天津大学光学工程光学设计习题ppt课件
光学设计光学PPT教案
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引起光感觉的最小亮 度和最低光出射角度
应用：隧道路灯照明
明适应的时间较短，通常为10-3 s-2 min 暗适应的时间较长，通常为20分钟到一个小时
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3 光度学基础
3.1 辐射度学与光度学 3.2 辐通量与光通量 3.3 发光强度 3.4 亮度 3.5 光出射度 3.6 照度 3.7 发光效率 3.8 各个物理量的关联
通量。 单位：流明/球面度（lm/sr）或坎德拉
（cd）。
Iv
d v d
坎德拉是国际单位制（SI）的基本单位，等于一个发射 频率5.4X1014Hz（555nm）的单色光，辐射强度为 1/683(W/sr)的光源的发光强度。
注意：发光强度的概念不能直接应用于不可看作为点
光源的众多光源。
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2 人的视觉
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视神经乳头
中央凹
（最敏感的地方）
黄斑
（密集着椎体细胞的 区域，颜色呈黄色）
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（ 盲视 点神 ）经
盘 （ 视 神 经 乳 头 ）
杆体细胞
锥体细胞
锥体与杆体细 胞的混合系统 双极细胞
神经节 细胞
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2 人的视觉
光线进入人眼的视网膜,杆状细胞和锥状细胞起作用。 杆体细胞和锥体细胞经电化学作用产生脉冲信号。 脉冲信号通过视神经传送到大脑。 从而产生视觉效应，使人们能看到物体。
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1.3.2 辐通量与光通量
International Commission on Illumination （国际照明委员会），简称 CIE
工程光学第二章资料PPT课件
n1rr2
f
置于其他介质中
1(n1)(11)1
f' n0 r1 r2
f
工程光学
例：一双凸透镜的两面表半径分别为r1 50mm,r2 50mm, 求该透镜位于空气中浸和没水（n0 1.33)中的焦距分别为 多少？（透镜材料折率射n 1.5) 解：位于空气中时
1(n1)(11)（ 1.51)(1 1 )1
2.3理想光学系统的图解求像
工程光学
3.已知一对共轭点的位置和像方焦点的位置，求物像 方主平面的位置和物方焦点的位置。
2.4物像位置和三种放大率、两种焦距和光焦度工 程 光 学 一、理想光学系统的物像位置关系和垂轴放大率β
牛顿公式
物距x 像距x’
以焦点为原 点来确定x、 x’的值。
2.4物像位置和三种放大率、两种焦距和光焦度工 程 光 学
（2）物在2倍物方焦距处，像为等大倒立的实像
2.4物像位置和三种放大率、两种焦距和光焦度工 程 光 学 （3）物与物方焦面重合时
（4） 物与H重合
2.4物像位置和三种放大率、两种焦距和光焦度工 程 光 学
y' l'
yl
2.4物像位置和三种放大率、两种焦距和光焦度工 程 光 学 正透镜成像（图中移动的黑线为物，红线为像）
l
' F
h3
u
' 3
f
'
h1
u
' 3
工程光学
2.5光学系统的组合 各光组对总光焦度的贡献
工程光学
每个光组对总光焦度的贡献，除与自身的光焦度有关 外，还与它在系统中的位置有关。与前面得到的结论 一致。
2.5光学系统的组合
工程光学
郁道银工程光学天津天大蔡怀宇54视频赠ppt讲义典型光学系统6 11chap6-4
简介本文档将通过郁道银工程光学天津天大蔡怀宇54视频的赠ppt讲义典型光学系统6 11chap6-4，详细介绍该光学系统的结构、原理和应用。
该光学系统是典型的工程光学系统，在实际的工程应用中有着广泛的应用价值。
光学系统的结构光学系统由多个光学元件组成，其中包括透镜、反射器、光学窗口等。
