工程光學(xué)基礎(chǔ)教程 習(xí)題參考答案

工程光學(xué)基礎(chǔ)教程習(xí)題解答第一章 幾何光學(xué)基本定律1. 已知真空中的光速c3m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大樹膠（n=1.526）、金剛石（n=2.417）等介質(zhì)中的光速。    解：                  則當(dāng)光在水中，n=1.333時(shí)，v=2.25 m/s,         當(dāng)光在冕牌玻璃中，n=1.51時(shí)，v=1.99  m/s,         當(dāng)光在火石玻璃中，n1.65時(shí)，v=1.82  m/s，         當(dāng)光在加拿大樹膠中，n=1.526時(shí)，v=1.97  m/s，         當(dāng)光在金剛石中，n=2.417時(shí)，v=1.24  m/s。2. 一物體經(jīng)針孔相機(jī)在 屏上成一60mm大小的像，若將屏拉遠(yuǎn)50mm，則像的大小變?yōu)?0mm,求屏到針孔的初始距離。 解：在同種均勻介質(zhì)空間中光線直線傳播，如果選定經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的光線則方向不變，令屏到針孔的初始距離為x，則可以根據(jù)三角形相似得出：          ,所以x=300mm         即屏到針孔的初始距離為300mm。3. 一厚度為200mm的平行平板玻璃（設(shè)n=1.5），下面放一直徑為1mm的金屬片。若在玻璃板上蓋一圓形的紙片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到該金屬片，問紙片的最小直徑應(yīng)為多少？1mmI=90nn200mmLIx 4.光纖芯的折射率為，包層的折射率為，光纖所在介質(zhì)的折射率為，求光纖的數(shù)值孔徑（即，其中為光在光纖內(nèi)能以全反射方式傳播時(shí)在入射端面的最大入射角）。解：位于光纖入射端面，滿足由空氣入射到光纖芯中，應(yīng)用折射定律則有：        n0sinI1=n2sinI2                               (1)          而當(dāng)光束由光纖芯入射到包層的時(shí)候滿足全反射，使得光束可以在光纖內(nèi)傳播，則有：                          (2)     由（1）式和（2）式聯(lián)立得到n0 .5. 一束平行細(xì)光束入射到一半徑r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上，求其會(huì)聚點(diǎn)的位置。如果在凸面鍍反射膜，其會(huì)聚點(diǎn)應(yīng)在何處？如果在凹面鍍反射膜，則反射光束在玻璃中的會(huì)聚點(diǎn)又在何處？反射光束經(jīng)前表面折射后，會(huì)聚點(diǎn)又在何處？說明各會(huì)聚點(diǎn)的虛實(shí)。     解：該題可以應(yīng)用單個(gè)折射面的高斯公式來解決，             設(shè)凸面為第一面，凹面為第二面。    （1）首先考慮光束射入玻璃球第一面時(shí)的狀態(tài)，使用高斯公式：          會(huì)聚點(diǎn)位于第二面后15mm處。    （2） 將第一面鍍膜，就相當(dāng)于凸面鏡像位于第一面的右側(cè)，只是延長線的交點(diǎn)，因此是虛像。   還可以用正負(fù)判斷：（3）光線經(jīng)過第一面折射：,   虛像    第二面鍍膜，則：                        得到：              （4） 在經(jīng)過第一面折射     物像相反為虛像。6.一直徑為400mm，折射率為1.5的玻璃球中有兩個(gè)小氣泡，一個(gè)位于球心，另一個(gè)位于12半徑處。沿兩氣泡連線方向在球兩邊觀察，問看到的氣泡在何處？如果在水中觀察，看到的氣泡又在何處？    解：    設(shè)一個(gè)氣泡在中心處，另一個(gè)在第二面和中心之間。     （1）從第一面向第二面看          （2）從第二面向第一面看（3）在水中7.有一平凸透鏡r=100mm,r,d=300mm,n=1.5,當(dāng)物體在時(shí)，求高斯像的位置。在第二面上刻一十字絲，問其通過球面的共軛像在何處？當(dāng)入射高度h=10mm，實(shí)際光線的像方截距為多少？