现代光学系统..82页PPT
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第七章典型光学系统ppt课件
通用显微镜物镜从物平面到像平面的距离（共轭距），不论放大 率如何都是相等的，约为180mm；对生物显微镜，我国规定为 195mm。 把物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度称为机械筒长，也是固定 的，有160mm、170mm、190mm 。我国以 160mm作为物 镜目镜定位面的标准距离。
二、显微镜的线视场
当物在 无限远( =0) E
1 L
4 23
D2 f 2
对大视场物镜，其视场边缘的照度要比视场中心小很多。
EM E cos4 w
表明：感光底片上的照度分布极不均匀。同一次暴光中， 可能中心过度，边缘不足。一般通过采用可变光阑（光圈 ）来控制孔径光阑的大小。使用者根据天气选择。 国标规定F数为：1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16， 22，32。 像面照度E′与暴光时间t的乘积为暴光量。若F提高一档，则 暴光时间增加一倍，才能保证暴光量不变。
照明聚 光镜
大孔径聚 光镜
29
折反式 聚光镜
三、对投影系统的要求 ①物面照明要尽可能均匀以保证像面照度的均匀性。 ②接收屏上的实像要有足够的亮度。 ③成像质量良好。 ④有的投影系统（光刻）对畸变有极高要求。
30
DVD/CD激光头
31
32
被测件 全息球面透镜
准直透镜 反射镜
聚焦光学点
音圈马达 分光镜
常有：电影放映机、幻灯机、测量投影仪、光刻投影系统 、多媒体投影仪、微缩胶片阅读仪等。 二、投影系统中的照明系统 由于像面的照度与放大率的平方成正比，而投影系统的放 大率一般较大，尤其在反射照明时大部分光能损失掉，因28
此，要提高像面的照度，需选用强光源照明，或增加光 源数目，增大聚光镜口径，并且让照明系统提供的光能 量全部进入成像系统。 为实现物面均匀照明，采用柯勒照明方式。测量投影仪 器采用物方远心光路以保证测量精度，故照明系统也应 采用像方远心光路与之相衔接。
《现代光学》课件第1章
(1.1-28)
29
第1章 现代光学的数学物理基础
可将r0、r1和r的表达式作泰勒展开，取旁轴近似为 (1.1-29)
30
第1章 现代光学的数学物理基础
由于振幅随r的变化比较缓慢，故振幅因子中的r可作 近似： r≈d，于是得到旁轴近似条件下轴外点光源发出的 球面波在(x,y,z1)面上的复振幅分布的表达式为
(1.1-22)
21
第1章 现代光学的数学物理基础
3. 柱面波 均匀无限长同步辐射的线光源发出的光波为柱面波。 柱面波的特征是： 相位间隔为2π的等相面是一组等间距同 轴柱面，光波场中各点的振幅与该点到轴线的距离的平方 根成反比。
22
第1章 现代光学的数学物理基础
图1.1-3 柱面波示意图
23
第1章 现代光学的数学物理基础
复振幅为
令 (1.1-24)
25
第1章 现代光学的数学物理基础
对于给定的观察面，z1为常量，则U0也是与x、y无关 的常量。显然U0不影响该面上复振幅的相对分布。于是该 观察面上的复振幅可简写为
(1.1-25)
26
第1章 现代光学的数学物理基础
2. 球面光波场中任意平面上的复振幅 这里以发散球面波为例讨论。如图1.1-4所示，点光源 Q(x0,y0)在(x0,y0,z0)面内，观察点P(x,y)在(x,y,z1)面内，两平 面间距离为d=z1－z0。Q到P的矢径为r，z0到P的矢径为r0， Q到z1的矢径为r1，这些矢径的长度分别为
由式(1.1-4)与式(1.1-2)，可以给出相应的光学拉格朗 日函数定义：
(1.1-5) 此处，z可假定起着与拉格朗日力学中的时间相同的作用。 与经典力学中的情况类似，我们同样能够引入哈密顿量。 根据经典力学中广义动量p和q的定义:
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第1章 现代光学的数学物理基础
可将r0、r1和r的表达式作泰勒展开，取旁轴近似为 (1.1-29)
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第1章 现代光学的数学物理基础
由于振幅随r的变化比较缓慢，故振幅因子中的r可作 近似： r≈d，于是得到旁轴近似条件下轴外点光源发出的 球面波在(x,y,z1)面上的复振幅分布的表达式为
(1.1-22)
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第1章 现代光学的数学物理基础
3. 柱面波 均匀无限长同步辐射的线光源发出的光波为柱面波。 柱面波的特征是： 相位间隔为2π的等相面是一组等间距同 轴柱面，光波场中各点的振幅与该点到轴线的距离的平方 根成反比。
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第1章 现代光学的数学物理基础
图1.1-3 柱面波示意图
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第1章 现代光学的数学物理基础
复振幅为
令 (1.1-24)
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第1章 现代光学的数学物理基础
对于给定的观察面，z1为常量，则U0也是与x、y无关 的常量。显然U0不影响该面上复振幅的相对分布。于是该 观察面上的复振幅可简写为
(1.1-25)
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第1章 现代光学的数学物理基础
2. 球面光波场中任意平面上的复振幅 这里以发散球面波为例讨论。如图1.1-4所示，点光源 Q(x0,y0)在(x0,y0,z0)面内，观察点P(x,y)在(x,y,z1)面内，两平 面间距离为d=z1－z0。Q到P的矢径为r，z0到P的矢径为r0， Q到z1的矢径为r1，这些矢径的长度分别为
由式(1.1-4)与式(1.1-2)，可以给出相应的光学拉格朗 日函数定义：
(1.1-5) 此处，z可假定起着与拉格朗日力学中的时间相同的作用。 与经典力学中的情况类似，我们同样能够引入哈密顿量。 根据经典力学中广义动量p和q的定义:
