應(yīng)用光學(xué)簡(jiǎn)答題

1、應(yīng)用光學(xué)試題一、問答題1、在幾何光學(xué)框架內(nèi)，光的傳播規(guī)律可歸納為四個(gè)基本定律，請(qǐng)分別簡(jiǎn)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(dú)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(diǎn)時(shí)，彼此互不影響，各光束獨(dú)立傳播。（3）反射定律：入射光線、反射光線和投射點(diǎn)法線三者在同一平面內(nèi)，入射角和反射角二者絕對(duì)值相等且符號(hào)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(diǎn)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(duì)一定波長(zhǎng)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(xué)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(shí)，始終保持著與波面的正交性；并且入射波面和出射波面對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的光程均為定值。（2）光學(xué)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(diǎn)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(duì)共軛點(diǎn)的位置是確定的。（2）拉赫不變量： ， ；進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的總能量是保持不變的（前者針對(duì)近軸區(qū)而言，后者是對(duì)前

3、者的推廣，是系統(tǒng)對(duì)任意大小物體用任意光束成像的普式）。4、光學(xué)系統(tǒng)對(duì)軸上點(diǎn)成像時(shí)會(huì)存在哪些像差？它們有什么特點(diǎn)？會(huì)存在球差和位置色差。（1）球差：軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)過光學(xué)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(duì)近軸像點(diǎn)（理想像點(diǎn)）有不同程度的偏離，這種偏離稱軸向球差。軸上點(diǎn)的球差，具有關(guān)于光軸對(duì)稱性，其只與系統(tǒng)的孔徑有關(guān)。（2）位置色差： 軸上點(diǎn)兩種色光成像位置的差異稱位置色差。其軸上物點(diǎn)成像是彩色彌散斑。5、光學(xué)系統(tǒng)中有哪幾類光欄？并概述它們的作用？光學(xué)系統(tǒng)中有孔徑光闌、視場(chǎng)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(diǎn)成像光束孔徑大小。（

4、2）視場(chǎng)光闌：限制系統(tǒng)的成像范圍。（3）漸暈光闌：限制軸外點(diǎn)發(fā)出的充滿孔徑光闌的光束，對(duì)軸上點(diǎn)的光束沒有限制。6、何為物方遠(yuǎn)心光路？結(jié)合作圖法，解釋遠(yuǎn)心光路的作用和應(yīng)用。（1） 測(cè)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(cè)量誤差，在物鏡的像方焦平面上加入一個(gè)光闌作為孔徑光闌，入瞳則位于物方無窮遠(yuǎn)，軸外點(diǎn)主光線平行于光軸稱物方遠(yuǎn)心光路。（2）物方遠(yuǎn)心光路可以解決工具顯微鏡中由調(diào)焦不準(zhǔn)使像平面和刻尺平面不重合造成的測(cè)量誤差，如圖（1）所示，當(dāng)物體由A1由于調(diào)焦不準(zhǔn)偏移到A2處，相應(yīng)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(yuǎn)心的特性，雖然物體調(diào)焦不準(zhǔn)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(diǎn)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(yuǎn)心光路示意圖7、一般光學(xué)系統(tǒng)有哪幾種像差？并說明產(chǎn)生原因、與視場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)和孔徑的關(guān)系。球差：軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)過光學(xué)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(duì)近軸像點(diǎn)（理想像點(diǎn)）有不同程度的偏離。其只與系統(tǒng)的孔徑有關(guān)和視場(chǎng)無關(guān)。校正方法：加光闌，選擇近軸光束；正、負(fù)透鏡組合進(jìn)行校正；采用非球面

6、透鏡。彗差： 由軸外點(diǎn)光束關(guān)于主光線矢對(duì)稱造成的像差，對(duì)于單個(gè)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(chǎng)均有關(guān)。校正方法：使用對(duì)稱式光學(xué)系統(tǒng)像散：是由于軸外點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后對(duì)應(yīng)的波面為非球面波，它在兩個(gè)主截面的曲率不同，所以聚焦為子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)，而子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)之間的位置差即為像散。細(xì)光束像散和視場(chǎng)有關(guān)和孔徑無關(guān)，而寬光束像散和孔徑和視場(chǎng)均有關(guān)。校正方法：需要復(fù)雜的透鏡組來消除場(chǎng)曲：由于軸外點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)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(chǎng)和孔徑均有關(guān)?；儯河捎谥鞴饩€的球差隨視場(chǎng)的變化而不同造成的，是實(shí)際像高和理想像高之間

7、的偏差，它只和視場(chǎng)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(duì)稱式光學(xué)系統(tǒng)PPT上的部分問題 一個(gè)沿軸向有一定厚度的物體，經(jīng)單個(gè)折射球面成像后，物面上所有點(diǎn)是否獲得等倍率放大？由的公式可知，如果物體是一個(gè)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(gè)，折射球面的軸向放大率恒為正值，表示特點(diǎn)沿軸移動(dòng)時(shí)，像點(diǎn)以同樣方向移動(dòng)。（公式如下）1) 0，物、像沿軸同向移動(dòng)；2) ，空間物體成像會(huì)發(fā)生變形?？讖焦怅@：限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋?；選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。視場(chǎng)光闌：限制物平面或物空間范圍的光闌。 孔徑光闌和視場(chǎng)光闌的判斷一、 孔徑光闌1.

