工程光学-第一章课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,课程安排：,平时成绩（出勤，作业、其他）：,30%,考试成绩,(,期末,),：,70%,成绩评定：,授 课 （,16,周）,总复习 （,2,周）,实验独立计分（实践,30%+,实验报告,30%+,考试,40%,）,实 验 （,7,周）,平时成绩不及格者，不得参加考试！,工程光学,上篇,几何光学与光学设计,下篇,物理光学,本课程的教学内容,工程光学课程特点,内容新：中学学的不多,概念多,多记忆,多理解物理含义,公式多（约,200,个）,几何知识,理解,&,记忆,多做习题，加深理解,如何学好光学课程,课前预习，参与课堂教学,按时听课（缺课,1/3=0,）,及时复习，保证教学内容的衔接,独立完成作业、实验报告,课下多讨论、多提问,这门课学了有什么用？,超过,70%,的信息来源于光,同一位置不同景深的效果,在拍摄玻璃窗内的物体时，,如何去掉反射光的干扰？,光控路灯,10,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能 硅光电池板,11,引言,光学是物理学中最古老的一门基础学科，又是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。,21,世纪是光信息科学的时代,!,学好光学,有助于进一步深入学习电动力学、光电子技术、激光原理及应用等相关课程，同时也进一步加深对微观和宏观世界的联系与规律的认识。,12,经典光学：,1,、,几何光学,光的传播、反射、折射、成像等。,2,、,物理光学,波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。,量子光学：光的吸收、散射、色散、光,的本性等。,光学的发展：经典光学,现代光学,13,现代光学：,激光光学：,激光物理、激光技术、激光应用等。,非线性光学：,光学介质与激光相互作用的新现象和新效应，实现全光处理技术。,激光光谱学,：物质微观结构及分子运动规律的分析等。,集成光学：集成光路理论及制造等。,14,傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。,全息光学：光学全息与信息处理等。,晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。,瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光,第一章几何光学的基本定律与成像概念,几何光学,几何光学，把光看成一条,射线,，研究光在,透明均匀,介质中的传播规律。,本章主要介绍：,1.,几何光学的基本定律,2.,成像的概念和完善成像的条件,3.,光路计算和近轴光学系统,4.,球面光学成像系统,第一节几何光学的基本定律,一、关于光的基本概念,1,、光波,（,1,）光是一种电磁波,其在空间的传播和在界面的行为遵从电磁波的一般规律。,（,2,）可见光波长,为,400nm760nm,。对于不同波长的光，人们感受到的颜色不同。,（,3,）光在真空中的传播速度,c,为：,30,万公里,/,秒，在介质中的传播速度小于,c,，且随波长的不同而不同。,（,4,）,单色光：,具有单一波长的光。,复色光,：不同波长的单色光混合而成的光。,(,如日光,),第一节几何光学的基本定律,发散光束,平行光束,2,、光源（发光体）,：,能够辐射光能的物体。如日光灯、太阳、钠灯、激光器等。,3,、光线,：,由发光点发出的光抽象为能够传输,能量,的,几何线,，它,代表光的传播方向,。,4,、波阵面（波面）,：,相位相同,的各点在某一时刻构成的面。光的传播就是光波波面的传播。波面的法线为光线，即,波面光线,。