工程光学第九章教学教材
工程光学与技术完整课件
天体
遥远的距离
观察者
任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成
1、本身发光。 2、反射光。
因此研究物体成像时，可以用某些特征点的 成像规律来推断整个物体的成像。
二 光线
发光点向四周辐射光能量，在几何光 学中将发光点发出的光抽象为带有能 量的线，它代表光的传播方向。
的深度与入射角i 的关系。
（注：水相对空气的折射率为n 4 3）
§1-3 全反射和光路可逆
全反射现象
n n'
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。
由公式 nsinIn'sinI' 可知，若： nn
则： sinIsinI'
即折射光线较入射光线偏离法线
θC
n1
n2
Incident beam Reflected beam Refringent beam
将上式代入 sin I
并设
sin I ' nab
na n, nb n
有： nsinIn'sinI'
真空折射率为1，在标准压力下，20摄氏度时空气折射 率为1.00028，
通常认为空气的折射率也为1，把其他介质相对于空 气的折射率作为该介质的绝对折射率。
提示：但是在设计高精度的太空中的光学仪器 时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。
大于临界角时，就发生全发射。
na
i0
S
n' B
n
i '0 2 i'0
A
根据折射定律，又有： nasini0nsini'0
《工程光学》-物理光学-课件
第一节 光的电磁性质 三、球面波（点光源）和柱面波（线光源） A 1、球面波 E＝ exp[i( kr t )] r ~ A 发散的球面波： E ＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的球面波： E ＝ e xp(ikr ) r A i( kr t )] 2、柱面波 E＝ e xp[ r ~ A 发散的柱面波： E＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的柱面波： E＝ e xp(ikr ) r
2 2
z z 令 ＝ t , t，则有 v v z z z z E＝f1 ( t ) f 2 ( t )，和 B＝f1 ( t ) f 2 ( t ) v v v v
第一节 光的电磁性质 （一）波动方程的平面波解
z z z z E＝f1 ( t ) f 2 ( t ) f1 和 f2 是以( t )和( t ) v v v v z z 为变量的任意函数。 B＝f1 ( t ) f 2 ( t ) v v z z f1 ( －t )表示沿 z轴正向传播， f 2 ( ＋t )表示沿 z轴负向传播。 v v z 取正向传播：E＝ f1 ( t ) －－行波的表示式。 v 源点的振动经过一定的时间 z B＝f1 ( t ) 推迟才传播到场点。 v
第一节 光的电磁性质 （二）平面简谐电磁波的波动公式
沿空间任一方向 k 传播的平面波的波动公式：
E＝A cos(k r t ) E＝A cosk x cos y cos z cos t
x P(x,y,z) k
平面波的复数形式： E＝A e xp[ i( k r t )] 复振幅： ~ E＝A e xp( ik r )
2 E 2 结果： E 2 0 t 2 B 2 B 2 0 t
工程光学第九章课件
*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
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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。
工程光学第三版下篇物理光学第九章光的电磁理论基础课后习题答案
第九章光的电磁实际根底zc141.一个立体电磁波能够表现为E0,E2cos[2 10( t)],E0,求(1)该 z2x y电磁波的频率、波长、振幅跟原点的初相位？〔２〕拨的传达偏向跟电矢量的振动偏向？ 〔３〕响应的磁场Ｂ的表白式？ z 解：〔1〕立体电磁波EAcos[2(t) , ] c146310m 。
对应有A2,10Hz,2〔2〕波传达偏向沿z 轴，电矢量振动偏向为 y 轴。
B 与E 垂直，传达偏向一样，∴ByBz0〔3〕 8EyCEy610[21014(zcBxt) ] 2z E y 0,E0,E10cos1015( 2t)，２.在玻璃中传达的一个线偏振光能够表现z x0.65c试求〔1〕光的频率跟波长；〔2〕玻璃的折射率。
z z 2 15解：〔1〕EAcos[2(t) ]10cos[10( t)]c 0.65c1514∴210v510Hz72/k2/0.65c3.910mncv31081.54c〔2〕n3.910751014n3.在与一平行光束垂直的偏向上拔出一片通明薄片， 薄片的厚度h0.01mm ,折射率n=1.5,假定光波的波长为500nm ,试盘算通明薄片拔出前后所惹起的光程跟相位的变更。
解：光程变更为(n1)h0.005mm0.0051062 500相位变更为2 20(rad)4.地球外表每平方米接纳到来自太阳光的功率为 1.33kw,试盘算投射到地球外表的太阳光的电场强度的巨细。
假定太阳光收回波长为 600nm 的单色光。
1 21 2 IA 2cA 2 0解：∵1 22I 3∴A()10v/mc 085.写出立体波E100exp{i[(2x3y4z)1610t]}的传达偏向上的单元矢量 k。
