微型光谱仪光学结构研究
文章编号:100222082(2008)022*******
微型光谱仪光学结构研究
王 晗1,2,李水峰1,刘秀英3
(1.广东工业大学实验教学部,广东广州510006;2.厦门大学机电工程系,福建
厦门361005;3.广东工业大学环境学院,广东广州510006)
摘 要: 光谱仪是光谱学和光谱技术中最基本的分析仪器之一,仪器的小型化对于扩展仪器使用范围有很大的帮助。设计一种微型可见光CCD 摄像光谱仪的光学结构,通过理论计算,选用合适的光纤、平面定向光栅和凹面反射镜,并将它们合理组合,采用聚焦反射和分光的方法,将待测光进行色散,直接投射到CCD 接收器件的表面。最后对设计的仪器性能进行了分析。结果表明:仪器的光学结构大大简化,整体尺寸减小,且精度有一定程度的提高。关键词: 光谱仪;CCD ;光栅;光纤
中图分类号:TN 386.5 文献标志码:A
Optica l structure of m i n i a ture spectrom eter
W AN G H an
1,2
,L I Shu i 2feng 1,L I U X iu 2ying
3
(1.Experi m ental T each ing Center ,Guangdong U niversity of T echno logy ,Guangzhou 510006,Ch ina ;2.M echanical and E lectrical Engineering D epartm ent ,X iam en U niversity ,X iam en 361005,Ch ina ;3.Faculty of Environm ental Science and Engineering ,Guangdong U niversity of T echno logy ,Guangzhou 510006,Ch ina )
Abstract :T he m in iatu rizati on of spectrom eter is help fu l to increase its app licati on .A n op tical layou t w as designed fo r a m in iatu re CCD spectrom eter fo r visib le ligh t .T he p roper op tical fiber ,p lane directi onal op tical grating and concave reflecto r w ere cho sen and in tegrated together based on the theo retical com pu tati on fo r the op tical layou t of the spectrom eter .T he en trance ligh t w as disp ersed and directly p ro jected on to the active area of a CCD by focu sing reflecti on and beam sp litting .T he op tical layou t w as greatly si m p lified and the size of the spectrom eter w as reduced .Com p ared w ith o ther p roducts ,it is m o re accu rate .
Key words :sp ectrom eter ;CCD ;op tical grating ;op tical fiber
引言
光谱仪是测量光源和物质光谱特性的重要装置,它在颜色显示、视觉效果比对和生物化学领域
有着广泛的应用。在一次性全光谱测量中,传统的光谱仪器大多以感光乳胶作为接受光谱的介质,其缺点是探测灵敏度低,信号较弱时需较长的曝光时间,不能动态连续地检测光谱信号,并且仪器体积大、自动化程度低,难以满足诸如在线测量、空间测
量等工程任务要求。近年来,电荷耦合器件(CCD )
取得了飞速发展,工艺日趋完善,已能批量制造完全没有缺陷的高可靠性、低成本的CCD 芯片。这种器件有很宽的光谱响应特性,完全可以代替感光乳剂应用在光谱测量上[1]。笔者选用线阵CCD ,因为线阵CCD 可同时探测全波段光谱,不用进行光谱扫描,从而提高了响应速度[2]。因此,设计出适合此CCD 使用的光谱仪器光学结构对于仪器的小型化
收稿日期:2007203223; 修回日期:2007207208
基金项目:广东工业大学校青年基金(062042)
作者简介:王晗(1980-),男,湖北荆门人,广东工业大学实验教学部教师,厦门大学在读博士研究生,主要从事测试计量技术与仪器工作。E 2m ail :w anghangood @https://www.360docs.net/doc/769930762.html,
第29卷第2期2008年3月 应用光学Journal of A pp lied Op tics
V o l .29N o.2
M ar .2008
有着重要的意义。本文通过理论计算和实验分析,设计出一种新型的光学结构,给出了相关参数,并已应用于测量范围为400nm ～760nm 的CCD 光谱仪中,光谱分辨率为3.9nm (在波长为546.1nm 处)。通过改变设计参数,该结构也可应用于相似类型的微型光谱仪器中。
1 微型CCD 光谱仪的光学结构设计
1.1 光栅的选择与设计
在光谱仪核心元件即分光器件的发展历程中,经历了从色散棱镜到衍射光栅再到采用干涉调制元件和信息变换技术的演化。近年来声光调谐器件AO T F 的技术和应用有了很大发展,没有机械活
动件、全固态、电子调谐、结构小且牢固、可承受震动冲击等一系列优点,使其具有明显的技术和应用竞争力[3]
。本设计中选择闪耀光栅。因为光栅与其他分光元件相比有许多优点:首先,光栅的角色散率几乎和波长无关,这对光谱的波长测量很有利;其次,光栅的分辨率比棱镜大,价格也较低;再次,光栅不受材料透过率的限制,可以在整个光学光谱区中应用。
由于分析光谱范围为400nm ～760nm ,使用的光栅参数是:闪耀角Α≈9°,断面长b ≈1.7×10-3mm ,闪耀方向角Ηb =3°。实际设计时采用面积6mm ×6mm 的闪耀光栅,对于m =1级次的光
谱,理论上其基本特性值计算如下:
1)由于衍射角很小,理论角色散率为
d Ηd Κ=m dco s Η≈1d
=600(1)
2)令N 为光栅的总刻痕条数,按照瑞利判据
可得其理论分辨率为
R =
Κd Κ=m N =1
d
×6=3600
(2)实际上由于光栅的光学表面精度存在误差,刻
槽间距、深度以及刻槽表面粗糙度存在不均匀性和随机误差,使得光栅的实际分辨率较上述理论值要低。当光栅用于光谱仪器时,仪器光学系统的设计、制造、装校质量和入射狭缝的开启宽度,照明情况,接收记录系统引进的畸变,以及所测谱线本身的轮廓和相对位置等,均会造成仪器实际分辨率下降。1.2 光路的设计1.2.1 基本设计思路
光路设计中采用了车尼尔2特纳系统的变形结构,如图1所示。它是由艾尔伯特2法斯梯系统演变
而来的。用2块小的凹面反射镜代替1块大的反射
镜,2镜中间分开,曲率中心重合,即可避免2次衍射与多次衍射,同时可方便反射镜的加工与调试。图中F 为多模渐变光纤,S 为光纤出口处的出射狭缝,D 为线阵型CCD 传感器,M 1和M 2分别为凹球面反射镜,G 为光栅,A 为光栅中心,C 1和C 2分别为M 1M 2的曲率中心
。
图1 车尼尔2特纳系统的变形结构光路图
F ig .1 Beam path for anam orph ic structure of CT syste m
待测光由1.3mm 线径的多模渐变型光纤引入,这种光纤的芯折射率随着半径的增加而减少,
可获得比较小的模态色散。光纤从仪器入口处设置的高为h 的入射狭缝(狭缝前放置滤光片)进入,光束由狭缝入射至准直物镜M 1,准直后的平行光线投射到闪耀光栅G 的表面上,经过光栅衍射后衍射光线射向成像物镜M 2,经成像物镜聚焦在CCD 的光谱面上,再由CCD 转换成电信号传输给后继电路及计算机进行处理分析。设计的光路结构较为简单,使用光学元件较少,占用空间很小,设计思路基本符合小型化的要求。
1.2.2 反射元件及狭缝参数的计算
根据基本设计思路和像差理论,可以展开元件参数的计算。设计中采用的光路属于对称式车尼尔2特纳系统,如图2所示
。
图2 设计的光路与标准光路的比较
F ig .2 Preparation of design beam path with
st andard beam path
由图2可以看出,由于设计原理一致,可以使
?
