應(yīng)用光學(xué)課件新2015

第一章幾何光學(xué)基本定律對成像的要求本章要解決的問題：像與成像的概念光是怎么走的？－－光的傳播規(guī)律

光是什么？－－光的本性問題第一節(jié)

幾何光學(xué)的基本概念

研究光的意義:90%信息由視覺獲得,光波是視覺的載體

光是什么？彈性粒子－彈性波－電磁波－波粒二象性1666年：牛頓提出微粒說，彈性粒子1678年：惠更斯提出波動說，以太中傳播的彈性波1873年：麥克斯韋提出電磁波解釋，電磁波1905年：愛因斯坦提出光子假設(shè)20世紀(jì)：人們認(rèn)為光具有波粒二象性第一節(jié)

光波與光線

一般情況下,可以把光波作為電磁波看待，光波波長：λ光的本質(zhì)是電磁波光的傳播實(shí)際上是波動的傳播物理光學(xué)：

研究光的本性，并由此來研究各種光學(xué)現(xiàn)象幾何光學(xué)：

研究光的傳播規(guī)律和傳播現(xiàn)象可見光：波長在400-760nm范圍

紅外波段：波長比可見光長

紫外波段：波長比可見光短

單色光：同一種波長

復(fù)色光：由不同波長的光波混合而成頻率和光速，波長的關(guān)系在透明介質(zhì)中，波長和光速同時改變，頻率不變

應(yīng)用光學(xué)的研究對象和光線概念研究對象

研究光的傳播規(guī)律和傳播現(xiàn)象

特點(diǎn)不考慮光的本性，把光認(rèn)為是光線

幾何光學(xué)與物理光學(xué)在一定的條件下可以統(tǒng)一1.1光源、波面、光線和光束光源：能夠輻射光能的物體

當(dāng)發(fā)光體（光源）的大小與其輻射能的作用距離相比可忽略不計(jì)時，該發(fā)光體可稱為發(fā)光點(diǎn)或點(diǎn)光源。既無體積又無大小的幾何點(diǎn)，但能輻射能量。實(shí)際被成像物體都是由無數(shù)發(fā)光點(diǎn)組成。包括線光源和面光源。光線：其被抽象為既無直徑又無體積的幾何線。它的方向代表光線的傳播方向即光能的傳播方向。利用它可以把光學(xué)中復(fù)雜的能量傳輸和光學(xué)成像問題歸結(jié)為簡單的幾何運(yùn)算問題。

光線的概念能夠傳輸能量的幾何線，具有方向

2.絕大多數(shù)光學(xué)儀器都是采用光線的概念設(shè)計(jì)的采用光線概念的意義：

1.用光線的概念可以解釋絕大多數(shù)光學(xué)現(xiàn)象：影子、日食、月食

光波的傳播問題就變成了幾何的問題所以稱之為幾何光學(xué)

當(dāng)幾何光學(xué)不能解釋某些光學(xué)現(xiàn)象，例如干涉、衍射時，再采用物理光學(xué)的原理光線與波面之間的關(guān)系：波面的法線即為幾何光學(xué)中所指的光線。

