光学(一)

光学(一）

光学包括两大部分内容：几何光学和物理光学．几何光学(又称光线光学)是以光的直线传播性质为基础，研究光在煤质中的传播规律及其应用的学科；物理光学是研究光的本性、光和物质的相互作用规律的学科．

重要概念和规律

一)、几何光学基本概念和规律

1、基本概念

光源发光的物体．分两大类：点光源和扩展光源．点光源是一种理想模型，扩展光源可看成无数点光源的集合．光线——表示光传播方向的几何线．光束通过一定面积的一束光线．它是温过一定截面光线的集合．光速——光传播的速度。光在真空中速度最大。恒为

C=3×108m/s。丹麦天文学家罗默第一次利用天体间的大距离测出了光速。法国人裴索第一次在地面上用旋转齿轮法测出了光这。实像——光源发出的光线经光学器件后，由实际光线形成的．虚像——光源发出的光线经光学器件后，由发实际光线的延长线形成的。本影——光直线传播时，物体后完全照射不到光的暗区．半影——光直线传播时，物体后有部分光可以照射到的半明半暗区域．

2．基本规律

(1)光的直线传播规律先在同一种均匀介质中沿直线传播。小孔成像、影的形成、日食、月食等都是光沿直线传播的例证。

(2)光的独立传播规律光在传播时虽屡屡相交，但互不扰乱，保持各自的规律继续传播。

(3)光的反射定律反射线、人射线、法线共面；反射线与人射线分布于法线两侧；反射角等于入射角。

(4)光的折射定律折射线、人射线、法织共面，折射线和入射线分居法线两侧；对确定的两种介质，入射

角(i)的正弦和折射角(r)的正弦之比是一个常数．介质的折射串n=sini/sinr=c/v。全反射条件

①光从光密介质射向光疏介质；②入射角大于临界角A，sinA=1/n。

(5)光路可逆原理光线逆着反射线或折射线方向入射，将沿着原来的入射线方向反射或折射．

3．常用光学器件及其光学特性

(1)平面镜点光源发出的同心发散光束，经平面镜反射后，得到的也是同心发散光束．能在镜后形成等大的、正立的虚出，像与物对镜面对称。

(2)球面镜凹面镜有会聚光的作用，凸面镜有发散光的作用．

(3)棱镜光密煤质的棱镜放在光疏煤质的环境中，入射到棱镜侧面的光经棱镜后向底面偏折。隔着棱镜看到物体的像向项角偏移。棱镜的色散作用复色光通过三棱镜被分解成单色光的现象。

(4)透镜在光疏介质的环境中放置有光密介质的透镜时，凸透镜对光线有会聚作用，凹透镜对光线有发散作用．透镜成像作图利用三条特殊光线。成像规律1/u+1/v=1/f。线放大率

m=像长/物长=|v|/u。说明①成像公式的符号法则——凸透镜焦距f取正，凹透镜焦距f取负；实像像距v取正，虚像像距v取负。②线放大率与焦距和物距有关．

(5)平行透明板光线经平行透明板时发生平行移动(侧移)．侧移的大小与入射角、透明板厚度、折射率有关。

4．简单光学仪器的成像原理和眼睛

(1)放大镜是凸透镜成像在。u

(2)照相机是凸透镜成像在u＞2f时的应用．得到的是倒立缩小施实像。

(3)幻灯机是凸透镜成像在f＜u＜2f时的应用。得到的是倒立放大的实像．

(4)显微镜由短焦距的凸透镜作物镜，长焦距的透镜作目镜所组成。物体位于物镜焦点外很靠近焦点处，经物镜成实像于目镜焦点内很靠近焦点处。再经物镜在同侧形成一放大虚像(通常位于明视距离处)。

(5)望远镜由长焦距的凸透镜作物镜，辕焦距的〕透镜作目镜所组成。极远处至物镜的光可看成平行光，经物镜成中间像(倒立、缩小、实像)于物镜焦点外很靠近焦点处，恰位于目镜焦点内，再经目镜成虚像于极远处(或明视距离处)。

(6)眼睛等效于一变焦距照相机，正常人明视距约25厘米。明视距离小子25厘米的近视眼患者需配戴凹透镜做镜片的眼镜；明视距离大于25厘米的远视25者需配戴凸透镜做镜片的眼镜。

二)物理光学——人类对光本性的认识发展过程

(1)微粒说(牛顿) 基本观点认为光像一群弹性小球的微粒。实验基础光的直线传播、光的反射现象。困难问题无法解释两种媒质界面同时发生的反射、折射现象以及光的独立传播规律等。

(2)波动说(惠更斯)基本观点认为光是某种振动激起的波(机械波)。实验基础光的干涉和衍射现象。

①个的干涉现象——杨氏双缝干涉实验

条件两束光频率相同、相差恒定。装置(略)。现象出现中央明条，两边等距分布的明暗相间条纹。解释屏上某处到双孔(双缝)的路程差是波长的整数倍(半个波长的偶数倍)时，两波同相叠加，振动加强，产生明条；两波反相叠加，振动相消，产生暗条。应用检查平面、测量厚度、增强光学镜头透射光强度(增透膜)．