132?应用光学 2008,29(2) 王 晗,等:微型光谱仪光学结构研究
用标准形式的计算方法进行分析计算。图2(b)中, C为2球面反射镜M1和M2的共同曲率中心,G为闪耀光栅,W为光栅的边长,f1′=f2′=f′为2反射镜的焦距,H1和H2分别是入射狭缝S1和出射狭缝S2的中心对中轴线的垂直距离。由于标准对称式车尼尔2特纳系统是由艾尔伯特2法斯梯系统演变而来的[4],它们的计算方法相似,所以要确定球面反射镜的各项参数以及狭缝的大小,可以做如下分析。
已知光栅边长W=6mm,正方形闪耀光栅栅距为600线 mm。选择直径为1.3mm的光纤,狭缝高度应满足条件
h<1.3mm(3)
已知此种光栅的全部参数为:W=6mm,i= 15°,Η=3°,闪耀波长Κb=500nm,可以通过采用增大凹球面反射镜焦距的方法来减小彗差。
如果要保持仪器的分辨率不变,狭缝像增加的宽度应不大于狭缝的正常宽度a0,Κ取闪耀波长。结合以上公式可以计算出允许的狭缝高度为
h≤2
M2Κf
′
W
3
(4)
一般情况下M=0.4～0.5[224],代入上式可得
h≤12Κf′
W
3
(5)
通过以上计算结果,找到凹球面镜的各项参数与狭缝大小之间的关系,就可以确定各项主要参数的选择范围。
根据小型化需要,设计时使f′=50mm,根据(5)式可得
h≤3.4mm(6)
将(3)式和(6)式联立分析,取h=1.2mm进行设计,此时缝宽可取0.02mm。
1.2.3 光路参数的计算
由以上分析计算可得到反射元件的参数f′以及狭缝高度h的大小,结合闪耀光栅,可以组成实用的工作光路,如图3所示。
图3中,O1,O2和G1分别为反射镜M1,M2和光栅G的中点,通过以上各点的点化线分别为过O1, O2的法线和过G1点的法线。H1和H2分别为2反射镜中点对于中轴线的距离,H3和H4分别为CCD 中点C1及狭缝中点对于中轴线的距离。C1到过O1点切线的垂直距离为反射镜焦距f′,S1到过O2点切线的垂直距离也为反射镜焦距f′,L为G1到O1和O2点的水平距离。Υ1和Υ2分别为经过反射镜M1和M
2中点的入射光线与反射光线组成的角,i为光线相对于光栅的入射角,Η为衍射角,Α为光栅法线对于中轴线的倾角。根据几何光学原理,当光源在反射镜的焦平面上时,出射光经过球面反射镜的反射成为平行光,只有将衍射光线聚焦成平行谱面,才能进行有效分析。
图3 光路中各部分的几何关系
F ig.3 Geo m etr ic relation of differen t parts
i n beam path
从图3可看出,G1到O1和O2的距离G1O1和G1O2应分别等于S1到O1点的距离S1O1和C1到O2点的距离C1O2。根据结构的对称性,由上图几何关
系可知:H1=H2,H3=H4,Ν=i+
Η
2
=9°,Υ1=Υ2,已知W=6mm,i=15°,Η=30°,f′=50mm,根据前面的理论分析,狭缝应尽量接近光栅,可令H3=H4 =12mm,则
O1G1=
f′
co s
Υ1
2
(7)
H1=O1G1?sinΝ(8)
2tan
Υ1
2
?f′=H3?csc90°-
Υ1
2
-Ν(9) L=O1G1?co sΝ(10)
联立方程式(7),(8),(9)和(10),并结合上述条件得出:
Υ1=Υ2=14°36″
H1=H2=7.9mm
L=49.7mm
根据上述数据可以确定光路结构,也可以进行机械结构设计,组件安装。反射镜M1的作用是将狭缝射出的光线进行准直形成平行的入射光,反射镜M2的作用是将衍射后的散射光束反射会聚成平行的光谱。一般情况下,要使成像的光谱不发生缺失, M2的孔径相比M1要大一些。笔者采用反射镜M1的尺寸为:D1=5mm,C1=5mm;M2的尺寸为:
?
2
3
2
?应用光学 2008,29(2) 王 晗,等:微型光谱仪光学结构研究
D 2=10mm ,C 2=10mm ,如图4所示
。
图4 2反射镜的正视图与左视图
F ig .4 Fron t and lef t v iews of two ref lectors
2 性能分析
在光路设计结束后,有必要对光路的实际使用情况进行理论分析。笔者主要从像差方面进行可行性分析,并对光谱仪器的性能参数进行计算。新型光谱仪器的像差必须控制在合理范围之内。从球差来看,由于使用凹球面反射镜作为物镜,球差必须控制在像差容限之内。球面镜的球差产生的波像差记为W S ,则
W S (m ax )=
y 4
m ax
8r 3(11)
根据瑞利准则,球差产生的波像差应小于Κ 4,则有
y
4m ax 8r
3
≤
Κ
4
(12)
式中:r 为球面镜的曲率半径,等于2f ′;y m ax 为最大球面镜孔径的一半,为D 2 2;Κ为闪耀波长。将设计数据带入(12)式可得:
W S =78.125nm <125nm
(13)
由上述计算结果可知,设计参数符合瑞利准则的要求。从彗差方面进行分析,由于在车尼尔2特纳系统中,任意波长的垂轴彗差公式为
TA c ′=3H 3W 232f ′2co s 3i co s 3Η-co s 3i 0co s 3
Η0
co s 2
Η(14)
式中i 0和Η0为消彗差为零时波长光束的入射角和衍射角。在对称的车尼尔2特纳系统中,只有在零级光谱,i 0=Η0时,存在彗差消减为零,其他光谱级次系统的彗差不为零。因此,对于闪耀波长,可以求得
TA c ′=-1.51Λm (15)该数值基本在控制范围之内。
3 结论
通过对新型CCD 光谱仪器光学结构的设计和参数计算分析可知,该光学结构的新型CCD 光谱仪器具有体积小、质量轻、携带方便、造价低以及可以在多种环境下使用等优点。新型光学结构的出现为CCD 光谱仪器取代传统的光谱仪器提供了新的思路和方案。在实际测量中,验证了这一方案的可
行性,基本达到了设计要求。在理论分析和试验测试中发现,如果要进一步提高光谱仪器的性能,必须解决以下问题:1)光路中的杂散光以及探测器输出信号中的噪声要进一步去除,否则将影响整个系统的测量精度;2)随着工作时间的推移,探测器发热升温影响CCD 的暗电路和光谱响应率。如果能够很好地解决与此相关的问题,微型CCD 光谱仪器将具有更大的发展潜力。
参考文献:
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?