波面：在某一時刻，波動傳播所到達(dá)的曲面。At時刻t+Δt時刻

光線是波面的法線波面是所有光線的垂直曲面1.1光源、波面、光線和光束（續(xù)）光束：和同一波面對應(yīng)的法線束平行光束發(fā)散的同心光束o會聚的同心光束o像散光束同心光束：由一點(diǎn)發(fā)出或交于一點(diǎn)的光束；對應(yīng)的波面為球面像散光束：不嚴(yán)格交于一點(diǎn)，波面為非球面平行光束波面為平面一、光的傳播現(xiàn)象的分類1.2幾何光學(xué)的基本定律1、光在同一種介質(zhì)中的傳播；2、光在兩種介質(zhì)分界面上的傳播。?光學(xué)介質(zhì)opticalmediums光學(xué)介質(zhì)：光從一個地方傳至另一個地方的空間。空氣、水、玻璃各項(xiàng)同性介質(zhì):光學(xué)介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)不隨方向而改變各向異性介質(zhì)：晶體（雙折射現(xiàn)象）均勻介質(zhì)：光學(xué)介質(zhì)的不同部分具有相同的光學(xué)性質(zhì)-----均勻各向同性介質(zhì)光的直線傳播定律光在各項(xiàng)同性的均勻介質(zhì)中沿著直線傳播。兩個條件：均勻介質(zhì)，無阻攔。可解釋的現(xiàn)象：影子的形成、日蝕、月蝕等光的獨(dú)立傳播定律：以不同路徑傳播的兩條光線同時在空間某點(diǎn)相遇時，彼此互不影響，獨(dú)立傳播。相遇處的光強(qiáng)度只是簡單的相加，總是增強(qiáng)的。PAB光的折射定律和反射定律：當(dāng)光在傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時，光線將發(fā)生折射和反射，其繼續(xù)傳播的規(guī)律遵循折射定律和反射定律入射面：入射光線和法線所構(gòu)成的平面對于不均勻介質(zhì)：可看作由無限多的均勻介質(zhì)組合而成，光線的傳播，可看作是一個連續(xù)的折射反射定律可以看作折射定律的特殊情況(n′=-n)折射定律和折射率的物理意義QO′Q′第二種介質(zhì)對第一種介質(zhì)折射率之比等于第一種介質(zhì)中的光速與第二種介質(zhì)中的光速之比。相對折射率與絕對折射率1、相對折射率：

一種介質(zhì)對另一種介質(zhì)的折射率2、絕對折射率介質(zhì)對真空或空氣的折射率一定波長的單色光在真空中的傳播速度與它在給定介質(zhì)中的傳播速度之比定義為該介質(zhì)對指定波長光的絕對折射率。相對折射率與絕對折射率之間的關(guān)系相對折射率：

υ1

υ2n

1,2=第一種介質(zhì)的絕對折射率：第二種介質(zhì)的絕對折射率：Cυ1n

1=Cυ2n

2=所以

n

1,2=

n2

n1用絕對折射率表示的折射定律由

有

光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)通常所說的介質(zhì)的折射率實(shí)際上是該介質(zhì)對于空氣的相對折射率課堂練習(xí)：判斷光線如何折射空氣n=1水n=1.33I1I2玻璃n=1.5空氣n=1I1空氣n小玻璃n大cI1空氣n小玻璃n大光路的可逆性AB1、現(xiàn)象2、證明直線傳播：AB反射：I1=R1

R1=I1折射：n1SinI1=n2SinI2n2SinI2=n1SinI1I1R1ACI2BCn1On23、應(yīng)用光路可逆：

求焦點(diǎn)光學(xué)設(shè)計(jì)中，逆向計(jì)算：目鏡，顯微物鏡等全反射1、定義：當(dāng)光從光密介質(zhì)射入到光疏介質(zhì)，并且當(dāng)入射角大于某值時，在二種介質(zhì)的分界面上光全部返回到原介質(zhì)中的現(xiàn)象。水空氣I1R1I2O1O2O3O4I0A當(dāng)入射角增大到某一程度時，折射角達(dá)到90°，折射光線沿界面掠射出去，這時的入射角為臨界入射角。n2n12、發(fā)生全反射的條件

必要條件：n1>n2由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)

充分條件：I1>I0入射角大于全反射角

1870年，英國科學(xué)家丁達(dá)爾全反射實(shí)驗(yàn)當(dāng)光線從玻璃射向與空氣接觸的表面時，玻璃的折射率不同、對應(yīng)的臨界角不同。n1.51.521.541.561.581.601.621.641.66I041°48’41°8’40°30’39°52’39°16’38°41’37°7’37°7’37°3’3、全反射的應(yīng)用(1)用棱鏡代替反射鏡：減少光能損失(1)光纖：用于傳像和傳光

進(jìn)入光纖的光線在纖芯與包層的分界面上連續(xù)發(fā)生全發(fā)射，直至另一端出射。SBA當(dāng)大于臨界角時，就發(fā)生全發(fā)射。根據(jù)折射定律，又有：SBA可以得到：當(dāng)入射角時，可以全反射傳送，當(dāng)時，光線將會透過內(nèi)壁進(jìn)入包層若在空氣中：定義為光纖的數(shù)值孔徑