《现代光学系统》PPT课件
精选ppt
21
空间频率的意义：
x
由于光波在k方向上每走一
k
个 行程，位相变化2，
因此，每间隔一个 就出
现一个等 位相面 ， 在 z=z0 平面上一簇垂直于k的平行 dT xx
直线。
y
z0
空间周期：
Tdy y
d x /c ， o d y s /c , o d z s /c os
在 x和 y方向相应的 :u空 d1x 间 cos频 ,vd1 率 y c为 os
若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，就得到被高度放大 的光。
在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分 布规律。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情 况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。
精选ppt
3
2、产生激光的先决条件
在热平衡条件下 ，受激吸收能量大于受激发射能量。 要实现受激发射能量大于受激吸收能量，必须使高 能态的原子数目多于低能态的原子数目，即粒子数 反转。首先是原子能级起码要具有三级，即原子能 级系统中要有亚稳态存在，其次运用外界激发方式 实现粒子数反转。
t(x1, y1)expi2(ux1 vy1)dx1dy1
Cf expi(kf)expik(x22fy2)
t(x1, y1)expi2(ux1 vy1)dx1dy1
常数因子， 可以忽略
二次因子，在求 强度分布时被自
动消去。
因此，夫琅 的 和 复 费 E ~振 (x衍 y） ,幅 射 为场 刚透过 的 衍 复振 t(1x ,幅 y1)的傅里叶变换，
最基本的要求是：光学性质均匀、光学透明性良 好且性能稳定、量子效率较高、具有亚稳态能 级等。
现代光学系统
自发辐射（荧光）：处于高能态的原子在没有受到外来光 子作用而自发地返回低能级，并同时发出光辐射的过程。
受激辐射 ：在能量相应于两个能级差的外来光子作用下， 会诱导处于高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出 数量加倍的光子，即光被放大了。这正是产生激光的基 本过成。受激发射的光子与入射光子频率、相位相同， 偏振方向和传播方向也相同。因此由受激发射跃迁所产 生的光子具有很好的相干性和方向性。
x
u
2 sin x
, y ,v
2 sin y
2 夫琅和费衍射和傅里叶变换
二维函数f ( x, y )在满足了普遍的傅里叶 积分存在的条件 后可以表示为: f ( x, y ) F (u, v) exp[i 2 (ux vy)]dudv F (u, v) f ( x, y ) exp[i 2 (ux vy)]dxdy 上式表明二维函数 f ( x, y )为连续空间频率基元函 数 exp[i 2 (ux vy)]的线性组合， (u, v)是基元函数在 x, y方向的空间频率 . F (u, v)叫做f ( x, y )的傅里叶变换或空间频 谱, 记作F (u, v) [ f ( x, y )],它代表基元函数的权重 , 即基元函数的幅值和相 位, F (u, v)由f ( x, y )的傅里叶变换求出。
4、激光光束（高斯光束）的特性
激光作为一种光源，其光束截面内的光强分部是 不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相等的， 其振幅A与光束截面半径r 的函数关系为： 光束波面的振幅A呈高斯函数分布
A A0 e
r2
2
A0 为 光 束 截 面 中 心 的 振 ; 幅
为 一 个 与 光 束 截 面 半 有 径关 的 参 数 ; r为 光 束 截 面 半 径 ; 常 以r 时 的 光 束
现代光学的兴起PPT演示文稿
• 光子具有能量，也具有动量，更具有质量，按照质能方程，E=MC2=hv,求出 M=hv/C2,
• 光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质 量。
• 光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐 射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多 数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度 是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波 的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时 不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。 对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量 足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光 子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。
跃发展的根本原因，是激光的固有特征在传输过程中所引发的许多新的效
应和规律。
• 1、大空间范围（和光波波长相比较）
• .干涉：相干光学、统计光学、薄膜光学 • .衍射：傅里叶光学、衍射光学、二元光学 • .偏振：晶体光学、偏振光学 • .其他：矩阵光学、激光束光学、海洋光学、大气光学、生理光学、组织光学 • 2、小空间范围（和光波波长相比较） • 导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、近场光学 • 3、大光能量（高光能密度） • 非线性光学、强光光学、自适应光学 • 4、非均匀介质 • 非均匀介质光学、散射光学、组织光学
子对可湮没转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。
2004-12-8
14