與高斯像面的距離為多少？  解：                         8.一球面鏡半徑r=-100mm,求0 ， ， ，-1 ， ，時(shí)的物距和象距。解：（1）                  （2） 同理，                      （3）同理， （4）同理，                              （5）同理， （6）同理，                        （7）同理， （8）同理，               9. 一物體位于半徑為r 的凹面鏡前什么位置時(shí)，可分別得到：放大4倍的實(shí)像，當(dāng)大4倍的虛像、縮小4倍的實(shí)像和縮小4倍的虛像？解：（1）放大4倍的實(shí)像                     （2）放大四倍虛像                            （3）縮小四倍實(shí)像                            （4）縮小四倍虛像                 10 一個(gè)直徑為200mm的玻璃球，折射率為1.53，球內(nèi)有兩個(gè)小氣泡，從球外看其中一個(gè)恰好在球心。 從最近的方位去看另一個(gè)氣泡，它位于球表面和球心的中間。 求兩氣泡的實(shí)際位置。 （解題思路） 玻璃球內(nèi)部的氣泡作為實(shí)物經(jīng)單球面折射成像。 由于人眼的瞳孔直徑很小，約23毫米，且是從離氣泡最近的方位觀察， 所以本題是單球面折射的近軸成像問題。題中給出的是像距s, 需要求的是物距是s。 解： （1）n=1.53 n=1.00 r=-100mm s=-100mm 代入成像公式 s=-100mm 物為實(shí)物，且和像的位置重合， 且位于球心。 （2） 對(duì)另一個(gè)氣泡，已知n=1.53;n=1.00; r=-100mm s=-50mm . 代入成像公式 s=-60.47mm 氣泡為實(shí)物，它的實(shí)際位置在離球心（100-60.47）=39.53mm的地方。 討論： 對(duì)于第一個(gè)氣泡，也可以根據(jù)光的可逆性來確定。 因?yàn)榈谝粋€(gè)氣泡和像是重合的，由可逆性將像視為物,經(jīng)球面折射后仍成在相同的位置。 所以像和物只能位于球心。 11一直徑為20mm的玻璃球，其折射率為，今有一光線一60入射角入射到該玻璃球上，試分析光線經(jīng)玻璃球傳播情況。解：在入射點(diǎn)A處。同時(shí)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象IIIIIIIII在A點(diǎn)處光線以30的折射角進(jìn)入玻璃球，同時(shí)又以60的反射角返回原介質(zhì)。根據(jù)球的對(duì)稱性，知折射光線將到達(dá)圖中B點(diǎn)處，并發(fā)生折射反射現(xiàn)象。同理：由B點(diǎn)發(fā)出的反射光線可以到達(dá)C點(diǎn)處，并發(fā)生反射折射現(xiàn)象 B點(diǎn)的反射光線可再次到達(dá)A點(diǎn)，并發(fā)生折、反現(xiàn)象。 由以上分析可知：當(dāng)光線以60入射角射入折射率為的玻璃球，后，可在如圖A，B，C三點(diǎn)連續(xù)產(chǎn)生折射反射現(xiàn)象。ABC構(gòu)成了玻璃球的內(nèi)解正三角形，在ABC三點(diǎn)的反射光線構(gòu)成了正三角形的三條邊。同時(shí)，在ABC三點(diǎn)有折射光線一60角進(jìn)入空氣中事實(shí)上：光照射到透明介質(zhì)光滑界面上時(shí)，大部分折射到另一介質(zhì)中，也有小部分光反射回原來的介質(zhì)中 當(dāng)光照射到透明介質(zhì)界面上時(shí)，折射是最主要的，反射是次要的12有平凸透鏡r=100mm，r=，d=300mm，n=1.5,當(dāng)物體在-時(shí)，求高斯像的位置l。在第二面上刻一十字絲，問其通過球面的共軛像處？當(dāng)入射高度h=10mm時(shí)，實(shí)際光線的像方截距為多少？與高斯像面的距離為多少？d=300mmr=100mmIr=IIBB”An=1.5解 1） 由 代入 , , 得： 即：物體位于時(shí)，其高斯像點(diǎn)在第二面的中心處。 2）由光路的可逆性可知 ：第二面上的十字絲像在物方處。 3）當(dāng)時(shí) 由關(guān)系可得： 它與高斯像面的距離為0.4169mm重點(diǎn)：1 所有的折射面都有貢獻(xiàn)。2 近軸光線和遠(yuǎn)軸光線的區(qū)別。