②光的衍射现象——单缝衍射(或圆孔衍射)

条件缝宽(或孔径)可与波长相比拟。装置(略)。现象出现中央最亮最宽的明条，两边不等距发表的明暗条纹(或明暗乡间的圆环)。困难问题难以解释光的直进、寻找不到传播介质。

(3)电磁说(麦克斯韦) 基本观点认为光是一种电磁波。实验基础赫兹实验(证明电磁波具有跟光同样的性质和波速)。各种电磁波的产生机理无线电波自由电子的运动；红外线、可见光、紫外线原子外层电子受激发；x射线原子内层电子受激发；γ射线原子核受激发。可见光的光谱发射光谱——连续光谱、明线光谱；吸收光谱(特征光谱。困难问题无法解释光电效应现象。

(4)光子说(爱因斯坦)基本观点认为光由一份一份不连续的光子组成每份光子的能量E=h ν。实验基础光电效应现象。装置(略)。现象①入射光照到光电子发射几乎是瞬时的；

②入射光频率必须大于光阴极金属的极限频率ν。；

③当ν＞v。时，光电流强度与入射光强度成正比；④光电子的最大初动能与入射光强无关，只随着人射光灯中的增大而增大。解释①光子能量可以被电子全部吸收．不需能量积累过程；②表面电子克服金属原子核引力逸出至少需做功(逸出功)hν。；③入射光强。单位时

间内入射光子多，产生光电子多；④入射光子能量只与其频率有关，入射至金属表，除用于逸出功外。其余转化为光电子初动能。困难问题无法解释光的波动性。

(5)光的波粒二象性基本观点认为光是一种具有电磁本性的物质，既有波动性。又有粒子性。大量光子的运动规律显示波动性，个别光子的行为显示粒子性。实验基础微弱光线的干涉，X射线衍射．

(整理)各种光学设计软件介绍-学习光学必备-peter.

光学设计软件介绍 ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential），是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。ZEMAX的主要特色：分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt；优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。 CODE V是Optical Research Associates推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格相当昂贵CODE V提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，近三十多年来，Code V进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环境热量分析；MTF和RMS波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直；非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。 CODE V是美国著名的Optical Research Associates（ORA?）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。自1963年起，该公司属下数十名工程技术人员已在CODE V程序的研制中投入了40余年的心血，使其成为世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用1994年，ORA公司聘请北京理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODE V的优越性突出地表现在以下几个方面： 1．CODE V可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可以方便地

工程光学设计

摘要 摘要：设计三片库克照相物镜，给出三片镜子的结构参数按照设计要求合理设计。近轴光路追迹求出设计系统的焦距和后焦距。然后利用zemax光学设计软件仿真验证设计结果。 关键词：照相物镜；光学设计 设计要求： 设计要求：采用三片库克（cookie）结构，D/f=1/5，半像面尺寸：18mm 半视场角：20°设计波长：0.486um、0.587um、0.656um，口径D：10mm 计算：系统焦距f，，后焦距（BFL） 第一章绪论 我们设计光学系统采用光线模型方法，即利用几何光学和光学工程中涉及到的基本方法、基本公式设计三片库克照相物镜。利用光线模型设计光学系统是非常重要的方法。曾经有位美国学者在回答有关光线和波动理论应用问题时，睿智的说;“你用光线理论设计照相机镜头，尽管是近视理论，但你用一个星期可以完成；然而你若用衍射理论设计照相机镜头，虽然你用的理论很严格，也去你一辈子才能设计出一个镜头。”可见用几何光学和工程光学中的光线模型设计光学系统是多么的重要。而近轴光线的追迹公式又是利用光线理论设计光学系统的基础。 根据近轴光学公式的性质，它只能适用于近轴区域，但是实际使用的光学仪器，无论是成像物体的大小，或者由一物点发出的成像光束都要超出近轴区域。 这样看来，研究近轴光学似乎没有很大的实际意义。但是事实上近轴光学的应用并不仅限于近轴区域内，对于超出近轴区域的物体，仍然可以使用近轴光学公式来计算平面的位置和像的大小。也就是说把近轴光学公式扩大应用到任意空间。对于近轴区域以外的物体，应用近轴光学公式计算出来的像也是很有意义的： 第一，作为衡量实际光学系统成像质量的标准。根据共轴理想光学系统的成像性质：一个物点对应一个像点；垂直于光轴的共轭面上放大率相同。如果实际共轴球面系统的成像符合理想则该理想像的位置和大小必然和用近轴光学公式计算所得结果相同。因为它们代表了实际近轴光线的像面位置和放大率。如果光学系统成像不符合理想，当然就不会和近轴光学公式计算出的结果一致。二者间的差异显然就是该实际光学系统的成像性质和理想像间的误差。也就是说，可以用它作为衡量该实际光学系统成像质量的指标。因此，通常我们把用近轴光学公式计算出来的像，称为实际光学系统的理想像。 第二，用它近似地表示实际光学系统所成像的位置和大小。在设计光学系统或者分析光学系统的工作原理时，往往首先需要近似地确定像的位置的大小。能够满足实际使用要求的光学系统，它所成的像应该近似地符合理想。也就是说，它所成的像应该是比较清晰的，并且物像大体是相似的。所以，可以用近轴光学公式计算出来的理想像的位置和大小，近似地代表实际光学系统所成像的位置和大小。由此可见近轴光学系统具有重要的实际意义，它在今后的研究光学系统的成像原理时经常用到。