332?应用光学 2008,29(2) 王 晗,等:微型光谱仪光学结构研究
荧光光谱分析仪工作原理
X 荧光光谱分析仪工作原理 用x 射线照射试样时,试样可以被激发出各种波长得荧光x 射线，需要把混合得x 射线 按波长（或能量）分开，分别测量不同波长（或能虽:）得X 射线得强度，以进行左性与定疑 分析，为此使用得仪器叫X 射线荧光光谱仪。由于X 光具有一泄波长，同时又有一立能量, 因此，X 射线荧光光谱仪有两种基本类型:波长色散型与能量色散型。下图就是这两类仪器 得原理图. 用X 射线照射试样时，试样可以被激发出各种波长得荧光X 射线，需要把混合得X 射 线按波长（或能疑）分开，分别测量不同波长（或能量）得X 射线得强度，以进行定性与左疑 分析，为此使用得仪器叫X 射线荧光光谱仪。由于X 光具有一左波长，同时又有一左能量， 因此，X 射线荧光光谱仪有两种基本类型：波长色散型与能量色散型。下图就是这两类仪器 得原理图。 （a ）波长色散谱仪 （b ）能虽色散谱仪 波长色散型和能量色散型谱仪原理图 现将两种类型X 射线光谱仪得主要部件及工作原理叙述如下: X 射线管 酥高分析器 分光晶体 计算机 再陋电源
丝电源 灯丝 电了悚 X则线 BeiV 輪窗型X射线管结构示意图 两种类型得X射线荧光光谱仪都需要用X射线管作为激发光源?上图就是X射线管得结构示意图。灯丝与靶极密封在抽成貞?空得金属罩内，灯丝与靶极之间加高压（一般为4OKV）, 灯丝发射得电子经高压电场加速撞击在靶极上，产生X射线。X射线管产生得一次X射线, 作为激发X射线荧光得辐射源.只有当一次X射线得波长稍短于受激元素吸收限Imi n时，才能有效得激发出X射线荧光?笥？SPAN Ian g =EN-U S >lmin得一次X射线其能量不足以使受激元素激发。 X射线管得靶材与管工作电压决立了能有效激发受激元素得那部分一次X射线得强度。管 工作电压升高，短波长一次X射线比例增加，故产生得荧光X射线得强度也增强。但并不就是说管工作电压越髙越好，因为入射X射线得荧光激发效率与苴波长有关，越靠近被测元素吸收限波长，激发效率越髙。A X射线管产生得X射线透过彼窗入射到样品上, 激发岀样品元素得特征X射线，正常工作时，X射线管所消耗功率得0、2%左右转变为X 射线辐射，其余均变为热能使X射线管升温，因此必须不断得通冷却水冷却靶电极。 2、分光系统 第?准讥器 平面晶体反射X线示意图 分光系统得主要部件就是晶体分光器，它得作用就是通过晶体衍射现彖把不同波长得X射线分开.根据布拉格衍射左律2d S in 0 =n X ,当波长为X得X射线以0角射到晶体，如果晶面间距为d,则在出射角为0得方向，可以观测到波长为X =2dsi n 0得一级衍射及波长为X/2, X /3 ------ ―等髙级衍射。改变（）角，可以观测到另外波长得X
陈家璧版光学信息技术原理及应用习题解答(7-8章)
陈家璧版光学信息技术原理及应用习题解答(7-8章) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
第七章 习题解答 1. 某种光盘的记录范围为内径80mm,外径180mm 的环形区域,记录轨道的间距为2um.假设各轨道记录位的线密度均相同记录微斑的尺寸为um,试估算其单面记录容量. (注: 内、外径均指直径) 解： 记录轨道数为 25000002.0280180=?-=N 单面记录容量按位计算为 ∑=?≈?+=N n n M 110107.10006.0)002.040(2π bits = 17 Gb. 按字节数计算的存储容量为 2.1GB. 2. 证明布拉格条件式（7-1）等效于（7-17）式中位相失配= 0的情形， 因而（7-18）式描述了体光栅读出不满足布拉格条件时的位相失配。 证明: 将体光栅读出满足布拉格条件时的照明光波长(介质内) 和入射角 (照明光束与峰值条纹面间夹角)分别记为0和θ0, 则根据布拉格条件式（7-1）有: 2sin θ0= 0 其中为峰值条纹面间距. 对于任意波长λa (空气中) 和入射角θr (介质内), 由(7-17)式, 位相失配 δ 定义为: 24)cos(n K K a r πλθφδ--= 其中n 0为介质的平均折射率, K = 2π/Λ为光栅矢量K 的大小，φ为光栅矢量倾斜角，其值为 22π θθφ++=s r ，θr 为再现光束与系统光轴夹角 (参见图7-9)． 当 δ = 0 时,有 2422cos n K K a r s r πλθπθθ=??? ??-++ 即: Λ=Λ=??? ??-2422sin 0 λππλθθn s r
鼠标结构及原理
鼠标的定位原理 光电鼠标就是通过红外线或者激光检测鼠标的位移,将位移信号转换为电脉冲信号,通过程序的处理控制屏幕中光标箭头的移动。 一.鼠标的结构 光学鼠标主要由四部分的核心组件构成,分别就是发光二极管、透镜组件、光学引擎以及控制芯片组成。 光电鼠标的控制芯片 控制芯片负责协调光电鼠标中各元器件的工作,并与外部电路进行沟通(桥接)及各种信号的传送与收取。我们可以将其理解成就是光电鼠标中的“管家婆”,实现与主板USB接口之间的桥接。当然,它也具备了一块控制芯片所应该具备的控制、传输、协调等功能。 这里有一个非常重要的概念大家应该知道,就就是dpi对鼠标定位的影响。dpi就是它用来衡量鼠标每移动一英寸所能检测出的点数,dpi越小,用来定位的点数就越少,定位精度就低;dpi 越大,用来定位点数就多,定位精度就高。 光学感应器 光学感应器就是光电鼠标的核心。 光学感应器主要由CMOS感光块(低档摄像头上采用的感光元件)与DSP组成。CMOS感光块负责采集、接收由鼠标底部光学透镜传递过来的光线(并同步成像),然后CMOS感光块会将一帧帧生成的图像交由其内部的DSP进行运算与比较,通过图像的比较,便可实现鼠标所在位置的定位工作。
光学透镜组件 光学透镜组件被放在光电鼠标的底部位置,从图中可以清楚地瞧到,光学透镜组件由一个棱光镜与一个圆形透镜组成。 其中,棱光镜负责将发光二极管发出的光线传送至鼠标的底部,并予以照亮。圆形透镜则相当于一台摄像机的镜头,这个镜头负责将已经被照亮的鼠标底部图像传送至光学感应器底部的小孔中。通过观瞧光电鼠标的背面外壳,我们可以瞧出圆形透镜很像一个摄像头。 不管就是阻断棱光镜还就是圆形透镜的光路,均会立即导致光电鼠标“失明”。其结果就就是光电鼠标无法进行定位,由此可见光学透镜组件的重要性。 发光二极管 光学感应器要对缺少光线的鼠标底部进行连续的“摄像”,自然少不了“摄影灯”的支援。否则,从鼠标底部摄到的图像将就是一片黑暗,黑暗的图像无法进行比较,当然更无法进行光学定位了。 通常,光电鼠标采用的发光二极管就是红色的(也有部分就是蓝色的),且就是高亮的(为了获得
光学原理及应用