13一球面鏡半徑r=-100mm，求=0，-0.，-.，-，0，時(shí)的物距和像距。求=0,0.1, 0.2,1,1,5,10,時(shí)的l,l解： ，1） 時(shí)， ， (可用解)2) 時(shí)， 3) 時(shí)， , 4) 時(shí)， 5) 時(shí)， , 6) 時(shí)， , 7) 時(shí)， ， 8） 時(shí)， , 14 思考題：為什么日出或日落時(shí)太陽看起來是扁的？答：日出或日落時(shí)，太陽位于地平線附近。對(duì)于地球的一點(diǎn)，來自太陽頂部、中部和底部的光線射向地球大氣層的入射角依次增大。同時(shí)，由于大氣層的密度不均勻，引起折射率n 隨接近地面而逐漸增大。 所以當(dāng)光線穿過大氣層射向地面時(shí)，折射率n 逐漸增大，其折射角逐漸減少，光線的傳播路徑發(fā)生彎曲。我們沿著光線看去，看到的發(fā)光點(diǎn)位置比其實(shí)際位置抬高。另一方面，折射光線的彎曲程度還與光線入射角有關(guān)。 入射角越大的光線，彎曲越厲害，視覺位置被抬的越高。因此從太陽上部到太陽下部發(fā)出的光線，入射角逐漸增大，下部的視覺位置就依次比上部抬的更高。所以，日出和日落時(shí)太陽看起來呈扁橢圓形。第二章 理想光學(xué)系統(tǒng)1.針對(duì)位于空氣中的正透鏡組及負(fù)透鏡組，試用作圖法分別對(duì)以下物距 ,求像平面的位置。 解：1. F F H H ABFABF ABABF ABABFF ABFBAF ABFBAF ABF ABFBAF FF 2.FF ABFBAF ABFBA ABFBAF ABFBAF ABFBAF FF ABFBAF 2. 已知照相物鏡的焦距f75mm,被攝景物位于（以F點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)）處，試求照相底片應(yīng)分別放在離物鏡的像方焦面多遠(yuǎn)的地方。    解：     （1）x= - ，xx=ff 得到：x=0     （2）x=0.5625     （3）x=0.703     （4）x=0.937     （5）x=1.4（6）x=2.813.設(shè)一系統(tǒng)位于空氣中，垂軸放大率，由物面到像面的距離（共軛距離）為7200mm， 物鏡兩焦點(diǎn)間距離為1140mm。求該物鏡焦距，并繪出基點(diǎn)位置圖。FFHH-ll-ffx 解: 系統(tǒng)位于空氣中， 由已知條件： 解得： 4.已知一個(gè)透鏡把物體放大投影到屏幕上，當(dāng)透鏡向物體移近18mm時(shí)，物體將被放大，試求透鏡的焦距，并用圖解法校核之。 解：方法一： 將代入中得 方法二： 方法三： 5.一個(gè)薄透鏡對(duì)某一物體成實(shí)像，放大率為,今以另一個(gè)薄透鏡緊貼在第一個(gè)透鏡上，則見像向透鏡方向移動(dòng)，放大率為原先的3/4倍，求兩塊透鏡的焦距為多少？ 解：        6.有一正薄透鏡對(duì)某一物成倒立的實(shí)像，像高為物高的一半，今將物面向物體移近100mm，-ll 則所得像與物同大小，求該正透鏡組的焦距。 解：由已知得： 100mm-ll 由高斯公式： 解得：7.希望得到一個(gè)對(duì)無限遠(yuǎn)成像的長焦距物鏡，焦距，由物鏡頂點(diǎn)到像面的距離L=，由系統(tǒng)最后一面到像平面的距離（工作距）為，按最簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的薄透鏡系統(tǒng)考慮，求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并畫出光路圖。 解：     8. 一短焦距物鏡，已知其焦距為，筒長L=，工作距,按最簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的薄透鏡系統(tǒng)考慮，求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。解：9.已知一透鏡，求其焦距,光焦度，基點(diǎn)位置。 解：已知 求：,基點(diǎn)位置。 10. 一薄透鏡組焦距為，和另一焦距為的薄透鏡組合，其組合焦距仍為，問兩薄透鏡的相對(duì)位置，并求基點(diǎn)位置，以圖解法校核之。 解：        11. 長，折射率為1.5的玻璃棒，在其兩端磨成曲率半徑為的凸球面，試求其焦距及基點(diǎn)位置。 解：         12. 