工程光学第三版课后答案

1第一章2、已知真空中的光速c＝3*108m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。解：则当光在水中，n=1.333时，v=2.25*108m/s,当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99*108m/s,当光在火石玻璃中，n＝1.65时，v=1.82*108m/s，当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97*108m/s，当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24*108m/s。3、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x，则可以根据三角形相似得出：所以x=300mm即屏到针孔的初始距离为300mm。4、一厚度为200mm的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片最小直径应为多少？解：令纸片最小半径为x,则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。而全反射临界角求取方法为：(1)其中n2=1,n1=1.5,同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为：(2)联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm，所以纸片最小直径为358.77mm。8、.光纤芯的折射率为1n，包层的折射率为2n，光纤所在介质的折射率为0n，求光纤的数值孔径（即10sinIn，其中1I为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有：n0sinI1=n2sinI2(1)而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：2(2)由（1）式和（2）式联立得到n0.16、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上，求其会聚点的位置。如果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处？说明各会聚点的虚实。解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决，设凸面为第一面，凹面为第二面。（1）首先考虑光束射入玻璃球第一面时的状态，使用高斯式公式式:会聚点位于第二面后15mm处。（2）将第一面镀膜，就相当于凸面镜像位于第一面的右侧，只是延长线的交点，因此是虚像。还可以用β正负判断：（3）光线经过第一面折射：，,第二面镀膜，则：得到：l2'10mm（4）在经过第一面折射：3物像相反为虚像。19、有一平凸透镜r1=100mm,r2=∞,d=300mm,n=1.5,当物体在-∞时，求高斯像的位置l'。在第二面上刻一十字丝，问其通过球面的共轭像在何处？当入射高度h=10mm，实际光线的像方截距为多少？与高斯像面的距离为多少？解：对于平面l=0得到l’=0，即像为其本身，即焦面处发出的经第一面成像于无穷远处，为平行光出射20、一球面镜半径r=-100mm,求＝0，-0.1，-0.2，-1，1，5，10，∝时的物距和像距。解：（1）同理（2）（3）（4）（5）4（6）（7）（8）21、一物体位于半径为r的凹面镜前什么位置时，可分别得到：放大4倍的实像，放大4倍的虚像、缩小4倍的实像和缩小4倍的虚像？解：（1）放大4倍的实像（2）放大四倍虚像β=4（3）缩小四倍实像β=﹣1／4（4）缩小四倍虚像β=1/4第二章1、针对位于空气中的正透镜组0'f及负透镜组0'f，试用作图法分别对以下物距,,2/,0,2/,,2,fffff,求像平面的位置。解：1.0'fla'22fflb'fflc2/'2/ffld0le2/'2/fflfFF'HH'ABFB'A'F'A'B'F'ABFA'B'ABFA'B'ABFF'ABFB'A'F'5')(fflg'22)(fflhli)(2.0'fla)(flb2)(flc)(2/)(fld0)(le2/)(flfflg)(flh2)(li)(2、已知照相物镜的焦距f’＝75mm,被摄景物位于（以F点为坐标原点）x,2,4,6,8,10,mmmmm处，试求照相底片应分别放在离物镜的像方焦面多远的地方。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、.设一系统位于空气中，垂轴放大率10，由物面到像面的距离（共轭距离）为7200mm，物镜两ABFB'A'F'ABF'FF'FF'ABFB'A'F'ABFB'A'F'ABFB'A'ABFB'A'F'ABFB'A'F'FF'ABFB'A'F'6焦点间距离为1140mm。求该物镜焦距，并绘出基点位置图。解:∵系统位于空气中，ff'10''llyy由已知条件：1140)('xff7200)('xll解得：mmf600'mmx604、已知一个透镜把物体放大-3x投影在屏幕上，当透镜向物体移近18mm时，物体将被放大-4x试求透镜的焦距，并用图解法校核之。