光学的基本原理及应用 人类很早就开始了对光的观察研究，逐渐积累了丰富的知识。远在2400多年前，我国的墨翟(公元前468—前376)及其弟子们所著的《墨经》一书，就记载了光的直线传播、影的形成、光的反射、平面镜和球面镜成像等现象，可以说是世界上最早的光学著作。 现在，光学已成为物理学的一个重要分支，并在实际中有广泛应用．光学既是物理学中一门古老的基础学科，又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前景。 按研究目的的不同，光学知识可以粗略地分为两大类．一类利用光线的概念研究光的传播规律，但不研究光的本质属性，这类光学称为几何光学；另一类主要研究光的本性(包括光的波动性和粒子性)以及光和物质的相互作用规律，通常称为物理光学。 一、光学现象原理 光的传播速度很快，地球上的光源发出的光，到达我们眼睛所用的时间很短，根本无法觉察，所以历史上很长一段时间里，大家都认为光的传播是不需要时间的．直到17世纪，人们才认识到光是以有限的速度传播的。 光速是物理学中一个非常重要的基本常量，科学家们一直努力更精确地测定光速．目前认为真空中光速的最可靠的值为
c＝299 792 458 m/s 在通常的计算中可取 c＝3.00×108m/s 玻璃、水、空气等各种物质中的光速都比真空中的光速小． （一）直线传播 光能够在空气、水、玻璃透明物质中传播，这些物质叫做介质．在小学自然和初中物理中我们已经学过，光在一种均匀介质中是沿直线传播的．自然界的许多现象，如影、日食、月食、小孔成像等，都是光沿直线传播产生的． 由于光沿直线传播，因此可以沿光的传播方向作直线，并在直线上标出箭头，表示光的传播方向，这样的直线叫做光线。物理学中常常用光线表示光的传播方向。有的光源，例如白炽灯泡，它发出的光是向四面八方传播的；但是有的光源，例如激光器，它产生的光束可以射得很远，宽度却没有明显的增加．在每束激光中都可以作出许多条光线，这些光线互相平行，所以叫做平行光线．做简单实验的时候，太线也可以看做平行光线．
光学原理及应用优选稿
光学原理及应用 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
光学的基本原理及应用 人类很早就开始了对光的观察研究，逐渐积累了丰富的知识。远在2400多年前，我国的墨翟(公元前468—前376)及其弟子们所着的《墨经》一书，就记载了光的直线传播、影的形成、光的反射、平面镜和球面镜成像等现象，可以说是世界上最早的光学着作。 现在，光学已成为物理学的一个重要分支，并在实际中有广泛应用．光学既是物理学中一门古老的基础学科，又是现代科学领域中最活跃的前沿科学之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前景。 按研究目的的不同，光学知识可以粗略地分为两大类．一类利用光线的概念研究光的传播规律，但不研究光的本质属性，这类光学称为几何光学；另一类主要研究光的本性(包括光的波动性和粒子性)以及光和物质的相互作用规律，通常称为物理光学。 一、光学现象原理 光的传播速度很快，地球上的光源发出的光，到达我们眼睛所用的时间很短，根本无法觉察，所以历史上很长一段时间里，大家都认为光的传播是不需要时间的．直到17世纪，人们才认识到光是以有限的速度传播的。 光速是物理学中一个非常重要的基本常量，科学家们一直努力更精确地测定光速．目前认为真空中光速的最可靠的值为 c＝299 792 458 m/s 在通常的计算中可取
c＝3.00×108m/s 玻璃、水、空气等各种物质中的光速都比真空中的光速小． （一）直线传播 光能够在空气、水、玻璃透明物质中传播，这些物质叫做介质．在小学自然和初中物理中我们已经学过，光在一种均匀介质中是沿直线传播的．自然界的许多现象，如影、日食、月食、小孔成像等，都是光沿直线传播产生的．由于光沿直线传播，因此可以沿光的传播方向作直线，并在直线上标出箭头，表示光的传播方向，这样的直线叫做光线。物理学中常常用光线表示光的传播方向。有的光源，例如白炽灯泡，它发出的光是向四面八方传播的；但是有的光源，例如激光器，它产生的光束可以射得很远，宽度却没有明显的增加．在每束激光中都可以作出许多条光线，这些光线互相平行，所以叫做平行光线．做简单实验的时候，太阳光线也可以看做平行光线． （二）反射与折射 阳光能够照亮水中的鱼和水草，同时我们也能通过水面看到烈日的倒影；这说明光从空气射到水面时，一部分光射进水中，另一部分光被反射，回到空气中．一般说来，光从一种介质射到它和另一种介质的分界面时，一部分光又回到这种介质中的现象叫做光的反射；而斜着射向界面的光进入第二种介质的现象，叫做光的折射。 光的反射定律实验表明，光的反射遵循以下规律(图18－8)：
光栅的结构及工作原理
光栅的结构及工作原理 光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙(一般取或要求。 1．光栅尺的构造和种类 光栅尺包括标尺光栅和指示光栅，它是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间距离相等，我们称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为25,50,100,125,250条／mm。对于圆光栅，若直径为70mm,一周内刻线100-768条；若直径为110mm，一周内刻线达600-1024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。 2．光栅读数头 图4-7是光栅读数头的构成图，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的线路。
几何光学的基本原理
第三章几何光学 本章重点： 1、光线、光束、实像、虚像等概念； 2、Fermat原理 3、薄透镜的物像公式和任意光线的作图成像法； 4、几何光学的符号法则（新笛卡儿法则）； 本章难点： 5、理想光具组基点、基面的物理意义； §3.1 几何光学的原理 几何光学的三个实验定律： 1、光的直线传播定律——在均匀的介质中，光沿直线传播； 2、光的独立传播定律——光在传播过程中与其他光束相遇时，不改变传播方 向，各光束互不受影响，各自独立传播。 3、光的反射定律和折射定律 当光由一介质进入另一介质时，光线在两个介质的分界面上被分为反射光线和折射光线。 反射定律：入射光线、反射光线和法线在同一平面内，这个平面叫做入射面，入射光线和反射光线分居法线两侧，入射角等于反射角 光的折射定律：入射光线、法线和折射光线同在入射面内，入射光线和折射光线分居法线两侧，介质折射率不仅与介质种类有关,而且与光波长有关。 §3.2 费马原理 一、费马原理的描述：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值（最大值、最小值或恒定值）。 二、表达式 ,(A,B是二固定点) Fermat原理是光线光学的基本原理，光纤光学中的三个重要定律——直线传播定律，反射定律和折射定律（）——都能从Fermat原理导出。 §3.3 光在平面界面上的反射和折射、光学纤维 一、基本概念：单心光束、实像、虚像、实物、虚物等 二、光在平面上的反射 根据反射定律，可推导出平面镜是一个最简单的、不改变光束单心性的、能成完善像的光学系统． 三、单心光束的破坏（折射中，给出推导） 四、全反射 1、临界角