光学第一章习题和答案及解析

物理与机电工程学院 2011级 应用物理班 姓名：罗勇 学号：20114052016 第一章 习题 一、填空题： 1001．光的相干条件为 两波频率相等 、相位差始终不变和 传播方向不相互垂直。 1015.迈克尔逊干涉仪的反射镜M 2移动0.25mm 时,看到条纹移动的数目为1000个，若光为垂直入射，则所用的光源的波长为_500nm 。 1039,光在媒介中通过一段几何路程相应的光程等于折射率和__路程_的乘积 。 1089. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光同时传播到p 点，两振动的相位差为ΔΦ。则p 点的 光强I ＝22 12122cos A A A A ?++? 1090. 强度分别为1I 和2I 的两相干光波迭加后的最大光强max I =12+I I 。 1091. 强度分别为I 1和I 2的两相干光波迭加后的最小光强min I =。12I I - 1092. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光波迭加后的最大光强max I =12122A A A A ++。 1093. 振幅分别为A 1和A 2的两相干光波迭加后的最小光强min I =12122A A A A +-。 1094. 两束相干光叠加时，光程差为λ/2时，相位差?Φ=π。 1095. 两相干光波在考察点产生相消干涉的条件是光程差为半波长的()2j+1倍，相位差为π的()2j+1倍。 1096. 两相干光波在考察点产生相长干涉的条件是光程差为波长的2j 倍，相位差为π的 2j 倍。 1097. 两相干光的振幅分别为A 1和A 2，则干涉条纹的可见度v=1221221A A A A ?? ?????+ ??? 。 1098. 两相干光的强度分别为I 1和I 2，则干涉条纹的可见度v= 1212 I I I I -+。 1099.两相干光的振幅分别为A 1和A 2，当它们的振幅都增大一倍时，干涉条纹的可见度为 不变。 1100. 两相干光的强度分别为I 1和I 2，当它们的强度都增大一倍时，干涉条纹的可见度 不变。 1101. 振幅比为1/2的相干光波，它们所产生的干涉条纹的可见度V=45。 1102. 光强比为1/2的相干光波，它们所产生的干涉条纹的可见度V=13 。 1103. 在杨氏双缝干涉实验中，缝距为d ，缝屏距为D ，屏上任意一点p 到屏中心p 点的距离为y ，则从双缝所发光波到达p 点的光程差为 1104. 在杨氏双缝干涉实验中，缝距为d ，缝屏距为D ，波长为λ，屏上任意一点p 到屏中心p 0点的距离为y ，则从双缝所发光波到达p 点的相位差为

光学设计报告

湖北第二师范学院《光学系统设计》 题目：望远镜的设计 姓名：刘琦 学号:1050730017 班级：10应用物理学

目录 望远系统设计............................................................................................... 第一部分：外形尺寸计算 .......................................................................... 第二部分：PW法求初始结构参数（双胶合物镜设计） ....................... 第三部分：目镜的设计 .............................................................................. 第四部分：像质评价 .................................................................................. 第五部分心得体会 ..................................................................................

望远镜设计 第一部分：外形尺寸计算 一、各类尺寸计算 1、计算'f o 和'f e 由技术要求有：1 '4 o D f = ，又30D mm =，所以'120o f mm =。 又放大率Γ＝6倍，所以' '206o e f f mm ==。 2、计算D 出 30 3056 D D D mm =∴= = =Γ物出物 3、计算D 视场 2'2120416.7824o o D f tg tg mm ω==??=视场 4、计算'ω（目镜视场） ''45o tg tg ωωωΓ?=?≈ 5、计算棱镜通光口径D 棱 （将棱镜展开为平行平板，理论略） 该望远系统采用普罗I 型棱镜转像，普罗I 型棱镜如下图： 将普罗I 型棱镜展开，等效为两块平板，如下图：

