几何光学基本原理北理工.pptx

第一章第一章几何光学基本原理几何光学基本原理应用光学讲稿对成像的要求对成像的要求本章要解决的问题：本章要解决的问题：像与成像的概念像与成像的概念 光是怎么走的？光的传播规律光是怎么走的？光的传播规律 光是什么？光的本性问题光是什么？光的本性问题应用光学讲稿第一节第一节光波与光线光波与光线研究光的意义研究光的意义:90%信息由视觉获得信息由视觉获得,光波是视觉的载体光波是视觉的载体光是什么？光是什么？弹性粒子弹性波电磁波波粒二象性弹性粒子弹性波电磁波波粒二象性1666年：牛顿提出微粒说，年：牛顿提出微粒说，弹性粒子弹性粒子1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波弹性波1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波电磁波1905年：爱因斯坦提出年：爱因斯坦提出光子光子假设假设20世纪：人们认为光具有世纪：人们认为光具有波粒二象性波粒二象性应用光学讲稿第一节第一节光波与光线光波与光线一般情况下一般情况下,可以把光波作为电磁波看待，光波可以把光波作为电磁波看待，光波波长：波长：应用光学讲稿光的本质是电磁波光的本质是电磁波光的传播实际上是波动的传播光的传播实际上是波动的传播物理光学：物理光学：研究光的本性，并由此来研究各种光学现象研究光的本性，并由此来研究各种光学现象几何光学：几何光学：研究光的传播规律和传播现象研究光的传播规律和传播现象应用光学讲稿可见光：波长在可见光：波长在400-760nm范围范围红外波段：波长比可见光长红外波段：波长比可见光长紫外波段：波长比可见光短紫外波段：波长比可见光短应用光学讲稿可见光：可见光：400-760nm单色光：同一种波长单色光：同一种波长复色光：由不同波长的光波混合而成复色光：由不同波长的光波混合而成频率和光速，波长的关系频率和光速，波长的关系在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变应用光学讲稿几何光学的研究对象和光线概念几何光学的研究对象和光线概念研究对象研究对象不考虑光的本性不考虑光的本性研究光的传播规律和传播现象研究光的传播规律和传播现象l 特特点点不考虑光的本性，把光认为是不考虑光的本性，把光认为是光线光线应用光学讲稿 光线的概念光线的概念能够传输能量的几何线，具有方向能够传输能量的几何线，具有方向光线概念的缺陷光线概念的缺陷2.绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的的采用光线概念的意义：采用光线概念的意义：1.用光线的概念可以解释绝大多数光学现象用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影子、日食、月食影子、日食、月食应用光学讲稿光线是能够传输能量的几何线，具有方向光线是能够传输能量的几何线，具有方向光波的传播问题就变成了几何的问题光波的传播问题就变成了几何的问题所以称之为几何光学所以称之为几何光学当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、衍射时，再采用物理光学的原理衍射时，再采用物理光学的原理应用光学讲稿光线与波面之间的关系光线与波面之间的关系波面：波动在某一瞬间到达的各点组成的面波面：波动在某一瞬间到达的各点组成的面At 时刻t+t 时刻应用光学讲稿 光线是波面的法线光线是波面的法线波面是所有光线的垂直曲面波面是所有光线的垂直曲面同心光束：由一点发出或交于一点的光束；同心光束：由一点发出或交于一点的光束；对应的波面为球面对应的波面为球面应用光学讲稿像散光束：不严格交于一点，波面为非球面像散光束：不严格交于一点，波面为非球面应用光学讲稿平行光束平行光束波面为平面波面为平面应用光学讲稿一、光的传播现象的分类光的传播现象的分类第二节第二节几何光线基本定律几何光线基本定律灯泡灯泡空气空气玻璃玻璃应用光学讲稿光的传播可以分类为：光的传播可以分类为：1、光在同一种介质中的传播；、光在同一种介质中的传播；2、光在两种介质分界面上的传播。、光在两种介质分界面上的传播。