近代光学18-Nov 21st
超高性能双聚焦相机问世
超高性能双聚焦相机问世
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来源：《大自然探索》2022年第09期
美国物理学家富兰克林自60多岁时视力开始恶化，在工作和阅读时必须佩戴近视镜，而远眺时又不得不换上远视镜。
为此，他发明了能同时矫正近视和远视的双光眼镜，这种眼镜被人们沿用至今。
然而，早在几亿年前，三叶虫在成像方面就有更高级的“本领”。
现代昆虫的复眼中有几万只小眼，而三叶虫的一只眼睛中包含200多只复眼！三叶虫因此可同时聚焦于一近一远两个焦点，既能看清近距离游动的猎物，又能看清从远处接近的捕食者。
拍摄人像照片时，人们往往需要“大光圈”带来的浅景深，让照片背景模糊以突出主体。
但对获取数据而言，相机的景深则越大越好。
因此，能同时看清远处和近处的物体是最理想的状态。
近日，南京大学的科研人员从对三叶虫复眼的研究中获得启发，用超构表面透镜技术研发出一种具有双焦镜头的微型相机，该相机可以在单张照片上同時对3厘米以内和1.7千米以外的物体清晰成像。
近代光学测试技术
方法及应用： ○光扫描技术的其他应用；三维扫描技术；无定向激光扫描； 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 9．激光多普勒技术 基础原理： ●激光多普勒技术；激光多普勒测速技术原理及特点； 激光多普勒信号处理系统 ○流速方向判别和多维测量）； 方法及应用： ●激光多普勒技术的应用；管道内水流的测量；激光测量二相流；血液流动的研究 ○丙烷气火焰流速的测量；大气风速测量；固体表面速度的测量；振动的测量 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 10．光学纳米技术 基础原理： ●纳米传感技术；扫描测试系统；扫描隧道显微镜；原子力显微镜； 方法及应用： ●纳米测量技术的应用； ○纳米测量的几个问题 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 11．拓展知识 基础原理：： ●同步辐射光技术原理； 方法及应用： ●同步辐射光的应用 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定
大连海事大学 《近代光学测试技术》课程教学大纲
Syllabus for INTRODUCTION OF MODERN OPTICAL MEASURING & TESTING TECHNIQUE
近代光学系统设计概论
近代光学系统设计概论光学系统设计是光学工程中的重要领域，涵盖了光学元件的选择、光学系统的布局和参数优化等方面。
近代光学系统设计概论介绍了光学系统设计的基本原理和方法，旨在帮助读者了解光学系统设计的基本概念和技术，为实际应用提供指导。
一、光学系统设计的基本原理光学系统设计是利用光学原理和光学元件来实现特定功能的系统。
光学系统的设计过程包括确定系统的需求和约束条件、选择合适的光学元件、确定光学元件的参数以及优化整个系统的性能等步骤。
在设计过程中，需要考虑光学元件的色散、畸变、吸收、散射等因素，以及系统的像差、分辨率、透过率、干涉等性能指标。
二、光学系统设计的方法1. 光学系统布局设计：根据系统需求和约束条件，确定光学元件的相对位置和光路。
光学系统的布局设计需要考虑光学元件的尺寸、形状、材料等因素，以及系统的紧凑性、稳定性和可调性等要求。
2. 光学元件选择：根据系统的功能需求和性能指标，选择合适的光学元件。
常见的光学元件包括透镜、棱镜、光栅、滤波器等。
选择光学元件时需要考虑其色散特性、透过率、反射率、损耗等因素，以及成本和制造难度等因素。
3. 光学元件参数确定：确定光学元件的尺寸、曲率、折射率等参数。
光学元件的参数对系统的性能有重要影响，需要通过计算和模拟来确定最佳参数。
常用的方法包括光学设计软件、光学模拟软件等。