解：∵EAexp[i(kr t)]krkxkykz xyzk x 2,k y 3,k4zkkxkykz2x3y4z 0 x 0 y 0 z 0 0 02 3 4 k 0x 0y 0z 02929296.一束线偏振光以45度角从氛围入射到玻璃的界面， 线偏振光的电矢量垂直于入射面，试求反射系数跟透射系数。
工程光学课程教案设计模板
一、课程基本信息1. 课程名称：工程光学2. 学时安排：共计XX学时，每周XX课时3. 教学对象：XX年级XX专业学生4. 教学目标：（1）使学生掌握工程光学的基本原理和基本概念；（2）培养学生运用光学知识解决实际工程问题的能力；（3）提高学生的创新意识和团队协作能力。
二、教学内容1. 光学基本原理（1）光的传播规律（2）光的反射与折射（3）光的干涉与衍射（4）光的偏振2. 光学仪器（1）光学元件（2）光学系统（3）光学仪器的设计与制造3. 光学在工程中的应用（1）光学成像技术（2）光学检测技术（3）光学传感技术（4）光学信息处理技术4. 课程设计（1）望远镜的组装（2）Zemax：设计一大相对孔径望远镜物镜，像差校正到0三、教学进度安排1. 第一周：光学基本原理2. 第二周：光的传播规律3. 第三周：光的反射与折射4. 第四周：光的干涉与衍射5. 第五周：光的偏振6. 第六周：光学元件7. 第七周：光学系统8. 第八周：光学仪器的设计与制造9. 第九周：光学成像技术10. 第十周：光学检测技术11. 第十一周：光学传感技术12. 第十二周：光学信息处理技术13. 第十三周：课程设计（望远镜的组装）14. 第十四周：课程设计（Zemax：设计一大相对孔径望远镜物镜，像差校正到0）四、教学方法与手段1. 讲授法：系统讲解工程光学的基本原理和基本概念。
2. 案例分析法：结合实际工程案例，引导学生分析光学问题。
3. 实验教学法：通过实验操作，使学生掌握光学仪器的使用方法。
4. 讨论法：组织学生讨论光学在工程中的应用，激发学生的创新意识。
5. 网络教学资源：利用网络资源，拓宽学生的视野。
五、考核方式1. 平时成绩：课堂表现、作业完成情况等，占总成绩的30%。
2. 期中考试：测试学生对工程光学基本原理的掌握程度，占总成绩的30%。
3. 课程设计：评价学生在课程设计中的实际操作能力和创新意识，占总成绩的20%。
工程光学第九章参考 共148页
(3)推广到三维
x
z k
Q r
沿任一波失k方 向传播的单色 平面波！
P
r
y
(P)(Q)
zk r k (r Q ) k x x t k ky ry k 0 z z
三角函
数表示
E (r,t) E E 00ccoo ω ss(Q (t)krE 0c0o) s(P)
波动方程
其中： v 1
介质中光速
c 1
0 0
nc v
rr
真空中光速
对弱磁性介质： r 1 此时有： n r
五、光电磁场的能流密度
光作为电磁波，在传播中一定有电磁能量的传播，
因密此度，——为玻了印为亭了矢描量述电磁。能S量的传播，引入能流 SEH
大小：通过垂直于光传播方向上单位面积的能量。
空间周期性：
(空间圆频率)
(空间周期)、1 (空间频率)、 k
联系： vT v
(2) 复指数表示与复振幅 E (z,t)e ˆE 0e ieˆE0ei(tkz0) eˆE0ei(k z0) eit
复振幅： E ~e ˆE0ei(k z0)
在处理干涉和衍射问题中单色光波场的叠加 时，用复振幅进行处理既可简化运算，又可 突出影响结果的振幅和空间相位因子。 复指数表示可简化运算，如：
E(r,t)Er0cost(kr0)
Er,t
E e 0 i(tkr0) r
E~
E e 0 i(kr0) r
五、高斯光束(基模)
由激光器产生的激光束既不是上面讨论的均匀 平面光波，也不是均匀球面光波，而是一种振 幅和等相位面都在变化的高斯球面光波，亦称 为高斯光束。在由激光器产生的各种模式的激 光中，最基本、应用最多的是基模高斯光束。
全套课件 工程光学--王红敏
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三、物像的虚实
12
四、物像的相对性
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§2 共轴球面光学系统
§2.1 符号规则
1、常用符号：
n
I
n
n 、n’ ——折射率
y
h
I
r ——球面的曲率半径 y—— 物体的大小 y’—— 像的大小
U
U
o
r
y
I——光线的入射角
L
L
I’——光线的折射角
L——物体到折射面或反射面的距离（物方截距）
图2-1 共轴理想光学系统
（3）垂直于光轴的物平面，它的共轭像平面也必然垂直于光轴； （4）垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像的几何形状与物相似，也就是说 在整个物平面上无论哪一部分，像与物的大小之比等于常数。这一常数称为垂轴 放大率β； 利用共轴理想光学系统的这一性质，在通过仪器观察到的像来了解物时总是使
线成像为直线、平面成像为平面。这种点对应点、直线对应直线、平面对 应平面的理论称为共线成像理论。
2．共轴理想光学系统理论
对于共轴光学系统，由于其轴对称性，所成的像还有如下的性质： （1）位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位于光轴上； （2）位于过光轴的某一个截面内的物点对应的共轭像点必位于其共轭像 面内；由于过光轴的任意截面的成像性质都是相同的，可以用一个过光轴的 截面来代表一个共轴光学系统，如图2-1所示；
a<0，物体沿光轴移动时，像总是以相反方向移动。 通过球心的光线沿原光路反射。 反射球面镜的焦距等于球面半径的1/2。
23
§2.4 共轴球面系统的成像
24
1. 过渡公式