2、全反射的应用 全反射的应用很广，近年来发展很快的光学纤维，就是利用全反射规律而使光线沿着弯曲路程传播的光学元件。 2、应用的举例（棱镜） §3.4 光在球面上的反射和折射 一、基本概念 二、符号法则（新笛卡儿符号法则） 在计算任一条光线的线段长度和角度时，我们对符号作如下规定： 1、光线和主轴交点的位置都从顶点算起，凡在顶点右方者，其间距离的数值为正，凡在顶点左方者，其间距离的数值为负。物点或像点至主抽的距离，在主轴上方为正，在下方为负。 2、光线方向的倾斜角度部从主铀(或球面法线)算起，并取小于π／2的角度。由主轴(或球面法线)转向有关光线时，若沿顺时针方向转，则该角度的数值为正；若沿逆时针方向转动时，则该角度的数值为负。 3、在图中出现的长度和角度只用正值。 三、球面反射对光束单心性的破坏 四、近轴光线条件下球面反射的物像公式 五、近轴光线条件下球面折射的物像公式（高斯公式） 六、高斯物像公式 七、牛顿物像公式（注意各量的物理意义） 八、例题一个折射率为1.6的玻璃哑铃，长20cm，两端的曲率半径为2cm。若在哑铃左端5cm处的轴上有一物点，试求像的位置和性质。 §3.5 薄透镜 一、基本概念： 凸透镜、凹透镜、主轴、主截面、孔径、厚透镜、薄透镜、物方焦平面、像方焦平面等 二、近轴条件下薄透镜的成像公式 如果利用物方焦距和像方焦距
典型光学仪器的基本原理
1、光学仪器在国民生产和生活中各个领域广泛应用，绝大多数光学仪器可归纳为望远镜系统、显微镜系统和照明系统三类。 2、人眼构造：人眼本身就相当于一个摄影系统，外表大体呈球形，直径约为25mm，由角膜、瞳孔、房水、睫状体、晶状体和玻璃体等组成的屈光系统相当于成像系统的镜头，起聚焦成像作用。眼睛内的视网膜和大脑的使神经中枢等相当于成像系统的感光底片和控制系统，能够接收外界信号并成像。 3、视度调节：眼睛通过睫状肌的伸缩本能地改变水晶体光焦度的大小以实现对任意距离的物体自动调焦的过程称作眼睛的视度调节。 4、视觉调节：人眼除了随着物体距离的改变而调节晶状体曲率外，还可以在不同的明暗条件下工作，人眼能感受非常大范围的光亮度变化，即眼睛对不同的亮度条件下具有适应的调节能力，这种能力称为眼睛的视觉调节。 5、放大镜定义：放大镜(英文名称：magnifier)：用来观察物体细节的简单目视光学器件，是焦距比眼的明视距离小得多的会聚透镜。物体在人眼视网膜上所成像的大小正比于物对眼所张的角（视角）。 6、视角愈大，像也愈大，愈能分辨物的细节。移近物体可增大视角，但受到眼睛调焦能力的限制。使用放大镜，令其紧靠眼睛，并把物放在它的焦点以内，成一正立虚像。放大镜的作用是放大视角。 7、显微镜：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。显微镜分光学显微镜和电子显微镜：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。 8、光学显微镜由目镜，物镜，粗准焦螺旋，细准焦螺旋，压片夹，通光孔，遮光器，转换器，反光镜，载物台，镜臂，镜筒，镜座，聚光器，光阑组成。 9、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。 10、光学显微镜：通常皆由光学部分、照明部分和机械部分组成。无
(精选)光学基本理论
光学基础理论 一. 光学基本定律 1.光直线传播定律 2.光独立传播定律 3.光反射定律 I**= - I I –入射角 I**-- 反射角 4.光折射定律 n Sin I = n*Sin I* I –入射角 I*-- 折射角 n-- 折射率(入射空间) n*--折射率(折射空间) 光在介质中的速度 直角棱鏡 材質:K9(Bk7) n=1.5163 Im=41.26° I=45° 產生反射 二 在特定条件下,光线在界面能全部反射回去,这叫光的全反射. 临界角: Sin I m=n*/n I m--临界角当入射角大于临界角时,产生全反射. 全反射的用途: 1.棱镜 2.光纤 三. 球面与球面系统 -1-
由二个球面组成一个透镜,一个或多个透镜组成一个镜头, 多个镜头和其它光学元件组成一个光学系统. 四. 与镜头和透镜相关的基本参数 1.焦距 (EFL) A.物方焦距 ( f ): 由前主面到前焦点的距离. B.像方焦距 ( f*): 由后主面到后焦点的距离. Q—前主面 Q’---后主面 H---前主点 H’---后主点 F---前焦点 F’---后焦点 U---物方孔径角 U’---像方孔径角 焦距公式: f*=h/tgU* f =h/tgU 在镜头或透镜中有一对垂轴放大率为+1的二个平面Q和Q’. 2.后截距 (BFL) A.由镜头或光学系统最后一面到像面的距离为光学后截距(BFL). B.由下座端部到像面的距离为机械后截距(BFL*) BFL>BFL* -2-
3.F/NO (F数) F/NO=f*/D入 f *---焦距(EFL)D入---入瞳直径入瞳为光栏经其前方光学系统所成的像.举例: 4.半视角 (FOV/2)(ω)[视场角 (FOV)(2ω)] 物镜在其接收元件上成像的空间范围称为视场角.其一半为半视角. Y’ = f*tgω Y’---像的大小 f*---焦距(EFL) 5.畸变量(DIST) 在视场角较大或者很大时,所产生的像变形称为畸变. DIST=[Y’-Y0’/Y0’]×100% -3-
光学仪器基本原理
第二章光学仪器基本原理 光学仪器分为：助视仪器、投影仪器、分光仪器。本章主要研究常见光学仪器的放大本领、聚光本领、分辨本领。 §1人眼 一、结构与特性 结构如图所示，人眼主要由角膜、前房、瞳孔、水晶体、后房、视网膜 等组成。 简化眼——高尔斯特兰(A.Gullstrand)模型： n r mm f mm f mm D ===-'== 43571712285848 /.... 、、、、Φ 特性： a.适应过程：瞳孔大小调整需要时间，由视近到视远调整需要时间。 b.视觉暂留：人眼看见的画面会在大脑记忆中停留一段时间( 1 16 秒)。 c.立体视觉：用双眼（或单眼转动眼球时）可感觉物体的空间位置。 二、人眼的调节 远点S FO ：眼肌松驰，水晶体两曲面曲率半径最大时，能在视网膜上成清晰像的物到眼的距离。 近点S NO ：眼肌收缩，水晶体两曲面曲率半径最小时，能在视网膜上成清晰像的物到眼的距离。 明视距离S MS ：在合适照明下，一般人眼看眼前25cm处的物不费力，很舒适，且能看清物体的细节，这个距离称为明视距离。
正常眼：S FO →∞，S NO <25cm. 近视眼：S FO 是一有限值，成因是眼球变长，角膜、水晶体曲率过大或折射率异常等。 远视眼：S NO >25cm ，成因是眼球变短等，老年人多半是远视眼（也称老花眼）。 三、非常眼的校正 1.近视眼：眼前加凹透镜，使有限远的远点恢复到无限远。 例：一近视眼的远点为1m ，问需配多少度的眼镜。 [解] 由题设可知：S S m =-∞'=-，1 故 Φ= '='-=-=-1111100f S S D 度 2.远视眼：眼前加凸透镜，使近点移近到离眼为明视距离处。 例：一近视眼的近点为1.5m ，问看近物时需戴多少度的眼镜。 [解] 由题设可知：S m S m =-'=-02515 ..， 故 Φ= '='-==11133330f S S D .度 若S NO →∞，则ΦΦ===M 4400D 度，故理论上无高度远视眼。 3*.校正后调节范围的变化 A.近视眼(设S m S m FO NO =-=-101，.)： 设眼球的折射率为'n ，眼球的长度为'S ，视近物时眼球的光焦度为ΦNO ，则 不戴镜时：''-=n S S 1 NO NO Φ 戴 镜 时：''-' =+n S S 1 NO NO ΦΦ 故 Φ='-'11 S S NO NO ，'=-S m NO 011 . 即近视眼戴眼镜后也可看近处的物，调节范围变大。 B.远视眼(设S S m FO NO =-∞=-，15.)：