4. 系统性能优化：通过调整光学元件的参数和布局来优化系统的性能。
系统性能的优化可以通过改善像差、提高分辨率、增加透过率等方式来实现。
优化过程中需要考虑多个指标之间的权衡和平衡。
三、光学系统设计的应用领域光学系统设计广泛应用于各个领域，包括光学仪器、光通信、光储存、光刻、光学测量等。
例如，在光学仪器中，光学系统的设计是实现高清晰度、大视场、低畸变等性能的关键；在光通信中，光学系统的设计是实现高速传输、低衰减等要求的关键；在光刻中，光学系统的设计是实现高分辨率、高精度的关键。
四、光学系统设计的挑战和发展趋势随着科技的不断进步，光学系统设计也面临着新的挑战和机遇。
2021中国十大光学进展内容
2021年中国十大光学进展一、高性能光学元件在光学元件领域，我国取得了显著进展。
研究团队开发出新型光学薄膜，具有高透过率、高稳定性以及宽光谱范围等特点，为光学仪器和光电器件提供了高性能元件。
二、光学信息处理技术在光学信息处理领域，我国科研人员在光学计算、光学神经网络等方面取得了重要突破。
利用光学方法实现快速、高维度的信息处理，推动了光学信息技术的发展。
三、光学传感与测量光学传感与测量技术在我国取得了显著进展。
研究团队开发出新型光学传感器，具有高灵敏度、高分辨率和高实时性等特点，广泛应用于环境监测、生物医疗等领域。
四、光子晶体与光子集成电路在光子晶体和光子集成电路方面，我国科研人员取得了重要突破。
通过新型结构设计，实现了光子晶体的新功能和应用拓展。
同时，在光子集成电路方面，我国成功开发出高效、紧凑的光子集成器件。
五、超快光学现象我国在超快光学现象研究方面取得了一系列进展。
利用超快激光技术，实现了对微观粒子的瞬时行为进行观测和控制，为超快科学和技术的应用提供了有力支撑。
六、非线性光学效应在非线性光学效应方面，我国科研人员发现了新型非线性光学材料和器件，以及非线性光学效应在信息处理、激光控制等领域的新应用。
七、光学材料与制造技术我国在光学材料与制造技术方面取得了重要进展。
研究团队开发出新型光学材料，具有优异的光学性能和稳定性。
同时，在光学制造技术方面，我国成功实现了高精度、高效率的光学元件制造和加工。
八、生物医学光学成像在生物医学光学成像方面，我国科研人员利用光学成像技术，实现了对生物组织的无损检测和高分辨率成像。
该技术为生物医学研究和临床诊断提供了新的工具和方法。
九、光学遥感与探测我国在光学遥感与探测领域取得了一系列进展。
利用新型光学探测器和高精度跟踪技术，实现了对地球环境的遥感监测和目标探测，为环境保护、资源调查等领域提供了有力支持。
十、量子光学与量子信息在量子光学与量子信息方面，我国科研人员开展了深入探索和研究。
(translated)现代光学介绍
傅立叶分解在光学中 有重要作用.
这里，我们画一个方波作为具 有不同频率的正弦波的总和。
傅立叶变换可能是科学中最重要的公式。
它将一个时间的函数转换为频率的函数:? E(ຫໍສະໝຸດ ) 1 2
E(t) exp(i t ) dt
反变换几乎是采用同样的公式:
E (t )
E ( ) exp(i t ) d
“全反射” 是光纤产业的基础, 一个价值数十亿美元的产业。
光不仅是波，还是粒子。
照片用较暗的光看起来呈颗粒状的。
Very very dim Very dim Dim
Bright
Very bright
Very very bright
当我们探测非常弱的光时, 会发现光是由粒子组成，我们称之为光子。
光可以互相干涉.
“我用一块三角形玻璃棱镜， 来实验一下大家熟悉的颜色现象.“ (Newton, 1665)
Isaac Newton
Newton 把光学带到一个精确的水平。23岁时, 他做了著名的把光分 解为不同成分的谱的实验。在矛盾了很多年之后，他最终总结出光 的粒子学说，但是其他人不赞同。
18和19世纪光学: Euler 、 Young 和 Fresnel
这意味着光束可以互相穿过。
非线性光学产生了很多奇异的现象.
