应用光学试题(第一章)
应用光学试题(11月)
应用光学试题一、问答题1、在几何光学框架内，光的传播规律可归纳为四个基本定律，请分别简述其内容。
（1）光的直线传播定律：在各向同性介质中，光沿直线传播。
（2）光的独立传播定律：从不同的光源发出的光束以不同的方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播。
（3）反射定律：入射光线、反射光线和投射点法线三者在同一平面内，入射角和反射角二者绝对值相等且符号相反，即入射光和反射光在法线两侧。
（4）折射定律：入射光线、折射光线和投射点法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角的正弦之比与入射角的大小无关，而与两种介质的性质有关。
对一定波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该笔直为一常数，等于折射光线所在介质的折射率ｎ＇和入射光线所在介质的折射率ｎ之比。
2、请概述光线与波面的概念，以及几何像差与波像差的概念。
（1）几何光学中把光看作是光线。
光波是电磁波，向周围传播，在某一瞬时，其振动相位相同的各点所构成的曲面称为波面。
在各向同性介质中，光沿着波面的法线方向传播，可以认为光波波面的法线就是几何光学中的光线。
（2）几何像差是几何光线经过光学系统后的实际光路相对于理想光路个偏离量。
波像差是经过光学系统后的实际波面和理想波面之间的偏差。
3、何为马吕斯定律？光学系统成完善像的条件是什么？（1）马吕斯定律：垂直于波面的光束（法线集合）经过任意多次反射和折射后，无论折射面和反射面的形状如何，出射光束仍垂直于出射波面，保持光线束仍为法线集合的性质；并且入射波面和出射波面对应点之间的光程均为定值。
（2）光学系统成完善像的条件：ａ：点物成点像，即物空间每一点在像空间都有唯一的的点与之对应。
ｂ：物空间每一条线在像空间都有唯一的直线与之相对应。
ｃ：物空间的任一点位于一条直线上，那么在像空间内共轭点必定在该直线的共轭线上。
4、何为阿贝不变量和拉赫不变量？它们的物理意义是什么？（1）阿贝不变量：1111''Q n n r l r l ⎛⎫⎛⎫=-=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭；其物理意义是，近轴区，一折射面的物空间和像空间的一对共轭点的位置是确定的。
光学教程第1章-参考答案
1.1 波长为500nm 的绿光投射在间距d 为0.022cm 的双缝上，在距离0r 为180cm 处的光屏上形成干涉条纹，求两个亮条纹之间的距离.若改用波长为700nm 的红光投射到此双缝上，两个亮条纹之间的距离又为多少？算出这两种光第2级亮纹位置的距离。
解：相邻两个亮条纹之间的距离为m dry y y i i 29220110409.01050010022.010180----+⨯≈⨯⨯⨯⨯==+=∆λ若改用700nm 的红光照射时，相邻两个亮条纹之间的距离为m dry y y i i 29220110573.01070010022.010180----+⨯≈⨯⨯⨯⨯==+=∆λ这两种光第2级亮条纹位置的距离为m drj y y y nm nm 3922120500270021027.3]10)500700[(10022.0101802)(----==⨯≈⨯-⨯⨯⨯⨯=-=-=∆λλλλ1.2 在杨氏实验装置中，光源波长为640nm ，两狭缝间距d 为0.4mm ，光屏离狭缝的距离0r 为50cm.试求：(1)光屏上第1亮条纹和中央亮条纹之间的距离；(2)若P 点离中央亮条纹0.1mm ，问两束光在P 点的相位差是多少？(3)求P 点的光强度和中央点的强度之比。
解：(1)因为λdr jy 0=(j=0，1)。
所以第1亮条纹和中央亮条纹之间的距离为m d r y y y 4932001100.810640104.01050)01(----⨯=⨯⨯⨯⨯=-=+=∆λ (2)因为021r ydr r -≈-，若P 点离中央亮纹为0.1mm ，则这两束光在P 点的相位差为41050104.0101.01064022)(22339021ππλπλπϕ=⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=-≈-=∆----r yd r r(3)由双缝干涉中光强)](cos 1)[(A 2I(p)21p p ϕ∆+=，得P 点的光强为]22)[(A ]221)[(A 2)](cos 1)[(A 2I(p)212121+=+=∆+=p p p p ϕ，中央亮纹的光强为)(A 4I 210p =。
应用光学2010(第一章)
航天：资源勘探、星际探索
哈勃号太空望远镜是被送入 轨道的口径最大的望远镜。总长 12.8米，镜筒直径4.28米，主镜直 径2.4米，连外壳孔径则为3米， 全重11.5吨
日用：扫描仪、光碟、照相机
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哈勃太空望远镜