X射线荧光光谱仪结构和原理
X射线荧光光谱仪结构和原理 第一章 X荧光光谱仪可分为同步辐射X射线荧光光谱、质子X射线荧光光谱、全反射X射线荧光光谱、波长色散X射线荧光光谱和能量色散X射线荧光光谱等。 波长色散X射线荧光光谱可分为顺序（扫描型）、多元素同时分析型（多道）谱仪和固定道与顺序型相结合的谱仪三大类。顺序型适用于科研及多用途的工作，多道谱仪则适用于相对固定组成和批量试样分析，固定道与顺序式相结合 则结合了两者的优点。 X射线荧光光谱在结构上基本由激发样品的光源、色散、探测、谱仪控制和 数据处理等几部分组成。 § 1.1激发源 激发样品的光源主要包括具有各种功率的X射线管、放射性核素源、质子 和同步辐射光源。波长色散X射线荧光光谱仪所用的激发源是不同功率的X射线管， 功率可达4~4.5kW，类型有侧窗、端窗、透射靶和复合靶。能量色散X射线荧光光谱仪用 的激发源有小功率的X射线管，功率从4~1600W，靶型有侧窗和端窗。靶材主要有Rh、Cr、W、Au、Mo、Cu、Ag等，并广泛使用二次靶。现场和便携式谱仪则主要用放射性核素源。 激发元素产生特征X射线的机理是必须使原子内层电子轨道产生电子空位。可使内层轨道电子形式空穴的激发方式主要有以下几种：带电粒子激发、电磁辐射激发、内转换现象 和核衰变等。商用的X射线荧光光谱仪中，目前最常用的激发源是电磁辐射激发。电磁辐射激发源主要用X射线管产生的原级X射线谱、诱发性核素衰变时产生的Y射线、电子俘 获和内转换所产生X射线和同步辐射光源。 § 1.1.1 X射线管 1、X射线管的基本结构 目前在波长色散谱仪中，高功率X射线管一般用端窗靶，功率3~4KW，其结构示意图 如下： X 光管本质上是一个在高电压下工作的二极管，包括一个发射电子的阴极和一个收集电子的阳极（即靶材），并
《光学原理与应用》之双折射原理及应用
双折射原理及应用 双折射（birefringence ）是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。它们为振动方向互相垂直的线偏振光。当光射入各向异性晶体（如方解石晶体）后，可以观察到有两束折射光，这种现象称为光的双折射现象。两束折射线中的一束始终遵守折射定律这一束折射光称为寻常光，通常用o表示，简称o光；另一束折射光不遵守普通的折射定律这束光通常称为非常光，用e表示，简称e光。晶体内存在着一个特殊方向，光沿这个方向传播时不产生双折射，即o光和e光重合，在该方向o光和e光的折射率相等，光的传播速度相等。这个特殊的方向称为晶体的光轴。光轴”不是指一条直线，而是强调其“方向”。晶体中某条光线与晶体的光轴所组成的平面称为该光线的主平面。o光的主平面，e光的光振动在e光的主平面内。 如何解释双折射呢？惠更斯有这样的解释。1寻常光（o光） 和非常光（e光）一束光线进入方解石晶体（碳酸钙的天然晶体）后，分裂成两束光能，它们沿不同方向折射，这现象称为双折射，这是由晶体的各向异性造成的。除立方系晶体（例如岩盐）外，光线进入一般晶体时，都将产生双折射现象。显然，晶体愈厚，射出的光束分得愈开。当改变入射角i时，o光恒遵守通常的折射定律，e光不符合折射定律。2.光轴及主平面。改变入射光的方向时，我们将发现，在方解石这类晶体内部有一确定的方向，光沿这个方向传播时，寻常光和非常光不再分开，不产生双折现象，这一方向称为晶体的光轴。 天然的方解石晶体，是六面棱体，有八个顶点，其中有两个特殊的顶点A和D,相交于A D两点的棱边之间的夹角，各为102°的钝角.它的光轴方向可以这样来
激光头原理和结构
激光头原理和结构 1. 前言 自从1982年直径12cm的数字音频光盘CD问世以来，数字视频光盘DVD（digital video disk）一直是新一代光盘的一个梦想，虽然在几年前出现了VCD，但是对于光盘来讲，技术上没有改变，只是对数据进行了压缩，画质也只是VHS水准，不过是过渡性产品，在国外没有形成市场。 数字图象信号具有在被编辑时画质不劣化，容易被计算机处理等优点，所以能记录2小时以上高画质的数字图象的光盘，已经让人盼望已久。最近几年，短波长的半导体激光器技术，薄型化光盘基板技术，对物透镜的高数值径NA化技术等的进步，使光盘的记录密度高密度化成为可能，同时数字连续可变画面压缩技术也有很大的进步，使长时间高画质的连续可变画面收录在一光盘里成为可能。 在以上这些技术基础被奠定之后，世界上的十家大企业共同制定了新世代数字视频光盘DVD（digital video disk）的标准，既在和原有CD同样尺寸下，记录容量为原来光盘7.5倍4.7G，并采用高画质的MPEG2数字信号压缩式，使之能够存储135分的电影。 DVD播放机主要是由光学头和MPEG2解码器两个关键技术组成的，其中MPEG2解码器由于是通用标准，目前开发出芯片的厂商不下十几家，而光学头的技术还主要掌握在日本厂商手中。 光盘技术就是一束被聚焦到回折界限的最小激光束照射到盘面，由于记录着信息的盘面的凹凸对光的反射不同，就可以读出盘上的信息。 对于光学头来讲，它特有的技术有如下几个： a. 通过利用被聚焦到回折界限的最小激光束，穿过0.6mm的透
明塑料层，从凹凸信息面取出信号。 b. 使用半导体激光二极管，使用数值径NA为0.6的对物透镜，把激光束聚焦为由波长决定的回折界限为止的最小光束。 c.光盘外形的误差和不同光盘交换时带来的对物透镜的焦点位置在光盘信息记录面的位置变化，还有光盘回转时光盘面上下振动也会引起焦点位置变化，为了对焦点位置变化进行自动补正，必须把能够以精度为正负1μm对焦点位置控制的误差检出机能和控制用的伺 服机构藏在光学头里。 d.光盘的形状中心和光盘的回转中心之间的偏心补正，还有对于在轨道间距为0.74μm的轨道上，精度正负0.1μm控制激光束对轨道的追迹控制用误差检出机能和控制用的伺服机构藏在光学头里。 在这里对于光盘装置系统，能满足以上要求的光学头的基本光学系，对物透镜OL(object lens)，作为光源的半导体激光二极管LD(laser diode),准直透镜CL,和其他一些光学头用的光学部品的原理及设计进 行说明。 2. 光学头基本原理 2.1.光学头的基本光学系和光学部品的收差 光学头是DVD系统的最大关键部件之一，它的基本原理图如下
光学镜头基本知识
