天津大学2014-2015学年工程光学期末考试试卷Word下载.doc
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z
x
y
物镜
题2-4图
题2-6图
三.填空:
(共10分,每题2分)
1.照明系统与成像系统之间的衔接关系为:
①________________________________________________
②________________________________________________
2.转像系统分____________________和___________________两大类,
其作用是:
_________________________________________
3.一学生带500度近视镜,则该近视镜的焦距为_________________,
该学生裸眼所能看清的最远距离为_________________。
4.光通过光学系统时能量的损失主要有:
________________________,
________________________和_______________________。
5.激光束聚焦要求用焦距较________的透镜,准直要用焦距较________的透镜。
四.计算题:
(共60分)
1.一透镜焦距,如在其前边放置一个的开普勒望远镜,求组合后系统的像方基点位置和焦距,并画出光路图。
(10分)
2.已知,的双凸透镜,置于空气中。
物A位于第一球面前处,第二面镀反射膜。
该物镜所成实像B位于第一球面前,如图所示。
若按薄透镜处理,求该透镜的折射率n。
(20分)
3.已知物镜焦距为,相对孔径,对无穷远物体成像时,由物镜第一面到像平面的距离为,物镜最后一面到像平面的距离为。
(1)按薄透镜处理,求物镜的结构参数;
(8分)
(2)若用该物镜构成开普勒望远镜,出瞳大小为,求望远镜的视觉放大率;
(4分)
(3)求目镜的焦距、放大率;
(4)如果物镜的第一面为孔径光阑,求出瞳距;
(6分)
(5)望远镜的分辨率;
(2分)
(6)如果视度调节为折光度,目镜应能移动的距离。
(7)画出光路图。
工程光学(上)期末考试参考答案
一.
简答题:
答:
摄影物镜的三个重要参数是:
焦距、相对孔径和视场角。
焦距影响成像的大小,相对孔径影响像面的照度和分辨率,视场角影响成像的范围。
为了保证测量精度,测量仪器一般采用物方远心光路。
由于采用物方远心光路时,孔径光阑与物镜的像方焦平面重合,无论物体处于物方什么位置,它们的主光线是重合的,即轴外点成像光束的中心是相同的。
这样,虽然调焦不准,也不会产生测量误差。
显微物镜和望远物镜应校正与孔径有关的像差,如:
球差、正弦差等。
照相物镜则应校正与孔径和视场有关的所有像差。
因为显微和望远系统是大孔径、小视场系统,而照相系统则是一个大孔径、大视场系统。
评价像质的方法主要有瑞利(Reyleigh)判断法、中心点亮度法、分辨率法、点列图法和光学传递函数(OTF)法等5种。
瑞利判断便于实际应用,但它有不够严密之处,只适用于小像差光学系统;
中心点亮度法概念明确,但计算复杂,它也只适用于小像差光学系统;
分辨率法十分便于使用,但由于受到照明条件、观察者等各种因素的影响,结果不够客观,而且它只适用于大像差系统;
点列图法需要进行大量的光线光路计算;
光学传递函数法是最客观、最全面的像质评价方法,既反映了衍射对系统的影响也反映了像差对系统的影响,既适用于大像差光学系统的评价也适用于小像差光学系统的评价。
二.
图解法求像或判断成像方向:
(图中C为球面反射镜的曲率中心)
A'
f'
入瞳
视场角2ω
出瞳
三.
填空:
①__照明系统的拉赫不变量要大于成像系统的拉赫不变量___
②__保证两个系统的光瞳衔接和成像关系_________________
2.转像系统分___棱镜式___________和___透镜式__________两大类,
_使物镜所成的倒像转变为正像。
3.一学生带500度近视镜,则该近视镜的焦距为_____-0.2米________,
该学生裸眼所能看清的最远距离为___眼前0.2米__________。
_两透明介质面上的反射损失______,
__介质吸收的损失_____________和_____反射面的光能损失__。
5.激光束聚焦要求用焦距较__短____的透镜,准直要用焦距较__长______的透镜。
四.
