《光学元件基础》课件

光学元件基础课程概述课程目标掌握光学元件基本理论与应用内容安排光学基础、常见元件、材料、制造工艺、检测技术学习方法第一章：光学基础知识光的本质既具有波动性又具有粒子性的电磁波光的传播特性直线传播、反射、折射、干涉、衍射几何光学与波动光学两种不同研究光学现象的理论体系光的基本性质反射光线遇到界面返回原介质折射光线穿过界面改变传播方向干涉两束相干光叠加产生明暗条纹衍射光绕过障碍物边缘传播偏振光波振动限制在特定方向光的波动性电磁波理论光是一种电磁波，由振荡的电场和磁场组成光波传播不需要介质，可在真空中传播光波的频率和波长可见光波长范围：400-700纳米频率与波长成反比，与光速成正比光速真空中光速：约3×10^8米/秒介质中光速小于真空光速几何光学基础光线传播光在均匀介质中沿直线传播费马原理光线走光程最短路径光程几何距离与折射率乘积波动光学基础惠更斯原理波前上每点都是次波源次波的包络面形成新波前波前具有相同相位的点构成的面可为平面波、球面波或复杂形状相位描述波动循环中的位置以弧度或度表示（0-360°）第二章：常见光学元件介绍透镜定义与分类改变光传播方向的透明光学元件球面透镜表面为球面的透镜非球面透镜表面为非球面的透镜透镜的基本参数焦距平行光通过透镜后汇聚于焦点的距离曲率半径透镜表面球面的半径值折射率光在真空中的速度与在介质中速度之比透镜成像原理薄透镜公式1/f=1/u+1/vf为焦距，u为物距，v为像距像的位置和大小线性放大率m=v/u=-hi/hohi为像高，ho为物高正值表示正立像，负值表示倒立像透镜的应用放大镜利用凸透镜放大物体的简单工具照相机由多片透镜组成的成像系统显微镜观察微小物体的精密光学仪器望远镜观察远距离物体的光学设备棱镜定义与分类由平面构成的透明光学元件2棱镜的基本参数顶角、折射率、色散率棱镜的光学特性折射光线通过棱镜发生偏转色散不同波长光发生不同程度偏转全反射入射角大于临界角时光全部反射棱镜的应用分光将复合光分解为各单色光1转向改变光路方向的光学装置光谱分析用于物质成分分析的重要手段反射镜1平面镜表面为平面的反射镜2球面镜表面为球面的反射镜3抛物面镜表面为抛物面的反射镜反射镜的成像特性平面镜成像虚像、等大、左右相反像距等于物距球面镜成像凹面镜：物距大于焦距时成倒立实像凸面镜：总是成正立缩小的虚像球面公式：1/f=1/u+1/v反射镜的应用天文望远镜使用大口径反射镜收集微弱星光汽车后视镜利用凸面镜扩大视野范围激光器谐振腔使用高反射率镜面增强激光增益滤光片吸收式滤光片通过材料吸收特定波长光常见如彩色滤光片干涉式滤光片利用多层薄膜干涉原理可实现高精度波长选择滤光片的光学特性波长(nm)透过率(%)滤光片的应用光学摄影色彩滤光、紫外/红外截止荧光显微镜分离激发光和发射光光谱分析选择特定波段进行分析偏振器线偏振器只允许特定方向振动光通过圆偏振器产生圆偏振光的光学元件波片改变偏振态的双折射晶体偏振器的光学特性偏振方向电场矢量振动的方向消光比最大透过率与最小透过率之比相位延迟快轴与慢轴间的相位差偏振器的应用LCD显示器利用液晶调控偏振光方向应力分析通过双折射观察材料内应力分布3偏振显微镜观察具有光学各向异性的样品衍射光栅透射光栅光通过光栅产生衍射常用于分光系统反射光栅光从光栅表面反射后衍射应用于高功率光谱仪全息光栅通过全息技术记录制作具有更高衍射效率衍射光栅的光学特性衍射方程dsinθ=mλ光谱分辨率R=mN(N为刻线总数)3衍射效率特定级次衍射光强与入射光强比值衍射光栅的应用1光谱仪分析光谱组成的重要仪器2波长选择选择特定波长光用于科研和工业激光调谐实现激光波长的精确选择第三章：光学材料光学玻璃分类冕牌玻璃、火石玻璃、特种玻璃光学特性折射率、阿贝数、透过率2应用领域透镜、棱镜、光纤通信光学晶体晶体名称特点主要应用石英晶体高透明度紫外光学元件萤石低色散望远镜物镜KDP晶体电光效应激光调Q锂铌酸锂非线性光学效应频率倍增光学塑料优缺点轻量化易加工成型成本低耐温性差硬度低易刮伤常见种类PMMA（亚克力）PC（聚碳酸酯）COC（环烯烃共聚物）PS（聚苯乙烯）应用场景眼镜镜片照相机镜头投影仪镜头汽车大灯光学陶瓷特点耐高温硬度高化学稳定性好可制作大尺寸组件制备方法粉末烧结热压烧结热等静压烧结应用前景激光增益介质大功率窗口红外光学元件第四章：光学元件制造工艺光学玻璃制造原料熔炼、成型、退火光学研磨粗磨、精磨、细磨3光学抛光提高表面光洁度4光学镀膜增透、增反、滤光精密加工特殊形状和高精度加工光学玻璃制造熔炼高温熔化原料，去除气泡成型浇铸、压制或拉制成所需形状退火缓慢冷却消除内应力光学研磨研磨原理利用磨料颗粒对材料表面进行机械去除研磨材料碳化硅、氧化铝、金刚石等研磨工艺从粗磨到细磨逐步减小磨料粒度光学抛光抛光原理化学机械作用去除表面微小缺陷形成分子级平整度的表面抛光材料氧化铈、氧化锆、胶体二氧化硅等抛光垫：沥青、聚氨酯、毛毡抛光工艺精确控制压力、转速、时间定期检测表面质量调整参数光学镀膜镀膜原理利用薄膜干涉效应控制光反射和透射1常见镀膜方法真空蒸发、磁控溅射、离子辅助沉积镀膜材料金属氧化物、硫化物、荧化物等精密光学加工单点金刚石车削用于非球面元件高精度加工磁流变抛光利用可控磁场精确抛光复杂表面离子束加工用加速离子束去除表面原子层第五章：光学元件检测技术表面形貌检测分析元件表面微观结构和粗糙度面形误差检测测量表面与理想形状的偏差透过率测量分析元件对各波长光的透过能力焦距测量确定透镜系统的焦点位置表面形貌检测接触式测量使用探针接触表面进行扫描触针式轮廓仪原子力显微镜非接触式测量不接触表面的光学检测方法白光干涉仪共聚焦显微镜相位测量干涉仪面形误差检测干涉法利用光的干涉原理检测表面形状常用仪器：费索干涉仪、牛顿干涉仪波前检测法测量通过光学系统后的波前变形常用仪器：夏克-哈特曼波前传感器分析与评价使用Zernike多项式分解面形误差常见评价指标：PV值、RMS值透过率测量波长(nm)透过率(%)焦距测量1自准直法利用平行光束经透镜后聚焦再返回的原理诺德测试法找到镜头节点位置确定焦距3hartmann测试法分析多束光线交点确定焦点位置应力双折射检测偏振应力仪利用偏振光通过应力区域产生色彩通过观察色彩分布判断应力分布检测原理材料在应力作用下出现双折射效应偏振光通过后相位差与应力成正比评价标准用光程差(nm/cm)表示应力大小精密光学元件通常要求＜5nm/cm第六章：光学系统设计基础设计流程需求分析→参数设计→像差分析→优化2像差控制球差、彗差、像散、场曲等3系统评价MTF、PSF、Strehl比光学设计流程需求分析确定光学系统性能指标参数设计初步确定结构和参数优化与评估调整参数达到最佳性能像差分析球差边缘光线与轴上光线焦点不同1彗差离轴点光源成彗星状像像散子午和弧矢平面焦点不同3场曲像面不是平面而是曲面光学设计软件Zemax最广泛使用的光学设计软件CodeV专业成像系统设计工具Oslo功能丰富的光学设计平台光学系统评价指标空间频率(lp/mm)MTF典型光学系统设计显微物镜高放大倍率、大数值孔径、消色差照相镜头宽光谱响应、大视场、变焦功能投影镜头高分辨率、高均匀性、远投射距离第七章：光学元件应用实例激光系统中的光学元件激光器谐振腔高反射镜输出耦合镜增益介质光束整形望远系统柱面镜光束扩束器光束传输反射镜光纤衰减器光纤通信中的光学元件光纤连接器实现光纤间低损耗连接光纤耦合器将光信号分配到多个光路光隔离器防止反射光返回光源造成干扰生物医学中的光学元件内窥镜微型光学系统实现体内成像光学相干断层扫描高分辨率断层成像技术荧光显微镜利用特定波长激发和检测荧光天文观测中的光学元件10m大口径反射镜收集微弱天体光信号1000+自适应光学系统实时校正大气扰动0.01干涉仪亚角秒分辨率观测工业检测中的光学元件机器视觉镜头高清晰度、低畸变成像3D扫描仪结构光或激光三角测量光学测量系统非接触式高精度尺寸测量第八章：光学元件发展趋势新型光学材料超材料、石墨烯、相变材料先进制造技术3D打印、纳米制造、智能制造3新兴应用领域量子光学、集成光子学、