• 光子从激光的相干光束中出射光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能 量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,就 有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分 子就从基态变成了激发态。
• 光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质 量。
• 光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐 射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多 数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度 是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波 的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时 不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。 对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量 足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光 子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。
跃发展的根本原因，是激光的固有特征在传输过程中所引发的许多新的效
应和规律。
• 1、大空间范围（和光波波长相比较）
• .干涉：相干光学、统计光学、薄膜光学 • .衍射：傅里叶光学、衍射光学、二元光学 • .偏振：晶体光学、偏振光学 • .其他：矩阵光学、激光束光学、海洋光学、大气光学、生理光学、组织光学 • 2、小空间范围（和光波波长相比较） • 导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、近场光学 • 3、大光能量（高光能密度） • 非线性光学、强光光学、自适应光学 • 4、非均匀介质 • 非均匀介质光学、散射光学、组织光学
子对可湮没转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。
2004-12-8
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• 光子从激光的相干光束中出射光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能 量的多少与波长相关, 波长越短, 能量越高。当一个光子被分子吸收时,就 有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道,具有电子跃迁的分 子就从基态变成了激发态。
现代光学系统
第八章现代光学系统跟着激光技术、光纤技术和光电技术的不停发展，各样不同的用途的新式光学系统接踵出现，比如激光光学系统、付里叶光学系统、扫描光学系统等。
为能全面地认识这些光学系统的成像特征和设计要求，本章就上述几种新式光学系统作一简要介绍。
§8－1 激光光学系统一、高斯光束的特征激光作为一种光源，其光束截面内的光强散布式不平均的，激光束波面上各点的振幅是不相等的，其振幅 A 与光束截面半径 r 的函数关系为：r2A A0e 2此中 A 0为光束截面中心的振幅；ω为一个与光束截面半径有关的参数； r 为光束截面半径。
由上式能够看出光束波面的振幅 A 呈高斯型函数散布，如图 8-1 所示，所以激光光束又称为高斯光束。
图 8-1 高斯光束截面当 r =ω时，A A0，说明高斯光束的名义截面半径ω是当振幅A降落到中心振e幅 A0的 1/e 时所对应的光束截面半径。
二、高斯光束的流传高斯光束的截面半径、波面曲率半径和位相因子是高斯光束流传中的三个重要参数。
1、高斯光束的截面半径高斯光束截面半径z 的表达式为：122z1z2从图 8-2 中能够看出，高斯光束在平均的透明介质中流传时，其光束截面半径 z 与 z 不行线性关系，而是一种非线性关系，这与齐心光束在平均介质中的流传完整不同。
图 8-2 高斯光束流传2、高斯光束的波面曲率半径高斯光束的波面曲率半径表达式为：2 2R z z 10 z高斯光束在流传过程中， 光束波面的的曲率半径由无量渐渐变小， 达到最小后又开始变大，直至达到无穷远时变为无量大。
3、高斯光束的位相因子高斯光束的位相因子表达式为：zzarctg2高斯光束的截面半径轨迹为一对双曲线，双曲线的渐近线能够表示高斯光束的远场发散程度，如图 8-3 所示。
图 8-3 高斯光束的发散角高斯光束的孔径角为：tg4、高斯光束流传的复参数表示假定有一个复参数 q z ，并令11 i2zq zR z当 z =0 时，得11 iq 0R 02因为R 0，2 所以 q 0 q 0i2 2z21 122把 R zz 1和 z1代入式z2 q zi2zR z得 q z q 0 z这与齐心球面光束沿 z 轴流传时，其表达式为 R R 0 z 有相同的表达形式。
光学系统设计解析PPT教学课件
辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上通过单位立
体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］（Sr=ds/r2： 球面度）
2020/10/16
5
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位： ［W/m2］
辐射出射度Ｍe ：辐射源单位面积所辐射的通量
（也称辐射本领）。单位：［W/m2］
瓦特
W
P
dQ /dt
Ｉ
瓦特／球面度 Wsr-1
Id /d
Ｌ L d2 /d dc A o瓦s特／球面度/ Wm-2
＝ d/Idc Ao s 平方米
sr-1
Ｍ
瓦特／平方米 Wm-2
Md /dA
Ｅ
Ed/dA瓦特／平方米 Wm-2
7
6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