发送红外光到一个晶体中产生如右 所示的绿光：
非线性光学使我们可以改变光 的颜色, 在时间和空间上改变它 的形状, 并且可以用于测试量子 力学的基本原理。
超短激光脉冲是曾经创造的最短的 事件。
脉冲强度 vs. 时间 和脉冲频谱, 一个脉冲宽度只 有 4.5 x 10-15秒，即 4.5 飞秒：
Microwave
近代物理实验 (II)
纳米科技中的探针成像技术及应用
超高真空扫描隧道显微镜的学习和掺硼硅表面的研究
约瑟夫森效应实验的建设和研究
薄膜场效应管和氧化物薄膜制备
有机电致发光器件的制备和物性研究
非极性GaN 的物性和离子束改性研究
稀土离子掺杂ZnO: 晶格位置,光学磁学性质研究
教师讲授、学生在教师的指导下自主实验、师生交流讨论和报告考察
近代物理实验课程内容包含原子与分子物理、核探测技术及应用、激光与近代光学、真空技术与薄膜制备，X射线电子衍射和结构分析、磁共振、微波、低温与超导、半导体物理、非线性物理等领域的几十个独立实验项目和研究型前沿物理大实验课题。近代物理实验I主要在春季学期开课。学生在一学期内完成安排好的7个不同领域的独立实验项目。近代物理实验II主要在秋季学期开课。学生可以根据专业和兴趣选做近代物理实验I中没做过的凝聚态物理实验模块、激光实验模块、核与粒子物理实验模块或其它领域的7个独立实验。
开课院系
物理学院
通选课领域
是否属于艺术与美育
否
平台课性质
平台课类型
授课语言
中文
教材
近代物理实验（第四版）,吴思诚 荀坤 主编,高等教育出版社,2015,4,978-7-04-041830-9；
Experiments in Modern Physics, 2nd Edition,Adrian C. Melissinos, Jim Napolitano,Academic Press,2003,近代物理实验技术（I、II）,吕斯骅,高等教育出版社,1992,Atoms, Molecules and Photons: An Introduction to Atomic-, Molecular- and Quantum Physics,Wolfgang Demtroder,Springer,2013,
蔡司EVO18电镜技术说明
钨灯丝扫描电镜技术文件仪器型号：EVO 18目录附件一、品牌介绍附件二、设备用途附件三、技术指标附件四、供货范围附件五、计划进度及培训附件六、环境要求附件七、质保及其它服务附件一：聚焦·CARL ZEISS世界可见光及电子光学的领导企业----德国蔡司公司始创于1846年。
其电子光学前身为LEO（里奥）,更早叫Cambridge（剑桥）和Zeiss。
积扫描电镜领域40多年及透射电镜领域60年的经验，ZEISS电子束技术在世界上创造了数个第一：•第一台静电式透射电镜(1949)•第一台商业化扫描电镜(1965)•第一台数字化扫描电镜(1985)•第一台场发射扫描电镜(1990)•第一台带有成像滤波器的透射电镜(1992)•第一台具有Koehler照明的200kV 场发射透射电镜(2003)•第一台具有镜筒内校正Omega能量滤波器的场发射透射电镜(2003)CARL ZEISS其前瞻性至臻完美的设计融合欧洲至上制造工艺造就了该品牌在光电子领域无可撼动的王者地位。
自成立至今，一直延续不断创新的传统，公司拥有广泛的专有技术，，随着离子束技术和基于电子束的分析技术的加入、可为您提供钨灯丝扫描电镜、场发射扫描电镜、双束显微镜(FIB and SEM)、透射电子显微镜等全系列解决方案。
其产品的高性能、高质量、高可靠性和稳定性已得到全世界广大用户的信赖与认可。
作为全球电镜标准缔造者的CARL ZEISS将一路领跑高端电镜市场为您开创探求纳米科技的崭新纪元。
Carl Zeiss SMT下属的纳米技术系统部在北京，上海，广州，鞍山设有营销公司和维修服务站，致力于蔡司电镜的技术咨询，销售和售后服务工作。
附件二：设备主要用途扫描电镜是以电子束作为光源，电子束在加速电压的作用下经过三级电磁透镜，在末级透镜上部扫描线圈的作用下，在试样表面做光栅状扫描，，产生各种同试样性质有关的物理信息（如二次电子，背反射电子），然后加以收集和处理，从而获得表征试样形貌的扫描电子像。
光学镜头发展历史
光学镜头发展历史
光学镜头的发展历史可以追溯到古代，但真正意义上的光学镜头是在17世纪和19世纪得到显著发展的。
17世纪初，荷兰科学家约翰尼斯·开普勒提出了透镜的原理，并利用这一原理发明了望远镜。
这种望远镜由两个透镜组成，一个凸透镜和一个凹透镜，其作用是将远处物体的光线聚焦在眼睛上，从而实现了远距离的观测。
这一发明对天文学领域的发展产生了深远的影响。
19世纪中叶，光学镜头得到了进一步的改进和发展。
德国科学家卡尔·蔡司在19世纪中期发明了一种新的双重透镜组合，将两个凸透镜和两个凹透镜组合在一起，使得透镜的性能得到了显著的提升。
这种组合被称为“蔡司镜片”，它极大地提高了光学镜头的质量和效率，成为了现代光学镜头的基础。
随着光学技术的不断发展和进步，光学镜头在20世纪得到了更广泛的应用和更深入的研究。
各种新型的光学材料和制造技术不断涌现，推动了光学镜头在多个领域的应用。
如今，光学镜头被广泛应用于摄影、摄像、科研、医疗等领域，为人们的生活和工作带来了极大的便利。
此外，值得一提的是，随着数字化时代的到来，数字成像技术也得到了迅速的发展。
数字相机、数字摄像机等数字化设备逐渐取代了传统的胶片相机和摄像机，这也推动了光学镜头在数字化时代的应用和发展。
