天津大学光学工程光学设计习题
工程光学习题答案(附试题样本)
第一章习题1、已知真空中的光速c＝3 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，问纸片最小直径应为多少？解：令纸片最小半径为x,则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。
而全反射临界角求取方法为：(1)其中n2=1, n1=1.5,同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为：(2)联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。
4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1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：n0sinI1=n2sinI2 (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n0 sinI1 .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。
光学工程设计题
1、设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消除光源的不稳定性因素的影响。
⑴绘出工作原理图。
⑵绘出原理框图。
⑶说明工作原理。
答：⑴工作原理图⑵原理框图⑶说明工作原理：①在装上被测样品4之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相等，处于平衡状态。
②当插入被测样品之后，测量通道的光通量减少。
此时若移动光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值，这就可以使二个通道重新达到平衡。
③光屏的移动由与之相连的指针机构9显示，指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。
④这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量相等时读出。
2、主动红外报警电路如图所示，分析它的工作原理？答：当光信号被阻挡时，光敏三极管处于截止状态，光敏三极管的集电极为高电平，即三极管基极为高电平，三极管饱和导通，三极管的集电极为低电平，驱动继电器J工作，使开关闭合，电路形成回路，晶闸管控制端有效，晶闸管导通，报警器正常工作。
S为复位键。
当有光信号时，光敏三极管处于导通状态，光敏三极管的集电极为低电平，即三极管基极为低电平，三极管截止，三极管的集电极为高电平，驱动继电器不工作，开关保持断开状态，晶闸管控制端无效，报警器不工作。
3、照明灯的光控原理图如图所示，分析工作原理。
答：二极管D和电容C组成半波整流滤波电路，为光电控制电路提供直流电源；电阻R、光敏电阻和继电器绕组组成测光与控制电路；继电器常闭触头构成执行电路，它控制照明灯的开关。
光敏电阻在有强光照时（白天），电阻值降低，通过光敏电阻的电流增大，继电器工作，常闭触头断开，路灯熄灭。
当弱光照时，光敏电阻的电阻值很大，电路中的电流很小，而不足以驱动继电器工作，常闭触头保持，路灯点亮。
4、设计一台有合作目标的光电测距装置。
说明工作原理。
相位式测距半导体激光器作辐射源A ，若在激光器供电电路中外加谐波电压U 0就能得到接近正弦的辐射光波，其初始相位和激励电压U 0相同。
天津大学工程光学下例题 13- 双缝 光栅 (1)
0级衍射与光栅面
法线重合，
但在闪耀光栅中，
0级衍射与光栅面
法线错开！！
（1）光耀角公式
1级闪耀，m=1
d=1/1000=10-3mm=0.001mm
(2)按照通用的光栅方程
衍射角最大取 900,求对应的衍射级
平行光垂直槽面入射，入射角就是闪耀角，分左右两种情况
第一种情况， 衍射级在光栅面法线右侧，异侧,取“-”
例题5：波长从390 nm到780nm的白光垂直入射到每毫米600条缝的光栅上。
（1）求白光第一级光谱的角宽度；
（2） 说明第二级光谱和第三级光谱部分都重叠
解：（1）光栅栅距： d=1/600=1.6×10-3(mm)
波长从390 nm(紫光)到780nm（红光）的白光,
其第一级光谱中最靠近中央的是紫光，其衍射角为：
已知光栅宽W=260mm， 则刻痕数有：
N=W/d=260÷1/300=7.8×104(条)--பைடு நூலகம்单位
已知闪耀角为77012’，光束垂直槽面入射，注意不是垂直光栅面入射！
则，
由垂直光栅开槽面入射的闪耀光栅方程：
分辨本领 A=mN=106
(2)光栅的自由光谱范围 公式（13-76），
（3）F-P的自由光谱范围是：
例题2：一块闪耀光栅宽260mm,每毫米有300个刻槽，闪耀角为77012’。
(1)求光束垂直槽面入射是，对于波长=500nm的光的分辨本领；
(2)光栅的自由光谱范围有多大？
(3)同空气间隔为1cm,锐度为25的F-P标准具的分辨本领和自由光谱范围作一比较。
解：（1）光栅栅距：d=1/300 (mm)
例题5.4 一束直径为2mm的氦氖激光器（波长632.8nm）自地面射向月球，已知月球到地面的距离是376*103 km, 问在月球上接收到的光斑有多大？若把激光束扩束到直径为0.2m再射向月球，月球上接收到的光斑又有多大？
光学设计期末考试题及答案
光学设计期末考试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 光学设计中，用于描述光束聚焦能力的参数是（）。
A. 焦距B. 光斑直径C. 光束质量D. 光束发散角2. 以下哪个不是光学系统的基本特性？（）A. 分辨率B. 放大倍数C. 色差D. 重量3. 在光学系统中，色差的类型不包括（）。