计算题:
解:
求得:
组合后的焦距是-180mm。
基点位置如图所示。
其光路图如下所示:
f3'
=30
-h2
-f'
F3'
(F'
)
(F2)
h1
-fe
fo'
目镜
lH'
l2
-l3
-l2'
=-l3'
-l=50
d
l1'
设:
透镜的折射率为n
物点A经折射成像在A'
处,将已知条件代入公式
得
----①
A'
经反射后,成像于B'
点。
故将,代入反射面公式,得:
----②
B'
点再经折射成像在B点。
根据光路的可逆性,将B视为物,B'
点视为像,有,代入折射公式,得:
----③
由①②③式解得:
透镜的折射率为1.6。
(6)如果视度调节为±
5折光度,目镜应能移动的距离。
根据题意,画出物镜的结构图如下:
f'
=500
400
300
u2'
h2
u1'
(1)将和代入公式
,得:
将代入牛顿公式,得:
(2)因,则:
(3),
(4)望远镜系统的结构如下图所示:
-fe=20
孔径光阑
将和代入公式,得:
将和代入公式,
得出瞳距:
(5)
(6)
(7)望远系统光路图如下:
lz'
Fo'
(Fe)
工程光学(下)期末考试试卷
一、填空题(每题2分,共20分)
1.在夫琅和费单缝衍射实验中,以钠黄光(波长为589nm)垂直入射,若缝宽为0.1mm,则第1极小出现在(
)弧度的方向上。
2.一束准直的单色光正入射到一个直径为1cm的汇聚透镜,透镜焦距为50cm,测得透镜焦平面上衍射图样中央亮斑的直径是cm,则光波波长为(
)nm。
3.已知闪耀光栅的闪耀角为15o,光栅常数d=1mm,平行光垂直于光栅平面入射时在一级光谱处得到最大光强,则入射光的波长为(
4.晶体的旋光现象是(
),其规律是(
)。
5.渥拉斯棱镜的作用(
),要使它获得较好的作用效果应(
6.
利用此关系可(
7.波片快轴的定义:
(
8.光源的相干长度与相干时间的关系为(
相干长度愈长,说明光源的时间相干性(
9.获得相干光的方法有(
)和(
10.
在两块平板玻璃A和B之间夹一薄纸片G,形成空气劈尖。
用单色光垂直照射劈尖,如图1所示。
当稍稍用力下压玻璃板A时,干涉条纹间距(
),条纹向(
)移动。
若使平行单色光倾斜照射玻璃板(入射角),形成的干涉条纹与垂直照射时相比,条纹间距(
a
G
图1
二、问答题(请选作5题并写明题号,每题6分,共30分)
1.
简要分析如图2所示夫琅和费衍射装置如有以下变动时,衍射图样会发生怎样的变化?
1)增大透镜L2的焦距;
2)减小透镜L2的口径;
3)衍射屏作垂直于光轴的移动(不超出入射光束照明范围)。
q
L1
L2
P
接收屏
衍射屏
光源
图2夫琅和费衍射系统俯视图
2.
以迈克尔逊(M)干涉仪的等倾圆环和牛顿(N)环为例,对“条纹形状”作一简要讨论,(从中央级次、条纹移动分析它们的相同点与不同点)。
3.
利用惠更斯作图法求下列方解石晶体中的双折射光(标出光线方向和光矢量方向)。
4.
拟定部分偏振光和方位角为的椭圆偏振光的鉴别实验。
(包括光路、器件方位、实验步骤。
5.
试述如图3所示格兰-付科棱镜的结构原理(要求画出并标出o光、e光的传播方向,光矢量方向)特点,用途和使用方法,并说明此棱镜的透光轴方向。
图3
6.
Agrating,usedinthesecondorder,diffractslightof632.8nmwavelengththroughanangleof30o.Howmanylinespermillimeterdoesthegratinghave?
7.
Anoilfilm(n=1.47,thickness0.12mm)restsonapoolofwater.Iflightstrikesthefilmatanangleof60o,whatisthewavelengthreflectedinthefirstorder?
三、计算(共50分)
1.(15分)平行的白光(波长范围为390nm-700nm)垂直照射到平行的双缝上,双缝相距1mm,用一个焦距的透镜将双缝的衍射图样聚焦在屏幕上。
若在幕上距中央白色条纹3mm处开一个小孔,在该处检查透过小孔的光,问将缺少哪些波长?
2.(20分)图4所示一双缝实验,波长为的单色平行光入射到缝宽均为d()的双缝上,因而在远处的屏幕上观察到干涉图样。
将一块厚度为,折射率的薄玻璃片放在缝和屏幕之间。
1)论点的光强度特性
2)如果将一个缝的宽度增加到2d,而另一个缝的宽度保持不变,点的光强发生怎样的变化?
(假设薄片不吸收光)。
t
P0
图4
3.(15分)将一块片插入两个偏振器之间,波片的快轴与两偏振器透光轴的夹角分别为和,求光强为I0的自然光通过这一系统后的强度是多少?