光学第一章习题及答案解析

物理与机电工程学院2011级应用物理班 姓名:罗勇学号:20114052016 第一章习题 一、填空题: 1001.光得相干条件为两波频率相等、相位差始终不变与传播方向不相互垂直。1015、迈克尔逊干涉仪得反射镜M2移动0、25mm时,瞧到条纹移动得数目为1000个,若光为垂直入射,则所用得光源得波长为_500nm。 1039,光在媒介中通过一段几何路程相应得光程等于折射率与__路程_得乘积。 1089、振幅分别为A1与A2得两相干光同时传播到p点,两振动得相位差为ΔΦ。则p点得光强I＝ 1090、强度分别为与得两相干光波迭加后得最大光强=。 1091、强度分别为I1与I2得两相干光波迭加后得最小光强=。 1092、振幅分别为A1与A2得两相干光波迭加后得最大光强=。 1093、振幅分别为A1与A2得两相干光波迭加后得最小光强=。 1094、两束相干光叠加时,光程差为λ/2时,相位差=。 1095、两相干光波在考察点产生相消干涉得条件就是光程差为半波长得倍,相位差为π得倍。 1096、两相干光波在考察点产生相长干涉得条件就是光程差为波长得倍,相位差为π得倍。 1097、两相干光得振幅分别为A1与A2,则干涉条纹得可见度v=。 1098、两相干光得强度分别为I1与I2,则干涉条纹得可见度v=。 1099、两相干光得振幅分别为A1与A2,当它们得振幅都增大一倍时,干涉条纹得可见度为不变。 1100、两相干光得强度分别为I1与I2,当它们得强度都增大一倍时,干涉条纹得可见度不变。 1101、振幅比为1/2得相干光波,它们所产生得干涉条纹得可见度V=。 1102、光强比为1/2得相干光波,它们所产生得干涉条纹得可见度V=。 1103、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,屏上任意一点p到屏中心p点得距离为y,则从双缝所发光波到达p点得光程差为。 1104、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,波长为λ,屏上任意一点p到屏中心p0点得距离为y,则从双缝所发光波到达p点得相位差为 1105、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,波长为λ,屏上任意一点p到对称轴与光屏得交点p0得距离为y,设通过每个缝得光强就是I0,则屏上任一点得光强I=。 1106、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,入射光得强度为I0,波长为λ,则观察屏上相邻明条纹得距离为。 1107、波长为600nm得红光透射于间距为0、02cm得双缝上,在距离1m处得光屏上形成干涉条纹,则相邻明条纹得间距为__3_mm。 1108、在杨氏双缝干涉实验中,缝距为d,缝屏距为D,屏上干涉条纹得间距为Δy。现将缝距减小一半,则干涉条纹得间距为。 1109、在杨氏双缝干涉实验中,用一薄云母片盖住实验装置得上缝,则屏上得干涉条纹要向_上移_____移动,干涉条纹得间距不变_____。 1110、在杨氏双缝干涉实验中,得到干涉条纹得得间距为Δy,现将该装置移入水中,(n=3/4),则此时干涉条纹得焦距为。 1111、用波长为500 nm得单色光照射杨氏双缝,入用折射率为1、5得透明薄片覆盖下缝,发现原来第五条移至中央零级处,则该透明片得厚度为_______________。 1112、增透膜就是用氟化镁(n=1、38)镀在玻璃表面形成得,当波长为λ得单色光从空气垂

光学设计报告

光学设计课程报告 班级： 学号： 姓名： 日期：

目录 双胶合望远物镜的设计 (02) 摄远物镜的设计 (12) 对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合 (20) 艾尔弗目镜的设计 (30) 低倍消色差物镜的设计 (38) 无限筒长的高倍显微物镜的设计 (47) 双高斯照相物镜的设计 (52) 反摄远物镜的设计 (62) 课程总结 (70)

双胶合望远物镜的设计 1、设计指标： 设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：视放大率： 3.7?；出瞳直径：4mm ；出瞳距离：大于等于20mm ；全视场角：210w =?；物 镜焦距： ' =85f mm 物；棱镜折射率：n=(K9)；棱镜展开长：31mm ；棱镜与物镜的 距离40mm ；孔径光阑为在物镜前35mm 。 2、初始结构计算 (1) 求 J h h z ，， 根据光学特性的要求4.728.142=== D h ： 44.75tan 85tan ''=?=?=οωf y 0871 .0''==f h u 648.0'''==y u n J (2)计算平行玻璃板的像差和数 C S S S I I I I ，， 平行玻璃板入射光束的有关参数为 0871.0=u 0875.0)5tan(-=-=οz u 005 .1-=u u z 平行玻璃板本身的参数为 d=31mm ； n=； 1.64=ν 带入平行玻璃板的初级像差公式可得： 000665.01.51631-1.5163×0.0871×-3113 24 432-==--=I du n n S 0.0006682=(-1.005)×-0.000665=u u × =z I I I S S 000824.0087.05163.11.6415163.131122 22-=??-?-=--=I u n n d S C υ

2020090 光纤光学(中英文)(2011)

天津大学《光纤光学》课程教学大纲 课程编号：2020090 课程名称：光纤光学 学时：32 学分： 2 学时分配：授课：32 上机： 0 实验： 0 实践： 0 实践（周）：授课学院：精密仪器与光电子工程学院 适用专业：电子科学与技术（光电子方向）、光电子技术科学、光学工程 先修课程：激光原理、物理光学 一、课程的性质与目的 本课程是一门专业选修课。通过本课程的学习，学生应能掌握光纤光学的基本理论和基本方法，分析和解决光纤光学中的实际问题，同时了解光纤光学的应用和发展动态。 二、教学基本要求 1.了解光纤的基本应用领域，系统掌握光纤的基本性质和光纤中的光传输的基本理论，并能运用这些基本理论解释、推导光纤光学中的有关问题。 2．掌握分析和衡量光纤无源、有源器件性能的基本方法，熟知各类器件的基本特性、使用方法和基本应用，了解当前国内外相关的前沿动态和研究热点趋势。3．熟知光纤领域研究中基本参数的测量方法、原理和使用的测量仪器。能运用仪器进行简单操作。 三、教学内容 第一章光纤概述 本章主要介绍光纤的基本应用领域、光纤的基本特性和分析方法。 1 绪论 2 光纤概述 3光波在光纤中的传播特性 4 光纤的色散特性