n2 n1 , n3 n2 , , nk nk 1 u2 u1 , u3 u2 , , uk uk 1 y2 y1 , y3 y2 , , yk yk 1
工程光学课程教案模板范文
课程名称：工程光学适用班级：光信息科学与技术专业二年级学生主讲教师：[教师姓名]职称：[教师职称]教学时间：[具体教学时间]教学地点：[具体教学地点]教学目标：1. 了解工程光学的基本概念、原理和方法。
2. 掌握光学系统设计的基本原则和计算方法。
3. 学会使用光学仪器进行实验操作和分析。
4. 培养学生的实验能力和创新思维。
教学内容：一、光学基本原理1. 光的传播2. 光的反射与折射3. 光的干涉与衍射4. 光的偏振二、光学系统设计1. 光学系统的组成与分类2. 光学系统设计的基本原则3. 光学元件的选择与计算4. 光学系统的调试与优化三、光学仪器与实验1. 光学仪器的结构、原理与应用2. 光学实验的基本操作与注意事项3. 常用光学仪器的使用方法4. 光学实验报告的撰写教学过程：一、导入1. 结合实际应用，介绍工程光学的研究领域和重要性。
2. 引导学生思考光学在日常生活、科技发展中的作用。
二、讲解1. 详细讲解光学基本原理，结合实例说明。
2. 讲解光学系统设计的基本原则和计算方法，使学生掌握光学设计的基本思路。
三、实验操作1. 介绍常用光学仪器的结构、原理和应用。
2. 指导学生进行光学实验操作，培养学生的实验能力。
3. 分析实验数据，引导学生思考光学现象背后的原理。
四、讨论与交流1. 组织学生讨论光学设计中的实际问题，培养学生的创新思维。
2. 鼓励学生提出问题，共同解决实验过程中遇到的问题。
五、总结与拓展1. 总结本节课所学内容，强调重点和难点。
2. 拓展光学在其他领域的应用，激发学生的学习兴趣。
教学评价：1. 实验操作考核：检查学生是否掌握了光学实验的基本操作。
2. 实验报告考核：评价学生的实验数据分析和报告撰写能力。
3. 课堂表现考核：观察学生在课堂上的参与度和思考深度。
教学资源：1. 教材：《工程光学》2. 光学仪器：显微镜、望远镜、放大镜等3. 多媒体课件：工程光学相关视频、图片等备注：1. 教师应根据学生实际情况调整教学内容和进度。
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➢ 1．视度调节
➢
远近不同的其他物体，物距不同，则不会成像在视网
膜上，这样我们就看不清。
➢
要想看清其他的物体，人眼就要自动地调节眼睛中水晶体的焦距，使像 Nhomakorabea在视网膜上。
➢ 眼睛自动改变焦距的过程称为眼睛的调节。
6/18/2020
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➢ 正常人眼在完全放松的自然状态下，
➢ 无限远目标成像在视网膜上，即眼睛的 像方焦点在视网膜上。
细胞，锥状细胞直径约5微米，长约35微米；杆状细胞直径约2微米
，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处
是锥状6/1细8/20胞20的密集区而南没京有工杆程状学细院自胞动，化由学中院心向外，逐渐相对变4 化；
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。
晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体
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人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
1.376
前室
1.336
晶状体
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
视轴
光轴
盲斑
后室 1.336
眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物
体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。
工程光学第九章
人眼的构造剖视图
巩膜 角膜
脉络膜
*巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；
*角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；
眼睛内的折射主要发生在角膜上；
*脉络6/膜18/是202眼0 球的第二层膜南，京上工面程有学供院给自眼动睛化营学养院的网状微血管；
2
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜
巩膜
角膜
光 视神经细胞
神经纤维
盲斑
大脑
盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。
晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，
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人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
晶状体
盲斑
似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高
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➢ 眼睛的视场很大，可达150˚，但只有黄斑附近才能清晰识别， 其他部分比较模糊， 所以能看清物体的角度范围为6 ~ 8˚。