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“哈勃”太空 望远镜拍 摄的狮子 座“NGC 3 370”螺旋 星系的照 片
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世博之光——光谱仪
• 光纳科技研制食品安全检 测仪——高精度便携式拉 曼光谱仪为世博会提供食 品安全检测和服务
• 该光谱仪可透过透明的玻 璃或其他透明材质的容器 直接（不打开瓶盖）将激 光照射到容器内的液体上 并将散射光有效地传输回 光谱仪中。在几秒钟内对 散射光谱进行分析并决定 被测容器内是否含有可疑 化学物质，比如爆炸物或 易燃液体等。
2021/4/6
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一. 发光点
几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。 当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时， 也可认为是一个点。
彩 虹
6Leabharlann 海市蜃楼2021/4/6
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日晕
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几何光学发展最为迅速，荷
兰数学家斯涅尔发现的准确
的折射定律对于光学仪器的 设计和改进具有重要意义！ 为研究整个光学系统提供了 计算的可能。
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光学开始进入了一个新的时期，以致于 成为现代物理学和现代科学技术前沿的 重要组成部分。
二十世纪六十年代，激光问世。
从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许 许多多新兴的光学学科，如：
应用光学第一章
2
sin I ,
h ( p x)
2 2
2
二、马吕斯--杜平定理
光锥构成法线束，同心球面(波前)与此光束的各条光线都正交。 1808 年，马吕斯证明：直线光线的同心光束经曲面折射或反射后，所形成 的光束(一般不再是同心光束)将仍旧构成一法线束。 1916年，杜平等人推广为马吕斯—杜平定理：一法直线束经任意次折 射或反射后仍然是一法线束。 根据马吕斯—杜
应 用 光 学 ， 2016 ， 李 大 海 ，
相对折射率
3.光的折射定律(Snell’s Law)
4.反射定律
相对折射率定义为在第一种 介质中光的传播速度和在第 二种介质中光的传播速度之
折射率
比
光在真空中传播速度与介质中传 播速度的比值就是该介质的折射 率。
n1 2
1 c 2 2
c
1
n2 n1
n
c
介质对空气的相对折射率作
为该介质的绝对折射率，简
称折射率 。 空气的折射率n=1.000273
8
折射率数值的倒数就是光速被减
慢的程度。普通玻璃中光的速度 大约是空气中光速的2/3 。
（续: ）
折射定律和反射定律(Snell’s Law， 1621年)
A C
光线是如何被介 质折射的?
2.波前照片
Optics(3rd), E.Hecht,1998， P159
6
二、光束----光波波前的法线束
波前 波前 波前
曲率半 径无限 大.
(a)
界面 波前
应 用 光 学 ， 2016 ， 李 大 海 ，
(c)
物理光学与应用光学第1章-
n1cos1n2cos2 n1cos1n2cos2
tan1tan2 tan1tan2
rp
E0rp E0ip
tan(12) tan(12)
n2cos1n1cos2 n2cos1n1cos2
sin21sin22 sin21sin22
4、幅值关系
ez(E0i E0r)ezE0t ez(H0i H0r)ezH0t
1.2.1 反射定律和折射定律
光由一种介质入射到另一种介质，在界面上将产生 反射和折射。 假设：二介质均匀、透明、各向同性；
分界面为无穷大的平面； 入射、反射和折射光均为平面光波:
E E e i(lt k lr ) l 0 l
2、反射定律
kix krx
i r
3、折射定律
kix ktx
n1sini n2sint
1.2.2 菲涅耳公式
由光的电磁理论，还可以给出入射、反射和折 射光之间的振幅(光强)、相位关系。
1. s分量和p 2. 反射系数和透射系数 3. 菲涅耳公式
1. s分量和p分量
把垂直于入射面振动的分量叫做 s 分量，
EisErsEts
H ip co 1 s H rp co 1 s H tp co 2 s
利用 H E， 上式变为 ：
Ers sin(2 1) Eis sin(2 1)
利用光的反射定律和折射定律，即可推出菲涅耳公式
rs
E0rs sin1(2) E0is sin1(2)
