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1、2022年应用光子学一、几何光学基本定律与成像1 .成像的概念，完善成像的条件，实际光学系统不能完善成像的缘由，近轴光的概念。成像概念:球面波经过光学系统后仍为一球面波,对应的光束仍为同心光束，则该同心光束的中心为物点经光学系统后所成的完善像点。物体上每个点经光学系统所成安完善像的集合就是该物体经光学系统所称的完善像。完善成像条件：入射光束为球面波，出射光束也为球而波，即入射光束为同心光束时，出射光束他也为同心光束；物点与对应的像点之间的任意二条光路的光程相等。（等光程成像）。实际光学系统不能完善成像：完善成像只对特定的点才有意义，对肯定大小的物体，不能对物体上没一点都满意等光程条件，不能成完
2、善想；通常满意等光程原理的单个折反射面都是非球面，而非球面镜制造困难。实际光学系统多用一系列球面组成的光学系统。近轴光：物方孔径角U很小时，入射角，折射角，象方孔径角Ir都很小，光线在光轴四周很小的区域，称为近轴区，近轴区的光线称为近轴光。近轴成像是完善的。（局斯象，局斯象面，共飘点）2 .光线光路计算中的符号法则规定光线从左向右传播，沿轴线段：以。为原点，同向为+反向为一；垂轴线段：上+下一；光线与光轴夹角：光轴转向光线，顺+逆一。全部参量都是含符号的量。3 .球面光学成像计算公式：物象位置、大小（放大率）多面成像中面的过渡关系，折射、反射同时存在时符号和方向的确定。转面公式一前后相邻面之间
3、的基本量的转化关系。原则：前一折射面的象为后一面的物，前一面的象空间为后一面的物空间二、抱负光系统1 .共线成像理论：物、象线上的点，共挽点、线。共线成像理论：对于抱负光学系统，点对应共飘点，直线对一个共辄直线，平面对应共飘平面的成像为共线成像。（作图法或解析法求解物象关系的基础。）抱负光学系统的基点、基面：主点、焦点、节点。焦点：像方焦点：对应物点在物方光轴上无限远处；物方焦点：对应像点在像方光轴上无限远处。不是共枕点。物象方=+1的共辄平面为物象方主平面。主平面与光轴的交点为主点H、H是一对共飘点。以主点作为原点来度量，主点到焦点的距离称为焦距。物方主点H到物方焦点F的距离称为物方焦距（前
4、焦距或第一焦距）；象方主点H到象方焦点F的距离称为象方焦距（后焦距或其次焦距）。正光组F0；负光组节点:角放大率为+1的一对共桅点,通过这对共飘点的光线方向不变。若光学系统在同一介质中，则节点与主点重合。2 .作图法实物：找两条特别光线，经过物方焦点及平行于光轴。虚物：找到实际入射光线，平行于光轴及反向延长线经过物方焦点。像点为出射光线或出射光线延长线的交点。物方相互平行的光线经透镜后出射光线或出射光线的延长线交于象方焦平面上一点。3 .物象关系：高斯、牛顿公式、放大率、物象虚实与放大率的关系。0:物象同侧，虚实相反，成正象；0:物象异侧，虚实相同，成倒像。4 .多光组组合:过渡时的物像距离。
5、三、平面与平面系统1 .平面镜：反射、双平面镜、转动、成像反射镜：完善象；等大正立的象；物象虚实相反；奇次反射成镜像，偶次反射成全都象。转动：以肯定方向的光线入射到平面镜平面镜摇摆Q角则反射光线将有2的摆角。双平面镜成像：夹角为。时像有很多个，为Pi时成单平面镜成像；双平面镜转动：出射光线与入射光线的夹角与入射角无关，只打算于双平面镜夹角；入射光线方向肯定，双平面镜绕其棱边旋转时，出射光线方向不变。2 .平行平板成像特性：等效空气平板，像的位移平行平板成像特性:放大率为1:近轴光成像通过平板后的轴向位移只与厚度及折射率有关，与入射角无关。近轴光经平行平板成像是完善的。等效空气平板：相面与玻璃平