越大，可以進(jìn)入光纖的光能就越多，也就是光纖能夠傳送的光能越多。這意味著光信號越容易耦合入光纖。

測量折射率待測樣品n低n高I0暗亮1.3費(fèi)馬（Fermat）原理光在均勻介質(zhì)中傳播，遵循前述的幾何光學(xué)的基本定律，而研究光在非均勻介質(zhì)中的傳播問題，更有實(shí)際意義。光從一種介質(zhì)的一點(diǎn)傳播到另一介質(zhì)的一點(diǎn)所遵循的規(guī)律是由費(fèi)馬（Fermat）首先提出的，稱為費(fèi)馬原理。即從“光程”的角度來闡述光的傳播規(guī)律的。光程：光在介質(zhì)中傳播的距離與該介質(zhì)折射率的乘積1.3費(fèi)馬（Fermat）原理（續(xù)）1.3費(fèi)馬（Fermat）原理（續(xù)）1.3費(fèi)馬（Fermat）原理（續(xù)）利用費(fèi)馬原理理解光的直線傳播定律、反射和折射定律1.3費(fèi)馬（Fermat）原理（續(xù)）1.4馬呂斯（Malus）定律垂直于入射波面的入射光束，經(jīng)過任意次的反射和折射后，出射光束仍然垂直于出射波面，并且在入射波面和出射波面間對應(yīng)點(diǎn)之間的光程都相等，為一定值。數(shù)學(xué)表示Malus定律的解釋圖ABC123A’B’C’3’2’1’p1p2光學(xué)系統(tǒng)1.5光學(xué)系統(tǒng)和成像的概念

各種各樣的光學(xué)儀器顯微鏡:觀察細(xì)小的物體望遠(yuǎn)鏡:觀察遠(yuǎn)距離的物體各種光學(xué)元件——反射鏡、透鏡和棱鏡光學(xué)系統(tǒng)：把各種光學(xué)元件按一定方式組合起來，滿足一定的要求

光學(xué)系統(tǒng)分類

按介質(zhì)分界面形狀分：

球面系統(tǒng)：系統(tǒng)中的光學(xué)元件均由球面構(gòu)成

非球面系統(tǒng)：系統(tǒng)中包含有非球面的光學(xué)元件共軸球面系統(tǒng)：系統(tǒng)中的光學(xué)元件由球面構(gòu)成，并且具有一條對稱軸線

按有無對稱軸分：

共軸系統(tǒng)：系統(tǒng)具有一條對稱軸線，光軸非共軸系統(tǒng)：沒有對稱軸線

C1C2C3C4光軸像點(diǎn)：出射光線的交點(diǎn)

實(shí)像點(diǎn)：出射光線的實(shí)際交點(diǎn)虛像點(diǎn)：出射光線延長線的交點(diǎn)物點(diǎn)：入射光線的交點(diǎn)

實(shí)物點(diǎn)：實(shí)際入射光線的交點(diǎn)虛物點(diǎn)：入射光線延長線的交點(diǎn)名詞概念像空間：像所在的空間

實(shí)像空間：系統(tǒng)最后一面以后的空間虛像空間：系統(tǒng)最后一面以前的空間整個像空間包括實(shí)像和虛像空間物空間：物所在的空間實(shí)物空間：系統(tǒng)第一面以前的空間虛物空間：系統(tǒng)第一面以后的空間整個物空間包括實(shí)物和虛物空間

物像空間折射率確定物空間折射率：

按實(shí)際入射光線所在的空間折射率計(jì)算像空間折射率

按實(shí)際出射光線所在的空間折射率計(jì)算第七節(jié)理想像與理想光學(xué)系統(tǒng)一、理想像：物空間每一個物點(diǎn)在像空間對應(yīng)唯一一個像點(diǎn)