已知界面两侧的折射率n1、n2和入射角θ1， 就可由折射定律确定折射角θ2，
进而可由菲涅耳公式求出反射系数和透 射系数。
光疏到光密 n1=1 n2=1.5
1.0
应用光学习题及答案
页眉内容武汉理工大学考试试题纸（A卷）课程名称应用光学专业班级0501～03题号一二三四五六七八九十总分题分备注:学生不得在试题纸上答题(含填空题、选择题等客观题一、选择题（每题1分，共5分）1．发生全反射现象的必要前提是：A)光线由光疏介质到光密介质传播B) 光线由光密介质到光疏介质传播C)光线在均匀介质中传播D) 以上情况都可能产生2．周视照相机可以拍摄大视场景物，其利用的：A)节点的性质B)主点的性质C)焦点的性质D)以上答案都正确3．在望远镜的视度调节中，为适应近视人群，应采取的是：A)使物镜远离目镜B)使目镜远离物镜C)使目镜靠近物镜D)应同时调节物镜和目镜4．棱镜系统中加入屋脊面，其作用是：A 改变光轴的方向B)改变主截面内像的方向C)改变垂轴于主截面方向上像的方向D)以上都正确5．光学系统中场镜的作用是：A)改变成像光束的位置B)减小目镜的尺寸C)不改变像的成像性质D)以上都正确二、填空题（每题2分，共10分）1．显微镜中的光学筒长指的是（）2．光学系统中像方顶截距是（）3．用波像差评价系统成像质量的瑞利准则是（）4．望远系统中物镜的相对孔径是（）5．棱镜的转动定理是（）三、简答题（共20分）1．什么叫孔径光阑？它和入瞳和出瞳的关系是什么？（4 分）2．什么叫视场光阑？它和入窗和出窗的关系是什么？（4 分）3．几何像差主要包括哪几种？（4 分）4. 什么叫远心光路？其光路特点是什么？（4 分）四、分析作图题（共25分）1.已知正光组的F和F’，求轴上点A的像，要求用五种方法。
（8分）2. 已知透镜的焦距公式为f '=nr1，l 'H= -f 'n -1d ， l H = - f 'n -1d ，⎡ r d ⎤ nr nr( n -1 ) ⎢ n( 1 - ) + ( n -1) ⎥⎣ r2r2 ⎦分析双凹透镜的基点位置，并画出FFL、BFL和EFL的位置。
光学工程第一章小测验
6
3.一个物体经单个折射球面成像时，其垂轴放大率 1 ， 且已知 n n ，则 （1）物像位于该折射面的同侧。 （2）角放大率 0 。 （3）像高大于物高。 （4）该折射面能把入射光束变窄。
3
4.一个物方、像方折射率相同的折射光学系统对实物成像 时，其垂轴放大率 1 0 ，则 （1）成正立放大的虚像。 （2）成倒立缩小的虚像。 （3）成倒立缩小的实像。 （4）成正立缩小的实像。
5.一个物体经反射球面成像时，其垂轴放大率 0 ，则 （1）物像位于系统的同侧。 （2）物像虚实性质相反。 （3）角放大率 0 。ຫໍສະໝຸດ 0。 （4）轴向放大率
5
6.凸面反射镜对实物只能 （1）成倒立放大的实像。 （2）成正立缩小的虚像。 （3）成正立放大的实像。 （4）成倒立缩小的虚像。
2.下面关于单个折射球面的正确陈述是： （1）物点发出的同心光束经过单个折射球面后仍为同 心光束。 （2）若 n n ，则无限远轴上点的共轭像点必位于 球面曲率中心的异侧。 （3）若 n （4）若 球面顶点方向移动 。
n ，则无限远轴上物点经单个折射球面后成虚像。 n n ，当 n 变小时，无限远轴上点的共轭像点向
简单应用小测试
1.下面关于物像及其相关概念的正确陈述是： （1）可以用屏直接接受的物（像）即为实物（像）， 不能用屏直接接受的物（像）即为虚物（像）。 （2）成像系统将实际三维空间分成物空间和像空间 两个独立的部分。 （3）实物、虚像对应发散同心光束，虚物、实像对应 会聚同心光束。 （4）位于成像系统左侧的实际光线是物空间光线，位于 成像系统右侧的实际光线是像空间光线。
应用光学复习 第一章
复习课件 第一章 祝同学们考 试顺利
2
波动说
• 其认为
Wave theory
• 代表人物 – 胡克（R. Hooke） – 惠更斯（C. Huygens）提出的。 – 光是一种波动，光的传播不是微粒的运动， 而是运动能量按波的形式迁移的过程。 – 波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。 – 遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程，认 为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊的弹性介 质（以太ether）充满空间，这种介质应密度极小和弹 性模量极大。这些均无法实验验证。
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5.费马原理 • 几何光学的三个基本定律，说明了光从一点传
播到另一点的传播规律，而费马原理则从光程 的角度阐述光的传播规律
• 费马原理，不是建立在实验基础上的定律，也
不是从数学上导出的定理，而是一个最基本的 假设。
• 费马原理是几何光学中光传播的理论基础。很
