工程光學(xué)第一章

工程光學(xué)第一章第1頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2光的本質(zhì)光的本質(zhì)的認(rèn)知過程1666年牛頓微粒說彈性粒子1678年惠更斯波動說以太彈性波1801年托馬斯·楊雙縫實(shí)驗(yàn)1873年麥克斯韋電磁場理論1905年愛因斯坦光子假設(shè)現(xiàn)在波粒二象性第2頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3光的本質(zhì)光具有波粒二象性。一般看作電磁波可見光波長：400~760nm物理光學(xué) 波動性幾何光學(xué) 粒子性第3頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4光的研究二十世紀(jì)六十年代，激光問世。從此光學(xué)有開始了一個新的發(fā)展時期，并發(fā)展出了許許多多新興的光學(xué)學(xué)科。薄膜光學(xué)全息光學(xué)傅立葉光學(xué)紅外與微光技術(shù)集成光學(xué)纖維光學(xué)第4頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5內(nèi)容：研究光傳播的基本規(guī)律和光通過光學(xué)系統(tǒng)成像的原理和應(yīng)用。要求：在注重論述光學(xué)基本原理的同時，結(jié)合工程實(shí)際，較全面掌握光學(xué)基本理論和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)；在掌握經(jīng)典光學(xué)理論的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)原理及成像特性有更進(jìn)一步的認(rèn)識。工程光學(xué)研究內(nèi)容第5頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價和像差公式第九章現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)第八章6典型光學(xué)系統(tǒng)第七章光線的光路計(jì)算及像差理論第六章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌與光束限制第四章平面與平面系統(tǒng)第三章理想光學(xué)系統(tǒng)第二章

幾何光學(xué)基本原理與成像概念第一章第6頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月7第一章

幾何光學(xué)基本原理與成像概念第7頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月8第一章幾何光學(xué)基本原理幾何光學(xué)基本定律成像的基本概念與完善成像條件光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng)第8頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月9研究光的傳播和光學(xué)成像的規(guī)律對于設(shè)計(jì)光學(xué)儀器具有本質(zhì)的意義！1-1光波和光線在工農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)以及人類生活的各個領(lǐng)域，使用著種類繁多的的光學(xué)儀器，如望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，投影儀等。光學(xué)系統(tǒng)：千差萬別但是其基本功能是共同的：傳輸光能或?qū)λ芯康哪繕?biāo)成像。第9頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月10從本質(zhì)上講，光是電磁波，它是按照波動理論進(jìn)行傳播。但是按照波動理論來討論光經(jīng)透鏡和光學(xué)系統(tǒng)是的傳播規(guī)律或成像問題時將會造成計(jì)算和處理上的很大困難，在實(shí)際解決問題時也不方便。太不方便了！第10頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月11按照近代物理學(xué)的觀點(diǎn)，光具有波粒二象性，那么如果只考慮光的粒子性，把光源發(fā)出的光抽象成一條條光線，然后按此來研究光學(xué)系統(tǒng)成像。問題變得簡單而且實(shí)用！第11頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月12幾何光學(xué)：以光線為基礎(chǔ)，用幾何的方法來研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律及光學(xué)系統(tǒng)的成像特性。點(diǎn)：光源、焦點(diǎn)、物點(diǎn)、像點(diǎn)線：光線、法線、光軸面：物面、像面、反射面、折射面由于光具有波動性，因此這種只考慮粒子性的研究方法只是一種對真實(shí)情況的近似處理方法。必要時要輔以波動光學(xué)理論。第12頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月13一.發(fā)光點(diǎn)幾何上的點(diǎn)是既無大小，又無體積的抽象概念。當(dāng)光源的大小與其作用距離相比可以忽略不計(jì)時，也可認(rèn)為是一個點(diǎn)。天體遙遠(yuǎn)的距離觀察者第13頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月14任何被成像的物體，是由無數(shù)個發(fā)光點(diǎn)組成1、本身發(fā)光。2、反射光。因此研究物體成像時，可以用某些特征點(diǎn)的成像規(guī)律來推斷整個物體的成像。第14頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月15二、光線發(fā)光點(diǎn)向四周輻射光能量，在幾何光學(xué)中將發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光抽象為帶有能量的線，它代表光的傳播方向。第15頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月16三、光束一個位于均勻介質(zhì)中的發(fā)光點(diǎn)，它所發(fā)出的光向四周傳播，形成以發(fā)光點(diǎn)為球心的球面波。某一時刻相位相同的點(diǎn)構(gòu)成的面稱為波面波面上某一點(diǎn)的法線就是這一點(diǎn)上光的傳播方向，波面上的法線束稱為光束第16頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月17同心光束：發(fā)自一點(diǎn)或會聚于一點(diǎn)，為球面波平行光束：光線彼此平行，是平面波第17頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月18像散光束：光線既不平行，又不相交，波面為曲面。在幾何光學(xué)中研究成像時，主要要搞清光線在光學(xué)元件中的傳播途徑，這個途徑稱為光路實(shí)際做法：從光束中取出一個適當(dāng)?shù)慕孛?，再求出其上幾條光線的光路，即可解決成像問題。這種截面稱為光束截面第18頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1-2幾何光學(xué)基本定律一、光的直線傳播定律在各向同性的均勻透明介質(zhì)中，光線沿直線傳播?！锞窒蓿簺]有考慮波動性如：衍射物注：均勻介質(zhì)：折射率處處相等，與位置無關(guān)。