理想光學(xué)系統(tǒng)：能成理想像的系統(tǒng)AA’完善成像條件：完善成像：像與物體只有大小的變化沒有形狀的改變①有限遠(yuǎn)物

A——》有限遠(yuǎn)像A'：橢球反射面

②無窮遠(yuǎn)物A——》有限遠(yuǎn)像A'：拋物反射面

③有限遠(yuǎn)物A——》無窮遠(yuǎn)像A'：根據(jù)光路可逆性特例：單個界面可實(shí)現(xiàn)等光程條件折射情況雙曲面：到兩個定點(diǎn)距離之差為為常數(shù)的點(diǎn)的軌跡，是該兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲面。其中一個是實(shí)的，一個是虛的拋物面：到一條直線和一個定點(diǎn)的距離相等的點(diǎn)的軌跡，是以該點(diǎn)為焦點(diǎn)，該直線為準(zhǔn)線的拋物面。對焦點(diǎn)和無限遠(yuǎn)軸上點(diǎn)符合等光程。橢球面：對兩個定點(diǎn)距離之和為常數(shù)的點(diǎn)的軌跡，是以該兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的橢圓。對兩個焦點(diǎn)符合等光程條件。等光程的反射面:二次曲面對于反射面，通常都是利用等光程的條件：等光程的折射面為二次曲面點(diǎn)——>共軛點(diǎn)物空間像空間直線——>共軛直線直線上的點(diǎn)——>共軛直線上的共軛點(diǎn)共軛：物像這種一一對應(yīng)的關(guān)系共線成像理論這種點(diǎn)對點(diǎn)、線對線和面對面的成像變換即稱為共線成像。理想光學(xué)系統(tǒng)理論——高斯光學(xué)理想光學(xué)系統(tǒng)——像與物是完全相似的理想光學(xué)系統(tǒng)完善成像(物)點(diǎn)對(像)點(diǎn),且唯一AAppBCBC理想光學(xué)系統(tǒng)

DD

點(diǎn)對點(diǎn)；直線對直線；點(diǎn)在線上；平面對平面；同心光束對應(yīng)同心光束。三、共軸理想光學(xué)系統(tǒng)成像性質(zhì)

由于系統(tǒng)對稱性，光軸上的物點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)也在光軸上；位于過光軸的某一截面內(nèi)的物點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)必在同一平面內(nèi)；過光軸任一截面內(nèi)成像性質(zhì)相同；垂直于光軸的物平面所成的像平面仍然垂直于光軸。

物平面與光軸垂直時，物像相似。如果已知二對共軛面的位置與放大率，或者一對共軛面的位置和放大率，以及軸上兩對共軛點(diǎn)位置，則其它任意物點(diǎn)的像均可求出。過光軸的截面已知兩任意的共軛物面和像面及其放大率，求任意一物點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)位置已知一對共軛物面和兩對共軛點(diǎn)，求任意一物點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)位置第二章球面和共軸球面系統(tǒng)

本章內(nèi)容：共軸球面系統(tǒng)求像。由物的位置和大小求像的位置和大小

§2-1光線經(jīng)過單個折射球面的折射

求一物點(diǎn)的像，即求所有出射光線位置，交點(diǎn)就是該物點(diǎn)的像點(diǎn)。因?yàn)樗械那蛎娴奶匦允且粯拥?，只須?dǎo)出光線經(jīng)過一個球面折射時由入射光線位置計(jì)算出射光線位置的公式,即球面折射的光路計(jì)算公式。

因?yàn)樗谐錾涔饩€位置的求法是相同的，只須找出求一條出射光線的方法即可。1符號規(guī)則實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，光線和球面位置可能是各種各樣的。為了使公式普遍適用于各種情況，必須規(guī)定一套符號規(guī)則。符號規(guī)則直接影響公式的形式O：頂點(diǎn)，光軸與折射球面的交點(diǎn)C：球面曲率中心OC：球面曲率半徑,rOE：折射球面，也是兩種介質(zhì)n與n’的分界面h：光線投射高度子午面：通過光軸的截面物方截距：物點(diǎn)A在光軸上，其到頂點(diǎn)O的距離OA為物方截距，用