5 光纤的损耗 6单模光纤中的非线性效应 第二章光无源器件 本章主要介绍光纤光学中常用的光无源器件，分析各类器件的基本原理和特性、衡量指标以及典型应用。 1光纤连接器 2光纤耦合器 3 偏振控制器 4光隔离器） 5 光滤波器/复用器 第三章光有源器件 本章主要介绍光纤光学中基本的光有源器件及其典型应用，分析各类器件的原理、特性。 1 光调制器 2光放大器 3 光纤激光器 第四章故障诊断和测试设备简介 本章主要介绍光纤光学中常见参数的测量方法和常用的测量仪器。 1 光功率测量 2 波长和频率测量 3 时间测量 4 信号质量测量 5 光时域反射计 四、学时分配

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 d r y y y i i 2922 0110409.01050010 022.010180----+?≈????==+=?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 d r y y y i i 2922 0110573.01070010 022.010180----+?≈????==+=?λ 这两种光第2级亮条纹位置的距离为 m d r j y y y nm nm 392 2 120500270021027.3]10)500700[(10 022.0101802) (----==?≈?-????=-=-=?λλλλ 1.2 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λd r j y 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 493 2 001100.810640104.01050)01(----?=????=-=+=?λ (2)因为0 21r yd r 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 4 1050104.0101.01064022)(22339021π πλπλπ ?=??????-=-≈-=?----r yd r r (3)由双缝干涉中光强)](cos 1)[(A 2I(p)2 1p p ??+=，得P 点的光强为

MATLAB应用下的光学设计

课程设计说明书题目：MATLAB应用下的光学设计所属课程：应用光学 姓名： 学号： 班级： 指导教师：

中文摘要：本论文是在现有光学理论分析的基础上，利用MATLAB编程语言进行常见的光学仿真实验，旨在以一种更加直观的形式对现有理论和现象进行对比分析与研究。具体内容如下： （1）利用MATLAB绘制一个球面； （2）根据应用光学近轴光路计算公式，编写一个从轴上点光源发出的11条特征光线(u=±1.0, ±0.85, ±0.707, ±0.5, ±0.3,0)的近轴成像光线追迹；（3）利用过渡公式，设计一个透镜（由两个单球面组成），并画出其光线追迹图； （4）在2-3的基础上，编写实际光线的追迹，分析轴上物点的球差； （5）利用MATLAB的GUI(图形用户界面），设计一个可实时改变光路参数的GUI界面； （6）画出理想焦点附近的星点图，理解球差的存在； （7）用uitable函数以列表的形式给出参数和结果说明。 关键词：MATLAB；光线追迹；球差；GUI界面；unitable函数 Abstract：This thesis is based on the analysis of the existing theory of optical, using MATLAB programming language to simulate several kinds of familiar optical experiments. The purpose of it is to make comparative study and analysis of existing theory and phenomenon by a more intuitive form. Specific content as follows: (1) Using MATLAB to draw a spherical surface; (2) According to paraxial optical path calculation formula, write a program to draw 11 special paraxial light ray tracing from epaxial point light(u=±1.0, ±0.85, ±0.707, ±0.5, ±0.3,0 ). (3) Depend on transition formula, design a optical lens(include two single spherical surface) and drawing light ray tracing; (4) Based on 2 and 3, write a program about actual light ray tracing, and analyzing epaxial point’s spherical aberration; (5) According to MATLAB, design a GUI (Graphical User Interface) can change the parameters of optical path; (6) Understand the exist of spherical aberration by drawing comet around ideal focus; (7) Give the results and parameters in a list by uitable function. Key words：MATLAB; light ray tracing;spherical aberration; GUI; unitable function

光学设计论文

第一章前言 随着光学设计的发展，光学仪器已经普遍应用在社会的各个领域。光学仪器的核心部分是光学系统。光学系统成像质量的好坏决定着光学仪器整体质量的好坏。然而，一个高质量的成像光学系统要靠良好的光学设计去完成。 光学设计的理论和方法也在发生着日新月异的变化。光学是研究光的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。光的本性也是光学研究的重要课题。微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。 所谓光学系统设计即设计出系统的性能参数、外形尺寸、和各光组的结构等，大体上分为两个阶段，第一阶段为“初步设计”或者“外形尺寸设计”，即根据仪器总体的设计要求，从仪器总体出发，拟定出光学系统的原理图，