一束平行光垂直入射到平凸透鏡上，會(huì)聚于透鏡后處，如在此透鏡凸面上鍍銀，則平行光會(huì)聚于透鏡前處，求透鏡折射率和凸面曲率半徑。     解：13.一塊厚透鏡，試求該透鏡焦距和基點(diǎn)位置。如果物距時(shí)，問像在何處？如果平行光入射時(shí)，使透鏡繞一和光軸垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而要求像點(diǎn)位置不變，問該軸應(yīng)裝在何處？ HHAA-ll-ll-ll 解： 繞過像方節(jié)點(diǎn)位置軸旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)處。14 思考題：1、同一物體經(jīng)針孔或平面鏡所成的像有何不同？答：由反射定律可知，平面鏡的物和像是關(guān)于鏡面對(duì)稱的。坐標(biāo)由右旋坐標(biāo)系變?yōu)橄竦淖笮鴺?biāo)系，因此像和物左右互易上下并不顛倒。即物體經(jīng)平面鏡生成等大、正立的虛像。物體經(jīng)針孔成像時(shí)，物點(diǎn)和像點(diǎn)之間相對(duì)于針孔對(duì)稱。右旋坐標(biāo)系驚針孔所成的像仍為右旋坐標(biāo)系，因此像和物上下左右都是互易的，而且像的大小與針孔到接收屏的距離有關(guān)。即物體經(jīng)針孔生成倒立的實(shí)像。2、一束在空氣中波長為589.3nm 的鈉黃光，從空氣進(jìn)入水中時(shí)，它的波長將變?yōu)槎嗌?？在水中觀察這束光時(shí)，其顏色會(huì)改變嗎？3、凹透鏡可否單獨(dú)用作放大鏡？答：因凹透鏡對(duì)實(shí)物只能生成縮小的虛像，當(dāng)人眼通過凹透鏡觀察物體時(shí)，人眼對(duì)縮小的虛像的視角總是小于（最多等于）不用凹透鏡時(shí)直接觀察物體的視角（這是人眼須緊貼凹透鏡），故凹透鏡的視角放大率不可能大于1。所以凹透鏡不能單獨(dú)用作放大鏡。4、薄透鏡的焦距與它所在介質(zhì)是否有關(guān)？凸透鏡一定是會(huì)聚透鏡嗎？凹透鏡一定是發(fā)散透鏡嗎？ 第三章 平面與平面系統(tǒng) 1. 人照鏡子時(shí)，要想看到自己的全身，問鏡子要多長？人離鏡子的距離有沒有關(guān)系？    解：                       鏡子的高度為1/2人身高，和前后距離無關(guān)。2有一雙面鏡系統(tǒng)，光線平行于其中一個(gè)平面鏡入射，經(jīng)兩次反射后，出射光線與另一平面鏡平行，問兩平面鏡的夾角為多少？ 解：N-IIMI-INMMBOA 同理： 中 答：角等于60。3. 如圖3-4所示，設(shè)平行光管物鏡L的焦距=1000mm，頂桿離光軸的距離a =10mm。如果推動(dòng)頂桿使平面鏡傾斜，物鏡焦點(diǎn)F的自準(zhǔn)直象相對(duì)于F產(chǎn)生了y =2mm的位移，問平面鏡的傾角為多少？頂桿的移動(dòng)量為多少？ 解： ax2FYf 圖3-44. 一光學(xué)系統(tǒng)由一透鏡和平面鏡組成，如圖3-29所示。平面鏡MM與透鏡光軸垂直交于D 點(diǎn)，透鏡前方離平面鏡600mm有一物體AB，經(jīng)透鏡和平面鏡后，所成虛像至平面鏡的距離為150mm,且像高為物高的一半，試分析透鏡焦距的正負(fù)，確定透鏡的位置和焦距，并畫出光路圖。BABM150600L-LAADBM圖3-29 習(xí)題4圖 解： 由于平面鏡性質(zhì)可得及其位置在平面鏡前150mm處 為虛像,為實(shí)像 則 解得 又-= 答：透鏡焦距為100mm。5如圖3-30所示，焦距為=120mm的透鏡后有一厚度為d =60mm的平行平板，其折射率n =1.5。當(dāng)平行平板繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，像點(diǎn)在像平面內(nèi)上下移動(dòng)，試求移動(dòng)量與旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系，并畫出關(guān)系曲線。如果像點(diǎn)移動(dòng)允許有0.02mm的非線形度，試求允許的最大值。AO6030120DEIIIId圖3-30 習(xí)題5圖解：（1） 由圖可知 = = = = (2) 考慮斜平行光入射情況不發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)dDDDBBOA 當(dāng)平行板轉(zhuǎn)過角時(shí) = = = 6. 