应用光学讲稿二、几何光学基本定律二、几何光学基本定律1、光线在同一种均匀透明介质中时：光线在同一种均匀透明介质中时：直线传播直线传播成分均匀透光2、光线在两种均匀介质分界面上传播时光线在两种均匀介质分界面上传播时:反射定律，折射定律反射定律，折射定律 应用光学讲稿AO:入射光线入射光线OB:反射光线反射光线OC:折射光线折射光线NN:过投射点所做的分界面法线过投射点所做的分界面法线I1:入射光线和分界面法线的夹角入射光线和分界面法线的夹角，入射角，入射角R1:反射光线和分界面法线的夹反射光线和分界面法线的夹角，角，反射角反射角I2:折射光线和分界面法线的夹角折射光线和分界面法线的夹角，折射角，折射角应用光学讲稿入射面：入射光线和法线所构成的平面入射面：入射光线和法线所构成的平面反射定律：反射光线位在入射面内；反射定律：反射光线位在入射面内；反射角等于入射角反射角等于入射角I1=R1。折射定律：折射光线位在入射面内；折射定律：折射光线位在入射面内；入射角正弦和折射角正弦之比，对两种一入射角正弦和折射角正弦之比，对两种一定介质来说是一个和入射角无关的常数定介质来说是一个和入射角无关的常数。SinI1SinI2n1,2称为第二种介质相对于第一种介质的折射率称为第二种介质相对于第一种介质的折射率=n1,2应用光学讲稿对于不均匀介质对于不均匀介质可看作由无限多的均匀介质组合而成，光线的可看作由无限多的均匀介质组合而成，光线的传播，可看作是一个连续的折射传播，可看作是一个连续的折射直线传播定律直线传播定律反射定律反射定律折射定律折射定律几何光学的基本定律几何光学的基本定律应用光学讲稿第三节第三节折射率和光速折射率和光速一、折射定律和折射率的物理意义一、折射定律和折射率的物理意义折射定律：折射定律：折射光线在入射面内折射光线在入射面内SinI1SinI2n1,2n1,2:第二种介质相对于第一种介质的折射率第二种介质相对于第一种介质的折射率应用光学讲稿QOQ应用光学讲稿SinI11SinI22=n1,2第二种介质对第一种介质折射率等于第一种介质中的第二种介质对第一种介质折射率等于第一种介质中的光速与第二种介质中的光速之比。光速与第二种介质中的光速之比。=折射率的物理意义折射率的物理意义 折射率与光速之间的关系折射率与光速之间的关系应用光学讲稿二、相对折射率与绝对折射率二、相对折射率与绝对折射率1、相对折射率：、相对折射率：一种介质对另一种介质的折射率一种介质对另一种介质的折射率2、绝对折射率、绝对折射率介质对真空或空气的折射率介质对真空或空气的折射率应用光学讲稿3、相对折射率与绝对折射率之间的关系相对折射率与绝对折射率之间的关系相对折射率：相对折射率：12n1,2=第一种介质的绝对折射率第一种介质的绝对折射率：第二种介质的绝对折射率第二种介质的绝对折射率：C1n1=C2n2=所以所以 n1,2=n2n1应用光学讲稿三、用绝对折射率表示的折射定律三、用绝对折射率表示的折射定律SinI1SinI2n1,2由由n1,2=n2n1 有有 SinI1SinI2n2n1=或或 n1SinI1=n2SinI2应用光学讲稿课堂练习：判断光线如何折射课堂练习：判断光线如何折射空气空气n=1水水n=1.33I1I2玻璃玻璃n=1.5空气空气n=1I1应用光学讲稿空气空气n小小玻璃玻璃n大大cI1空气空气n小小玻璃玻璃n大大应用光学讲稿第四节第四节光路可逆和全反射光路可逆和全反射一、光路可逆一、光路可逆AB1、现象、现象应用光学讲稿2、证明、证明直线传播直线传播：AB反射：反射：I1=R1R1=I1折射：折射：n1SinI1=n2SinI2n2SinI2=n1SinI1I1R1ABI2C应用光学讲稿3、应用、应用光路可逆：光路可逆：求焦点求焦点光学设计中，逆向计算：目镜，显微物光学设计中，逆向计算：目镜，显微物镜等镜等应用光学讲稿二、全反射二、全反射1、现象、现象水水空气空气AI1R1I2O1O2O3O4I0应用光学讲稿2、发生全反射的条件、发生全反射的条件必要条件：必要条件：n1n2由光密介质进入光由光密介质进入光疏介质疏介质 充分条件：充分条件：I1I0入射角大于全反射角入射角大于全反射角 1870年，英国科学家丁达尔全反射实验年，英国科学家丁达尔全反射实验应用光学讲稿当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻璃的折射率不同、对应的临界角不同璃的折射率不同、对应的临界角不同n1.51.521.541.561.581.601.621.641.66I04148 4184030 3952 3916 3841 377377373应用光学讲稿3、全反射的应用、全反射的应用u 用棱镜代替反射镜：减少光能损失用棱镜代替反射镜：减少光能损失应用光学讲稿u 测量折射率测量折射率待测样品 nB低低 nA高高I0暗亮应用光学讲稿第六节第六节 光学系统类别和成像的概念光学系统类别和成像的概念各种各样的光学仪器各种各样的光学仪器 显微镜显微镜:观察细小的物体观察细小的物体 