这些光学元件按照一定的顺序排列，形成一个完整的光学路径。
光线从光源经过光学系统的各个光学元件，最终汇聚到焦点或者形成所需的光斑。
对于典型的光学系统6 11chap6-4，其结构如下所示：光学系统结构图光学系统结构图该系统包括透镜L1、透镜L2、光学窗口W1和光学窗口W2。
光线从左侧的光源射入光学系统，经过透镜L1和L2的折射后，通过光学窗口W1抵达光学系统的输出端，最终到达光学窗口W2。
光学系统的原理光学系统的原理主要通过光学元件对光进行折射、反射和衍射等处理来实现。
透镜是最常见的光学元件之一，其主要作用是通过折射来聚焦光线。
透镜的折射效果是根据菲涅尔公式和斯涅尔定律来计算的。
在光学系统6 11chap6-4中，透镜L1和L2起到了聚焦光线的作用。
透镜的焦距决定了光线经过透镜后的汇聚效果。
通过控制透镜L1和L2的参数，可以达到所需的光学效果。
另外，光学窗口W1和W2在光学系统中起到保护透镜和光学元件的作用。
它们通常由透明材料制成，具有较好的透光性能和物理强度。
光学系统的应用光学系统在工程领域中有着广泛的应用。
光学系统能够将光线聚焦到微小的光斑上，从而实现高分辨率成像。
这一特性使得光学系统在光学测量、成像、通信等领域中得到了广泛的应用。
在光学系统6 11chap6-4中，该系统可能用于实现光学测量或者成像。
通过调整透镜L1和L2的参数，可以实现对光线的精确聚焦，从而得到清晰的成像效果。
同时，在系统设计中，要考虑光学窗口W1和W2的选择，以保证光线的传输质量和系统的稳定性。
此外，光学系统还可以应用于激光器、放大器、扫描仪等光学设备中。
天津大学 工程光学 01光的电磁理论1
v 2 t2
z 2 v 2 t2
求解方程得
E＝ f1(vzt)f2(vzt)
2、解的意义：
E＝f1(
z v
t)
f2
(
z v
t)
B＝f1(
z v
t)
z f2(v
t)
f1和f2
是以( z t)和( z t)
v
v
为自变量的任意函数。
f1(v z－ t)表示 z轴沿 正向 f2(v z＋ 传 t)表 播 示 z轴 ， 沿 负向传
二、物质方程（描述物质在场作用下特性的方程）
基本物理量 D E
B H
欧姆定律： j E
介电常数
磁导率
电导率
电磁场所在 物质的性质
麦克斯韦方程组
物质方程
描述时变场情况下电磁场普遍规律
三、电磁场的波动性
（一）、电磁场的传播 随时间变化的电场在周围空间产生一个涡旋磁场 随时间变化的磁场在周围空间产生一个涡旋电场
工程光学（下）
• 平时 20%
– 作业、课堂测验等
• 期末 80%
参考书
• Born，Wolf • 《光学原理》
参考资源
我
光学史简介
• 光是什么？ • 光行为如何？ • 光有什么用处？ • 如何实现？
• 直线传播 • 反射定律 • 折射定律
几何光学
• 费马 最小时间原理
《过去2000年最 伟大的发明》 100个
位移电流－电场的变化
变化的磁场产生涡旋电场 变化的电场产生涡旋磁场 后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。
3、麦克斯韦方程组的微分形式
微分形式：
•D
•B 0
E B t H j D
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ppt课件
光学设计方法
光学设计方法随使用工具的更新而改变面貌。使用电子计算机之前的方法统称 为“手工”设汁法。那时主要通过追迹光线，计算像差和逐次修改结构参数使之 接近使用要求的方法来做设计。 电子计算机的使用，使得对光学系统(特别是复杂 系统)的分析计 算更加完善了，进而使光学自动设计逐步发展起来。
任何光学系统都不可能把所有各种像差都校正到理想。所以，设计时我们应 该根据像差理论对系统提出尽量合理的像差要求。即使是利用电子计算机做自动 设计，这一点也是很重要的。 用优化技术来自动平衡光学系统的像差时，如果要 求提得太多，且提出了矛盾的要求(例如同时提出正弦条件和赫谢耳条件)，就可能 产生“病态”方程，使自动平衡不能顺利进行。
3
参考书目
R.Kinslake, Lens design Fundamental, 1978. R.Kinslake, optical system design,1983, Academic Press.