A. 球面色差B. 色差C. 色差D. 色差4. 光学系统中，为了校正色差，通常采用的光学元件是（）。
A. 透镜B. 反射镜C. 棱镜D. 滤光片5. 光学系统中，用于校正球面像差的常用方法是（）。
A. 使用非球面透镜C. 使用滤光片D. 使用棱镜6. 在光学设计中，用于描述成像质量的参数是（）。
A. 分辨率B. 放大倍数C. 色差D. 焦距7. 光学设计中，用于计算光学系统的像差的方法是（）。
A. 几何光学法B. 波动光学法C. 干涉光学法D. 衍射光学法8. 以下哪个不是光学设计软件的名称？（）A. ZemaxB. Code VC. MATLABD. Photoshop9. 光学设计中，用于描述光学系统成像能力的参数是（）。
A. 分辨率B. 放大倍数C. 色差D. 焦距10. 光学系统中，用于校正畸变的常用方法是（）。
A. 使用非球面透镜B. 使用反射镜D. 使用棱镜二、填空题（每空2分，共20分）11. 光学设计中，焦距是指从____到____的距离。
12. 光学系统中，色差的类型包括____和____。
13. 光学设计中，分辨率是指光学系统能够分辨的____。
14. 光学设计软件Zemax主要用于____。
15. 光学系统中，畸变是指成像时____和____的不一致。
16. 光学设计中，放大倍数是指成像系统成像的____与____的比值。
17. 光学设计中，非球面透镜主要用于校正____。
18. 光学设计软件Code V主要用于____。
19. 光学设计中，干涉光学法用于计算光学系统的____。
20. 光学系统中，衍射光学法用于研究光的____。
光学工程课后答案
第一章3、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 。
4、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？8、.芯的折2n ，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：n0sinI1=n2sinI2(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n0.16、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，就相当于凸面镜像位于第一面的右侧，只是延长线的交点，因此是虚像。
还可以用β正负判断：（3）光线经过第一面折射：, 虚像第二面镀膜，则：得到：（4）在经过第一面折射物像相反为虚像。
18、一直径为400mm，折射率为1.5的玻璃球中有两个小气泡，一个位于球心，另一个位于1／2半径处。
沿两气泡连线方向在球两边观察，问看到的气泡在何处？如果在水中观察，看到的气泡又在何处？解：设一个气泡在中心处，另一个在第二面和中心之间。
天津大学 工程光学 习题课(I)
22
13
12.两种典型的光组组合及其特点（组成、特点和应 用）
1）远摄型光组：
2）反远距型光组：
14
13. 透镜焦距公式(在空气中)
1）
nr1r2 f ' n 1nr2 r1 n 1d
2 n 1 1 / f ' n 11 2 d1 2
3
6.球面反射镜成像公式(n'=-n)
1 1 2 l l r
J = u’y’ = - uy
l' l 2 1
4
7.共轴球面系统公式（过渡公式、成像放大率公式）
2 ..... k ,
1 2 ...... k ,
1 2 ...... k ,
5
第二章 理想光学系统
1.共轴理想光学系统的成像性质是什么？
（3大点）
2.无限远的轴上（外）物点的共轭像点是什么？ 它发出的光线有何性质？
6
3. 无限远的轴上（外）像点的对应物点是什 么？ 4. 物（像）方焦距的计算公式为何？
h f tgU
-l3’
-l3
-l2’
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例3（关于光组的组合和牛顿公式的应用）
试以两个薄透镜组按要求组成光学系统 1）两透镜组间间隔不变，物距任意而倍率 不变； 2）物距不变，两透镜组间的间隔任意改变 而倍率不变。 并求组合倍率值。
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讨论与作业
1-13（区分近轴光路和远轴光路计算） 2-15（物距和节点的概念）
1 d1 f 1 f 2
y2 yk yk y1 1 2 k y1 y1 y 2 yk
天津大学光学工程真题
天津⼤学光学⼯程真题⼀．问答题：（共12分，每题3分）1．摄影物镜的三个重要参数是什么？它们分别决定系统的什么性质？ 2．为了保证测量精度，测量仪器⼀般采⽤什么光路？为什么？ 3．显微物镜、望远物镜、照相物镜各应校正什么像差？为什么？ 4．评价像质的⽅法主要有哪⼏种？各有什么优缺点？⼆．图解法求像或判断成像⽅向：（共18分，每题3分）1．求像A 'B ' 2．求像A 'B '3．求物AB 经理想光学系统后所成的像，并注明系统像⽅的基点位置和焦距 4．判断光学系统的成像⽅向5．求⼊瞳及对⽆穷远成像时50%渐晕的视场 6．判断棱镜的成像⽅向zxy题2-4图zx yCAB题2-1图F 'ABFH H ' 题2-2图三．填空：（共10分，每题2分）1．照明系统与成像系统之间的衔接关系为：①________________________________________________②________________________________________________2．转像系统分____________________和___________________两⼤类，其作⽤是：_________________________________________ 3．⼀学⽣带500度近视镜，则该近视镜的焦距为_________________,该学⽣裸眼所能看清的最远距离为_________________。
