应用光学（第一章）ppt课件

应用光学 *1 授课教师课教师 ： 光电测控技术与装备研究所 庄志涛 E-mail: 办公电话：86402312/3-800 办公地点：制造楼604 *2 研究领域 光电测试技术与仪器 视觉检测技术与图像处理 网络化测试技术 生物医学图像技术 光电测控技术与装备研究所光电测控技术与装备研究所 Optics Instrument & Automation Lab. (OIAL) / Date3 研究领域 光电测试技术与仪器 主要研究光学与电子学相结合的测量与控制方法 及相应的装备，在激光测量技术和光纤测量技术 等方面取得一系列成果 。 快速、非接触式激光测 量系统在很多应用中具有其他测量手段不可比拟 的优势。随着激光技术、精密机械技术和电子技 术的发展，光、机、电三者相结合的产品如激光 干涉仪、激光跟踪仪，激光坐标测量机，激光测 距仪，全站仪等仪器在工业检测中占有举足轻重 的地位。 Date4 研究领域 视觉检测技术与图像处理 是精密测试技术领域内最具有发展潜力的新技 术，它综合运用了电子学、光电探测、图象处 理和计算机技术，将机器视觉引入到工业检测 中，实现对物体(产品或零件)三维尺寸或位置 的快速测量，具有非接触、速度快、柔性好等 突出优点，在现代制造业中有着重要的应用前 景。视觉检测技术为解决在线测量问题提供了 一个理想的手段，美国国家标准局八十年代在 调查的基础上曾作过预测：今后工业检测工作 的80%将由视觉检测技术完成。经过十多年的 发展，视觉检测技术在国内外都获得了长足的 进步，应用领域已涵盖汽车、钢铁、微电子器 件等几乎所有的现代制造业领域。 Date5 网络化测试技术 网络的最大特点就是可以实现资源共享，使现有资 源得到充分利用，从而实现多系统、多专家的协同 测试与诊断，它解决了已有总线在仪器台数上的限 制，使一台机器为更多的用户使用，实现测量信息 的共享，实现整个测试过程的高度自动化、智能化 ，同时减少了硬件的设置，有效降低了测试系统的 成本。另外，网络可以不受地域的限制，这就决定 了网络化测试系统可以实现远程测控，使测试人员 不受时间和空间的限制，随时随地获取所需信息， 同时网络化测试系统还可以实现测试设备的远距离 测试与诊断，提高测试效率。正是网络化测试系统 的这些优点，使得网络化测试技术倍受关注。 研究领域 Date6 生物医学图像技术 生物医学图像在生命科学研究、医学诊断、临 床治疗等方面起着重要的作用。生物医学图像 技术主要研究生物医学成像和图像处理方面的 基本原理方法和发展趋势。针对国内外的先进 技术，尤其是在射频超声等医学信号、信息提 取方法方面开展深入的研究。 研究领域 Date7 师资力量 光电测控技术与装备研究所经过多年发展， 现有400平方米实验室，在编人员10人，教授四 名(浦昭邦,袁怡宝,刘宛予,张琢), 副教授二名(刘 国栋,庄志涛), 在读博士助教3人（刘炳国，任淑 燕，胡涛），高级技师1人（王文涛），陈凤东 （博士，留校工作，计算机学院）. 光电测控技术与装备研究室科研方向隶属 于自动化测试与控制一级学科，自建所以来， 培养博士生28人、硕士生48余人 。现承担博士 研究生学位课一门、硕士生学位课多门。 Date8 激光焦点法多功能测量系统 柱面镜 四象限光 电二极管 L1 O2 L2 L3 O1 z A B l LD L4 /4 片 偏振分光 棱镜 splitter 线圈 磁铁 分光棱镜 被测面 A 信号处理电路 数据采集卡 恒流源驱动电路 z y x 2 3 4 1 光杠杆 2 3 4 1 Date9 万 工 显 视 觉 测 量 仪 器 Date10 Date11 考试成绩组成： 期末考试试卷面成绩绩: 70% 平时时成绩绩 : 30% 作业业成绩绩： 10% 实验实验 成绩绩： 10% 出勤成绩绩： 10% 注意： 缺勤一次扣5分，三次和三次以上缺勤者 或缺席一次和一次以上实验实验 的，不准参参 加期末考试试 Date12 本门课门课 程的主要参参考教教材 1、工程光学基础 徐家骅 主编 机械工业出版社 2、工程光学李湘宁 主编 科学出版社 3、计量光学许世文 主编 哈尔滨工业大学出版社 Date13 光-Light，是我们们最熟 悉的现现象之一，没没有光 ，人类类就无法生存。 万物生长靠太阳！万物生长靠太阳！ 地球上的主要能源都是直接或间接来 自太阳能！ *14 生活中，大自然中有关光的现象无处不在 佛光 Date15 彩 虹 Date16 海市蜃楼 Date17 日晕 Date18 Date19 几何光学发展最为迅速，荷 兰数学家斯涅尔发现的准确 的折射定律对于光学仪器的 设计和改进具有重要意义！ 为研究整个光学系统提供了 计算的可能。 