工程光学填空与简答整理2013-2014

工程光学填空与简答整理2013-2014版一、填空题1.光波波长范围大致为1mm-10nm，其中波长在380nm~760nm之间的电磁波能为人眼所感知，称为可见光。（P1）2.我们把具有单一波长的光称为单色光，而由不同单色光混合而成的光称为复色光。（P1）3.我们把能够辐射光能量的物体成为发光体或光源。（P1）4.发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。（P2）5.光是沿波面法线方向传播的。6.几何光学的（四大）基本定律为：光的直线传播定律；光的独立传播定律；光的折射定律和反射定律。（光的全反射现象，光路的可逆性原理）（P2）7.介质的折射率是用来描述介质中的光速相对于真空中的光速减慢程度的物理量。（P3）8.为了方便起见，常把介质相对于空气的相对折射率作为该介质的绝对折射率，简称折射率。（P3）9.我们通常把分界面两边折射率高的介质称为光密介质，折射率低的介质称为光疏介质。（P4）10.光程是指光在介质中传播的几何路程l与所在介质的折射率n的乘积s，即s=nl，将n=c/v及l=vt带入，得s=ct，光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。（P5）11.光学系统完善成像条件（3种表述方式）：（P6-7）a)入射波面为球面波，出射波面也为球面波；b)入射光为同心光束时，出射光束亦为同心光束；c)物点A1及其像点Ak’之间任意二条光路的光程相等，即等光程原理。(根据马吕斯定律，入射波面与出射薄面对应点间的光程相等)12.由实际光线相交所形成的点为实物点或实像点，而由光线的延长线相交所形成的点为虚物点或虚像点。实物、虚像对应发散同心光束，虚物、实像对应会聚同心光束。（P7）13.单个折射球面的物象位置关系：（P10）𝒏‘𝒍’−𝒏𝒍=𝒏‘−𝒏𝒓14.单个折射球面的垂轴放大率β，轴向放大率α和角放大率γ公式为：（P10-11）𝜷=𝒚’𝒚=𝒏𝒍‘𝒏’𝒍，𝜶=𝒏𝒍′𝟐𝒏′𝒍𝟐，𝜸=𝒏𝒏′𝟏𝜷垂轴放大率、轴向放大率与角放大率三者关系为：𝜶𝜸=𝒏‘𝒏𝜷𝟐𝒏𝒏’𝜷=𝜷15.拉赫(拉格朗日-霍姆赫兹)不变式：（P12）𝒏𝒖𝒚=𝒏′𝒖′𝒚′=𝑱16.像方焦点F’：无限远的轴上物点对应的像点；（P18）物方焦点F：无限远的轴上像点对应的物点。（P19）17.几何光学中，一对主平面的垂轴放大率为+1。（P20）18.当光学系统物方空间折射率与像方空间折射率不相同时，角放大率γ=1的物像共轭点（即节点）不再与主点重合。（27）19.透镜的单个折射球面：（36）𝒇=−𝒏𝒓𝒏‘−𝒏，𝒇’=𝒏‘𝒓𝒏’−𝒏20.光焦度公式：（36）𝛷=1𝑓′=(𝑛−1)(𝜌1−𝜌2)+(𝑛−1)2𝑛𝑑𝜌1𝜌2薄透镜的光焦度公式：𝜱𝒕𝒉𝒊𝒏=𝟏𝒇𝒕𝒉𝒊𝒏′=(𝒏−𝟏)(𝝆𝟏−𝝆𝟐)21.平面反射镜是唯一能成完善像的最简单的光学元件。（39）22.平面镜成像特点：正立的像与物等距离的分布在镜面的两边，大小相等，虚实相反。（像与物完全对称于平面镜）（39）23.当平面镜转动α角时，反射光线转动2α角。（40）24.出射光线与入射光线的夹角和入射角无关，只取决于双面镜的夹角α。（41）25.平行平板在近轴区的轴向位移为（只与其厚度d和折射率n有关）：（42-43）∆𝑙‘=𝑑(1−1𝑛)等效空气平板的厚度为𝑑̅=𝑑−∆𝑙’=𝑑𝑛26.工作面之间的交线称为棱镜的棱，垂直于棱的平面称为主截面。在光路中，所取主截面与光学系统的光轴重合，因此，又称为光轴截面。（43）27.棱镜的屋脊反射面对垂直于光轴截面的坐标分量有倒转180度的作用。（45）28.当光线的光路对称于折射棱镜时，折射棱镜的偏向角取最小值。最小偏向角的表达式是（51）𝒔𝒊𝒏𝟏𝟐(𝜶+𝜹𝒎)=𝒏𝐬𝐢𝐧𝜶𝟐29.当光线垂直入射或接近垂直入射光楔时，所产生的偏向角仅由光楔的楔角α和折射率n决定。