應用光學簡答題

1、應用光學試題一、問答題1、在幾何光學框架內(nèi)，光的傳播規(guī)律可歸納為四個基本定律，請分別簡述其內(nèi)容。（1）光的直線傳播定律：在各向同性介質(zhì)中，光沿直線傳播。（2）光的獨立傳播定律：從不同的光源發(fā)出的光束以不同的方向通過空間某點時，彼此互不影響，各光束獨立傳播。（3）反射定律：入射光線、反射光線和投射點法線三者在同一平面內(nèi)，入射角和反射角二者絕對值相等且符號相反，即入射光和反射光在法線兩側(cè)。（4）折射定律：入射光線、折射光線和投射點法線三者在同一平面內(nèi)，入射角的正弦與折射角的正弦之比與入射角的大小無關(guān)，而與兩種介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。對一定波長的光線，在一定溫度和壓力的條件下，該比值為一常數(shù)，等于折射光線所

2、在介質(zhì)的折射率和入射光線所在介質(zhì)的折射率之比。2、何為馬呂斯定律？光學系統(tǒng)成完善像的條件是什么？（1）馬呂斯定律：光線在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時，始終保持著與波面的正交性；并且入射波面和出射波面對應點之間的光程均為定值。（2）光學系統(tǒng)成完善像的條件：光束一致（入射、出射光束均為同心光束）；波面一致（入射、出射波面均為球面波）；物、像點間任意光路的光程相等。3、何為阿貝不變量和拉赫不變量？它們的物理意義是什么？（1）阿貝不變量： ；其物理意義是，近軸區(qū)，一折射面的物空間和像空間的一對共軛點的位置是確定的。（2）拉赫不變量： ， ；進入光學系統(tǒng)的總能量是保持不變的（前者針對近軸區(qū)而言，后者是對前

3、者的推廣，是系統(tǒng)對任意大小物體用任意光束成像的普式）。4、光學系統(tǒng)對軸上點成像時會存在哪些像差？它們有什么特點？會存在球差和位置色差。（1）球差：軸上點發(fā)出的同心光束經(jīng)過光學系統(tǒng)后，不在是同心光束，不同入射高度（h）的光線將于光軸于不同的位置，相對近軸像點（理想像點）有不同程度的偏離，這種偏離稱軸向球差。軸上點的球差，具有關(guān)于光軸對稱性，其只與系統(tǒng)的孔徑有關(guān)。（2）位置色差： 軸上點兩種色光成像位置的差異稱位置色差。其軸上物點成像是彩色彌散斑。5、光學系統(tǒng)中有哪幾類光欄？并概述它們的作用？光學系統(tǒng)中有孔徑光闌、視場光闌和漸暈光闌，其作用分別如下：（1）孔徑光闌：限制軸上物點成像光束孔徑大小。（

4、2）視場光闌：限制系統(tǒng)的成像范圍。（3）漸暈光闌：限制軸外點發(fā)出的充滿孔徑光闌的光束，對軸上點的光束沒有限制。6、何為物方遠心光路？結(jié)合作圖法，解釋遠心光路的作用和應用。（1） 測量顯微鏡中，為了消除由于像平面位置的放置誤差而引起的測量誤差，在物鏡的像方焦平面上加入一個光闌作為孔徑光闌，入瞳則位于物方無窮遠，軸外點主光線平行于光軸稱物方遠心光路。（2）物方遠心光路可以解決工具顯微鏡中由調(diào)焦不準使像平面和刻尺平面不重合造成的測量誤差，如圖（1）所示，當物體由A1由于調(diào)焦不準偏移到A2處，相應的A1和A2是兩次成像的位置，M1M2是刻尺平面，可見由于物方遠心的特性，雖然物體調(diào)焦不準造成位置偏移后的

5、像平面偏離了刻尺平面，但由于物體偏移前后的主光線在刻尺上的交點不變，所以在刻尺上讀取的數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變化。圖物方遠心光路示意圖7、一般光學系統(tǒng)有哪幾種像差？并說明產(chǎn)生原因、與視場和孔徑的關(guān)系，以及校正方法。（1）有五種單色像差和兩種色差。五種單色像差為：球差、彗差、場曲、像散、畸變。兩種單色像差為：位置色差和倍率色差。（2）產(chǎn)生的原因和與視場和孔徑的關(guān)系。球差：軸上點發(fā)出的同心光束經(jīng)過光學系統(tǒng)后，不在是同心光束，不同入射高度（h）的光線將于光軸于不同的位置，相對近軸像點（理想像點）有不同程度的偏離。其只與系統(tǒng)的孔徑有關(guān)和視場無關(guān)。校正方法：加光闌，選擇近軸光束；正、負透鏡組合進行校正；采用非球面

6、透鏡。彗差： 由軸外點光束關(guān)于主光線矢對稱造成的像差，對于單個球面彗差一方面由球差引起，另一方面和光闌位置也有關(guān)系。彗差和孔徑和視場均有關(guān)。校正方法：使用對稱式光學系統(tǒng)像散：是由于軸外點發(fā)出的光束經(jīng)過光學系統(tǒng)后對應的波面為非球面波，它在兩個主截面的曲率不同，所以聚焦為子午像點和弧矢像點，而子午像點和弧矢像點之間的位置差即為像散。細光束像散和視場有關(guān)和孔徑無關(guān)，而寬光束像散和孔徑和視場均有關(guān)。校正方法：需要復雜的透鏡組來消除場曲：由于軸外點發(fā)出的光束經(jīng)光學系統(tǒng)后所成的像面發(fā)生彎曲，偏離了高斯像面造成的。它和視場和孔徑均有關(guān)?；儯河捎谥鞴饩€的球差隨視場的變化而不同造成的，是實際像高和理想像高之間

