工程光学基础课程复习课件

复习课袁兴起（yuanxingqi)2009-2010学年第二学期,工程光学,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,第一章几何光学基本定律与成像概念,一、基本概念光线：波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的面称为波阵面，简称波面。,第一节几何光学的基本定律,光束：同心光束：通常波面可分为平面波、球面波和任意曲面波。与平面波对应的光束成为平行光束，与球面波对应的光束称为同心光束。同心光束可分为会聚光束和发散光束。,折射率：光速减慢程度：,二、几何光学基本定律（1）光的直线传播定律（2）光的独立传播定律（3）光的折射定律（4）光的反射定律,入射角、反射角和折射角，均以锐角度量，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。,4.光路的可逆性光线的传播是可逆的，这就是光路的可逆性。5.全反射现象发生全反射的条件可归结为:（1）光线从光密介质射向光疏介质；（2）入射角大于临界角。,(1)光程(2)Fermat原理内容,7、费马(Fermat)原理几何光学的基本定律,光程均匀介质中：Lns其中n为介质的折射率，s为光经过的几何路径。非均匀介质中,(1)光程费马原理,光程为光在介质中传播的时间和真空中光速的乘积.,光线从任一点A传播到另一点B，是沿光程为极值的路径传播。数学表示：说明:该处极值可以是极大值、极小值或常值.,(2)Fermat原理内容费马原理,(1)内容垂直于入射波面的入射光束，经过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间所有光路的光程相等。(2)数学表示,8、马吕斯(Malus)定律,第二节成像的基本概念与完善成像条件一、完善成像的概念完善像点。完善像。物空间，像空间。,二、光线经过球面的折射共轴光学系统，该直线为光轴。三、完善成像条件入射波面为球面波时，出射波面也是球面波。或入射光是同心光束时，出射光也是同心光束。等光程是完善成像的条件。,四、物、像的虚实实际光线相交所形成的点为实物点或实像点光线的延长线相交所形成的点为虚物点或虚像点a）实物成实像b）实物成虚像c）虚物成实像d）虚物成虚像,第三节光路计算与近轴光学系统平面看成是球面半径无穷大的特例，反射是折射在时的特例。,球心C，入射光AE，法线EC，折射光EAI、I为入射角和折射角，AC为光轴，O为球面顶点,1.光线经球面折射时的光路计算我们用两个量来表示一条光线：（1）A到O的距离OA，记作L，称为截距。（2）光轴到光线的夹角，记作U，称为孔径角。L、U两量唯一地确定了一条光线在子午面内（纸内）的位置。,正负号规定：（1）线段,（2）角度,2.近轴光路计算公式当角很小时（指绝对值很小），这时光线在很靠近光轴的区域内（此区域通常称为近轴区），光线称为近轴光线。此时，相应的、等都比较小，(为弧度值)用弧度值替换正弦值：,每面折射前后的不变，称为阿贝不变量,此式表示用一个坐标（参量）就能决定近轴光位置（像点位置）。,第四节球面光学成像系统,垂轴放大率律为,可以用垂轴放大率的值辨别物像性质：,0物像互为正立,实物虚像或虚物实像.,1,像放大；,=1,物象等大.,0，则dl和dl同号，物像运动方向相同。轴向放大率与垂轴放大率不等。,3)角放大律,(1-4-3),上式称为拉格郎日不变式，J为拉赫不变量。,垂轴放大率与轴向放大率、角放大率的关系是,第二章理想光学系统,基点、基面、主点、主面（焦点、焦平面）及其特点。,二、角放大率,定义：象方孔径角u的正切与物方孔径角u的正切之比,又,放大率之间的关系,2.5理想光学系统的组合,反向棱镜的等效作用与展开：,掌握方法折射棱镜中光楔的偏向角公式（课P53）及其测微应用,第四章光学系统中的光阑和光束限制,光阑定义、作用、分类。孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入射窗、出射窗定义。普通照相系统的结构组成。渐晕概念。光瞳衔接原则。出瞳距。景深概念及影响因素。,第五章光度学和色度学基础,各辐射量、光学量含义。光谱光效率函数定义。颜色分类及三个表观特征。两种颜色匹配方法三原色、三刺激值概念。,第七章典型光学系统,眼睛视场及清晰观察范围。眼睛的校正。摄影系统的组成。影响摄影物镜的因素。