多定律和对事物总图像的描述，均可由其得到 正确的结果，但不是一种计算工具。
9
•
波前 wave front 波前：某一瞬间波动所到达的位置构成的曲面 波面：传播过程中振动相位相同的各点所连结成的曲面 在任何的时刻都只能有一个确定的波前；波面的数目则是 任意多的 球面波：波面为球面的波，点光源 平面波：无穷远光源 柱面波：线光源
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• 光线：传输光能的有方向的几何线
2.几何光学的适用条件 • 光学系统的尺度远大于光波的波长 • 介质是均匀和各向同性的
• 几何光学(Geometrical Optics)又叫射线光 学，是光学的重要组成部分，也是光学的基础。 • 它采用几何方法研究光在均匀介质中的传播 及应用，不涉及光的本质问题。 • 其基础是光波长趋于零(λ<<a, a为物体尺度)。
应用光学第二版胡玉禧课件第一章
I 1
玻璃 n=1.5 空气 n=1
I1 c 空气 n小 玻璃 n大 空气 Fra bibliotek小 玻璃 n大
第一章
几何光学基本定律与成像概念
§1-3 马吕斯定律和费马原理 一、马吕斯定律 1、“光程”概念
L=nS=ct L = ∫ ndl （1-6）
n S
2、马吕斯定律 对光线传播规律的另一种形式。 与某一曲面（波面）垂直的一束光线，经任意次的 折射、反射后，必定与另一曲面垂直，并且在这两 个曲面之间的所有光线的光程相等。 两个波面之间的所有光线的光程都相等。
0
即 I 0 = 48°36' ，若水深为H，则明亮圆的半径
R = H tgI0
第一章
几何光学基本定律与成像概念
§1-5 光学系统及成像的基本概念 一、光学系统的基本概念
光学系统 光学仪器 光学零件 光学零件的种类： 光学系统的作用：对物体成像。
A A
′ A A ′
第一章
几何光学基本定律与成像概念
特 点 不考虑光的本性，把光认为是光线
第一章
几何光学基本定律与成像概念
光线的概念 能够传输能量的几何线，具有方向 采用光线概念的意义： 1.用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影 子、日食、月食 2.绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设 计的
第一章
几何光学基本定律与成像概念
光线是能够传输能量的几何线，具有方 向 光波的传播问题就变成了几何的问题, 所以称 之为几何光学 当几何光学不能解释某些光学现象，例如 干涉、衍射时，再采用物理光学的原理
0
H
A
性，即与水面趋于平行的光线在水面折射进入水中一点A，其折 射角为I0（临界角）。故以水中一点A为锥顶，半顶角为I0 的 圆锥范围内，水面上的光线可以射到A点（入射角不同）。因 此，游泳者向上仰望，不能感觉整个水面都是明亮的，而只 能看到一个明亮的圆，圆的大小与游泳者所在处水深有关 1 如图示。满足水与空气分界面的临界角为 sin I = 1 . 33 = 0 . 75
应用光学试题及答案
2005-2006学年第二学期试题名称: 应用光学 A 课程号：共 2 页第 1 页专业年级__物理学2003_____ 学号___________ 姓名____________ 考试日期（考生填写）_______年____月__日分数_________ 一．简答题（15分）（写在答卷纸上）1．（5分）物理光学研究什么内容？几何光学研究什么内容？2．（5分）什么是场镜？场镜的作用是什么（要求写出两种作用）？3．（5分）写出轴外点的五种单色像差的名称。
二．作图题（15分）(画在试卷上)4．（５分）已知焦点F和F’和节点J和J’（见图2），求物方主点H和像方主点H’。
5．（10分）应用达夫棱镜的周视瞄准仪示意图(见图1)，分别标出A、B、C、D点光的坐标方向。
授课教师李颖命题教师或命题负责人签字李颖院系负责人签字年月日注：请命题人标明每道考题的考分值。
J F’F J’图2zyxABCD图12005-2006学年第二学期试题名称: 应用光学课程号：共 2 页第 2 页中国海洋大学试题答案2005-2006学年第二学期试题名称: 应用光学一．简答题（15分）1．（5分）物理光学研究什么内容？几何光学研究什么内容？物理光学：研究光的本性，并根据光的本性来研究各种物理现象。
几何光学：研究光的传播规律和传播现象，几何光学中采用光线理论。
2．（5分）什么是场镜？场镜的作用是什么（要求写出两种作用）？场镜：和像平面重合或者和像平面很靠近的透镜，场镜只改变成像光束位置，不影响系统的光学性质。
作用：降低主光线在后面系统上的透射高度；改变出瞳距离；承担一定放大作用。
3．（5分）写出轴外点的五种单色像差的名称。
球差，彗差，像散，场曲，畸变二．作图题（15分）4．（５分）已知焦点F和F’和节点J和J’（见图2），求物方主点H和像方主点H’。
图25．（10分）应用达夫棱镜的周视瞄准仪示意图(见图1)，分别标出A 、B 、C 、D 点光的坐标方向。