4．光通过光学系统时能量的损失主要有：________________________, ________________________和_______________________。
5．激光束聚焦要求⽤焦距较________的透镜，准直要⽤焦距较________的透镜。
四．计算题：（共60分）1．⼀透镜焦距mm f 30'=，如在其前边放置⼀个x6-=Γ的开普勒望远镜，求组合后系统的像⽅基点位置和焦距，并画出光路图。
（最新）光学工程课后答案
第一章3、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 。
4、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 =66666.01sin 22==n I745356.066666.01cos 22=-=I 88.178745356.066666.0*200*2002===tgI xmm x L 77.35812=+=8、.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：1mmI 1=90︒n 1 n 2 200mmLI 2xn0sinI1=n2sinI2(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.16、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，就相当于凸面镜像位于第一面的右侧，只是延长线的交点，因此是虚像。
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4th、测量显微镜：输入、评价与优化
5th、完成一道作业题，顺序任选
6th、完成两道作业，a 及电子报告
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纪律要求
1、各班学生按顺序就座，方便我掌握情况 2、独立完成上机任务，别浪费难得的机会 3、允许自由讨论和交流，但不得大声喧哗
例2：火炮内膛检测系统
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a
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例2：火炮内膛检测系统
a
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例2：火炮内膛检测系统
a
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例3：胃窥镜系统
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例3：胃窥镜系统
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例3：胃窥镜系统
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上机任务
1、熟悉Code V界面及使用方法
2、对照学习3个主要教程4、5、6
3、以教程2为例进行实际操作
4、测量显微镜：输入、评价与优化
5、完成2道作业题，输出图纸
a
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任务安排
1st、熟悉界面，像质评价
Section 5 Performance Evaluation
2nd、孔径设置、优化设置
Section 4 Apertures and Vignetting Section 6 Optimizing Lens Systems
3rd、对照学习数码相机镜头
OCAD 计算机辅助光学设计
主讲：谢洪波
a1例1：红外超小来自焦系统• 物镜外形尺寸：<Φ7mm×21mm • 物镜分辨率：>25lp/mm • 成像范围：最大视场>17˚
最小视场<6.3˚
• 像面尺寸：3mm×3mm（Φ4.3mm） • 物镜结构：4-5片，靠一片移动实现变焦
a
2
选择初始模型
• 初模一
4、缺席、迟到、早退，发现一次扣2分
5、上网、玩游戏等等，发现一次扣1分
a
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电子报告
提交报告须知
1、请固定使用一台计算机，保证工作延续性
2、建立独立的工作目录，标志清楚且无汉字
3、每道题上交3个文件：*.len, *.env, *.doc
压缩为一个文件（学号＋姓名）后，传送到
hbxie@
a
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a
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a
3
• 初模二
a
4
• 简化为5片透镜系统
含两个非球 面的5片系统
第一面和最后 一面为非球面
a
5
• 简化为5片透镜系统
含两个非球面 的5片系统
第一面和第六面 为非球面
a
6
总长15mm～21mm系统
两个非球面 的4片系统
第一面和第六 面为非球面
a
7
含两个非球面的 18mm4片系统 MTF曲线图
a
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红外光波段的设计
• 修改为红外波段的玻璃材料
8－14μm可用a 的红外材料
9
CSI和NACL两种材料实现的 模拟系统
总长18mm 工作波长8－ 14μm的4片 式变焦镜头 结构图
a
10
仅用一种材料：锗
总长18mm 工作波长8－ 14μm的4片 式变焦镜头 结构图
a
11
仅用一种材料：锗
a
12