（52）表达为：𝜹=(𝒏−𝟏)𝜶。30.人眼对波长为555nm的黄绿色光最为敏感，所以我们用D光（589.3nm）来矫正单色像差。（53）31.一般光学玻璃能透过波长为0.35~2.5μm的各种色光，超出这个波段范围的光将会被光学玻璃强烈地吸收。32.一般冕牌玻璃具有低折射率和低色散（𝒗𝒅大）；火石玻璃具有高折射率和高色散（𝒗𝒅小）。（54）33.反射不存在色散，因此，反射光学材料的唯一光学特性是其对各种色光的反射率𝝆(𝝀)。（54）34.限制轴上物点孔径角u的大小，或者说限制轴上物点成像光束宽度、并有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑叫做孔径光阑。孔径光阑通过它前方的光学系统所成的像称为“入射光瞳”，孔径光阑通过它后方的光学系统所成的像称为“出射光瞳”。孔径光阑、入瞳和出瞳三者是互为物像关系的。（58-59）35.限定成像范围的光阑叫做视场光阑。视场光阑通过它前方的光学系统所成的像称为入射窗，视场光阑经其后面的光学系统所成的像称为出射窗。入射窗、视场光阑和出射窗互为物像关系。（60）36.显微系统用于测长等目的时，为了消除测量误差，孔径光阑安放在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远心光路”。（这个光路的特点是入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行于光轴，孔径光阑安放在物镜的物方焦面处，称为“像方远心光路”）（67）37.弥散斑直径的允许值决定于光学系统的用途，通常用ε表示弥散斑对人眼的极限分辨角。（69）38.入射光瞳的直径越小，即孔径角越小，景深越大。在拍照片时，可以把光圈缩小来获得大的空间深度的清晰像，即增大景深。（70）39.立体角与孔径角的关系：𝜴=𝟒𝝅𝐬𝐢𝐧𝟐𝑼𝟐40.光学量：a)光通量𝜙𝑉：标度可见光对人眼视觉刺激程度的量称为光通量，单位为流明（lm）；b)（光源的）光出射度𝑀𝑉：光源单位发光面积发出的光通量，𝑀𝑉=d𝜙𝑉d𝐴,单位为流明每平方米（lm/m2）c)（光照面的）光照度𝐸𝑉：单位受照面积接受的光通量，𝐸𝑉=d𝜙𝑉d𝐴，单位为勒克斯（lx）；d)发光强度𝑰𝑽：点光源像各方向发出可见光，在某一方向，在元立体角d𝛺内发出的光通量为d𝜙𝑉,则点光源在该方向上的发光强度𝐼𝑉为𝑰𝑽=𝐝𝝓𝑽𝐝𝛀点光源的发光强度等于点光源在单位立体角内发出的光通量，单位为坎德拉（cd）；发光强度是光学基本量，是国际单位制的七个基本量之一。e)光亮度𝐿𝑉：描述具有有限尺寸的发光体发出的可见光在空间分布的情况，单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。(74-75)41.人对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数，称之为光谱光效率函数。（77）42.𝑲𝒎=𝟔𝟖𝟑𝐥𝐦/𝐖为明视觉条件下波长为555nm、明视觉光谱光效率函数V(λ)=1单色光的绝对光谱光效率值；𝑲𝒎′=𝟏𝟕𝟓𝟓𝐥𝐦/𝐖为暗视觉条件下波长为507nm、暗视觉光谱光效率函数V’(λ)=1单色光的绝对光谱光效率值。（78）43.发光强度空间分布可用式𝑰𝜽=𝑰𝑵𝐜𝐨𝐬𝜽表示的发光表面为余弦辐射体。余弦辐射体在各方向的光亮度相同。（81）44.反射的光能除造成光学系统的光能损失外，还在像面上形成杂散光背景，从而降低像的对比度。（84）45.单色光成像有五种像差：球差，慧差（正弦差），像散，场曲和畸变，统称单色像差。色差有两种：位置色差和倍率色差。46.实际波面与理想球面的偏差称为波像差，简称波差。47.除平面反射镜之外，没有像差的光学系统是不存在的。（105-106）48.单正透镜产生负球差，单负透镜产生正球差。（112）49.