望远镜望远镜:观察远距离的物体观察远距离的物体各种光学零件各种光学零件反射镜、透镜和棱镜反射镜、透镜和棱镜应用光学讲稿光学系统光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求来，满足一定的要求应用光学讲稿 光学系统分类光学系统分类按介质分界面形状分：按介质分界面形状分：球面系统：球面系统：系统中的光学零件均由球面构成系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：非球面系统：系统中包含有非球面系统中包含有非球面共共轴轴球球面面系系统统：系系统统光光学学零零件件由由球球面面构构成成，并并且且具具有有一一条条对对称轴线称轴线今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统按有无对称轴分：按有无对称轴分：共轴系统共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统非共轴系统：没有对称轴线：没有对称轴线应用光学讲稿二、成像基本概念二、成像基本概念1、透镜类型、透镜类型正透镜：正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜也叫会聚透镜会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转 负透镜：负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转应用光学讲稿2、透镜作用成像、透镜作用成像AAA点称为物体点称为物体A通过透镜所成的像点通过透镜所成的像点。而把而把A称为物点称为物点A为为实实际际光光线线的的相相交交点点，如如果果在在A处处放放一一屏屏幕幕，则则可可以以在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。A和和A称称为为共共轭轭点点。A与与A互互为为物物像像关关系系，在在几几何何光光学学中称为中称为“共轭共轭”。应用光学讲稿 3、透镜成像原理透镜成像原理正正透透镜镜：正正透透镜镜中中心心比比边边缘缘厚厚，光光束束中中心心部部分分走走的的慢慢，边边缘走的快。缘走的快。AOPQPQOAPQ成实像成实像应用光学讲稿负透镜负透镜:负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，光束中心部分走得快，边缘走得慢。光束中心部分走得快，边缘走得慢。AA成虚像成虚像应用光学讲稿思考：思考：正透镜是否一定成实像？正透镜是否一定成实像？负透镜是否一定成虚像？负透镜是否一定成虚像？应用光学讲稿名词概念名词概念像：出射光线的交点像：出射光线的交点实像点：出射光线的实际交点实像点：出射光线的实际交点虚像点：出射光线延长线的交点虚像点：出射光线延长线的交点物：入射光线的交点物：入射光线的交点实物点：实际入射光线的交点实物点：实际入射光线的交点虚物点：入射光线延长线的交点虚物点：入射光线延长线的交点应用光学讲稿像空间：像所在的空间像空间：像所在的空间实像空间：系统最后一面以后的空间实像空间：系统最后一面以后的空间虚像空间：系统最后一面以前的空间虚像空间：系统最后一面以前的空间整个像空间包括实像和虚像空间整个像空间包括实像和虚像空间物空间：物所的空间物空间：物所的空间实物空间：系统第一面以前的空间实物空间：系统第一面以前的空间虚物空间：系统第一面以后的空间虚物空间：系统第一面以后的空间整个物空间包括实物和虚物空间整个物空间包括实物和虚物空间注意：注意：虚物的产生虚物的产生虚像的检测虚像的检测应用光学讲稿物像空间折射率确定物像空间折射率确定物空间折射率：物空间折射率：按实际入射光线所在的空间折射率计算按实际入射光线所在的空间折射率计算像空间折射率像空间折射率按实际出射光线按实际出射光线所在的空间折射率计算所在的空间折射率计算应用光学讲稿第七节第七节 理想像和理想光学系统理想像和理想光学系统 为什么要定义理想像为什么要定义理想像 如果要成像清晰，必须一个物点成像为一个像点如果要成像清晰，必须一个物点成像为一个像点 应用光学讲稿如果一个物点对应唯一的像点如果一个物点对应唯一的像点 则直线成像为直线则直线成像为直线直线直线OOOO为入射光线，其对应的出射光线为为入射光线，其对应的出射光线为QQQQ，需要证明，需要证明QQQQ是是OOOO的像。的像。在在OOOO上任取一点上任取一点A A，OOOO可看作是可看作是A A点发出的很多光线中的一条，点发出的很多光线中的一条，A A的唯的唯一像点为一像点为A A，A A是所有出射光线的会聚点，是所有出射光线的会聚点，A A当然在其中的一条当然在其中的一条QQQQ上。因为上。