解：方法一：31'11ll183321'1lll①42'22ll2'24ll②1821ll1821ll③'/1/1/11'1fll'/1/1/12'2fll将①②③代入④中得mml2702mml1080'2∴mmf216'方法二：311xf422xfmmf2161812xxFF'HH'-ll'-ff'x2'21'1/1/1/1/1llll④7方法三：12)4)(3(21''nnxx2161812'x''fx143''''2'121fxfxxmmxf216''5、一个薄透镜对某一物体成实像，放大率为-1x,今以另一个薄透镜紧贴在第一个透镜上，则见像向透镜方向移动20mm，放大率为原先的3/4倍，求两块透镜的焦距为多少?解：6、有一正薄透镜对某一物成倒立的实像，像高为物高的一半，今将物面向物体移近100mm，则所得像与物同大小，求该正透镜组的焦距。解：由已知得：211'11ll12'22ll10021ll由高斯公式：2'21'11111llll解得：mmlf10022'3．已知一个透镜把物体放大-3x-l1l'1100mm-l2l'287、希望得到一个对无限远成像的长焦距物镜，焦距f′=1200mm，由物镜顶点到像面的距离L=700mm，由系统最后一面到像平面的距离（工作距）为，按最简单结构的薄透镜系统考虑，求系统结构，并画出光路图。8、一短焦距物镜，已知其焦距为35mm，筒长L=65mm，工作距,按最简单结构的薄透镜系统考虑，求系统结构。解：9、已知一透镜5.1,50,300,20021nmmdmmrmmr，求其焦距,光焦度，基点位置。解：已知5.1,50,300,20021nmmdmmrmmr求：,'f,基点位置。12122169.0)1())(1('/1mdnnnfmmf1440'mmdnnflF1560)11('1'mmdnnflF1360)11('29mmdnnflH120)1('1'mmdnnflH80)1('210、一薄透镜组焦距为100mm，和另一焦距为50mm的薄透镜组合，其组合焦距仍为100mm，问两薄透镜的相对位置。第三章2、有一双面镜系统，光线平行于其中一个平面镜入射，经两次反射后，出射光线与另一平面镜平行，问两平面镜的夹角为多少？解：OAMM//323211MMNM1''1II又2''2II同理：1''1II321MMM中180)()(1''12''2IIII60答：α角等于60。3、如图3-4所示，设平行光管物镜L的焦距'f=1000mm，顶杆离光轴的距离a=10mm。如果推动顶杆使平面镜倾斜，物镜焦点F的自准直象相对于F产生了y=2mm的位移，问平面镜的倾角为多少？顶杆的移动量为多少？解：10'2fyrad001.0100022xmmax01.0001.0104．一光学系统由一透镜和平面镜组成，如图3-3所示，平面镜MM与透镜光轴垂直交于D点，透镜前方离平面镜600mm有一物体AB，经透镜和平面镜后，所成虚像A＂B＂至平面镜的距离为150mm，且像高为物高的一半，试分析透镜焦距的正负，确定透镜的位置和焦距，并画出光路图。解：图３-3习题4图解：平面镜成β=1的像，且分别在镜子两侧，物像虚实相反。6．用焦距=450mm的翻拍物镜拍摄文件，文件上压一块折射率n=1.5，厚度d=15mm的玻璃平板，若拍摄倍率，试求物镜后主面到平板玻璃第一面的距离。解θ2θxaf'YF11：此为平板平移后的像。第七章1．一个人近视程度是-2D（屈光度），调节范围是8D，求：（1）其远点距离；（2）其近点距离；（3）配带100度的近视镜，求该镜的焦距；（4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离；（5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。解：这点距离的倒数表示近视程度2．一放大镜焦距f′＝２５ｍｍ，通光孔径Ｄ＝１８ｍｍ，眼睛距放大镜为50mm，像距离眼睛在明视距离250mm，渐晕系数K=50%，试求：（1）视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。解：123．一显微物镜的垂轴放大倍率β=-3，数值孔径NA=0.1，共轭距L=180mm，物镜框是孔径光阑，目镜焦距f′=25mm。（1）求显微镜的视觉放大率；（2）求出射光瞳直径；（3）求出射光瞳距离（镜目距）；（4）斜入射照明时，λ=0.55µm，求显微镜分辨率；（5）求物镜通光孔径；（6）设物高2y=6mm，渐晕系数K=50%，求目镜的通光孔径。解：(5)⑤目镜的放大率185.016062.29ZZll目mmD02.9185.067.14．欲分辨0.000725mm的微小物体，使用波长，斜入射照明，问：（1）显微镜的视觉放大率最小应多大？（2）数值孔径应取多少适合？解：此题需与人眼配合考虑135．有一生物显微镜，物镜数值孔径NA=0.5，物体大小2y=0.4mm，照明灯丝面积12×12m㎡，灯丝到物面的距离100mm，采用临界照明，求聚光镜焦距和通光孔径。解：视场光阑决定了物面大小，而物面又决定了照明的大小6．为看清4km处相隔150mm的两个点（设1′=0.0003rad），若用开普勒望远镜观察，则：（1）求开普勒望远镜的工作放大倍率；（2）若筒长L=100mm，求物镜和目镜的焦距；（3）物镜框是孔径光阑，求出设光瞳距离；（4）为满足工作放大率要求，求物镜的通光孔径；（5）视度调节在（屈光度），求目镜的移动量；（6）若物方视场角，求像方视场角；（7）渐晕系数K=50%，求目镜的通光孔径；解：因为：应与人眼匹配147、一开普勒望远镜,物镜焦距mmf2000,目镜的焦距为mmfe25,物方视场角82,渐晕系数%50K,为了使目镜通光孔径mmD7.23,在物镜后焦平面上放一场镜,试:(1)求场镜焦距;(2)若该场镜是平面在前的平凸薄透镜,折射率5.1n,求其球面的曲率半径。①)11(*tglhZmmtgtgfo98.134*2004*目D