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第11章工程光学郁道银第二版ppt课件

一、工程光学概述

(1)工程光学是一门研究光学原理在工程领域应用的科学，它涉及光学现象的基本原理、光学系统的设计、光学仪器的制造以及光学技术在实际工程中的应用。在工程光学的发展过程中，光学理论和技术不断进步，为现代工业、信息技术、医学、军事等领域提供了重要的技术支持。

(2)工程光学的研究内容主要包括光学系统、成像光学系统、光学仪器的性能与设计等方面。光学系统的研究关注光学元件的配置、光学特性的优化以及光学系统的整体性能。成像光学系统则专注于如何利用光学原理实现图像的准确、快速和高质量的成像。光学仪器的性能与设计则是针对不同应用场景，设计出满足特定功能要求的仪器。

(3)工程光学在工程实践中具有广泛的应用。例如，在光学仪器设计中，工程光学原理被用于优化光学系统的性能，提高成像质量；在光学制造中，工程光学技术确保了光学元件的精确加工和组装；在光学检测领域，工程光学技术被用于精确测量和检测物体的尺寸、形状和表面质量。总之，工程光学在推动科技进步和产业发展中发挥着不可替代的作用。

二、光学系统

(1)光学系统是工程光学中的核心部分，它由多个光学元件组合而成，旨在实现特定光学功能。以望远镜为例，其光学系统通常包括物镜、目镜和镜筒等组件。物镜负责收集远处物体的光线并形成实像，目镜则将实像放大并传递给观察者。以哈勃太空望远镜为例，其主镜口径达2.4米，焦距约为24米，能够观测到宇宙深处的遥远天体。

(2)光学系统的设计需考虑光学元件的形状、材料、表面质量等因素。例如，光学元件的形状误差和表面质量直接影响到系统的成像质量。在光学系统设计中，通常采用光学设计软件进行模拟和优化。如Zemax软件，它可以精确计算光学系统的成像性能，并通过迭代优化设计参数，以满足特定的成像要求。以智能手机摄像头为例，其光学系统经过精确设计，实现了高分辨率、低畸变和高对比度的成像效果。

(3)光学系统的性能评估通常包括成像质量、分辨率、畸变、色差等指标。成像质量是指光学系统在成像过程中，图像的清晰度、对比度和细节表现。分辨率是指光学系统能够分辨出的最小物体尺寸。畸变是指光学系统在成像过程中，图像的几何形状发生变化。色差是指不同波长的光在通过光学系统时，成像位置发生偏差。例如，在相机镜头设计中，通过使用低色散光学材料，可以有效减少色差，提高成像质量。在工程实践中，光学系统的性能评估对于确保其满足特定应用需求具有重要意义。

三、成像光学系统

(1)成像光学系统是光学工程中的重要分支，其核心任务是通过光学元件的组合，将光线聚焦形成清晰的图像。在成像过程中，光学系统需要满足一定的成像条件，如放大倍数、像场、分辨率等。以数码相机为例，其成像光学系统包括镜头、光圈、图像传感器等组件。镜头负责收集光线并形成图像，光圈控制进入镜头的光量，图像传感器负责捕捉图像信号。

在成像光学系统的设计过程中，光学设计师需要考虑多种因素。例如，以FujifilmX-T4相机为例，其主镜头FujifilmXF23mmf/1.4R为定焦镜头，最大光圈为f/1.4，焦距为23mm。该镜头采用9组12片光学设计，其中包括非球面镜片和ED（超低色散）镜片，以降低色散和畸变，实现高分辨率成像。此外，该镜头还具备快速自动对焦功能，对焦速度可达0.05秒，以满足快速拍摄需求。

(2)成像光学系统的性能评估主要包括成像质量、分辨率、畸变、色差等指标。成像质量是指光学系统在成像过程中，图像的清晰度、对比度和细节表现。分辨率是指光学系统能够分辨出的最小物体尺寸，通常以线对数（lp/mm）表示。畸变是指光学系统在成像过程中，图像的几何形状发生变化，分为径向畸变和切向畸变。色差是指不同波长的光在通过光学系统时，成像位置发生偏差。

以专业级单反相机为例，其成像光学系统通常采用高分辨率镜头，如尼康D850的尼康AF-SNikkor24-120mmf/4GEDVR镜头，该镜头具备14组20片光学设计，包括ED镜片和超非球面镜片，以降低色散和畸变，实现高分辨率成像。该镜头的分辨率为40lp/mm，畸变率小于1%，色差控制良好。

(3)成像光学系统在各个领域的应用非常广泛。在医学领域，成像光学系统被用于显微镜、X光机等设备，以实现微细结构的观察和疾病的诊断。以电子显微镜为例，其成像光学系统采用复消色差物镜，能够提供高分辨率和高对比度的图像，以便研究人员观察细胞、病毒等微观结构。在工业领域，成像光学系统被用于检测、质量控制等环节，如机器视觉系统，其光学系统需具备高分辨率和快速响应能力，以实现对生产线的实时监控和故障检测。此外，在军事、天文、航空航天等领域，成像光学系统也发挥着重要作用，如天文望远镜、卫星成像系统等，它们能够捕捉到远距离天体和地面的图像信息。