总的来说，光学镜头的发展历史是一个不断探索和创新的过程。
从古代的天文观测到现代的数字化成像技术，光学镜头的发展历程展现了人类智慧和技术的不断进步和创新。
折叠型超薄光学镜头设计
折叠型光学系统的本质是一种共轴多次反射系统，类似 于卡塞格林系统、共轴三反、四反系统等。但与上述系统的 不同点在于，折叠光学系统的多个反射面加工在同一基底的 两个表面。其形式主要有两种：一种是光路在基底内部反 射，所有表面加工在同一个基底的两侧；另一种是光路在基
收稿日期：2021-01-16
3.1 非球面类型选择 本系统拟采用 Q-type 非球面 [4，5] 对折叠光学系统各个 环带的反射面进行设计。Q-type 非球面包含两种不同的形 式：Qbfs 型和 Qcon 型，本系统拟采用 Qbfs 型非球面。Qbfs 型 非球面通过对最接近拟合表面的 RMS 斜率偏移量进行表征， 其公式为：
综合考虑以上因素，Q-type 非球面相比于传统偶次非球 面的优势为：
（1）Q-type 非球面能够提供相对其最接近球面在面法 线方向偏离的 RMS 斜率，为表面的可检测性提供了有意义 的量化，使光学设计师能够在设计过程中通过表面参数对表 面斜率进行控制，避免出现加工难度较大的表面。
（2）Q-type 非球面采用正交化的 Jacobi 多项式表征面 型，相比于非正交的非球面多项式表征方式，能够避免出现 在面型优化过程中产生多个解的情况，降低多项式之间的冗 余干扰，能有效提升面型优化速度。
（c）场曲和畸变
图 4 折叠光学结构与双高斯结构对比 采用折叠光学结构与双高斯结构的两个光学系统的部分 光学和尺寸参数对比情况如表 2 所示。 通过对比可以发现，折叠光学结构能有效降低光学系统 使用的镜片数量，且占用空间极小。其光学系统总长不足同 性能传统镜头的三分之一，能够应用于对空间要求极为严格 的场合。
环形孔径的折叠型超薄光学系统是将多个非球面反射面 加工在单一基底的多次反射系统上 [2]，光线由环形孔径进入 该光学系统，再经过一系列的同轴环形非球面反射聚焦在像 面上。此类光学镜头可以在有限厚度和体积内得到较长的焦 距，可以极大减小系统的轴向空间，且最少只采用一个光学 镜片，对于实现光学系统轻量化有重要意义。本文采用折叠 型光学结构，设计了一个超薄单片式光学镜头，适用于一些 对体积和重量有着严格要求的应用场合。
中国光学近代化进程考察
中国光学近代化进程考察作者：钱振华崔馨来源：《北京科技大学学报(社会科学版)》2016年第06期〔摘要〕薄珏是中国明末清初卓越的学者和发明家，以精通天文、历法、声律，制造望远镜、火炮及奇巧机械知名。
而且在中国最早独立研制成“千里镜”（即望远镜），首创并最先用于军事指挥。
文章主要对中国制造望远镜第一人薄珏进行研究及对其生平进行梳理，就其成就的社会影响因素进行具体分析，重点从军事、经济、政治、文化等处入手，从中见出军事、经济、文化、政治对科学技术发展的促进作用。
〔关键词〕薄珏；社会影响因素；科学技术美国著名科学哲学家库恩曾指出：“人们所熟悉的科学活动（如光学、化学、电磁学的研究）的主要根基不在于学识渊博的大学传统，而往往在于已有的技艺之中，它们全部严格依赖于往往由工匠们帮助引进新的科学实验程序和新的仪器”。
①中国明末清初时期是中国科学技术快速发展时期，是中国科学发展史上的重要时期，各个领域均有大幅发展创新。
薄珏作为中国明末清初卓越的学者和发明家代表，其光学成就斐然。
李约瑟曾在《中华科学文明史》中称赞薄珏为中国17世纪前半叶时期的杰出的光学仪器的能工巧匠，并肯定了其是世界几位独立制造的科学家之一及是用望远镜给炮兵做瞄准的第一人。
那么，深受中国传统工匠文化浸染的薄珏，又恰逢“西学东渐”之风的洗礼，这对其科技成就的影响是怎样的？而薄珏最后又如何淹没在科学近代化的进程中，没能成为光学史上与西方同时代的伽利略、牛顿等比肩的科学大师，其深层的社会原因又是什么？本文根据默顿命题的思路，从社会学角度考察薄珏发明取得成功的因素，可以为现如今的科技创新提供借鉴、警示作用。
一、薄珏望远镜的发明过程及历史地位薄珏②作为中国明末清初时科学家的典型代表，清朝邹漪编纂《启祯野乘》载《薄文学传》③中记载：其人精通天文、历法、声律，善造仪器、机械，且著作甚富。
④十分可惜的是这些著作大都没有留传于世。
在机械制造方面，记载：“又造水车、水铳、地弩、算筹、负担等器，皆逸而功多者”，并创“手仪”观测天体。
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Linear to Circular Polarization
If linearly polarized light is incident on a quarter-wave plate at 45° to the optic axis, then the light is divided into two equal electric field components. One of these is retarded by a quarter wavelength by the plate. This produces circularly polarized light. Incident circularly polarized light will be changed to linearly polarized light.