Date20 光学开始进入了一个新的时期，以致于成 为现代物理学和现代科学技术前沿的重要 组成部分。 二十世纪六十年代，激光问世。 从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许 许多多新兴的光学学科，如： 傅立叶光学 薄膜光学 集成光学 纤维光学 全息光学 红外与微光技术 等等 Date21 光学学的应应用领领域越来来越广泛 工业：显微镜、汽车车身的检测、机器人视觉、材料金相结构 等等 车 身 模 型 数 字 化 系 统 Date22 农业农业 ：收割、除草、叶面与与果实实的检检 测测 叶面积仪 Date23 军军事：望远镜远镜 、夜视仪视仪 、导弹导弹 制导导、激光测测距 、无人驾驶侦驾驶侦 探机、平视显视显 示器等等 红外侦察 Date24 激光制导导 Date25 潜望镜镜 Date26 红红外雷达达和 平视显视显 示器 Date27 医学医学 ：CT、胃镜镜、虹膜检测检测 、生物检测检测 通信：光缆通讯 航天：资源勘探、星际探索 哈勃号太空望远镜是被送入 轨道的口径最大的望远镜。总长 12.8米，镜筒直径4.28米，主镜直 径2.4米，连外壳孔径则为3米，全 重11.5吨 日用：扫描仪、光碟、照相机 Date28 哈勃太空望远镜远镜 Date29 “哈勃”太 空望远镜远镜 拍摄摄的狮狮 子座“NGC 3370”螺旋 星系的照 片 Date30 哈勃望远远 镜镜2002年5 月到12月 拍摄摄到的太 空神秘发发光 星体图图片 Date31 人们还们还 在不断研断研 究光的应应用领领域 宇 宙 1 号 太 阳 帆 宇宙1号的太阳帆面积 为530.93平方米，由光 压获得的推力为255克 。如果太阳帆的直径 增至300米，其面积则 为70686平方米，由光 压获得的推力即为 0.034吨。根据理论计 算，这一推力可使重 约0.5吨的航天器在200 多天内飞抵火星 Date32 应该应该 指出的是，人们对们对 光 的认识还远认识还远 未完结结，对对光 的本性、传传播规规律以及光 与与物质质相互作用的研研究还还 在不断继续断继续 。 Date33 几何（应应用）光学学的研研究内内容 采用光的直线传播概念，研究光 传播的基本规律和光通过光学系 统成像的原理和应用 通过本门课程的学习，使大家了解在光电测通过本门课程的学习，使大家了解在光电测 量仪器设计中所需的一些基本概念、基本设量仪器设计中所需的一些基本概念、基本设 计术语、基本设计方法等等。计术语、基本设计方法等等。 几何（应应用）光学学的研研究目的 Date34 Date35 Date36 光切显微镜 Date37 Date38 Date39 Date40 第一章 几何光学的基本原理 Date41 在工农业、科学技术以及人类生活的各个领域， 使用着种类繁多的的光学仪器，如望远镜，显微镜， 投影仪等。 光学系统：千差万别 但是其基本功能是共同的：传输光能或对所研究 的目标成像目标成像。 研究光的传播和光学成像的规律对 于设计光学仪器具有本质的意义！ 1-1 光波和光线 *42 从从本质质上讲讲，光是电电磁波，它它是按照 波动动理论进论进 行传传播。 但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系 统是的传播规律或成像问题时将会造成计算 和处理上的很大困难，在实际解决问题时也 不方便。 好累！太不方便 了！ Date43 按照近代物理学学的观观点，光具有波粒二象性， 那么么如果只考虑虑光的粒子性，把光源发发出的光 抽象成一条条条条 光线线，然后按此来研来研 究光学学系 统统成像。 问题变得简单 而且实用！ Date44 几何光学学：以光线为线为 基础础，用几何的方法来来 研研究光在介质质中的传传播规规律及光学学系统统的成 像特性。 点：光源、焦点、物点、像点 线线：光线线、法线线、光轴轴 面：物面、像面、反射面、折射面 由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子 性的研究方法只是一种对真实情况的近似 处理方法。必要时要辅以波动光学理论。 Date45 一. 发光点 几何上的点是既既无大小，又无体积积的抽象概概 念。当当光源的大小与与其作用距离相比可以忽略不 计时计时 ，也可认为认为 是一个个点。 天体遥远的距离观察者 Date46 任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1、本身发光。 2、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成 像规律来推断整个物体的成像。 