L

表示。物方孔徑角：入射光線AE與光軸的夾角，也叫物方傾斜角，用U

表示。像方截距：頂點(diǎn)O到折射光線與光軸交點(diǎn)，用L’表示。像方孔徑角：折射光線EA’與光軸的夾角，也叫像方傾斜角，用U’

表示。符號規(guī)則：1)線段：由左向右為正，由下向上為正，反之為負(fù)

起點(diǎn)：L,L’－由球面頂點(diǎn)到光線與光軸的交點(diǎn)

y,y’，h-由光軸算起

r－由球面頂點(diǎn)到球心

d－由前一面頂點(diǎn)到下一面頂點(diǎn)Fig.2.5L,L’－由球面頂點(diǎn)到光線與光軸的交點(diǎn)，由左到右為正r－由球面頂點(diǎn)算起到球心，由左到右為正AB+yOEC+hA’B’-y’y,y’，h-由光軸算起，光軸以上為正d－由前一面頂點(diǎn)算起到下一面頂點(diǎn)，由左到右為正O1O2O1O2O1O2+d+d-dFig.2.62)角度(銳角)：順時針轉(zhuǎn)為正，逆時針為負(fù)

各參量的起始邊和轉(zhuǎn)動方向?yàn)椋?/p>

U,U’－由光軸轉(zhuǎn)到光線

I,I’－由光線轉(zhuǎn)到法線－由光軸轉(zhuǎn)到法線-UU’AB-LyOECrL’A’B’h-y’U,U’－由光軸轉(zhuǎn)到光線，順時針為正I,I’－由光線轉(zhuǎn)到法線，順時針為正AB-LyOE-UCrL’A’U’B’h-y’II’AB-LyOE-UCrL’A’U’B’h-y’II’φ

φ

－由光軸轉(zhuǎn)到法線，順時針為正Fig.2.7ACPOr=5例：

※推導(dǎo)公式時，幾何圖形上均標(biāo)注絕對值Fig.2.8符合規(guī)則總結(jié)：1.垂軸線段(y,h)：光軸之上為“＋”，反之為“－”2.沿軸線段(L,L’,r)：頂點(diǎn)到光線與光軸的交點(diǎn)，方向和光線的傳播方向相同為“＋”，反之為“－”3.光線和法線夾角(I,I’)：光線轉(zhuǎn)向法線，順時針為“＋”，反之為“－”4.孔徑角(U,U’)：光軸轉(zhuǎn)向光線，順為“＋”，反之為“－”5.法線和光軸夾角φ:光軸轉(zhuǎn)向法線，順為“＋”，反之為“－”6.折射面之間的距離d：前一個面的頂點(diǎn)到后一面的頂點(diǎn)，方向于光線的傳播方向相同為“＋”，反之為“－”應(yīng)用時，先確定參數(shù)的正負(fù)號，代入公式計(jì)算。算出的結(jié)果亦應(yīng)按照數(shù)值的正負(fù)來確定光線的相對位置。推導(dǎo)公式時，也要使用符號規(guī)則。注意為了使導(dǎo)出的公式具有普遍性，推導(dǎo)公式時，幾何圖形上各量一律標(biāo)注其絕對值，永遠(yuǎn)為正反射情形

看成是折射的一種特殊情形：n’=－n

把反射看成是n’=－n時的折射。往后推導(dǎo)公式時，只講折射的公式；對于反射情形，只需將n’用－n代入即可，無需另行推導(dǎo)。

-LrL’II’Q2實(shí)際光線經(jīng)過單個折射球面的光路計(jì)算公式CFig.2.1

對和用外角定理得：

對用正弦定理得：

(2-1)(2-2)(2-4)(2-3)子午面內(nèi)光路計(jì)算公式:※這種通過公式來計(jì)算光線實(shí)際光路的過程稱光路追跡。(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)3球面近軸范圍內(nèi)的成像性質(zhì)和近軸光路計(jì)算公式A10035.96934.59132.227