,5,、光波的分类：,平面波,、,球面波,（发散光波和汇聚光波）、,任意曲面波,同心光束,6,、光束,：,与波面对应的所有光线的集合,.,平面波,球面波,S,1,S,2,一般情况下，交会处的光强度是各光束强度的简单叠加：,I,=,I,1,+,I,2,若,1,=,2,、相位差不随时间变化,且振动方向不是相互垂直，则此区内的光强分布将呈现为相干分布。,第一节几何光学的基本定律,二、几何光学的基本定律,1,、光的直线传播定律,在,各向同性均匀介质,中，光是沿直线传播的,2,、光的独立传播定律,从不同光源发出的光线，以不同的方向经过某点时，各光线独立传播着，彼此互不影响。,前提：宏观尺度；,不受引力干扰,如影子、日食、小孔成像等,前提：非相干条件下,3,、反射定律和折射定律,第一节几何光学的基本定律,反射定律：,入射光线、反射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面内。,入射角和反射角的绝对值相等而符号相反，即入射光线和反射光线位于法线的两侧，即：,入射角、反射角和折射角，由光线转向法线，顺时针方向旋转形成的角度为正，反之为负。,第一节几何光学的基本定律,折射定律：,入射光线、折射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面内。,入射角的正弦与折射角的正弦之比和入射角的大小无关，只与两种介质的折射率有关。,折射定律可表示为,折射率：,n=c/v,。,反射是折射在,时的特例,折射率是用来描述介质中光速减慢程度的物理量。,真空的折射率为,1,，介质相对于真空的折射率为,绝对折射率。,第一节几何光学的基本定律,当光线射至透明介质的光滑分界面而发生折射时，必然会伴随着部分光线的反射。,在一定条件下，该界,面可以将全部入射光线反射回原介质而无折射光通过，这就是光的全反射现象。,光密介质：,分界面两边折射率较高的介质,光疏介质：,分界面两边折射率较低的介质,4,、全反射现象,第一节几何光学的基本定律,全反射条件：,光线从光密介质进入光疏介质；,入射角大于临界角。,由：,由折射定律可求出,临界角,I,m,应用：反射棱镜、,光纤,等。,5,、光路的可逆性,光源,S,1,发射的光线经,B,点折射向,C,.,若在,C,点置一光源,由折射定律知，光线必由,C,点入射经,B,点折射而射向,A,，即光线是可逆的,.,第一节几何光学的基本定律,1.,顶角,a,很小的棱镜称为光楔。证明光楔使垂直入射的光线产生偏向角,，其中,n,是光楔的折射率。,2.,证明：光线相继经过几个平行分界面的多层媒质时，出射光线的方向只与两边的折射率有关，与中间各层媒质无关。,习题,3.,在水中深度为,y,处有一发光点,Q,，作,QO,垂直于水面，求射出水面折射光线的延长线与,QO,交点,Q,的深度,y,与入射角 的关系。,4.,设光导纤维玻璃芯和外包层的折射率分别为,n1,和,n2,（,n1n2,）,，,垂直端面外的媒质的折射率为,n0,。,试证明：能使光线在纤芯发生全反射的入射光束的最大孔径角 满足,。其中，,称为纤维的数值孔径。,三、费马原理,光程等于光在真空中相同时间内传播的距离。,光程：,光线在介质中传播的几何距离,l,与介质折射率,n,的乘积。,第一节几何光学的基本定律,若介质折射率是空间坐标的函数,n=n,(,x,y,z,),，则从,A,点到,B,点光线可能为一空间曲线，其光程方程为,费马原理：,光线从一点传播到另一点，其间无论进行了多少次反射或折射，其光程为极值（极大、极小、常量）。,光是沿着光程为极值的方向传播的。,费马原理是描述光线传播的基本定律，利用费马原理可以导出光的直线传播定律和反射、折射定律。,由极值条件得,费马原理的数学表示：,第一节几何光学的基本定律,费马原理可解释：在均匀介质中，光沿直线传播。在非均匀介质中，光不再沿直线传播，此时折射率,n,为空间位置的函数，其光程应为极值。