并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性。第二阶段称为

“像差设计”，一般称为“光学设计”，即根据初步设计的结果，确定每个透镜的具体结构参数，以保证满足系统光学特性和成型质量成像质量的要求。 一个光学仪器工作性能的优劣，初步设计是关键，当然在初步设计合理的条件下，如果像差设计不当，同样也可能造成不良后果。一个好的设计应该是在满足使用要求的情况下，结构设计最简单的系统。 光学设计是20世纪发展起来的一门学科，至今已经经历了一个漫长的过程。光学系统设计的具体过程：制定合理的技术参数，光学系统总体设计和布局，光组的设计（包括选型，初始结构的计算，像差校正、平衡与像质评价），长光路的拼接与统算，绘制光学系统图、部件图和零件图，编写设计说明书，进行技术答辩。 光学设计的设计步骤为选择系统的类型，分配元件的光焦度，校正初始像差，减小残余像差（高级像差）。重复以上步骤，最终会找到一个满意结果。

ZEMAX光学设计超级学习手册-第1章

第1章ZEMAX入门 ZEMAX是一款使用光线追迹的方法来模拟折射、反射、衍射、偏振的各种序列和非序列光学系统的光学设计和仿真软件。ZEMAX有3种版本：ZEMAX-SE（标准版）、ZEMAX-XE（扩展版）、ZEMAX-EE（工程版），其中ZEMAX-EE的功能最为全面。 ZEMAX的界面设计得比较简洁方便，稍加练习就能很快地进行交互设计使用。ZEMAX的大部分功能通过都能选择弹出或下拉式菜单来实现，键盘快捷键可以用来引导或略过菜单，直接运行。本章将要讲述ZEMAX中的有关约定的解释，界面功能的习惯用法，以及一些常用窗口操作的快捷键。一旦学会了在整个软件中通用的、简单的习惯用法，ZEMAX用起来就很容易了。 学习目标： （1）了解界面主窗口菜单的各项功能。 （2）熟练运用快捷工具栏。 （3）熟练掌握大量光学行业中约定的解释，如优化、公差分析等。 （4）熟练掌握各对话窗口的操作，如镜头数据、波长数据等。 1.1 ZEMAX的启动与退出 安装ZEMAX软件后，系统自动在桌面上产生了ZEMAX快捷图标。同时，“开始”菜单中也自动添加了ZEMAX命令。下面讲解ZEMAX的启动与退出。 1．ZEMAX安装成功后，需要启动ZEMAX，才能使用该软件进行设计工作。ZEMAX 的启动有4种方式。 （1）选择“开始”菜单命令启动。 选择“开始→ZEMAX”命令，启动ZEMAX，如图1-1所示。 （2）选择桌面快捷方式图标。 安装完成，系统会在桌面上自动创建ZEMAX的快捷方式图标，双击图标便可启动ZEMAX，如图1-2所示；右键单击快捷方式图标后单击“打开”也可以启动，如图1-3所示。 如果桌面上没有快捷方式图标，可以从“开始”菜单中找到相应的程序命令发送到桌面快捷方式，如图1-4所示。

光纤光学课件第一章

幻灯片1 光纤光学 第一章 光纤传输的基本理论 W-C Chen Foshan Univ. 幻灯片2 §1. 前言 低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。 幻灯片3 光纤的分类 幻灯片4

(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c ） 单模光纤 横 截面2a 2b r n 折射率分布纤芯 包 A i t (a) 输入脉冲光线传播路径 50 μm 125μm r n A i t (b)～10 μm 125μm r n A i t (c) 多模光纤 幻灯片5 阶跃折射率光纤剖面测量图（华工光通信研究所）

单模光纤 多模光 纤 幻灯片6 光纤结构 ●光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯(Core)和外围的包层(Cladding)同轴组成的圆 柱形细丝。 ●纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。 ●包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。 ●设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是 n1>n2。 幻灯片7 主要用途： 突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。 单模光纤用在大容量长距离的系统。 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55μm色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。 色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。 偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。