6、板其次表面的距离等于物平面与等效空气层其次表面的距离。等效空气层厚度为dn.3 .反射棱镜转像规律o/z,与光轴出射方向全都；。y,轴方向视棱镜组中屋脊棱镜的个数而定。没有或偶数个屋脊棱，。y和。y同向，奇数个屋脊棱，。yz和。y反向；ox轴方向视棱镜组中反射次数（一个屋脊棱算两次反射）而定。奇数次反射，方向按右手坐标系来确定，偶数次反射按左手坐标系来确定。（P55第7题）4 .棱镜的绽开把棱镜的主截面沿着它的反射面绽开，取消棱镜的反射，以平行平板的折射代替棱镜折射的方法称为“棱镜的绽开”。绽开后光轴长度L=kD,其中D为棱镜口径，k为一常数。（课件P53例题）。四、典型系统1 .显微系统原理
7、、光路图、放大倍率、孔径、辨别率、景深物镜目镜均为正光组；光学间隔远远大于两透镜焦距；先成一放大倒立的实像，再成一放大正立的虚像。放大率很大。视觉放大率等于250mmf,与放大镜视觉放大率相同。显微镜线视场取决于放在目镜前焦面视场光阑的大小，物体经物镜成像在视场光阑上。显微镜视觉放大率越大，在物空间线视场越小。显微镜辨别率主要取决于显微物镜数值孔径，与目镜无关。目镜仅把被物镜辨别的像放大。显微镜数值孔径越大，要求放大倍率越高，景深就越小。景深的大小打算了用显微镜纵向调焦时的调焦误差。2 .望远系统原理、光路图、放大倍率物镜像方焦点与目镜物方焦点重合。物镜焦距远远大于目镜焦距。等效焦距为无穷大，
8、是无焦系统。开普勒望远镜：物镜目镜均为正透镜；成倒像；系统中存在实像。伽利略望远镜：物镜为正透镜，目镜为负透镜；成正像；系统中存在虚像。3 .照相物镜物距减小，透镜焦距增大，放大率增大。五、光阑与光束掌握1 .孔径光阑：作用，判定方法，入瞳出瞳限制轴上物点成像光束的立体角，打算了轴上物点发出平面光束的孔径角。孔径光阑位置不同，轴外点发出并参加成像的光束通过透镜的位置就不同。限制轴上物点成像光束宽度，选择轴外物点成像光束位置。孔径光阑对前方光学系统所成像称为入射光瞳，入瞳边缘对物点的张角为物方孔径角；前方无系统时，孔径光阑就是入瞳。孔径光阑对后方光学系统所成的像称为出射光瞳，出瞳边缘对像点的张角
9、为像方孔径角；后方无系统时,孔径光阑就是出瞳。孔阑与入瞳关于孔阑前的光学系统共枕；孔阑与出瞳关于孔阑后的光学系统共规；入瞳与出瞳关于整个光学系统共规。判定方法：将光学系统中全部光学零件的通光孔分别通过其前面的光学零件成像到整个系统的物空间区，入射光瞳必定是其中对物面中心张角最小的一个。（课件P46例题）。2 .视场光阑：作用，判定方法，入窗出窗打算物平面上成像的范围，放置在物平面或像平面上限制成像范围。视场光阑通过前方光学系统在物空间所成的像为入射窗，通过后方光学系统在象空间所称的像为出射窗。入窗限制物方物面上的成像范围，出窗限制像方像面范围。判定方法：先找到入瞳和孔阑，将全部除孔阑外的光控通
10、过前方光学系统成像到物空间，光孔像对入瞳中心张角最小的为入射窗，对应的光孔为视场光阑。3 .光学系统的景深：形成的原理，与孔径、焦距、放大倍率等的关系。物空间的点成像在像平面上，景象平面，理论上，只有对准平面上的点才能在景象平面上成像，其他点在景象平面上只能成一弥散斑，但当弥散斑小于肯定限度时,仍可认为是一个点。对人眼的张角小于人眼极限辨别角（约为1）,或弥散斑尺寸小于探测器的辨别力量。在景象平面上所获得的成清楚像的空间深度称为成像空间的景深，简称景深。入瞳直径越小，景深越大；拍摄距离越大，景深越大；焦距越小，景深越大；光圈数越多，景深越大；4 .显微成像系统中的照明：柯拉照明、临界照明，二者
11、的差异照明系统：光源加聚光镜，使放大后的相面有足够的照度。为使物镜的孔径角得以充分采用，聚光镜应有与物镜相同或稍大的数值孔径透亮物体的照明：透射光照明，临界照明，柯拉照明。临界照明：光源经聚光镜所称的像与物平面重合，相当于在物平面上放置光源。缺点：光源表面亮度不均，或明显表现出灯丝的结构，影响观看效果。柯拉照明：消退临界照明中物平面上光照度不匀称的缺点。不是直接把光源成像在标本平面上，而是把被光源匀称照明的聚光镜前组（又称柯拉镜）2成像在标本6上，物镜的视场得到匀称的照明。区分：临界照明聚光镜物方焦平面上放置的可变光阑是聚光镜的孔径光阑，也是入瞳，经过聚光镜的像即出瞳应与物镜的入射光瞳重合。转