這說明，由同一物點(diǎn)A發(fā)出的光線，經(jīng)球面折射后，不交于一點(diǎn)。球面成像不理想。當(dāng)U小到可以用角度的弧度來代替角度的正弦時，有：

U越小，L’變化越慢。當(dāng)U相當(dāng)小時，L’幾乎不變?？拷廨S的光線聚交得越好。光線離光軸很近，則U、U'、I、I'都很小。(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)近軸光路的計(jì)算公式：

靠近光軸的區(qū)域叫近軸區(qū)，近軸區(qū)域內(nèi)的光線叫近軸光線

近軸光線的成像性質(zhì)

1.軸上點(diǎn)由軸上同一物點(diǎn)發(fā)出的近軸光線，經(jīng)過球面折射以后聚交于軸上同一點(diǎn)，此時A，A’互為物像，稱共軛點(diǎn)

軸上物點(diǎn)用近軸光線成像時，符合理想成像

計(jì)算近軸像點(diǎn)位置時，u可任取假設(shè)B點(diǎn)位在近軸區(qū)，當(dāng)用近軸光線成像時，也符合理想，像點(diǎn)B’位于B點(diǎn)和球心的連線上（輔助軸上）

軸外點(diǎn)結(jié)論：位于近軸區(qū)域內(nèi)的物點(diǎn)，利用近軸光線成像時，符合（近似地）點(diǎn)對應(yīng)點(diǎn)的理想成像關(guān)系。---高斯成像

近軸區(qū)域內(nèi)成像近似的符合理想即每一個物點(diǎn)對應(yīng)一確定的像點(diǎn)。只要物距l(xiāng)確定，就可利用近軸光路計(jì)算公式得到，而與中間變量u，u’，i，i’，無關(guān)?？梢詫⒐街械膗，u’，i，i’消去，而把像點(diǎn)位置直接表示成物點(diǎn)位置L和球面半徑r以及介質(zhì)折射率n，n’的函數(shù)。

近軸光路計(jì)算的另一種形式

光線的位置:L,L',u,u'

在有些情況下，采用光線與球面的交點(diǎn)到光軸的距離h以及光線與光軸的夾角u,u'表示比較方便,h的符號規(guī)則是：

h—以光軸為計(jì)算起點(diǎn)到光線在球面的投射點(diǎn)

將公式展開并移項(xiàng)得：

同樣可得：

顯然,代入上式，并在第一式兩邊同乘以n，第二式兩側(cè)同乘以n’將以上二式相減，并考慮到得：

物像位置關(guān)系式

三.近軸光學(xué)基本公式的作用

近軸光學(xué)公式只適于近軸區(qū)域，有什么用？第一，作為衡量實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。用近軸光學(xué)公式計(jì)算的像，稱為實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的理想像。第二，用它近以地表示實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)所成像的位置和大小。

用y和y’分別表示物高和像高。符號規(guī)則：位于光軸上方的y、y’為正，反之為負(fù)。y’/y稱為垂軸放大率，用β表示

由圖得

有

把公式進(jìn)行移項(xiàng)并通分，得：

§2-2單個折射球面的成像倍率、拉赫不變量

1.橫向放大率（垂軸放大率）β得

這就是物像大小的關(guān)系式。利用公式就可以由任意位置和大小的物體，求得單個折射球面所成的近軸像的大小和位置。

β>0時，y，y’同號，成正像，否則成倒像Β<0時，l，l’異號，物和像處于折射球面的兩側(cè)像的虛實(shí)與物一致。|β|>1時，|y’|>|y|,成放大像，否則成縮小像當(dāng)n、n’一定，l不同，則β不同，當(dāng)l一定(l’一定)時，β為常量。2.軸向（沿軸）放大率α描述光軸上一對共軛點(diǎn)沿軸移動量之間的關(guān)系

α>0,像移動方向與物移動方向相同一般α≠β，立體物與像不再相似如果物點(diǎn)沿軸移動有限距離，如何求α？求微分兩邊乘以3.角度放大率γ描述折射前后一對光線與光軸夾角之間的關(guān)系4.三個倍率之間的關(guān)系5.拉氏不變量由