光学分子影像学第一讲

光学的相关基础知识 1. 光的电磁波谱 光是一种可以引起视觉、具有波粒二象性的电磁波，既有波动性，又具有粒子性。整个电磁波谱按波长可分一下几段(表1)： 只有波长范围很窄的一段才能引起视觉，称为光(可见光)，其中，红光波长最长，范围为620~760 nm，紫光最短，范围为400~430 nm。 2. 光的传播特性 光在同一均匀介质中是沿直线传播的，而在非均匀介质中传播方向要发生改变。光子在生物组织内的传输过程中，会受到吸收和散射的影响。当与光子频率相关的能量与在组织内过渡态的能量相匹配时，这些光子的能量就被吸收，而总光子的能量就减少了。当光射入到组织的原子上面时会发生散射，这就导致原子的电荷加速并向不同方向放射，因而导致光偏离最初的路线。因此，光波在组织内穿过时，要同时经历吸收和散射，且吸收和散射程度依赖于波长和穿透深度。 3. 荧光 在日常生活中，人们通常广义地把各种微弱的光亮都称为荧光，而不去仔细追究和区分其发光原理。 事实上，荧光是指这样一种发光，当一个分子或原子吸收了给予的能量后，即刻引起发光，停止能量供给，发光亦瞬间停止(持续10-8~10-7s)。所以，当一定波长的光照射到荧光物质上时，会激发出波长更长的荧光，产生的荧光波长要比激发光波长长50~150 nm。而用特定波长的红光激发荧光染料，就可使其发出波长长于激发光的近红外荧光。如果把荧光分子与人体内与生理功能有关的蛋白或生物大分子结合，在体外激发荧光，并检测荧光信号，就能对人体进行分子水平的研究，这种荧光分子被称作荧光探针(Fluorescent Probe)，其基因为荧光分子基因，也就是光学分子成像的报告基因。为了能在体检测人体组织内的信息，荧光必须能穿透几厘米以上厚的组织。但是，光波在生物组织内传输时会同时受到吸收和散射的影响而产生衰减，因此有些学者对波长在近红外区域内的荧光更感兴趣，因为人体对近红外波段的光衰减最小，这样达到体表可被检测到的荧光信号强度较大，检测的难度降低，有利于定量研究。 二光学分子成像原理 光学分子成像是在基因组学、蛋白质组学和现代光学成像技术的基础上发展起来的新兴研究领域。 传统的光学成像方法依托于可见光成像，如内镜成像技术。内镜(胃镜、肠镜等)成像技术是利用具有韧性的导管通过人工切口或天然的开口进入体内进行检查，简便、易行，但只能观察到内部结构的表面部分，而且光线在穿透组织的过程中，会在组织的表面发生广泛的

光学设计任务书

燕山大学 课程设计说明书题目：摄远物镜设计 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：

电气工程学院《课程设计》任务书课程名称：光学仪器基础课程设计

目录 第1章摘要 (3) 第2章 ZEMAX软件和设计方法 (4) 2.1 ZEMAX软件介绍 (4) 2.2 设计方法 (5) 第3章设计过程 (6) 3.1初始结构的选择 (6) 3.2 ZEMAX的设计 (8) 3.3 ZEMAX软件优化 (8) 第4章心得体会 (14) 参考文献 (15)

第一章摘要 本课程的任务是在学习工程光学基础、光学测试技术等技术基础课程的基础上，进行光学仪器的设计，目的是了解光学设计中主要的环节，掌握光学仪器设计、开发的基本方法，以便今后能从事光学仪器的设计、研发工作。本课程主要研究光学仪器设计中的基本部分，如：光源、目镜、物镜、分化板等，以及光学仪器设计中考虑的基本问题，如：物象位置关系、5系统放大倍数、系统分辨率、相差等。课程涉光学基础、光学测试技术、误差理论及数据处理、精密仪器设计等多方面。了解光学系统的光学特性、光学系统的设计过程。初级像差理论与像差的校正和平衡方法，像质评价与像差公差，光学系统结构参数的求解方法。望远物镜设计的特点、双胶合物镜结构参数的求解和光学特性。目镜设计的特点、常用目镜的型式和像差分析。 关键词：光学系统成像质量像差像距摄远物镜

第二章ZEMAX软件和设计方法 2.1 ZEMAX软件介绍 ZEMAX是美国Focus Software Inc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seqential及Non-Seqential的软件。 ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是 ZEMAX 的 CAD 转文件程序都是双向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可转入及转出。而且 ZEMAX 可仿真 Sequential 和 Non-Sequential 的成像系统和非成像系统，ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。 ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。ZEMAX 的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX 中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使 ZEMAX 时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。 ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。 ZEMAX 有三种不同的版本：ZEMAX-SE（标准版）；ZEMAX-XE（扩展版）；ZEMAX-EE（工程版）。

光纤光学总结

说明：重点放在了二三四章以及第五章前面部分，别的则比较缩略。 第一章 1.光纤通信优点 宽带宽，低损耗，保密性好，易铺设 2.光纤 介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。 基本结构：纤芯、包层、套塑层 光波导：约束光波传输的媒介 导波光：受到约束的光波 光波导三要素： “芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1>n2 低传输损耗 3.光纤分类 通信用和非通信用 4. 单模光纤：只允许一个模式传输的光纤； 多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。 5. 如何改善光纤的传输特性：减少OH- ，降低损耗；改变芯经和结构参数，色散位移；改变折射率分布，降低非线性 6.光纤制备工艺 预制棒：MCVD OVD VAD PCVD 之后为光纤拉丝，套塑，成缆工艺。 第二章 1.理论根基 2. 2. 光纤是一种介质光波导，具有如下特点： ①无传导电流；