各向同性介質(zhì)：各個方向的折射率相等，與方向無關(guān)。★條件：各向同性的均勻介質(zhì)第19頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月201-1幾何光學(xué)基本定律二、光的獨(dú)立傳播定律不同的光源發(fā)出的光線在空間某點(diǎn)相遇時，彼此互不影響。在光線的相會點(diǎn)上，光的強(qiáng)度是各光束的簡單疊加，離開交會點(diǎn)后，各個光束按原方向傳播?！锞窒?：沒有考慮波動性，如干涉?！锞窒?：沒有考慮光束能量很強(qiáng)的情況，如非線性效應(yīng)。第20頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月21三、折射和反射定律光的折射和反射定律研究光傳播到兩種均勻介質(zhì)的分界面時的定律。（一）折射定律na出射光線入射光線法線II’ONQnbI：入射角I’：折射角第21頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月22（1）折射光線位于由入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線分居法線兩側(cè)。（2）入射角的正弦和折射角的正弦之比與兩角度的大小無關(guān)，僅決定于介質(zhì)的性質(zhì)，為一恒量nab即nab:介質(zhì)b對介質(zhì)a的相對折射率，如果介質(zhì)a

為真空，則介質(zhì)b

對真空的折射率也稱為絕對折射率，用nb

表示。na出射光線入射光線法線II’ONQnb第22頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月23也可表述為：c：在真空中光速，vb：在介質(zhì)b中光速兩個介質(zhì)的相對折射率可以用光在該介質(zhì)中的速度表示對上式變換兩種介質(zhì)的相對折射率等于兩介質(zhì)的絕對折射率之比第23頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月24將上式代入并設(shè)有：真空折射率為1，在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，20攝氏度時空氣折射率為1.00028，

通常認(rèn)為空氣的折射率也為1，把其他介質(zhì)相對于空氣的折射率作為該介質(zhì)的絕對折射率。提示：但是在設(shè)計(jì)高精度的太空中的光學(xué)儀器時，就必須考慮空氣和真空折射率的不同。第24頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月25（2）入射角I和反射角I’’的絕對值相同，可表示為（二）反射定律（1）反射光線在由入射光線和法線所決定的平面內(nèi)反射光線入射光線法線INI”O(jiān)符號相反說明入射光線和反射光線分居法線兩側(cè)。第25頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月26四、全反射現(xiàn)象一般情況下，光線射至透明介質(zhì)的分界面時將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。可知即折射光線較入射光線偏離法線由公式第26頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月27