影响物镜景深的因素。,投影系统的作用实质。投影系统中照明系统的结构分类。激光的优点。激光高斯光束名义截面定义。表征扫描光学系统扫描特性的三个参数。光学扫描系统的三种形式。光纤的两种分类。,第九章光的电磁理论基础第一节光的电磁性质（2）：Maxwell方程,积分形式高斯定理：涡旋定理：法拉第定理：,后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。,第九章光的电磁理论基础第一节光的电磁性质（2）：Maxwell方程,微分形式：,（91）（92）（93）（94）,揭示了电流、电场、磁场相互激励的性质,第九章光的电磁理论基础第一节光的电磁性质（2）：Maxwell方程,微分形式：,第九章光的电磁理论基础第一节光的电磁性质（4）：电磁场的波动性,第九章光的电磁理论基础第一节光的电磁性质（5）：平面电磁波及其性质,（二）平面简谐电磁波的波动公式,位相是时间和空间坐标的函数，表示平面波在不同时刻空间各点的振动状态。,第九章光的电磁理论基础第一节光的电磁性质（5）：平面电磁波及其性质,（二）平面简谐电磁波的波动公式,波动公式：,（925）（926）,上式是一个具有单一频率、在时间和空间上无限延伸的波。,第九章光的电磁理论基础第一节光的电磁性质（5）：平面电磁波及其性质,（三）平面电磁波的性质,1、横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向。,2、E、B、k互成右手螺旋系。,3、E和B同相,第九章光的电磁理论基础第五节光波的叠加（1）：一、波的叠加原理,波的叠加原理：几个波在相遇点产生的合振动是各个波在该点产生振动的矢量和。（p213),注意几个概念：1、叠加结果为光波振幅的矢量和，而不是光强的和。2、光波传播的独立性：两个光波相遇后又分开，每个光波仍然保持原有的特性（频率、波长、振动方向、传播方向等）。3、叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解:式（920）。一个实际的光场是许多个简谐波叠加的结果。,第九章光的电磁理论基础第五节光波的叠加（4）：,二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加,（三）对叠加的结果分析的主要对象：合成的光强，,第九章光的电磁理论基础第五节光波的叠加（5）：三、驻波,两个频率相同、振动方向相同而传播方向相反的单色光波的叠加将形成驻波。垂直入射的光波和它的反射光波之间将形成驻波。,第九章光的电磁理论基础第五节光波的叠加（6）：,四、两个频率相同、振动方向互相垂直的单色光波的叠加,合振动的大小和方向随时间变化，合振动矢量末端运动轨迹方程为：,(一)合成光波偏振态的分析,第九章光的电磁理论基础第五节光波的叠加（7）：右旋光与左旋光,1、右旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量顺时针方向旋转。,2、左旋光：迎着光的传播方向观察，合矢量逆时针方向旋转。,第九章光的电磁理论基础第五节光波的叠加（10）：群速度和相速度,1、相速度：等位相面传播的速度,z或t,2、群速度：等振幅面传播的速度,z或t,第九章光的电磁理论基础第五节光波的叠加（10）：群速度和相速度,在真空中传播时，波速相同，相速度和群速度相等。在色散介质中传播时，不同频率的光波传播速度不同，合成波形在传播过程中会不断地变化，相速度和群速度便不同了。,第十章光的干涉,101光波的干涉条件,102杨氏干涉实验,104平板的双光束干涉,105典型的双光束干涉系统及其应用,106平行平板的多光束干涉及其应用,103干涉条纹的可见度,101光波的干涉条件：二、干涉条件,干涉条件：,102杨氏干涉实验一、干涉图样的计算,1、P点的干涉条纹强度,光强I的强弱取决于光程差,102杨氏干涉实验:一、干涉图样的计算,2、光程差D的计算,光程差：,102杨氏干涉实验:一、干涉图样的计算,3、干涉条纹的意义,x,102杨氏干涉实验:一、干涉图样的计算,3、干涉条纹的意义,用光程差表示：,结论：1、干涉条纹代表着光程差的等值线。2、相邻两个干涉明(或暗)条纹之间其光程差变化量为一个波长l，相位差变化2p。,在同一条纹上的任意一点到两个光源的光程差是恒定的。