用焦距=450mm的翻拍物鏡拍攝文件,文件上壓一塊折射率n=1.5,厚度d=15mm的玻璃平板,若拍攝倍率=-1試求物鏡主面到平板玻璃第一面的距離。 解：LO-LAAOO 又A和A是一對(duì)共軛點(diǎn)（關(guān)于O） 答：物鏡主面到平板玻璃第一面的距離為890mm。 7. 試判斷如圖3-31所示各棱鏡或棱鏡系統(tǒng)的轉(zhuǎn)像情況，設(shè)輸入為右手系，畫出相應(yīng)輸出坐標(biāo)系。x. yz yzxb) .xzyc) .d) x y z8.試畫出圖3-12所示直角棱鏡和圖所示斜方棱鏡的展開圖。設(shè)30直交棱鏡的口徑等于斜邊棱鏡的一半，斜方棱鏡的口徑等于直角邊，分別求出這兩種棱鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)。9.試畫出圖3-31所示列曼棱鏡、圖中阿貝棱鏡P和圖3-18所示別漢棱鏡的展開圖。10. 棱鏡折射角 =,c光的最小偏向角,試求棱鏡光學(xué)材料的折射率。 解： 答：光學(xué)材料的折射率為1.58998。11. 白光經(jīng)過頂角=的色散棱鏡,n =1.51的色光處于最小偏向角。試求其最小偏向角及n =1.52的色光相對(duì)于n =1.51的色光間的夾角。 解：60 sin 答：所求夾角為。12.如圖3-32所示，圖a表示一個(gè)單光楔在物鏡前移動(dòng);圖b表示一個(gè)雙光楔在物鏡前相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；圖c表示一塊平行平板在物鏡前轉(zhuǎn)動(dòng)。問無限遠(yuǎn)物點(diǎn)通過物鏡后所成像點(diǎn)在位置上有什么變化？c)b)a)圖3-32 習(xí)題12圖13.如圖3-33所示，光線以45角入射到平面鏡上反射后通過折射率n =1.5163,頂角為的光楔。若使入射光線與最后的出射光線成，試確定平面鏡所應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度值。圖3-33 習(xí)題13圖OON 解：=2 在 答：平面鏡順時(shí)針旋轉(zhuǎn)1.0336即可使入射光線與出射光線成90。第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制1.設(shè)照相物鏡的焦距等于75mm，底片尺寸為55×55，求該照相物鏡的最大視場(chǎng)角等于多少？ 解：f- 3.假定顯微鏡目鏡的視角放大率=15，物鏡的倍率=2.5,求物鏡的焦距和要求的通光口徑。如該顯微鏡用于測(cè)量，問物鏡的通光口徑需要多大（u=-2y=8mm顯微鏡物鏡的物平面到像平面的距離為180mm）？ 解： （1） 在此情況下，物鏡即為顯微鏡的孔徑光闌 O-uBABALL LMMMBA出瞳LFABfOF-uL-L （2） 用于測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)中加入了孔徑光闌，目鏡是視場(chǎng)光闌 由于u已知，根據(jù)u可確定孔徑光闌的大小 在 答：物鏡的焦距為36.73mm，物鏡的孔徑為7.734mm，用于測(cè)量時(shí)物鏡孔徑為15.726mm。4. 在本章第二節(jié)中的雙目望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，假定物鏡的口徑為30mm，目鏡的通光口徑為20mm，如果系統(tǒng)中沒有視場(chǎng)光闌，問該望遠(yuǎn)鏡最大的極限視場(chǎng)角等于多少？漸暈系數(shù)k =0.5的視場(chǎng)角等于多少？ 解：（1）f-fxy （2） -ff 答：極限視場(chǎng)角等于11.33漸暈系數(shù)為0.5的視場(chǎng)角為9.08。5. 如果要求上述系統(tǒng)的出射瞳孔離開目鏡像方主面的距離為15mm，求在物鏡焦面上加入的場(chǎng)鏡焦距。 解： L-ffDDD D對(duì)場(chǎng)鏡成像，位置為 對(duì)目鏡有 可得 對(duì)場(chǎng)鏡 答：場(chǎng)鏡焦距為54mm。6.思考題：當(dāng)物點(diǎn)在垂直光軸方向上下移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的孔徑光闌是否改變？答：當(dāng)物點(diǎn)在垂直光軸方向上下移動(dòng)時(shí)，孔徑光闌對(duì)來自不同點(diǎn)的成像光束口徑限制最大，所以系統(tǒng)的孔徑光闌不變。第 37 頁 共 37 頁