,（,x,0,）,A,B,C,1,、费马原理：几何光学中的一条重要原理，由此原理可证明光在均匀介质中传播时遵从的直线传播定律、反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜的等光程性等。,2,、光的可逆性原理是几何光学中的一条普遍原理，该原理说，若光线在介质中沿某一路径传播，当光线反向时，必沿同一路径逆向传播。,3,、,费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径，不论光线正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。,因而借助于费马原理可说明光的可逆性原理的正确性。光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。,四、马吕斯定律,折反射定律,、,费马原理,和,马吕斯定律,三者中任意一个均可视为几何光学的三个基本定律之一，而把另两个作为其基本定律的推论。,第一节几何光学的基本定律,马吕斯定律：,（,1,）光束,在各向同性的均匀介质中传播时，,始终保持着与波面的正交性,，并且（,2,）入射波面与出射波面对应点之间的,光程均为定值,。,马吕斯定律描述了光经过多次反射折射后，光束与波面、光线与光程的关系,.,第二节 成像的基本概念与完善成像条件,4,、物空间、像空间：,物（像）所在的空间。,一、光学系统与成像概念,1,、光学系统的作用：,对物体成像，扩展人眼的功能。,2,、完善像点：,若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍为同心光束，该光束的中心即为该物点的完善像点。,3,、完善像：,完善像点的集合。,第二节 成像的基本概念与完善成像条件,5,、共轴光学系统：,若光学系统中各个光学元件表面的曲率中心在一条直线上，则该光学系统是共轴光学系统。,6,、光轴：,光学系统中各个光学元件表面的曲率中心的连线。,光轴,第二节 成像的基本概念与完善成像条件,二、完善成像条件,表述一：入射波面是球面波时，出射波面也是球面波。,表述二：入射是同心光束时，出射光也是同心光束。,表述三：物点及其像点之间任意两条光路的光程相等。,共轴光学系统,n,k,n,1,n,0,1,第二节 成像的基本概念与完善成像条件,三、物、像的虚实,实物（像）：,由实际光线相交会聚而形成的物（像）。,虚物（像）：,由光线的延长线相交形成的物（像）。,请注意下图中的实物、实像、虚物、虚像以及物空间、像空间,实物成实像,实物成虚像,虚物成实像,虚物成虚像,实际光线：光的反射现象中指的是反射光线,在光的折射中指的是折射光线,第二节 成像的基本概念与完善成像条件,实物成实像,实物成虚像,虚物成实像,虚物成虚像,反向延长线并不是实际光线，只是人脑对进入人眼的光线的一种经验性的逆向推理，实际并不存在，所以在成像位置上放上光屏，光屏上并不会有光线照射到，因此虚像不能为光屏接收。,虚像只能人眼观察不能记录。,第二节 成像的基本概念与完善成像条件,实物成实像,实物成虚像,虚物成实像,虚物成虚像,1,、实际光线相交形成的是实像,由实际光线的反向延长线相交形成的是虚像,.,实像与虚像的判断：,2,、可以用光屏承接到或记录下来的是实像,不能用光屏记录下来的是虚像,.,3,、倒立的必定是实像,正立的必定是虚像,.,4,、像与物体如果位于透镜的异侧就是实像,像与物体如果位于透镜的同侧就是虚像,.,虚物不能人为设定，它是前一光学系统的实像被当前系统所截而得。,实物、虚像对应发散同心光束，,第二节 成像的基本概念与完善成像条件,实物成实像,实物成虚像,虚物成实像,虚物成虚像,因此，几个光学系统组合时，前一系统形成的虚像应看成是当前系统的实物。,虚物、实像对应会聚同心光束。