2020/10/16
2020/10/16
12
6.2 光辐射源及特征 ——普朗克黑体辐射定律
热辐射能量取决于物体的温度，绝对黑体的单
色辐射出射度Mλ(T)与热力学温度T的关系遵循普朗 克黑体辐射定律：
式中：
M(T)C15
1
C2
eT 1
C1=2πc2h C2=hc/k h——普朗克常数 k——波尔兹曼常数
2020/10/16
18
6.2 光辐射源及特征 ——色温
实际的发光体不是黑体，如果光源辐射在可见 区和Tc温度时的绝对黑体的辐射完全相同时，此时 黑体的温度Tc就称此光源的色温。
通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱叠加所组成。 但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度 和计算光线的颜色成分的方法。
例如：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为 2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为 5600K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。
体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］（Sr=ds/r2： 球面度）
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6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位： ［W/m2］
辐射出射度Ｍe ：辐射源单位面积所辐射的通量
（也称辐射本领）。单位：［W/m2］
瓦特
W
P
dQ /dt
Ｉ
瓦特／球面度 Wsr-1
Id /d
Ｌ L d2 /d dc A o瓦s特／球面度/ Wm-2
＝ d/Idc Ao s 平方米
sr-1
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瓦特／平方米 Wm-2
Md /dA
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Ed/dA瓦特／平方米 Wm-2
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6.2 光辐射源及特征 ——辐射度的基本物理量
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6.2 光辐射源及特征 ——普朗克黑体辐射定律
热辐射能量取决于物体的温度，绝对黑体的单
色辐射出射度Mλ(T)与热力学温度T的关系遵循普朗 克黑体辐射定律：
式中：
M(T)C15
1
C2
eT 1
C1=2πc2h C2=hc/k h——普朗克常数 k——波尔兹曼常数
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6.2 光辐射源及特征 ——色温
实际的发光体不是黑体，如果光源辐射在可见 区和Tc温度时的绝对黑体的辐射完全相同时，此时 黑体的温度Tc就称此光源的色温。
通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱叠加所组成。 但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度 和计算光线的颜色成分的方法。
例如：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为 2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为 5600K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。
工程光学第9章 现代光学系统
∫∫ F ( x, y)W ' ( x, y)dxdy T= ∫∫ F ( x, y) F ' ( x, y)dxdy ∫∫W ( x, y)W ' ( x, y)dxdy
r r r
r
2
(9.29)
F 其中， ( x, y ) 和 W ( x, y) 分别为光纤横截面和入射于其上的聚焦光束的复振幅分布。
一、阶跃型光纤
1. 阶跃光纤的导光原理
n2
I I’
n1
U
U′
图9.6 阶跃型光纤
阶跃光纤的剖面如图9.6所示。为使光线约束在纤芯层中 传播，必须满足全反射条件：其一、要求纤芯折射率n1> 包层折射率n2；其二、入射孔径角U要小于一个临界值， 使得进入光纤的光线到达纤芯和包层的光滑分界面时，入 射角I大于临界角Im。依据折射定律，孔径角U与入射角I的 关系可表示为
高斯光束的复曲率半径q(z)定义为
1 1 λ = i q ( z ) R ( z ) π w2 ( z )
当z=0，由上式可以得到
2 π w0 q0 = q (0) = i λ
(9.8)
（9.9）
将式(9.4)、(9.5)和(9.9)代入式(9.8)可得
q( z ) = q0 + z
（9.10）
同心球面波沿z轴传播时曲率半径满足：R=R0+z，对比上式，高斯光束的
第9章 现代光学系统
本章教学要点
知识要点 高斯光束及其透 镜变换 掌握程度 相关知识 熟悉高斯光束的特性及其表 薄透镜的近轴成像规律； 征；重点掌握高斯光束 透镜对入射光束的准直 和聚焦 经透镜变换所满足的基 本规律 掌握阶跃型光纤和渐变折射 光的折射定律和反射定 率光纤的传光原理； 律；全反射原理 了解光纤耦合和自聚焦透镜 的基本原理 掌握红外光学系统的特点； 大孔径、小视场光学系 了解红外测温仪、红外热像 统的像差特点；平 面镜原理 仪、红外跟踪系统的工 作原理
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现代光学系统..
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
4ห้องสมุดไป่ตู้、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