12、变光阑大小，即可转变摄入物镜光束的孔径角，使之与物镜的数值孔径相适应。（瞳对瞳，场对场）。柯拉照明中聚光镜的孔径光阑经聚光镜后组成的像即出射光瞳与显微镜物平面重合，聚光镜的视场光阑经聚光镜成的像即出窗与物镜入瞳重合。（瞳对场，场对瞳）。六、光能计算1 .辐射量和光学量及其单位光通量、发光强度、亮度、照度空间立体角2 .成像系统像面的光照度（课件P14例题）3 .光能损失的计算汲取损失、反射损失（透射面、放射面）七、像差1.分类：单色像差、色差近轴光学系统只适用于近轴的小物体以细光束成像，实际的光路计算，远远超过近轴区所限制的范围，物象的大小与位置与近轴光学系统计算的结果不同，实际像与抱负像之间
13、的差异称为像差。球差、慧差、象散、场曲和畸变统称为单色像差。白光进入光学系统后，由于折射率不同而有不同的光程，导致不同色光成像的位置和大小也不相同，不同色光的成像差异称为色差。,轴上点的球差：血光束至差，仅是口径的函数。缘由：远轴光线的光路计算结果L/和U，随入射高度或孔径角的不同而不同，轴上点发出的同心光束经光学系统后不在是同心光束，不同入射高度的光线经光学系统后叫光轴于不同位置，相对像像点有不同程度偏差，即轴向球差。矫正：单透镜本身不能矫正球差，正负透镜组合有可能矫正球差。(单正透镜产生负球差，单负透镜产生正球差)。慧差：轴外点宽光束的像差，是孔镜和视场的函数。随视场的增大而增大。缘由：轴
14、外点宽光束靠近主光线的细光束交于主光线形成一亮点，远离主光线的不同孔径的光线束形成的像点是远离主光线的不同圆环。同一视场不同孔径的光线对的交点不仅在垂直于光轴方向偏离主光线，而且沿光轴方向也和高斯面有距离。场曲：轴外点光束像差，仅是视场函数。平面物体的像变成一回转曲面。像散:细光束的子午像点和弧矢像点不重合,两者分开的轴向距离称为像散。随视场的增大而增大。畸变：主光线的像差，是垂轴像差，只转变州外物点在抱负像面上的成像位置，使想的外形产生失真。由于光阑球差的影响，不同视场的主光线通过光学系统后与高斯像面的交点高度不等于抱负像高，差别就是系统的畸变。仅是视场的函数。色差：光学材料对不同波长的色光
15、有不同的折射率，因此同一孔径不同色光的光线经光学系统后与光轴有不同的交点，不同孔径不同色光的光线与光轴的交点也不同。物点的像是一个彩色的弥散斑。矫正：单透镜不能校正色差，正负透镜的组合。八、高斯光束及其变换1 .高斯光束的光场分布特征特别形式的光波，光束截面内强度分布不匀称；振幅和等相位面都在变化的高斯球面波；中心处和无穷远处的波阵面是平面，平面上各点的相位相同，等相面是一个平面。其它地方波阵面是球面，球面上各点的相位相同；波阵面上振幅分布不匀称，即每个平面或球面上的各点振幅呈高斯分布函数。在任意位置处，场振幅以高斯函数形式从中心(即传播轴线)向外平滑地减小。2 .传播特征曲率中心和曲率半径都
16、随传播过程而不断转变的非匀称球面波3 .透镜变换与方法依据高斯光束的性质计算出入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径，进一步计算出由透镜出射的波阵面半径和有效截面半径就可以得到出射光束的束腰位置和束腰半径，光波截面半径不变，4 .聚焦与扩束不论透镜焦距多大，总有聚焦作用，焦距愈小，聚焦效果愈好。只要满意条件fF.聚焦方法：使用小焦距透镜；将透镜放于腰处或距腰无限远处。对高斯光束扩束，改善光束的方向性，压缩光束的发散角。倒置望远镜扩束：先用一短焦距透镜将激光光束聚焦，形成微小的束腰光斑，再用一长焦距透镜来增大束腰光斑。(P203习题1)九、光的探测1 .光子流的随机性当P为常数，探测到光子的