,第三节 光路计算与近轴光学系统,大多数光学系统都是由折、反射球面或平面组成的共轴球面光学系统。,而平面可看作是 的球面特例，反射则是折射在,时的特例，所以,折射球面系统,具有普通意义。,光学系统是由多个折射球面组成，因此首先讨论单个折射球面折射的光路计算问题，再过渡到整个光学系统。,第三节 光路计算与近轴光学系统,一、基本概念与符号规则,L,：,O,A,的距离为,像方截距,U,：,出射光线与光轴的夹角,OAE,为,像方孔径角,C,：,球面中心（曲率中心）,r,：,折射球面的,曲率半径,O,：,光轴与球面的交点称为,顶点,设在空间存在如下一个折射球面,OE,：,L,：,O,A,的距离,物方截距,U,：,入射光线与光轴的夹角,OAE,为,物方孔径角,子午面：,通过物点和光轴的截面。,（轴上物点,A,的子午面有无穷多个，轴外物点,B,的子午面只有一个）,第三节 光路计算与近轴光学系统,符号规则：,（,1,）沿轴线段,(,如,L,、,L,，,r,),：,光线方向自左向右为正，以顶点,O,为原点，到光线与光轴交点或球心的方向与光线传播方向相同，其值为正，反之为负。即：,顺光线为正，逆光线为负,。,（,2,）垂轴线端（如光线矢高,h,）：,光轴以上为正，光轴以下为负。,（,4,）光线与折射面法线的夹角（如,I,、,I,、,I,）：,由光线经锐角转向法线，顺时针为正，逆时针为负。,第三节 光路计算与近轴光学系统,（,3,）光线与光轴夹角（如,U,、,U,）：,由光轴转向光线锐角，顺时针为正，逆时针为负。,（,6,）折射面间隔,(,d,）：,d,由前一面顶点到后一面顶点方向，顺光线方向为正，逆光线方向为负。,第三节 光路计算与近轴光学系统,（,5,）光轴与法线的夹角（如,）：,由光轴经锐角转向法线，顺时针为正逆时针为负。,二、实际光线的光路计算,解：,AEC,中应用正弦定理,由折射定律：,又,AEC,中应用正弦定理,第三节 光路计算与近轴光学系统,已知：,折射球面曲率半径,r,，介质折射率为,n,和,n,，及物方坐标,L,和,U,求：,像方,L,和,U,说明,:,（,1,）由子午面内实际光线的光路计算公式可知，只要给出,U,、,L,，可算出,U,、,L,，由于折射面乃至整个系统都具有轴对称性，故以,A,为顶点，,2U,为顶角的圆锥面上的光线均汇聚于,A,点。,（,2,）由上面推导可知：,L,是,L,U,的函数,、,U,也是,L,U,的函数。当,L,不变，只,U,变化时，,L,也是变化的。说明,“球差”,的存在。,第三节 光路计算与近轴光学系统,子午面内实际光线的光路计算公式,“,球差”：,同心光束经折射后，出射光束不再是同心光束，即单个折射球面对轴上点成像是不完善的，这种现象叫”球差”,近轴光线的光路计算公式：,(5),式说明：,在近轴区,l,只是,l,的函数，它不随孔径,u,的变化而变化，轴上物点在近轴区以细光束成完善像，这个像点称,高斯像点,。,高斯像面：,通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯像面，位置为,l,。,共轭点：,物面上与像面上的一对构成物像关系的点称为共轭点,第三节 光路计算与近轴光学系统,三、近轴光线的光路计算,概念：,近轴区,近轴光线,当,U,很小时，,I,，,I,和,U,都很小，光线在光轴附近很小的区域内。,近轴区内的光线。,子午面内实际光线的光路计算公式,用弧度代替正弦值,在近轴区有：,由公式,(1)(2)(3)(4)(5)(6),可推出：,(1-24),式中,Q,称为,阿贝不变量,，,对于单个折射球面物空间与像空间的,Q,相等，随共轭点的位置而异,；,(1-25),式表明了物、像孔径角的关系,(1-26),式表明了物、像位置关系,第三节 光路计算与近轴光学系统,第四节 球面光学成像系统,一、单折射面成像,垂轴线段,AB,为近轴区内垂直于光轴的平面物体。对轴外物点,B,点的而言，,BC,相当于其光轴（,辅轴,），则,B,一定成像于,B,点。