工程光学(下)期末考试参考答案
一、填空题(每题2分,共20分)
在夫琅和费单缝衍射实验中,以钠黄光(波长为589nm)垂直入射,若缝宽为0.1mm,则第1极小出现在(5.89´
10-3)弧度的方向上。
一束准直的单色光正入射到一个直径为1cm的汇聚透镜,透镜焦距为50cm,测得透镜焦平面上衍射图样中央亮斑的直径是cm,则光波波长为(546)nm。
已知闪耀光栅的闪耀角为15o,光栅常数d=1mm,平行光垂直于光栅平面入射时在一级光谱处得到最大光强,则入射光的波长为(500)nm。
(当一束线偏振光沿着晶体的光轴方向传播时,其光矢量将随传播距离的增加逐步偏转)(其偏转的角度。
式中为旋光系数,l为光在晶体中传播的距离,)。
(它能将自然光分解成两个分得较开光矢量相互⊥的线偏振光),(由知,可以选用双折射率差值较大的材料制作)。
=
=
利用此关系可(拟定右旋圆偏振光的产生和检验实验)。
(在波片中与传播速度快的光矢量所平行的主轴方向)。
8.
光源的相干长度与相干时间的关系()。
相干长度愈长,说明光源的时间相干性(愈好)。
9.
获得相干光的方法有(分波前法)和(分振幅法)。
在两块平板玻璃A和B之间夹一薄纸片G,形成空气劈尖,。
用单色光垂直照射劈尖,如图1。
当稍稍用力下压玻璃板A时,干涉条纹间距(增大),条纹向(右)移动。
若使平行单色光倾斜照射玻璃板(入射角),形成的干涉条纹与垂直照射时相比,条纹间距(增大)。
二、问答(每题6分,共30分)
1.答:
1)增大透镜L2的焦距,将使接收屏上衍射图样的间隔增大。
因有公式,此时衍射角不变,条纹间隔增大;
2)增大透镜L2的口径,不会改变衍射图样的分布,但进入系统的光束宽度增加,可使光强增加;
3)衍射屏垂直于系统光轴方向移动时,衍射图样不会改变,因为衍射屏移动前后光的入射角不变,缝宽不变,由衍射公式知其接收屏上的光强分布不变;
2.答:
M圆环
N圆环
n=0
①中央级次
h->
大,条纹从中心涌出,中央级次增高;
h->
小,条纹从中心内陷,中央级次降低。
大,条纹向牛顿环中心移动(向棱移动),条纹变密,但不内陷;
小,条纹向外移动,条纹变疏。
②条纹移动
红内紫外
红外紫内
③白光照射(同一级次,)
3.作图
4.答:
用一偏振器正对着入射光并旋转之,观察透射光强,如图a所示,使偏振器P转到透射光最弱的位置,然后插入1/4波片(在P前)并使其快轴平行于此位置,如图b所示,再旋转P,若有消光出现,说明入射光为椭圆偏振光,若转一周内无消光,则入射光为部分偏振光。
lË
/
4
(
b
5.答:
将方解石晶体按长/宽=0.83的比例,平行光轴切制成一长方体并沿对角面如图所示再切开,然后贴合在一起,其间为薄的空气层。
当一束自然光垂直入射到此棱镜上时,在第一个直角镜中产生两个光矢量相互垂直,以不同速度沿同一直线传播的线偏振光(o,e)。
其中o光在斜面处因满足全反射条件而全部反射,只有e光在两直角镜中的折射率均为ne。
所以仍沿同一直线传播并透出整个棱镜。
可见:
这种棱镜可用作激光紫外波段的起偏和检偏,并且因透射光不改传播方位即仍沿直线传播。
因此旋转此镜时,出射光不绕入射光传播方向打转。
其透光轴为平行于主截面或平行于光轴的方向。
此外,由于从棱镜出射的光矢量为平行于入射面的P分量,它的反射损失低,因此透射光强较大。
但由于此棱镜的孔径角约为。
因此使用时入射光最好接近垂直入射。
6.Solution.
Accordingtotheequation,weget
So
7.Solution.AccordingtotheSnell’slaw,
weget
whenm=1,
1.(15分)
由已知条件知小孔位置对应的衍射角
由双缝衍射公式
其中
,
,
a为缝宽、d为相邻两缝间隔
得:
当
时,
I=0。
即
I=0
上式整理得:
代入m=4,5,6,7得:
为缺少的波长。
2.(20分)
1)从两个缝发出的光到达P0点时的相位差为
P0点的光强为
当相位差满足
或薄片厚度满足
时,P0点的光强最大。
当相位差满足
时,P0点的光强最小。
2)
上面的缝宽增加到2d时,P0点的光强复振幅为
此时P0点的光强度为
3.(15分)
如图所示
P1⊥P2
=