞳衔接原则及其作用；场镜的定义、作用和成像关系等。 5、了解像差基本概念，包括：像差的定义、种类和消像差的基本原则；7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法等。 6、掌握几种典型光学系统的基本原理和特点，包括：正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征，校正非正常眼的方法；视觉放大率的概念、表达式及其意义；显微镜系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式；临界照明和坷拉照明系统的组成、优缺点；望远系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式；摄影系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式；投影系统的概念、计算公式以及其照明系统的衔接条件等。 “物理光学”应掌握的重点知识包括：光的电磁理论基础、光的干涉和干涉系统、光的衍射、光的偏振和晶体光学基础等。其中傅立叶光学一章可作为部分专业（如：光科等）的选作内容。具体知识点如下： 1、掌握电磁波的平面波解，包括：平面波、简谐波解的形式和意义，物理量的关系，电磁波的性质等；掌握波的叠加原理、计算方法和4种情况下两列波的叠加结果、性质分析。 2、掌握干涉现象的定义和形成干涉的条件；掌握杨氏双缝干涉性质、装置、公式、条纹特 点及其现象的应用；了解条纹可见度的定义、影响因素及其相关概念（包括临界宽度和允许宽度、空