②无自由电荷； ③线性各向同性 3. 边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续,D与B的法向分量连续： 4.由程函方程推得射线方程，再推得光线总是向折射率高的区域弯曲。 5. 光纤波导光波传输特征： 在纵向（轴向）以“行波”形式存在，横向以“驻波”形式存在。场分布沿轴向只有相位变化，没有幅度变化。 6.模式 求解波导场方程可得本征解及相应的本征值。通常将本征解定义为“模式”. 每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波；每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件; 模式具有确定的相速群速和横场分布.模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。给定的波导中能够存在的模式及其性质是已确定了的,外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。(χ和β及边界条件均由光纤本身决定，与外界激励源无关) 横模 光波在传输过程中，在光束横截面上将形成具有各种不同形式的稳定分布，这种具有稳定光强分布的电磁波，称为横模。横模（表现在光斑形状）的分布是和光波传输区域的横向（xy面）结构相关的； 相长干涉条件：2 nL＝Kλ 纵模是与激光腔长度相关的，所以叫做“纵模”，纵模是指频率而言的。 根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命名为: (1)横电磁模(TEM): Ez＝Hz＝0; (2)横电模(TE): Ez＝0, Hz≠0; (3)横磁模(TM): Ez≠0, Hz＝0; (4)混杂模(HE或EH):Ez≠0, Hz≠0。 光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时也出现TE(TM)模。 7.纵向传播常数 物理意义：z方向单位长度位相变化率; 波矢量k的z-分量 b实际上是等相位面沿z轴的变化率； b数值分立，对应一组导模； 不同的导模对应于同一个b数值，我们称这些导模是简并的； 8.归一化频率 给定光纤中,允许存在的导模由其结构参数所限定。光纤的结构参数可由其归一化频率V表征: V值越大，允许存在的导模数就越多。 9. 横向传播常数（U、W）

(完整版)物理光学-第一章习题与答案

v= 物理光学习题 第一章波动光学通论 、填空题(每空 2分) 1、. 一光波在介电常数为￡,磁导率为卩的介质中传播，则光波的速 度 【V 1】 【布儒斯特角】 t ],则电磁波的传播方 向 ____________ 。电矢量的振动方向 _______________ 【x 轴方向 y 轴方向】 4、 在光的电磁理论中，S 波和P 波的偏振态为 __________ ，S 波的振动方向为 ______ ， 【线偏振光波 S 波的振动方向垂直于入射面】 5、 一束光强为I 0的自然光垂直穿过两个偏振片，两个偏振片的透振方向夹角为 45°则通 过两偏振片后的光强为 ____________ 。 【I 0/4】 6、 真空中波长为入。、光速为c 的光波，进入折射率为 n 的介质时，光波的时间频率和波长 分别为 ______ 和 ________ 。 【c/入o 入o /n 】 7、 证明光驻波的存在的维纳实验同时还证明了在感光作用中起主要作用是 __________ 。 【电场E 】 &频率相同，振动方向互相垂直两列光波叠加，相位差满足 _____________ 条件时，合成波为线偏 振光波。 【0或n 】 9、 会聚球面波的函数表达式 ____________ 。 A -ikr 【E(r) e 】 r 10、 一束光波正入射到折射率为 1.5的玻璃的表面，则 S 波的反射系数为 _____________ , P 波 2、一束自然光以 入射到介质的分界面上，反射光只有 S 波方向有振动。 13 10 3、一个平面电磁波波振动表示为 E x =E z =0, E y =cos[2

光学设计软件介绍

光学设计 ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential），是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。 ZEMAX的主要特色：分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt；优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。 CODE V是Optical Research Associates推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格相当昂贵CODE V提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，近三十多年来，Code V进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环境热量分析；MTF和RMS波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直；非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。 CODE V是美国著名的Optical Research Associates（ORA?）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。自1963年起，该公司属下数十名工程技术人员已在CODE V程序的研制中投入了40余年的心血，使其成为世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用1994年，ORA公司聘请北京理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODE V的优越性突出地表现在以下几个方面 CODE V可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可以方便地处理屋脊棱镜、角反射镜、导光管、光纤、谐振腔等具有特殊光路的元件；而其多重结构的概念则包括了常规变焦镜头，带有可换元件、可逆元件的系统，扫描系统和多个物像共轭的系统。40多年来，世界各地的用户已成功地利用CODE V设计研制了大量照相镜头、显微物镜、光谱仪器、空间光学系统、激光扫描系统、全息平显系统、红外成像系统、紫外光刻系统等等，举不胜举。近几年内，CODE V软件又被广泛地应用于光电子和光通讯系统的设计和分析。光学设计的第一步是要为系统确定合理的初始结构。为此CODE V提供了独有的“镜头魔棒”功能，用户只需输入所要设计的系统的使用波段、相对孔径、视场、变倍比等参数，软件即可从自带的专利库中找出对应的结构以供选择。 CODE V软件中优化计算的评价函数可以是系统的垂轴像差、波像差或是用户定义的其它指标，也可以直接对指定空间频率上的传递函数值进行优化。经过改进的阻尼最小二乘优化算法用拉格朗日乘子法提供既方便又精确的边界条件控制。除了程序本身带有大量不同的优化约束量供选用外，用户还可以根据需要灵活地定义各种新的约束量。此外，以往的优化算法无法克服存在于光学系统结构参量的高度非线性解空间中的大量局部极小，故此自动设计的结果是一个与初始参数接近的像质相对较好的结构，而不一定是全局最优设计。为解决这一问题，ORA公司在CODE V软件中加入了强大的全局优化功能（Global Synthesis）。这种被该公司