,102杨氏干涉实验:一、干涉图样的计算,4、干涉条纹的间隔,102杨氏干涉实验:一、干涉图样的计算,5、干涉条纹间隔与波长,x,0,白条纹,白条纹,白光条纹,红,黄,绿,紫,103干涉条纹的可见度可见度定义,K表征了干涉场中某处干涉条纹亮暗反差的程度。,104平板的双光束干涉,分光性质：振幅分割两个干涉的点源：由两个反射面对S点的象S1和S2构成：,二、平行平板干涉（等倾干涉）,2.平板干涉装置注意：采用扩展光源，条纹域在无穷远。条纹成象在透镜的焦平面上。,104平板的双光束干涉,二、平行平板干涉（等倾干涉）,3.条纹分析,104、平板的双光束干涉,二、楔形平板干涉（等厚干涉）,104、平板的双光束干涉,二、楔形平板干涉（等厚干涉）,垂直入射时，光程差是厚度h的函数，在同一厚度的位置形成同一级条纹。,l,l,104、平板的双光束干涉,二、楔形平板干涉（等厚干涉）,Dh,(1),104、平板的双光束干涉,二、楔形平板干涉（等厚干涉）,a,（2）,（3）,104、平板的双光束干涉,105典型的双光束干涉系统及其应用（课P241）一、典型干涉系统,1、斐索干涉仪基本特点：（1）属于等厚干涉,（2）干涉光束，一个来自标准反射面，一个来自被测面。,重点掌握：（1）光程差与厚度的关系。,（2）厚度变化与条纹弯曲方向的关系。（3）干涉面间距变化与条纹移动的关系。,105典型的双光束干涉系统及其应用一、典型干涉系统,2、迈克尔逊干涉仪（1）,特点：M1和M2垂直时是等倾干涉，否则为等厚干涉。,掌握：（1）系统结构，（2）M1或M2垂直于光线移动时对条纹的影响。,105典型的双光束干涉系统及其应用一、典型干涉系统,2、迈克尔逊干涉仪（2）,DS,114光学成像系统的衍射和分辨本领,第十一章光的衍射,111光的标量衍射理论,112典型孔径的夫琅和费衍射,光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分布的现象。,是光的波动性的主要标志之一。,衍射现象的分析：（1）菲涅耳衍射：距离衍射屏近处的衍射。（2）夫琅和费衍射：距离衍射屏远处的衍射。,第十一章光的衍射,光的衍射,一、惠更斯菲涅耳原理,1、惠更斯原理：（1）波阵面的形成，（2）波面的传播方向。,2、惠更斯菲涅耳原理,波阵面外任一点光振动应该是波面上所有子波相干叠加的结果。,图13-4点光源S对P点的作用,图13-3光波通过圆孔的惠更斯作图法,111.光波的标量衍射理论,五.夫琅合费圆孔衍射,2.衍射图样,其中中央亮斑称为爱里斑，它的半径是：z=1.22p,即,爱里斑的半径：,2r0,112、典型孔径的夫琅合费衍射,五.夫琅合费圆孔衍射,3、椭圆的衍射图样,衍射屏,衍射图样,112、典型孔径的夫琅合费衍射,六.巴俾里（Babinet)原理,设有两个互补屏：,E1E2无屏,产生的衍射：,除中心点P0，,则,光强：,所以形状大小一样的屏和孔产生的衍射图样是一样的，一个形状相等的狭缝和细丝的衍射图形也是一样。,112、典型孔径的夫琅合费衍射,二、成像系统的分辨率,1、瑞利判据。,1,0.81,当一个象点的衍射光斑主极大和另一个像点的衍射的第一极小值重合时，两个像点刚好被分开。,114光学成像系统的衍射和分辨本领（了解）,第十二章光的偏振,121偏振光概述,122晶体的双折射,123晶体偏振器件,12-4偏振的矩阵表示,光波表达式与光波的三个特性：频率、传播方向、振动方向。角频率：w，传播方向，电矢量的振动方向。,一.偏振光与自然光偏振：横波，即它的振动方向总是垂直于传播方向。,121偏振光概述,1.线偏振光：振动方向与振动平面。光矢量与传播方向组成的平面称为线偏振光的振动平面。,振动方向与a1和a2的比值有关。,121偏振光概述,2.圆偏振光,左旋，,右旋。,121偏振光概述,3.椭圆偏振光,右旋椭圆光左旋椭圆光,121偏振光概述,常见的几种偏振光：,4.自然光：振动方向几率、振动方向分解5.部分偏振光和偏振度,自然光,部分偏振光,121偏振光概述,由反射与折射产生偏振光由二向色性产生偏振光由双折射产生偏振光,二、获得偏振光的方法,反射光的偏振化程度与入射角有关。1812年，布儒斯特由实验证明：若光从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质，当入射角满足,时，反射光中就只有垂直于入射面的光振动，而没有平行于入射面的光振动，这时反射光为线偏振光，而折射光仍为部分偏振光。这就是Brewster定律。其中i0叫做起偏角或布儒斯特角。,布儒斯特定律,note：,i0称为布儒斯特角或起偏角折射