光学镜头基本知识 第一章光线的传播 一﹑光在真空中是沿直线传播的 光在真空中(均匀介质中)是沿直线传播的﹐但是由於在我们的真实空间中﹐光并不能做到这一点﹐这是因为空气。在我们的空气中﹐有存在着各式各样的杂物﹐粉尘﹐水雾等。由於这些东西的存在﹐光在直线传播的过程中﹐碰到这些东西﹐就会产生反射﹐折射。而﹐粉尘表面并不光滑﹐光照射到这粉尘面上的时候便会往各个方向反射﹐这边形成了漫反射。正是由於漫反射的存在﹐这便能使我们能感觉到光﹐能看到东西。 二﹑光的反射﹑透射﹑折射 光在大气中传输总不能按着直线传输﹐光在碰到不透光的物质时会发生反射﹐光碰到透光的物质时会发生透射﹐折射。入射光线﹐反射光线﹐折射光线﹐在同一个平面上﹐即三线共面。 光的反射 光在传输过程中是遵守反射定理的。 反射定理﹕ 入射角等於反射角。 入射角定义为﹕入射光线和法线组成的夹角 反射角定义为﹕反射光线和法线组成的夹角 法线﹕法线就是垂直於入射面的线。法线是一条虚构的线﹐并不是事实存在的。光的透射和折射 有些物质是透光的﹐光可以穿透这些物质﹐这便是光的透射。 每种不同材质的东西都有着不同的透过率﹐光在这些物质中穿透的时候总会有着能量的损失。入射光线的强度与出射光线的强度的比值为这一材质的透过率。 所谓光线的折射就是指光线在进行传输的过程中从一种介质进入另一种介质的时候﹐不会沿直线传播﹐而是有了一定角度的弯折。这便是光线的折射。 通常在大气中我们认定其折射率为1。 折射定律被描述为﹕入射角的正弦与折射角的正弦之比为常数﹐它等于折射线所处介质的折射率n`与入射线所处介质的折射率n之比。 通常折射率较大的介质称为光密介质﹐折射率较小的介质称为光疏介质。若入射光在光密介质﹐这时折射角总大于入射角﹐折射角随着入射角增大而增大﹐最大使折射角为90度﹐这时sini`=1﹐若入射角再增大﹐将发生全反射。 自然界有很多全反射现象﹕海市蜃楼﹑沙漠幻影﹑等。
第三章__几何光学的基本原理复习课程
第三章__几何光学的 基本原理
第三章几何光学的基本原理 3.眼睛E和物体PQ之间有一块折射率为1.5的玻璃平板（如图所示），平板的厚度d为30cm。求物体PQ的像Q P' '与物体PQ之间的距离2d为多少？ 已知：1 = n，5 1. = 'n，cm d30 = 求：? = 2 d 解： 由图可知 1 2i QN Q Q d sin = ' =， 设x QN=，即光线横向的偏移，则 1 2i x d sin =（1） 在入射点A处，有 2 1 i n i n sin sin' = 在出射点B处，有 1 2 i n i n' = 'sin sin，因此可得1 1 i i' = 即出射线与入射线平行，但横向偏移了x。 由图中几何关系可得：()()2 1 2 2 1 i i i d i i AB x- = - =sin cos sin 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 又因为 1i 和2i 很小，所以 12≈i cos ， ()2121i i i i -≈-sin 而 21i n ni '= ，所以 1121 i n i n n i '='= 则 ()??? ??'-=-=11211i n i d i i d x ，即 ??? ??'-'=n n di x 11 （2） （2）式代入（1）式得 cm d d n n i i d d 103 1 511511112==??? ??-=??? ??'-'≈ .. 6.高5cm 的物体距凹面镜顶点12cm ，凹面镜的焦距是10cm ，求像的位置及高度，并作光路图。 已知：cm y 5=， cm s 12-=，cm f 10-=' 求：?='s ?='y 作光路图 解：根据 f s s '='+1 11 得601 121101111-=+-=-'='s f s ， cm s 60-='∴ 又据 n n s s y y '?'=' ，而 n n -=' 所以得 cm y s s y 25512 60-=?---='-=' 光路图（cm r cm r f 20102 -=∴-== ',Θ ）C 为圆心。 7. 一个5cm 高的物体放在球面镜前10cm 处，成1cm 高的虚像。求：（1）此镜的曲率半径；（2）此镜是凸面镜还是凹面镜？
光学镜头基本知识
光學镜头基本知識 第一章光線的傳播 一﹑光在真空中是沿直線傳播的 光在真空中(均勻介質中)是沿直線傳播的﹐但是由於在我們的真實空間中﹐光並不能做到這一點﹐這是因為空氣。在我們的空氣中﹐有存在著各式各樣的雜物﹐粉塵﹐水霧等。由於這些東西的存在﹐光在直線傳播的過程中﹐碰到這些東西﹐就會產生反射﹐折射。而﹐粉塵表面並不光滑﹐光照射到這粉塵面上的時候便會往各個方向反射﹐這邊形成了漫反射。正是由於漫反射的存在﹐這便能使我們能感覺到光﹐能看到東西。 二﹑光的反射﹑透射﹑折射 光在大氣中傳輸總不能按著直線傳輸﹐光在碰到不透光的物質時會發生反射﹐光碰到透光的物質時會發生透射﹐折射。入射光線﹐反射光線﹐折射光線﹐在同一個平面上﹐即三線共面。 2.1 光的反射 光在傳輸過程中是遵守反射定理的。 反射定理﹕ 入射角等於反射角。 入射角定義為﹕入射光線和法線組成的夾角 反射角定義為﹕反射光線和法線組成的夾角 法線﹕法線就是垂直於入射面的線。法線是一條虛構的線﹐並不是事實存在的。 2.2 光的透射和折射 有些物質是透光的﹐光可以穿透這些物質﹐這便是光的透射。 每種不同材質的東西都有著不同的透過率﹐光在這些物質中穿透的時候總會有著能量的損失。入射光線的強度與出射光線的強度的比值為這一材質的透過率。 所謂光線的折射就是指光線在進行傳輸的過程中從一種介質進入另一種介質的時候﹐不會沿直線傳播﹐而是有了一定角度的彎折。這便是光線的折射。 通常在大氣中我們認定其折射率為1。 折射定律被描述為﹕入射角的正弦与折射角的正弦之比為常數﹐它等于折射線所處介質的折射率n`与入射線所處介質的折射率n之比。 通常折射率較大的介質稱為光密介質﹐折射率較小的介質稱為光疏介質。若入射光在光密介質﹐這時折射角總大于入射角﹐折射角隨著入射角增大而增大﹐最大使折射角為90度﹐這時sini`=1﹐若入射角再增大﹐將發生全反射。 自然界有很多全反射現象﹕海市蜃樓﹑沙漠幻影﹑等。
陈家璧版光学信息技术原理及应用习题解答811章
习 题 8．1利用4f 系统做阿贝—波特实验，设物函数t （x 1，y 1）为一无限大正交光栅 ??????*????? ??*=)comb()rect()comb()rect(),(2121211111 1111b y a y b b x a x b y x t 其中a 1、a 2分别为x 、y 方向上缝的宽度，b 1、b 2则是相应的缝间隔。频谱面上得 到如图8-53（a ）所示的频谱。分别用图8-53（b ）（c ）（d ）所示的三种滤波器进行滤波，求输出面上的光强分布（图中阴影区表示不透明屏）。 图8.53（题8.1 图） 解答：根据傅里叶变换原理和性质，频谱函数为 T ( f x , f y ) = ? [ t ( x 1 , y 1 )] = { 11b ? [)rect(11a x ]·? [)comb(11b x ] } *{2 1 b ? [)rect(21a y ·? [comb(21b y ]} 将函数展开得 T ( f x , f y ) = {}???++++)δ(sinc()δ()sinc()sinc(1 11111111b 1 b 1-x x x f b a f b a f a b a * { }???++++δ()sinc()δ()sinc()sinc(2 22222222b 1 b 1-y y y f b a f b a f a b a （1） 用滤波器（b ）时，其透过率函数可写为 1 f x = + 1/ b 1 f y = 0 F ( f x , f y ) = 0 f x 1/ b 1 f y = 任何值 滤波后的光振幅函数为 T ·F = [])δ()δ()sinc(1 11111b 1b 1-++x x f f b a b a 输出平面光振幅函数为 t ’（x 3，y 3）= ? -1[ T ·F ] = (exp[)](){exp [sinc(1 3131111b 2-b 2x j x j b a b a ππ+