不可能大于1，此時入射光線將不能射入另一介質(zhì)。按照反射定律在介面上全部被反射回原介質(zhì)對應(yīng)于的入射角I被稱為臨界角記為,可知第27頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月28全反射的兩個條件：（1）光密到光疏介質(zhì)；（2）入射角大于臨界角；全反射的應(yīng)用：（1）制成各種全反射棱鏡，用于折轉(zhuǎn)光路，代替平面反射鏡。（2）制造光導(dǎo)纖維。第28頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月29光導(dǎo)纖維號稱現(xiàn)代信息系統(tǒng)的神經(jīng)由內(nèi)層折射率較高的纖芯和外層折射率較低的包層組成第29頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月30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。第30頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月31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)入包層第31頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月32定義為光纖的數(shù)值孔徑i0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！第32頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月33※從上述定律可以得到光線傳播的一個重要原理—光路的可逆性原理。利用這一原理，可以由物求像，也可以由像求物。五、光路的可逆性原理第33頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月三、費(fèi)馬原理2、費(fèi)馬原理：光從空間一點(diǎn)到另一點(diǎn)是沿著光程為極值的路徑傳播的。非均勻介質(zhì)中的光線與光程（極大、極小、恒定）實(shí)際路徑上，1、光程第34頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3、光程最短的例子均勻介質(zhì)中直線傳播；平面分界面上反射和折射等M例1：反射任設(shè)M上的點(diǎn)C或E，作A的鏡像A，∴ACB=ACB(或AEB=AEB)在AB中，以直線AB，交反射面M于D為最短路徑，有：第35頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月例2：折射：設(shè)A(0,y2),O(x,y),B(x1,y1)，則yx第36頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月四、馬呂斯定律★表述：光在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時，

始終保持著光線束與波面正交；

且入射波面和出射波面對應(yīng)點(diǎn)之間的光程為定值。第37頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月38第一章幾何光學(xué)基本原理幾何光學(xué)基本定律成像的基本概念與完善成像條件光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng)第38頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月完善像點(diǎn)物點(diǎn)

1-2成像的基本概念與完善成像條件

1、物像關(guān)系

物點(diǎn)為發(fā)散光束的頂點(diǎn)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，像點(diǎn)是會聚光束的頂點(diǎn)。物、像光束均為同心光束。一、光學(xué)系統(tǒng)與成像概念物完善像光學(xué)系統(tǒng)第39頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：用物、像位置所在空間來定義不夠嚴(yán)謹(jǐn)。2、物空間與像空間★物空間：入射光束所在的空間。

★像空間：出射光束所在的空間第40頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月41※

物所在的空間為物空間，像所在的空間為像空間，兩者的范圍都是（-∞,+∞）實(shí)物空間虛物空間物空間像空間虛像空間實(shí)像空間第41頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月★表述2：波面一致（入射、出射波面均為球面波）?！锉硎?：光束一致（入射、出射光束均為同心光束）。二、完善成像條件★表述3：物、像點(diǎn)間任意光路的光程相等。共軸光學(xué)系統(tǒng)：第42頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月43※由實(shí)際光線成的像，稱為實(shí)像。在凸透鏡2f外放一個點(diǎn)燃的蠟燭，后面放一個紙屏，當(dāng)紙屏放到某一位置時，會在屏上得到蠟燭清晰的像。如電影，幻燈機(jī)，照相機(jī)成像三、物、像的虛實(shí)——取決于是否是入射、出射的實(shí)際光線的交點(diǎn)。第43頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月44有的光學(xué)系統(tǒng)成的像，能被眼睛看到，卻無法在屏上得到這些像不是由實(shí)際光線相交得來，而是由實(shí)際光線的反向延長線相交得來。※由反射或折射光線的反向延長線相交所得的像稱為虛像。如照鏡子，顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡等。F’F’第44頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月45與像類似，物也分兩種※實(shí)物：自己發(fā)光的物體。※虛物：不是由實(shí)際光線而是由光線的延長線相交而成的物。虛物不能人為設(shè)定，它是前一系統(tǒng)所成的像被當(dāng)前系統(tǒng)截取得到的。如燈泡、蠟燭等，也可以是被照明后發(fā)光的物體，如人物，景物等。AA’A第45頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月46請判斷物與像的虛實(shí)AA’AA’AA’AA’a.實(shí)物成實(shí)像b.實(shí)物成虛像c.虛物成實(shí)像（對于第二個透鏡）d.虛物成虛像第46頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月47注意：物、像的概念是相對于光組來說的B1L1L2ABB’A1A’對于L1而言，A1B1是AB的像;對L2而言，A1B1是物，A’B’是像，則A1B1稱為中間像第47頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月48※通常對于某一光學(xué)系統(tǒng)來說，某一位置上的物會在一個相應(yīng)的位置成一個清晰的像，物與像是一一對應(yīng)的，這種關(guān)系稱為物與像的共軛。AA’第48頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2-3光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng)一、基本概念與符號法則1、單個折射球面2、笛卡爾（坐標(biāo)）法則光軸、頂點(diǎn)、子午面、物/像距