d = 13.7 mm
This is so thin that it is very fragile and very difficult to manufacture.
Multi-order wave plates
A multi-order wave plate has more than 2 relative phase delay. We can design a twentieth-order quarter-wave plate with 20¼ waves of relative phase delay, instead of just ¼:
2
no ne d 40
2
d
Байду номын сангаас
41 d 41 d zero order 4 no ne
d = 561 mm
This is thicker, but it’s now 41 times more wavelength dependent! It’s also temperature dependent due to n’s dependence on temperature.
Solve for d to find the thickness of a zero-order quarter-wave plate:
2
no ne d
2
d
d
4 no ne
Using green light at 500 nm and quartz, whose refractive indices are ne – no = 1.5534 – 1.5443 = 0.0091, we find:
(c) (a) and (b) are parallel to the optic axis while (c) is perpendicular.
Collinear, perpendicularly polarized
Incoherent: I=I1+I2 Coherent More complex and more interesting
d1
d2
1 1 2 2 2 exp i no ne d1 i ne no d 2 exp i no ne d1 d 2
First plate Second plate
Now, as long as d1 – d2 is equal to the thin zero-order wave plate, this optic behaves like the prohibitively thin one! This is ideal.
Parts are only 10mm across!
Surfaces parallel and perpendicular to the optic axis
(a) (b)
........................ . . . . . . . .. . . . . . .. . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . .
(1) Full-wave plate(波长片或片)
当
2
(no ne )d 2k ,
(k 1, 2)
即
k d 时,称为波长片. no ne
(2)二分之一波片(或/2片) 当
2
(no ne )d (2k 1) ,
Half Wave Plate
The half wave plate can be used to rotate the polarization state of a plane polarized light A plane-polarized wave is normally incident on a wave plate, and the plane of polarization is at an angle with respect to the fast axis. After passing through the plate, the wave has been rotated through an angle 2θ.
Wave plate is a biaxial crystal sheet of which optical
axis is on the crystal surface. When light is incident
perpendicular onto the wave plates, the birefringence
A Really Cool Application: Light-Driven Micro Machines
Fact 1: Small particles are attracted to regions of high E field gradient (induced dipole force) → laser “tweezers”
Polarization Control of Laser Beams: Half-Wave Plate
Half-wave plates are used to rotate the polarization of linearly polarized light. Quarterwave plates are used to convert circular to linear polarization and vice versa.
Unpolarized input light 45° Polarizer
±45° Polarizer
Quarter wave plate (QWP)
Additional QWP and linear polarizer comprise a circular "analyzer." 45° Polarizer
Circular polarizers
A circular polarizer makes circularly polarized light by first linearly polarizing it and then rotating it to circular. This involves a linear polarizer followed by a quarter wave plate
E-field variation over time (and space)
y
E-field variation over time (and space)
y
x
a
x
E-field variation over time (and space)
y
x
kz-wt = 90°
kz-wt = 0°
Wave Plates
(2k 1) 时,称为二分之一波片. 即 d (no ne ) 2
(3)四分之一波片 (或/4片)
2
(no ne )d (2k 1)
2
,
(2k 1) 时,称为四分之一波长片. d no ne 4
同一种波片可以有不同的厚度. 此外,波片的厚度还与波长有关.
QWP
QWP
45° polarized light
Circularly polarized light
-45° polarized light
Other circular polarizers
Use phase shift for total internal reflection 45° over broad range of angles Two reflections give 90° Converts linear to circular polarization
does not change the beam propagation direction. The birefringence introduces phase sheep between the e-
and o- polarized beam. The phase shift is:
2 (no ne )d /
Fact 2: Because birefringent crystals convert linear ↔ circular polarization, they acquire angular momentum → rotation Uses: Biophysics: Manipulating DNA, proteins, etc. Microscopic fluid pumps