8、 軸上物點(diǎn)的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會(huì)變化。2. 幾個(gè)口徑一定的透鏡組合，判斷確定位置的軸上物點(diǎn)的孔徑光闌：1) 物在無限遠(yuǎn)：光學(xué)系統(tǒng)中所有光學(xué)元件的通光孔徑分別通過其前面的鏡組成像到整個(gè)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(yuǎn)處A. 將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（各個(gè)透鏡和光圈等），對(duì)其前面的光學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；B. 由物位置（軸上點(diǎn)）向各像邊緣、第一個(gè)透鏡邊緣分別作連線，求張角最小值即為入瞳，相應(yīng)的共軛物為孔徑光闌；C. 孔徑光闌對(duì)后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。二、 視場(chǎng)光闌假設(shè)入瞳為無限小，則判斷光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌的方

9、法為，將光學(xué)系統(tǒng)中所有的光學(xué)元件的通光孔徑（鏡框）分別通過其前面的鏡組成像到整個(gè)系統(tǒng)的物空間，根據(jù)各像的位置和大小求出對(duì)入瞳中心的張角，張角最小的像即為光學(xué)系統(tǒng)的入射窗，與入射窗相共軛的元件（或鏡框）即為視場(chǎng)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(chǎng)光闌決定市場(chǎng)，及物體成像的范圍；3、孔徑光闌縮小時(shí)，每一物點(diǎn)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(chǎng)光闌縮小時(shí)，成像范圍變小，但成像物點(diǎn)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(dāng)于在光路中增加了一塊平行玻璃平板，像

10、點(diǎn)將平移一段距離。 軸外物點(diǎn)發(fā)出的寬光束，其對(duì)稱軸是什么？1. 理想成像時(shí)，主光線始終可看作物點(diǎn)發(fā)出的成像同心光束的對(duì)稱軸。2. 非理想成像時(shí)，同心光束經(jīng)系統(tǒng)后不再相交于一點(diǎn)，在垂軸方向也不和主光線相交，則主光線失去了對(duì)稱性。 寬光束的原因造成了球差和彗差，如取無限細(xì)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(xì)光束成像缺陷的一種像差，僅與視場(chǎng)有關(guān)。由于軸外光束的不對(duì)稱性，使得軸外點(diǎn)的子午細(xì)光束的會(huì)聚點(diǎn)與弧矢細(xì)光束的會(huì)聚點(diǎn)各處于不同的位置，與這種現(xiàn)像相應(yīng)的像差，稱為像散。了解1物理光學(xué)研究什么內(nèi)容？幾何光學(xué)研究什么內(nèi)容？ 物理光學(xué)：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(xué)：研究光的傳播規(guī)律和傳播現(xiàn)象，幾何光學(xué)中采用光線理論。2什么是場(chǎng)鏡？場(chǎng)鏡的作用是什么（要求寫出兩種作用）？ 場(chǎng)鏡：和像平面重合或和像平面很靠近的透鏡，場(chǎng)鏡只改變成像光束位置，不影響系統(tǒng)的光學(xué)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(xué)特性的參量有哪些？（5分） 目鏡的作用相當(dāng)于放大鏡，它把物鏡所成的像放大后成像在人眼的遠(yuǎn)點(diǎn)，以便進(jìn)行觀察。目鏡的光學(xué)特性：像方視場(chǎng)角；相對(duì)出瞳距離；工作距離4簡(jiǎn)述高斯光學(xué)的近軸條件，及近軸光路計(jì)算公式的意義。 近軸條件：近軸物（表示視場(chǎng)不太大）和近軸光線（表示孔徑不太大）。 近軸光路計(jì)算公式的意義：作為衡量實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)；用它近似地表示實(shí)際光學(xué)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(xué)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(cè)器光敏面上，使產(chǎn)生景物像。 光學(xué)特性參數(shù)有：焦距，決定了景物的像和實(shí)際被攝物體之間的比例；相對(duì)孔徑，決定了像面光照度的大?。灰晥?chǎng)角，決定了被攝景物的拍攝范圍。6. 簡(jiǎn)述費(fèi)馬原理。費(fèi)馬原理又稱光程極值原理，光從空間一點(diǎn)到另一點(diǎn)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(xué)的基礎(chǔ)！7光學(xué)系