Date47 二、光线 发发光点向四周辐辐射光能量，在几何光学学中 将发将发 光点发发出的光抽象为为带带有能量的线线， 它它代表光的传传播方向。 Date48 三、光束 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的 光向四周传播，形成以发光点为球心的球面波球面波。 某一时刻相 位相同的点构成 的面称为波面波面 波面上某一点的法线就是这一点上光的传播 方向，波面上的法线束称为光束光束 Date49 同心光束：同心光束：发发自一点或会会聚于一点，为为球面 波 平行光束平行光束：光线彼此平行，是平面波 Date50 像散光束像散光束：光线既线既 不平行，又不相交，波面为为曲面 。 在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光 学元件中的传播途径，这个途径称为光路光路 实际做法：实际做法：从光束中取出一个适当的截面 ，再求出其上几条光线的光路，即可解决 成像问题。这种截面称为光束截面 Date51 1-2 1-2 几何光学基本定律几何光学基本定律 (1-2,1-3)(1-2,1-3) 一、光的直线传播定律 在各向同性的均匀透明介质各向同性的均匀透明介质中，光线沿直线传播。 二、光的独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼彼 此互不影响此互不影响。在光线的相会点上，光的强度是各光 束的简单叠加，离开交会点后，各个光束按原方向按原方向 传播传播。 Date52 三、折射和反射定律 光的折射和反射定律研研究光传传播到两两 种种均匀匀介质质的分界面 时时的定律。 （一）折射定律 na 出射光线 入射光线 法线 I I O N Q nb I：入射角 I：折射角 Date53 （1）折射光线位于由入射光线和法线 所决定的平面内，折射光线和入射光 线分居法线两侧。 （2）入射角的正弦和折射角的正弦 之比与两角度的大小无关，仅决定于 介质的性质，为一恒量nab 即 nab:介质 b 对介质 a 的相对折射率， 如果介质 a 为真空，则介质 b 对真空的折 射率也称为绝对折射率，用 表示 nb na 出射光线 入射光线 法线 I I O N Q nb Date54 也可表述为： C：在真空中光速， ：在介质 b 中光速vb 两个介质的相对折射率相对折射率可以用光在该介质中的速度表示 对上式变换 两种介质的两种介质的相对折射率相对折射率等于两介质的等于两介质的绝绝 对折射率对折射率之比之比 Date55 将将上式代入 并设并设 有： 真空折射率为1，在标准压力下，20摄氏度时空气折射 率为1.00028， 通常认为空气的折射率也为通常认为空气的折射率也为 1 1 ，把其他介质相对于空气，把其他介质相对于空气 的折射率作为该介质的绝对折射率。的折射率作为该介质的绝对折射率。 提示：但是在设计高精度的太空中的光学仪器 时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。 Date56 （2）入射角 I和反射角I 的绝对值相同，可表示为 （二）反射定 律 （1）反射光线在由入 射光线和法线所决定的 平面内 反射光线 入射光线 法线 I N I” O 符号相反说明入射光线入射光线和反射光线反射光线分居法线两侧。 Date57 全反射现象 一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。 可知 即折射光线较入射光线偏离法线 由公式 当 光 由 光光 密密 介介 质质 射 向 光光 疏疏 介介 质质 时 , 1-3 1-3 光路可逆和全反射光路可逆和全反射 (1-4, 11-1,11-2)(1-4, 11-1,11-2) Date58 不可能大于1，此时入射光线将不能射入 另一介质。 按照反射定律在介面上全部被反射回原介质 对应于 的入射角 被称为临界角 记为,可知 Date59 全反射的两个条件： （1）光密到光疏介质； （2）入射角大于临界角； 全反射的应用： （1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代 替平面反射镜。 （2）制造光导纤维。 Date60 光导纤维号称现导纤维号称现 代信息系统统的神 经经 由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包 层组成 Date61 进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面 上连续发生全发射，直至另一端出射。 S B A 当大于临界角时，就发生全发射。 Date62 根据折射定律，又有： S