7、的偏差，它只和視場有關(guān)。破壞物像相似性，不影響像的清晰度；校正方法：使用對稱式光學系統(tǒng)PPT上的部分問題 一個沿軸向有一定厚度的物體，經(jīng)單個折射球面成像后，物面上所有點是否獲得等倍率放大？由的公式可知，如果物體是一個沿軸放置的正方形，因垂軸放大率和軸向放大率不一致，則其像不再是正方形。另個，折射球面的軸向放大率恒為正值，表示特點沿軸移動時，像點以同樣方向移動。（公式如下）1) 0，物、像沿軸同向移動；2) ，空間物體成像會發(fā)生變形?？讖焦怅@：限制軸上物點成像光束孔徑角的大?。▽挾龋贿x擇軸外物點成像光束的位置。視場光闌：限制物平面或物空間范圍的光闌。 孔徑光闌和視場光闌的判斷一、 孔徑光闌1.

8、 軸上物點的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會變化。2. 幾個口徑一定的透鏡組合，判斷確定位置的軸上物點的孔徑光闌：1) 物在無限遠：光學系統(tǒng)中所有光學元件的通光孔徑分別通過其前面的鏡組成像到整個系統(tǒng)的物空間，則直徑最小的像就是系統(tǒng)入瞳，與入瞳相共軛的元件即為孔徑光闌。2) 物在有限遠處A. 將光學系統(tǒng)所有光闌（各個透鏡和光圈等），對其前面的光學系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；B. 由物位置（軸上點）向各像邊緣、第一個透鏡邊緣分別作連線，求張角最小值即為入瞳，相應的共軛物為孔徑光闌；C. 孔徑光闌對后面光學系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。二、 視場光闌假設(shè)入瞳為無限小，則判斷光學系統(tǒng)的視場光闌的方

9、法為，將光學系統(tǒng)中所有的光學元件的通光孔徑（鏡框）分別通過其前面的鏡組成像到整個系統(tǒng)的物空間，根據(jù)各像的位置和大小求出對入瞳中心的張角，張角最小的像即為光學系統(tǒng)的入射窗，與入射窗相共軛的元件（或鏡框）即為視場光闌。兩種光闌作用的比較：1、孔徑光闌限制成像光束的孔徑，即決定成像的照度、分辨率；2、視場光闌決定市場，及物體成像的范圍；3、孔徑光闌縮小時，每一物點成像光束孔徑角變小，像面照度減小，但成像范圍不變；4、視場光闌縮小時，成像范圍變小，但成像物點的孔徑角變小，及像的照度不變。反射棱鏡的等效作用（平面鏡 + 平行平板(等效厚度L)）：用棱鏡代替平面鏡，相當于在光路中增加了一塊平行玻璃平板，像

10、點將平移一段距離。 軸外物點發(fā)出的寬光束，其對稱軸是什么？1. 理想成像時，主光線始終可看作物點發(fā)出的成像同心光束的對稱軸。2. 非理想成像時，同心光束經(jīng)系統(tǒng)后不再相交于一點，在垂軸方向也不和主光線相交，則主光線失去了對稱性。 寬光束的原因造成了球差和彗差，如取無限細光束，是否就可以避免像差？像散也是一種軸外像差，與彗差不同，它是描述無限細光束成像缺陷的一種像差，僅與視場有關(guān)。由于軸外光束的不對稱性，使得軸外點的子午細光束的會聚點與弧矢細光束的會聚點各處于不同的位置，與這種現(xiàn)像相應的像差，稱為像散。了解1物理光學研究什么內(nèi)容？幾何光學研究什么內(nèi)容？ 物理光學：研究光的本性，并根據(jù)光的本性來研究

11、各種物理現(xiàn)象。 幾何光學：研究光的傳播規(guī)律和傳播現(xiàn)象，幾何光學中采用光線理論。2什么是場鏡？場鏡的作用是什么（要求寫出兩種作用）？ 場鏡：和像平面重合或和像平面很靠近的透鏡，場鏡只改變成像光束位置，不影響系統(tǒng)的光學性質(zhì)。 作用：降低主光線在后面系統(tǒng)上的透射高度；改變出瞳距離；起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用。3目鏡的作用是什么？表示目鏡光學特性的參量有哪些？（5分） 目鏡的作用相當于放大鏡，它把物鏡所成的像放大后成像在人眼的遠點，以便進行觀察。目鏡的光學特性：像方視場角；相對出瞳距離；工作距離4簡述高斯光學的近軸條件，及近軸光路計算公式的意義。 近軸條件：近軸物（表示視場不太大）和近軸光線（表示孔徑不太大）。 近軸光路計算公式的意義：作為衡量實際光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的標準；用它近似地表示實際光學系統(tǒng)所成像的位置和大小。5照相物鏡的作用是什么？表示照相物鏡光學特性的參量有哪些？ 照相物鏡的作用是把外界景物成像在感光底片或光電探測器光敏面上，使產(chǎn)生景物像。 光學特性參數(shù)有：焦距，決定了景物的像和實際被攝物體之間的比例；相對孔徑，決定了像面光照度的大??；視場角，決定了被攝景物的拍攝范圍。6. 簡述費馬原理。費馬原理又稱光程極值原理，光從空間一點到另一點是沿著光程為極值的路徑傳播的。推出了反射定律和折射定律 奠定了幾何光學的基礎(chǔ)！7光學系