,AB,上每一点都如此，那么，,AB,就是,AB,的完善像。,本节要解决的问题：,有限大的物体经过折射球面乃至球面光学系统后的放大、缩小以及像的正倒、虚实。,(,一,),垂轴放大率,定义,相似于,利用,Q,：,注意：,垂轴放大率是物截距的函数，即物点位于不同位置其,是不同的。,第四节 球面光学成像系统,令：物高,AB=y,，,像高,AB=y,垂轴放大率,时，,时，,垂轴放大率与,物体轴上位置有关，,一个沿轴向有一定厚度的物体经成像后，其轴向高度将不再与物相似。,第四节 球面光学成像系统,(1-26),：,异号，,物像反方向，成倒像；,：同号，,物像同方向，成正像；,当 时，,异号，物像异侧，物像虚实相同；,放大，,缩小；,讨论,:,无折射面；,即无穷远物将在某点缩为一点,（平行光束）。,第四节 球面光学成像系统,同号，物像同侧，物像虚实相反；,讨论,:,，物像点沿同一方向移动。,也,与物点位置有关,，不同点有不同的轴向放大率，亦即空间物体的像会变形。,（二）轴向放大率,（,1-26,）微分有,当物沿光轴有一微小位移时,dl,，引起像亦有一微小位移,dl,定义 为轴向放大率,.,对,第四节 球面光学成像系统,定义,一对共轭光线与光轴的夹角,u,与,u,之比为角放大率。,（三）角放大率,利用,越大,(,当 一定时,),越小,第四节 球面光学成像系统,角放大率,只与共轭点的位置有关,，与光线的孔径角无关。,角放大率表示折射球面将光束变宽或变细的能力。,三者之间关系,:,又,J,（拉格朗日,-,赫姆霍兹不变量）,简称,拉赫不变量,是表征了光学系统的性能一个重要参数。,阿贝不变量,拉赫不变量,迄今为止,我们已经知道三个不变量（近轴）,:,第四节 球面光学成像系统,矢高不变量,在球面反射系统中，只要将球面折射系统中所得公式中的 用 代替 ，就可得到相应公式与结论。,为负值时，,表明经光学系统后光线反向传播。,第四节 球面光学成像系统,二、球面反射镜成像,下面讨论球面反射镜（简称,球面镜,）的成像特性。,特别地,当物点位于球心,C,时，即 则,物像位置公式,放大率,物像沿轴反向,即通过球心的光线将沿光路返回，重汇于球心。,第四节 球面光学成像系统,由,令,n=-n,凹面镜,凸面镜,凹面镜成像,凸面镜成像,第四节 球面光学成像系统,前面分析的是单个折射球面（反射,),的成像特征及相应的光路计算,.,它们是构成光学系统的最小单元,对于由多个折、反球面构成的共轴光学系统而言，只要找到相邻两球面间的光路关系，剩下的问题就是逐个成像，逐个计算直至求出最终像。,第四节 球面光学成像系统,三、共轴球面系统,过渡公式,第四节 球面光学成像系统,共轴球面系统由,K,个面组成，成像特性由以下结构参数组成：,各球面的曲率半径,r,1,r,2,r,k,。,相邻球面顶点间距,d,1,d,2,d,k-1,各面之间介质的折射率,n,1,(,物方折射率,),n,2,n,k+1,(,像方折射率,),由图可知某一球面的像方空间就是其后一球面的物方空间，因此，该面的像就是后一面的物，故有：,第四节 球面光学成像系统,共轴球面光学系统近轴光路计算的,过渡公式,对宽光束也适用，只需将小写改为大写,将上述第二式与第四式对应项相乘，利用,得,光线入射高度过渡公式：,由拉赫不变量,得,拉赫不变量,第四节 球面光学成像系统,过渡公式,拉赫不变量是一个系统不变量,（二）成像放大率,得用过度公式可得：,系统放大率为各面放大率之乘积。,三者之间关系,:,整个系统各放大率公式及其关系与单个折射面的完全相同，说明单个折射面的成像特性具有普遍意义。,第四节 球面光学成像系统,过渡公式,（二）成像放大率,得用过度公式可得：,系统放大率为各面放大率之乘积。,三者之间关系,:,整个系统各放大率公式及其关系与单个折射面的完全相同，说明单个折射面的成像特性具有普遍意义。,第四节 球面光学成像系统,