➢ 从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视网膜和瞳孔。
➢眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：
➢ 人眼 水晶体
↕ ➢ 照相机
↕ 镜头
➢
在观察近距离物体时，人眼水晶体周围肌肉
收缩，使水晶体前表面半径变小
➢
眼睛光学系统的焦距变短，后焦点前移，
从而使该物体的像成在视网膜上。
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➢ 当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛 所能看清的最远的点称为远点，其相应
的距离称为远点距，以 r 表示（米）
➢ 当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能 看清的最近的点称为近点，其相应的距离称
为近点距，以 p 表示（米）
➢ 正常眼睛的远点距为负的无限远，非正常眼睛（远 视或近视）的远点距为一正/负的有限值。
➢ 这里必须指出，近点距离并不是明视距离
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➢ 后者是指正常的眼睛在正常照明
（约50勒克斯）下最方便和最习惯 的工作距离，它等于250mm。
➢ 它不同于人眼的近点距，两者不能混淆
➢ 人眼的调节能力是用远点距r的倒数和近点距p的倒 数之差来描述，用A来表示，即
A1 1 RP rp
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➢ 当人眼观察在调解范围内的某一距离l处的物 体时，它总能清晰地成像在视网膜上。
➢ A称为眼睛的调节范围或调节能力。
➢ 如果 l 的单位为米，则其倒数称为视度，单位为屈光度
成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌 能6/1改8/2变020晶状体的表面南京曲工率程，学使院人自动眼化在学看院远近不同的物体时6，
人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
前室
晶状体
盲斑
总能将像成在网膜上。
后室
角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液；
➢ 适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生 的变态过程，可分为对暗适应和对光适应两种，前 者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在自黑 暗处到光亮处的时候。
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三、眼睛的缺陷和矫正
正常眼在肌肉完全放松的自然状态
下，能够看清楚无限远处的物体，
即远点应在无限远（R = 0），
像方焦点正好和视网膜重合
F'
若不符合这一条件就是 非正常眼，或称视力不正常
视网膜
↕ 底片
瞳孔
↕ 光阑
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➢ 人眼相当于一架照相机，它可以自动对目标调焦
➢照相机中，正立的人在底片上成倒像， 人眼也是成倒像
➢但我们感觉为什么还是正立的？
➢这是视神经系统内部作用的结果。
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二、眼睛的调节
➢ 眼睛有两类调节功能：视度调节 和瞳孔调节。
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➢ 2．瞳孔调节（适应特性）
➢ 人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。
➢ 这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情 况适应的过程 称为适应（即为瞳孔的调节）。
➢ 眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼 睛的进光亮（2mm~8mm)。在设计目视光学仪器 时要充分考虑与眼瞳的配合。
SD 1 l
➢ 如观察眼前10米的物体，对应的视度为
SD1 0.1 屈光度。 l
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R ➢ 远点距倒数
称为远点视度，
r
1 P ➢ 近点距倒数
称为近点视度。
p
➢ 在医院和眼镜店通常把1屈光度称为100度。
➢ 人眼的调节能力随年龄的增加而变化。
➢ 随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往近移， 因而调节范围减少。
脉络膜
*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；
*瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹
膜肌肉能使瞳孔的直径在2~8mm范围内变化；它是人眼
的孔6径/18/光2020阑。
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人眼的构造剖视图
瞳孔 虹膜 角膜
巩膜
网膜 脉络膜 黄斑中心凹
*网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状