这位百岁老人去年刚去世，他是A.E.Conrady的学生，从上世纪三十年代 被请到美国，美国的光学工业大致是他的学生们发展起来的。 iKin , Lens design, 1991,Marchl Dekker. 非常实用的各种光学系统 设计，有新版。 R.E. Fischer, Optical system design, 2000,McGraw Hill. 此人从上世纪八十年代一直到现在，都在SPIE Photonics West 之类的会 上讲Short Courses——”光学设计”，本书属于这种教材。 斯留萨列夫， 谈光学中一些可能的和不可能的问题，1966，科学出版社。 本书可启发人们去认真思考问题。 张以谟，应用光学，机械工业出版社，中国高校教科书 王之江，光学设计理论基础，1985，科学出版社。本教材的公式取自此 书。
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。
天津大学工程光学教案
课程名称：工程光学授课对象：本科生课时：2课时教学目标：1. 使学生掌握理想光学系统的基本概念和成像性质。
2. 理解基点、基面及其在光学系统表示中的作用。
3. 学会使用图解法和解析法求解像。
4. 了解高斯成像公式及其应用。
教学重点：1. 理想光学系统的成像性质。
2. 基点、基面的概念及其在光学系统表示中的应用。
3. 高斯成像公式的推导与应用。
教学难点：1. 高斯成像公式的推导。
2. 不同类型光学系统的成像性质分析。
教学过程：第一课时一、导入1. 介绍工程光学在光学工程领域的重要性。
2. 回顾几何光学的基本概念和原理。
二、讲解1. 理想光学系统的概念：通过实际光学系统抽象出的理想模型。
2. 成像性质：光学系统对物体成像的规律。
3. 基点、基面的概念及其在光学系统表示中的应用。
三、实例分析1. 分析几种典型光学系统的成像性质，如凸透镜、凹透镜、平面镜等。
2. 举例说明基点、基面在光学系统表示中的作用。
四、高斯成像公式1. 推导高斯成像公式。
2. 解释公式中各个参数的含义。
3. 应用高斯成像公式进行成像计算。
第二课时一、复习1. 回顾上一节课的重点内容。
2. 提问学生，检查对重点知识的掌握情况。
二、讲解1. 分析不同类型光学系统的成像性质。
2. 讨论光学系统的像差及其产生原因。
三、实例分析1. 分析典型光学系统的成像质量评价。
2. 讨论如何提高光学系统的成像质量。
四、总结1. 总结本节课的主要内容和重点。
2. 强调学生在实际应用中应注意的问题。
教学评价：1. 学生对理想光学系统成像性质的理解程度。
2. 学生运用高斯成像公式进行成像计算的能力。
3. 学生对光学系统像差及其产生原因的认识。
课后作业：1. 查阅资料，了解光学系统的实际应用案例。
2. 完成光学系统成像计算题目，加深对成像公式的理解。
教学反思：1. 关注学生对重点知识的掌握情况，及时调整教学策略。
2. 结合实际案例，提高学生对光学知识的兴趣和应用能力。
2024版《光学》全套课件
《光学》全套课件CONTENTS •光的本质与传播•几何光学基础•波动光学基础•量子光学基础•非线性光学简介•现代光学技术发展趋势光的本质与传播01光的波粒二象性光的波动性质光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射等现象。
光的粒子性质光在与物质相互作用时表现出粒子性，如光电效应、康普顿散射等现象。
波粒二象性的统一光既具有波动性又具有粒子性，二者是统一的，可以用波函数来描述。
光在真空中传播的速度最快，约为3×10^8米/秒。
光在不同介质中传播速度不同，与介质的折射率有关。
折射率越大，光在该介质中传播速度越慢。
光在真空中的传播速度光在介质中的传播速度折射率与光速关系光的传播速度与介质关系光的直线传播与衍射现象光的直线传播光在同一种均匀介质中沿直线传播。
光的衍射现象光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，会偏离直线传播方向，发生衍射现象。
衍射的种类根据障碍物或孔的尺寸不同，衍射现象可以分为夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射等。
光的偏振与旋光性光的偏振现象光波在某些方向上振动较强，而在另一些方向上振动较弱或没有振动的现象称为偏振。
偏振光的产生与检测通过偏振片可以获得偏振光，利用检偏器可以检测偏振光。
旋光性某些物质能使偏振光的振动平面发生旋转的现象称为旋光性，具有旋光性的物质称为旋光物质。
几何光学基础02光线与光束概念及分类光线定义表示光传播方向的几何线，忽略光的波动性质。
