精品课件-工程光学(韩军)-第9章

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

第4章 平面与平面系统 图4－1 平面镜实物成虚像
第4章 平面与平面系统
根据反射定律AON BON ，可得AP AP ， 且均垂直于平面镜PP ，像点A 对平面镜PP 而言和物点 对称，因光线AO 是任意的，所以由A 点发出的同心光束， 经平面镜反射后，成为一个以A 点为顶点的同心光束，这
就是说，平面镜能对物体成完善像。 比较图 4-1 和图 4-2 还可看到物体经平面镜后，实物
sin I1 nsin I1 n sin I 2 sin I 2
因 两 折 射 面 平 行 ， 所 以 I 2 I1 ，I 2 I1 ， 故 U1 U 2 ，可见出射光线EB 和入射光线AD 相互平
行。即光线经平行平板折射后方向不变。根据放大率公
式
tanU 2 1, 1 1, 2 1
平面反射镜的这一性质可用于测量物体的微小转角或位移。 如图4－5所示，R为刻有标尺的分划板，位于物镜L的前焦面 上，当测杆处于零位时，平面镜处于垂直光轴的状态 M0，此时从标尺零点即F点发出的光束经物镜折射、平面镜反 射之后，沿原路返回，重新聚焦于F点。当测杆被被测物体推 移x而使平面镜绕支点转动了α角后，平面镜处于M1状态，平 行光束被反射后，将偏移光轴2α角，聚焦于标尺的F′点。
第4章 平面与平面系统
平面反射镜的这一性质可用于测量物体的微小转角或位
移。如图 4-5 所示，R 为刻有标尺的分划板，位于物镜L 的
前焦面上，当测杆处于零位时，平面镜处于垂直光轴的状态
M 0 ，此时从标尺零点即F 点发出的光束经物镜、平面镜之 后，沿原路返回，重新聚焦于F 点。当测杆被被测物体推移x 而使平面镜绕支点转动 角，此时，平面镜处于状态M1 ，平 行光束被反射后，将偏移光轴2 角，聚焦于标尺的 F 上。 根据几何关系，测杆的位移量 x ytg ，导致的聚焦点位移

第5章 光学系统中的光束限制 第5章 光学系统中的光束限制
5.1 光阑及其作用 5.2 孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 5.3 视场光阑、入射窗和出射窗 5.4 光学系统的景深 5.5 远心光路
第5章 光学系统中的光束限制 5.1 光阑及其作用
1. 孔径光阑是限制轴上物点成像光束立体角的光阑。如果在 过光轴的平面上来考察，这种光阑决定轴上点发出的平面光束 的孔径角。孔径光阑有时也称为有效光阑。在任何光学系统中， 孔径光阑都是存在的。
第5章 光学系统中的光束限制
如图5-1所示，当光阑在位置1时，轴外点B以光束成像， 而光阑在位置2时，即以光束成像，这样可以把成像质量较差 的那部分光束拦掉。必须指出，光阑位置改变时，应相应地改 变其直径以保证轴上点的光束的孔径角不变。此外，合理地选 取光阑的位置，在保证成像质量的前提下，可以使整个光学系 统的横向尺寸减小，结构均匀对称。由上图可以看出，光阑在 位置2时所需的透镜孔径比在位置1时所需的孔径要小。
第5章 光学系统中的光束限制
以上就光学系统如何寻找孔径光阑以及相关的问题进行了 分析和讨论。至于一个实际的光学系统，其孔径光阑该如何设 置，是一个需要在设计阶段就解决的问题。一般而言，孔径光 阑的位置是根据是否有利于缩小光学系统的外形尺寸，是否有 利于改善镜头结构设计，是否能使光学系统的使用更为方便， 尤其是是否有利于改善轴外点成像质量等因素来考虑的。它的 孔径大小则由轴上点所要求的孔径角的边缘光线在光阑面上的 高度来决定。最后，按所确定的视场边缘点的成像光束和使轴 上点的边缘光线无阻拦地通过的原则，来确定光学系统中各个 透镜和其他光学元件的通光直径。可见，孔径光阑位置不同， 会引起轴外光束的变化和系统各透镜通光直径的变化，而对轴 上点光束却无影响。因此，孔径光阑的位置实质上是由轴外光 束来确定的。

*实际成像（衍射及像差）：
① 对比度降低
M Ia , M Ia
I0
I0
调制传递函数（MTF）
T



M M

0,1
16
光学系统的像质评价
光学传递函数
➢光学传递函数定义
*实际成像（衍射及像差）：
② 相位移动
相位传递函数（PTF）
理想成像光亮度分布 I x 1 M cos 2π x
*用调制度M（/反衬度/对比度）表示正弦光栅线条明暗
对比度。
M Imax Imin Ia 1 Imax Imin I0
I x I0 Ia cos 2π x

I0
1 Leabharlann Ia I0cos 2πx
1 M cos 2π x （令I0 = 1）
点列图（及星点检测法）、光学传递函数
2
光学系统的像质评价
瑞利判断法
*由光路追迹计算得到实际光线与理想光线之间的光程
差——波像差。
*瑞利判断——当系统最大波像差 W＜λ/4，成像质量好。 *波前图——实际出射波面的变形程度（波像差），可由
波面干涉仪测量获得。
3
光学系统的像质评价
中心点亮度 *以光学系统存在像差时，其成像衍射斑的中心亮度和
*对大像差系统，将系统入瞳分成大量等面积小面元，
物点发出且穿过面元中心的光线代表通过该面元的能 量。所追迹光线在成像面上的交点分布——点列图— —代表像点的光亮度分布。
*入瞳处面元的选取：
• 直角坐标；极坐标；考虑系统拦光效应。
*以集中60%以上的点所构成的图像区域作为实际有效
弥散斑，弥散斑直径的倒数为系统的分辨率。