(3)沿軸線段：(如，物/像距）以折射面頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)：其右方者為正，左方者為負(fù).(2)光線傳播方向：一般假定自左向右為正.像方參量：加撇號′與物方參量加以區(qū)別。右左第49頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

(6)光路圖中，都用各量的絕對值表示，即全正。凡負(fù)值的量,在圖中均加負(fù)號。例：按銳角方向旋轉(zhuǎn)，順時針為正，逆時針為負(fù)；(5)夾角：光軸與法線夾角：光軸轉(zhuǎn)向法線N光線與法線夾角：光線轉(zhuǎn)向法線N光線與光軸夾角（孔徑角）：光軸轉(zhuǎn)向光線轉(zhuǎn)向：右左其上方為正，下方為負(fù)。以主光軸為界：第50頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月二、實(shí)際光線的光路計(jì)算★ΔAEC中，由正弦定律1、單個折射面★由折射定律★ΔAEC及ΔA′EC:★ΔA′EC中，由正弦定律像距第51頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2、球面像差：同一物距，不同像距。

★軸上成像不完善性原因：L一定,第52頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月三、近軸光線的光路計(jì)算1、近軸光線★近軸條件： 光線在主軸附近很小的區(qū)域， 且與主軸夾角較?。?°）?！飳?shí)際光線用大寫字母，近軸光線用小寫字母。第53頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

——高斯像★近軸細(xì)光束所成的完善像。（像距只與物距有關(guān)）★高斯像面通過高斯像點(diǎn)且垂直于光軸的平面★物像共軛點(diǎn)——高斯像面第54頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3、近軸區(qū)域（物/像孔徑角）第55頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月例：置于空氣（n=1.0）中折射率為n′=1.6的玻璃啞鈴,長度d=20cm，兩端的曲率半徑均為2.0cm。若在離啞鈴左端5.0cm處的軸上有一物點(diǎn)，試求像的位置和性質(zhì)。⑴光線自左向右傳播，遇到凸折射球面：l1

=－5cm，r=＋2cml1′=+16cm＞0由阿貝不變式：

（光路圖中各量都用絕對值）l2″=-10cm＜0⑵光線遇到凹折射球面：l2=16cm－20cm=－4cm，r=－2cm；20cm→實(shí)像P′→虛像P″，在啞鈴中間。第56頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1-4球面光學(xué)成像系統(tǒng)一、單個折射面成像一對共軛面（垂直于光軸）上的物像是相似的?！馆S物體第57頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月★成像特性分析：思考：一個沿軸向有一定厚度的物體，經(jīng)單個折射球面成像后，所得像是否與物體相似？第58頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、軸向放大率對阿貝不變式微分得：★

討論：1)，物、像沿軸同向移動；2)，空間物體成像會發(fā)生變形?！从彻廨S上一對共軛點(diǎn)沿軸向的移動量之比。第59頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3、角放大率★

拉格朗日——

赫姆霍茲不變量——近軸區(qū)的三個不變量之一！——取決于共軛點(diǎn)位置?！从痴凵淝蛎鎸⒐馐儗捇蜃兗?xì)的能力。第60頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、球面反射鏡成像折射—反射變換：1、物像位置關(guān)系折射球面：反射球面：例：當(dāng)物點(diǎn)位于球面鏡球心：第61頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月折射球面2、反射球面的成像放大率折射—反射變換：★反射球面鏡的拉赫不變量：第62頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月例:一個點(diǎn)狀物體放在凹面鏡前0.05m處，凹面鏡的曲率半徑為0.20m，試確定光線自左向右傳播、自右向左傳播兩種情況下，各自所得像的位置及性質(zhì)。⑴光線自左向右傳播，如圖(a)l′=+0.10m＞0－l=0.05m;－r=0.20m；

？→虛像第63頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵光線自右向左傳播，如圖（b）l′=－0.10m＜0→虛像l=0.05m，r=0.20m？思考：哪種方法分析虛實(shí)像更快捷？第64頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月三、共軸球面系統(tǒng)1、近軸光線的過渡公式'★相鄰球面間隔di：第i面頂點(diǎn)到第i