光束分类平行光束、发散光束、会聚光束等。
反射定律与折射定律应用反射定律入射光线、反射光线、法线在同一平面内，且入射角等于反射角。
折射定律入射光线、折射光线、法线在同一平面内，且入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两种介质的折射率之比。
透镜成像原理及性质分析透镜成像基本原理光线经过透镜后发生偏折，形成实像或虚像。
透镜性质分析焦距、焦度、透过率等参数对成像的影响。
光学仪器基本原理介绍望远镜利用透镜或透镜组来放大远处物体的视角，使远处物体看起来更近、更大。
工程光学第二章ppt课件
HF f ; FH2 f2xF;
H1F1 f1; F1H2 f2
.
xF
f2 f2
f f1f 2
df1f2
★ 组合系统的物方焦距和像方焦距
f n fn
f f1f 2
f 2
f2
n3 n2
f1
f1
n2 n1
f fn1 f1f2 n1 f1f2 n3 n3
组合焦距的起算原点：组合系统的物、像两方的主点
光线，二者的交点为共轭像点。
（1）轴外点成像 ——利用典型光线、主面性质
.
（2）轴上物点成像 ——利用焦平面的性质
解法1：
解法2：
.
（3）轴上物点，经两个光具组成像
a)
b)
c)
d)
.
例1：作图法求图中AB的像A'B'
B B' A A'
(a)
B' B A' H'A H
(b)
.
二、解析法求像
★ 依据：利用已知的一对共轭面、两对共轭点。
2）物方焦距、物方焦点、物方主点：
lF l 77.4368m m , uu0.1122 f 89.1412m m , lH11.7044m m
.
第三节 理想光学系统的物像关系
一、图解法求像
1、典型光线及性质（5条）
1）平行于光轴的光线，经系统后必经过像方焦点； 焦点 2）过物方焦点的入射光线，经系统后平行于光轴； 定义
1、沿轴线段以光学系统的焦点为起算原点
由△BAF∽△FHM, △B′A′F ′∽△N′H′F′得 y f y x y x y f
牛顿公式：
xx ff
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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
Section 2 Digital Camera Design Study
21
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@
22
23
• 修改为红外波段的玻璃材料
8－14μm可用的红外材料
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
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
11
仅用一种材料：锗
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例2：火炮内膛检测系统
3 1
3
• 初模二
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
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6ຫໍສະໝຸດ 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
7
含两个非球面的 18mm4片系统 MTF曲线图
8
红外光波段的设计
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，及电子报告
20
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
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
2 4
5
13
例2：火炮内膛检测系统
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例2：火炮内膛检测系统
15
例3：胃窥镜系统
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例3：胃窥镜系统
17
例3：胃窥镜系统
18
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
OCAD 计算机辅助光学设计
主讲：谢洪波
1
例1：红外超小变焦系统
• 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
2
选择初始模型
• 初模一