慧差是轴外像差之一，它破坏轴外视场成像的清晰度。用对称式的光学系统，当物像垂轴放大率为𝛃=−𝟏时可自动校正慧差。（117）50.由畸变的定义可知，畸变是垂轴像差，它只改变轴外物点在理想像面上的成像位置，使像的形状产生失真，但不影响像的清晰度。对于𝛃=−𝟏的对称光学系统，由于光阑位于系统中间，其前部系统和后部系统的畸变大小相等，符号相反，畸变自动校正。（123）51.当光学系统的最大波像差小于1/4波长时，成像质量好；最大波像差小于1/10波长时，其像是完善的。（129）52.在阅读时，或眼睛通过目视光学仪器观测物像时，为了工作舒适，习惯上把物或像置于眼前250mm处，称此距离为明视距离。（134）53.远点位于眼前有限距离，称为近视眼；远点位于眼后有限距离称为远视眼。（134）54.杆状细胞对光刺激极敏感（感光），但完全不感色；锥状细胞的感光能力比杆状细胞差得多，但他们能对各色光有不同的感受。因此锥状细胞的存在，决定了分辨颜色的能力——色视觉。在亮照明时，视觉主要由锥状细胞起作用，弱照明时，视觉主要由锥状细胞起作用。（135）55.目视光学系统的放大率和被观察物体所需要的分辨率的乘积应等于眼睛的分辨率。（135）56.若通过双目光学系统来增大基线b或增大体视锐度𝛥𝜃min（即减小𝛥𝜃min值），则可以增大体视半径和减少立体视觉误差。（138）57.目视光学仪器的视觉放大率为：（138）Γ=𝑦𝑖‘𝑦𝑒′=𝑙′tan𝜔‘𝑙′tan𝜔=𝐭𝐚𝐧𝝎‘𝐭𝐚𝐧𝝎58.显微镜的视觉放大率等于物镜的垂轴放大率β和目镜的视觉放大率Γ𝑒之积。Γ=βΓ𝑒（140）59.𝑵𝑨=𝒏𝐬𝐢𝐧𝒖,称为显微镜物镜的数值孔径。（141）60.显微镜的分辨率主要取决于显微物镜的数值孔径，与目镜无关。（142）61.望远镜的类型：伽利略望远镜，开普勒望远镜和反射型望远镜。（145）62.望远镜的视觉放大率与物体的位置无关，仅取决于望远系统的结构。（145）Γ=𝐭𝐚𝐧𝝎‘𝐭𝐚𝐧𝝎=−𝑓𝑜‘𝑓𝑒′=−𝐷𝐷′=1𝛽63.摄影物镜的光学特性由焦距f’，相对孔径D/f’和视场角2ω表示。焦距决定成像的大小，相对孔径决定像面照度，视场决定成像范围。（150）64.当接收器的尺寸一定时，物镜的焦距越短，其视场角越大；焦距越长，视场角越小。（150）65.摄影系统的分辨率取决于物镜的分辨率和接收器的分辨率。（151）66.物镜分辨率𝑁𝐿=1475𝐷𝑓′=1475𝐹，𝐹=𝑓′𝐷称为物镜的光圈数，光圈数是按公比为√2的等比级数变化。（151）67.高斯光束的名义截面半径ω是当振幅A下降到中心振幅A0的1/e时所对应的光束截面半径。（171）68.光纤的数值孔径表示光纤接受光能的能力。表示为NA=𝑛0sin𝑈max=√𝑛12−𝑛22（181）69.光学系统的像质评价方法主要有：瑞利判断，中心点亮度，分辨率，点列图和光传递函数。（204-210）70.光传递函数反映光学系统对物体不同频率成分的传递能力。高频-细节，中频-层次，低频-轮廓。（211）71.考虑光与物质相互作用时，对光检测器起作用的是光的电矢量而不是磁矢量，所以只需考虑电场的作用，此时就用电矢量来代替光矢量。（297）72.球面波的波动公式为：E=𝐴1𝑟exp[i(kr−ωt)];柱面波的波动公式为：E=𝐴1√𝑟exp[i(kr−ωt)]。73.当入射光是自然光时，如果入射角满足𝜽𝟏+𝜽𝟐=𝛑/𝟐时，即反射光中没有p波，只有垂直于入射振动的s波，发生全偏振现象，反射光是偏振光，称这是的入射角为起偏振角或布儒斯特(Brewster)角，记作𝜃𝐵，同时由折射定律可得𝐭𝐚𝐧𝜽𝑩=𝒏（308）74.倏逝波的振幅随投入深度z的增加而急剧下降，通常定义振幅减少到界面（z=0）处振幅的1/e时的深度为穿透深度z0，则（311）𝒛𝟎=𝝀𝟏𝟐𝝅√𝒔𝒊𝒏𝟐𝜽𝟏−𝒏𝟐75.干涉光的物像差：P点叠加的合振动的光强度I取决于两光波在叠加点的相位差δ（325）𝛅=𝟐𝝅𝝀𝒏(𝒓𝟐−𝒓𝟏)7