因为A A点是在点是在OOOO上任取的，即上任取的，即OOOO上所有点都成像在上所有点都成像在QQQQ上，所以上，所以QQQQ是是OOOO的像的像 应用光学讲稿如果一个物点对应唯一的像点如果一个物点对应唯一的像点 则平面成像为平面则平面成像为平面应用光学讲稿 符合点对应点，直线对应直线，平面对应平面的像称为理符合点对应点，直线对应直线，平面对应平面的像称为理想像想像 能够成理想像的光学系统称为理想光学系统能够成理想像的光学系统称为理想光学系统 应用光学讲稿 共轴理想光学系统的成像性质共轴理想光学系统的成像性质1.1.轴上点成像在轴上轴上点成像在轴上 .A1.A1 A.A.A2 .A22.2.位在过光轴的某一截面内的物点对应的像点位在同一平面内位在过光轴的某一截面内的物点对应的像点位在同一平面内3.3.过光轴任一截面内的成像性质是相同的过光轴任一截面内的成像性质是相同的 空空间间的的问问题题简简化化为为平平面面问问题题，系系统统可可用用过过光光轴轴的的一一个个截截面面来来代表代表应用光学讲稿 共轴理想光学系统的成像性质共轴理想光学系统的成像性质4.4.当物平面垂直于光轴时，像平面也垂直于光轴当物平面垂直于光轴时，像平面也垂直于光轴应用光学讲稿5.当物平面垂直于光轴时，像与物完全相似当物平面垂直于光轴时，像与物完全相似像和物的比值叫放大率像和物的比值叫放大率 所谓相似，就是物平面上无论什么部位成像，都是按同一放大所谓相似，就是物平面上无论什么部位成像，都是按同一放大率成像。即放大率是一个常数率成像。即放大率是一个常数应用光学讲稿应用光学讲稿 6.6.对于共轴光学系统，如果已知：对于共轴光学系统，如果已知：或者或者 (2)(2)一一对对共共轭轭面面的的位位置置和和放放大大率率，以以及及轴轴上上两两对对共共轭轭点点的的位位置置则其它任意物点的像均可求出则其它任意物点的像均可求出基点，基面基点，基面 (1)(1)两对共轭面的位置和放大率两对共轭面的位置和放大率应用光学讲稿已知已知:两对共轭面的位置和放大率两对共轭面的位置和放大率已知已知:一对共轭面的位置和放大率，和轴上两对共轭点的位置一对共轭面的位置和放大率，和轴上两对共轭点的位置应用光学讲稿光程光程光线在介质中所走过的几何路程和折射率的乘积称为光程。光线在介质中所走过的几何路程和折射率的乘积称为光程。光程等于在相同的时间内，光在真空中传播的几何路程。光程等于在相同的时间内，光在真空中传播的几何路程。两个波面之间的所有光线的光程都相等。两个波面之间的所有光线的光程都相等。理想成像的条件：等光程理想成像的条件：等光程物点和像点间的所有光线的光程都相等。物点和像点间的所有光线的光程都相等。应用光学讲稿双双曲曲面面：到到两两个个定定点点距距离离之之差差为为为为常常数数的的点点的的轨轨迹迹，是是该该两两点点为为焦焦点点的的双双曲曲面面。对对内内焦焦点点和和外外焦焦点点符符合合等等光光程程条条件件。其中一个是实的，一个是虚的其中一个是实的，一个是虚的抛抛物物面面：到到一一条条直直线线和和一一个个定定点点的的距距离离相相等等的的点点的的轨轨迹迹，是是以以该该点点为为焦焦点点，该该直直线线为为准准线线的的抛抛物物面面。对对焦焦点点和和无无限限远远轴上点符合等光程。轴上点符合等光程。椭椭球球面面：对对两两个个定定点点距距离离之之和和为为常常数数的的点点的的轨轨迹迹，是是以以该该两两点为焦点的椭圆。对两个焦点符合等光程条件。点为焦点的椭圆。对两个焦点符合等光程条件。等光程的反射面等光程的反射面:二次曲面二次曲面对于反射面，通常都是利用等光程的条件：对于反射面，通常都是利用等光程的条件：等光程的折射面等光程的折射面二次曲面二次曲面应用光学讲稿两镜系统基本结构形式两镜系统基本结构形式应用光学讲稿应用光学讲稿常用两镜系统常用两镜系统1、经典卡塞格林系统经典卡塞格林系统主主镜镜为为凹凹的的抛抛物物面面，副副镜镜为为凸凸的的双双曲曲面面，抛抛物物面面的的焦焦点点和和双双曲曲面面的的的的虚虚焦焦点点重重合合，经经双双曲曲面面后后成成像像在在其其实实焦焦点点处处。卡卡塞塞格格林林系系统统的的长长度度较较短短，主主镜镜和副镜的场曲符号相反，有利于扩大视场。和副镜的场曲符号相反，有利于扩大视场。2、格里高里系统格里高里系统主主镜镜为为凹凹的的抛抛物物面面，副副镜镜为为凹凹的的椭椭球球面面，抛抛物物面面的的焦焦点点和和椭椭球球面面的的一一个个焦焦点点重重合合，经经椭椭球球面面后后成成像像在在其另一个实焦点处。其另一个实焦点处。3、R-C系统系统主镜副镜均为双曲面。主镜副镜均为双曲面。应用光学讲稿4、马克苏托夫系统马克苏托夫系统主镜副镜均为椭球面。主镜副镜均为椭球面。5、库特系统库特系统 主镜副镜均为凹面。主镜副镜均为凹面。6、同心系统同心系统7、无焦系统无焦系统