17、时间是随机的，且由光源的性质打算的。若光功率P(t)随时间变化,则探测到的光子密度也随函数P(t)变化,平均光通量为P(t)hv,但可探测到光子的时间具有随机性。单位时间内的光子数是随机的。2 .光电效应：外、内光电效应：因光照而引起物体电学特性的转变统称为光电效应。光子直接与电子作用。外光电效应：光电放射效应，光照耀到物体上使之像真空中放射电子。金属或半导体受光照时，若入射光子能量hV足够大，与物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，称为外光电效应。饱和光电流与入射光强成正比，光电子最大动能与入射光频率成正比。内光电效应：光电导效应，使电导率发生变化。当光照耀到半导体材料时.，材料
18、汲取光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大；光伏效应，产生光电势，PN结受到光照时，可在PN结的两端产生光生电势差，这种现象则称为光伏效应。光照下的P-N结产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。3 .光电倍增管：工作原理、特点采用外光电效应把微弱光转标为光电子并使光电子获得倍增的探测器。采用光电放射和二次电子放射相结合。由光窗，光电阴极，电子光学系统，电子倍增系统，阳极构成。倍增管光谱特性的短波阈值打算于光窗
19、材料；光电阴极接受入射光想歪放射电子，打算光谱特性的长波阈值，同时也对整管灵敏度起打算作用；电子光学系统使前一极放射的电子尽可能没有散失地落在后一极上；电子倍增系统有很多倍增极，是打算整管灵敏度最关键的部分；阳极靠近最终一级倍增极，用于收集末一级倍增极放射出的电子。基本参数：灵敏度，量子效率，增益，暗电流，光谱响应。主要特性参数：灵敏度，电流增益，光电特性，光谱特性，伏安特性，时间特性，暗电流，疲惫特性，噪声。4 .光伏探测器：光电特性及其影响因素采用半导体光伏效应制作得器件。光电特性:光电流与照度之间的函数关系。主要打算于材料,也与光照范围，负载大小，外加电压等有关。光电流实际流淌方向为从P
20、端流出经过外电路回到N端。照度低，负载小，加反偏压线性关系好。光谱特性：用相对灵敏度与波长的关系表示，主要打算于材料，与温度，结略有关系。温度特性：温度对器件的开路电压Uoc、短路电流反、暗电流Id、光电流IP及单色光灵敏度都有影响。收温度影响最大的为暗电流。灵敏度与频带宽度积为一常数。5 .光子噪声与光子自身随机到达有关的最基本的噪声源。对于量子效率的光子探测器，一个光子以概率胜成一个光电子-空穴对。由于载流子生成过程的固有随机性，所以也是噪声源。方差及信噪比等于均值。6 .光电探测器的性能参数（光电特性）光电探测器的特征参数：量子效率（每秒产生的光电子数与每秒入射的波长为y的光子数之比），
21、响应度（响应电流或电压与光子通量的比值），响应时间，噪声等效功率（探测器输出的信号电压电流与噪声相等时，入射到探测器上的光功率）。7 .微弱光信号检测技术：锁定放大器，取样积分器尽量减小信号处理系统的等效噪声带宽，对于信噪比小于1的信号，只要信号处理系统的噪声等效带宽做得很小，就有可能将信号从噪声中提取出来。锁定放大器：对交变信号进行相敏检波的放大器，采用和被检信号有相同频率和锁相关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声重量有响应。因此在输入信号中只有被测信号本身由于和参考信号有同频同相关系而能得到最大的直流输出。无时间辨别力量。取样积分器：采用取样和平均化技术测定深埋在噪声中的周期信号。对于稳定的周期性电信号，若在每个周期的同一相位处多次采集波形上某点的数值,其算术平均的结果与该点处的瞬时值成正比例，而随机噪声的长时间平均值将收敛为零。这是取样积分器能改善信噪比的缘由。