第三章 几何光学的基本原理1资料
第三章 几何光学的基本原理 1 证明反射定律符合费马原理。 证明：设平面Ⅰ为两种介质的分界面，光线从A 点射向界面经反射B 点，在分界面上的入射点为任意的C 点；折射率分别为：n 1、n 2。 （1）过A 、B 两点做界面的垂直平面Ⅱ，两平面相交为直线X 轴，过C 点做X 轴的垂线，交X 轴于C ＇点，连接ACC ＇、BCC ＇得到两个直角三角形，其中：AC 、BC 为直角三角形的斜边，因三角形的斜边大于直角边，根据费马原理，光线由A 点经C 点传播到B 点时，光程应取最小值，所以在分界面上的入射点必为C ＇点，即证明了入射光线A C ＇和反射光线B C ＇共面，并与分界面垂直。 （2）设A 点的坐标为（x 1，y 1），B 点坐标为（x 2，y 2），C 点坐标为（x ，0），入射角为θ，反射角为θ＇，则光线由A 传播到B 的光程： ))()((2 2222 1211y x x y x x n +-+ +-=? 若使光程取极值，则上式的一阶导数为零，即： 0)()(22 2 2221 2 11=+--- +--=? y x x x x y x x x x dx d 从图中得到：21 2 11)(sin y x x x x +--= θ 22 2 22)(sin y x x x x +--= 'θ 也即：sin θ=sin θ＇，说明入射角等于反射角，命题得证。 2 根据费马原理可以导出在近轴条件下，从物点这出并会聚到象点所有光线的光程都相等。由此导出薄透镜的物象公式。
解： 3 眼睛E 和物体PQ 之间有一块折射率为1.5的玻璃平板，平板的厚度d 为30cm ，求PQ 的象P ＇Q ＇与物体之间的距离d 2。 解：方法一 P ＇Q ＇是经过两个平面折射所形成的象 （1）PQ 经玻璃板前表面折射成象： 设PQ 到前表面的距离为s 1，n=1、n ＇=1.5 由平面折射成象的公式：11s n n s '=' 得到：112 3 s s =' （2）PQ 经玻璃板前表面折射成象： 从图中得到：s 2=s 1+d 、n=1.5、n ＇=1 根据：22s n n s ' =' 解出最后形成的象P ＇Q ＇到玻璃板后表面的距离：d s s 3 212+=' 物PQ 到后表面的距离：s=s 1+d 物PQ 与象P ＇Q ＇之间的距离d 2：d 2 = s 2＇-s =（3 2 1- ）d=10cm 方法二：参考书中例题的步骤，应用折射定律解之。 方法三：直接应用书中例题的结论：d 2 =d （1-1/n ）即得。 4 玻璃棱镜的折射角A 为600，对某一波长的光其折射率为1.6，计算(1)最小偏向角；(2)此时的入射角；(3)能使光线从A 角两侧透过棱镜的最小入射角。 解：（1）根据公式：2 sin 2 sin 0A A n += θ
陈家璧版 光学信息技术原理及应用习题解答(3-4章)
第三章 习题 3.1 参看图3.5，在推导相干成像系统点扩散函数（3.35）式时，对于积分号前的相位因 子 ??? ? ??? ????? ??+≈??????+2220202002exp )(2exp M y x d k j y x d k j i i 试问 （1）物平面上半径多大时，相位因子 ?? ????+)(2exp 20200y x d k j 相对于它在原点之值正好改变π弧度？ （2）设光瞳函数是一个半径为a 的圆，那么在物平面上相应h 的第一个零点的半径是多 少？ （3）由这些结果，设观察是在透镜光轴附近进行，那么a ，λ和d o 之间存在什么关系时可 以弃去相位因子 ?? ????+)(2exp 20200y x d k j 3.2 一个余弦型振幅光栅，复振幅透过率为 00002cos 2 1 21),(x f y x t π+= 放在图3.5所示的成像系统的物面上，用单色平面波倾斜照明，平面波的传播方向在x 0z 平面内，与z 轴夹角为θ。透镜焦距为f ，孔径为D 。 （1）求物体透射光场的频谱； （2）使像平面出现条纹的最大θ角等于多少？求此时像面强度分布； (3) 若θ采用上述极大值，使像面上出现条纹的最大光栅频率是多少？与θ=0时的截止频率比较，结论如何？ 3.3光学传递函数在f x = f y =0处都等于1，这是为什么？光学传递函数的值可能大于1吗？如果光学系统真的实现了点物成点像，这时的光学传递函数怎样？ 3.4当非相干成像系统的点扩散函数h I （x i ，y i ）成点对称时，则其光学传递函数是实函数。 3.5 非相干成像系统的出瞳是由大量随机分布的小圆孔组成。小圆孔的直径都为2a ，出瞳到像面的距离为d i ，光波长为λ，这种系统可用来实现非相干低通滤波。系统的截止频率近
第四章光学仪器的基本原理
第四章光学仪器的基本原理 1 ?眼睛的构造简单地可用一折射球面来表示，其曲率半径为 5.55mm内部为折 射率等于43的液体，外部是空气，其折射率近似地等于1,试计算眼球的两个焦距。用肉眼观察月球时月球对眼的张角为10，问视网膜上月球的像多大？ 解：眼睛的构造简单地可用一折射球面时，其物方焦点为 其像方焦点为 nr 1.67 cm n n 1 5.55
根据折射定律有关系式 nsin n sin 因为很小，所以sin '_n I n y d tan 丄 5.55 43 1 2.22cm ,sin f't 2.22 1— 0.029cm n 43 180 2?把人眼的晶状体看成距视网膜2cm的一个简单透镜。有人能看清楚距离在100cm 到300cm间的物体，试问：（1）此人看清远点和近点时，眼睛透镜的焦距是多少？（2）为看清25cm远的物体，需配戴怎样的眼镜？ 解：根据透镜的物像公式 （1）远点对应的焦距 将s 2cm s 300cm代入上式 1 1 1 2 300 f' f' 300 151 1.987 cm 近点对应的焦距
将s 2 cm s 100cm代入上式 1 1 1 2 100 f' 1100 f 1.961cm 51 (2)此人的近点为100cm要看清楚25cm的物体，需要配戴眼镜使的25cm的物体成虚象在100c m处，所以应该配戴凸透镜(远视镜)，根据透镜的物像公式 其中s' 100cm s 25cm 1 1 1 f' 0.1 0.25 1 4 3D 300（度） 3?—照相机对准远物时，底片距物镜18cm当透镜拉至最大长度时，底片与物镜相距20cm求目的物在镜前的最近距离？ 解：根据透镜的物像公式 当照相机对准远物时，q 所以s1 18cm 当照相机对准最近物时，要成像必须把底片与物镜的距离拉到最大 丄丄丄 I I s? s? f I 勺20 cm 丄丄丄丄丄 20 s2 f 3 18 s 180cm 目的物在镜前的最近距离为180厘米 4.两星所成的视角为4'，用望远镜物镜照相，所得两像点相距1mm问望远镜物 镜的焦距是多少？