应用光学(第一章)(1).ppt

2020 2 7 1 应用光学 2 2020 2 7 授课教师 姓名 孔明单位 计量测试工程学院联系方式 办公电话 0571 86875676手机公地点 塞博南楼A118 启明北楼209Email mkong 见到同学们很高兴 3 2020 2 7 课程概况 课程总学时 44 理论36 实验8学时 学分 2 5课程性质 专业基础必修课考核方法及成绩评定考核类别 考试考核形式 闭卷成绩评定 百分制 平时成绩占20 实验成绩占20 期末考试占60 平时成绩 共20分 缺勤一次扣2分 三次以上缺勤者不准参加期末考试 作业少交一次扣2分 实验成绩 共20分 实验分实验表现分及实验报告成绩 实验缺席一次和一次以上实验的 期末考试成绩 以卷面为准 4 2020 2 7 课程参考资料 5 2020 2 7 第一章几何光学的基本原理 6 2020 2 7 基本要求理解并掌握几何光学的基本定律理解完善成像条件的概念和相关表述 第一节几何光学的基本的定律1 1基本概念 1 2基本规律第二节成像的基本概念与完善成像条件2 1基本概念 2 2完善成像条件 2020 2 7 7 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 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 8 2020 2 7 1 1基本概念 真空光速值 也就是电磁波传播速度 C0 299792458m s 一个不受精度限制 误差为0 永远再也不是可以测量的基本物理常数 1983年的国际计量大会 光 可见光 是一种电磁波 在介质中 光的传播速度小于C0 且是波长的函数 9 2020 2 7 从本质上讲 光是电磁波 它是按照波动理论进行传播 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 10 2020 2 7 按照近代物理学的观点 光具有波粒二象性 那么如果只考虑光的粒子性 把光源发出的光抽象成一条条光线 然后按此来研究光学系统成像 问题变得简单而且实用 11 2020 2 7 几何光学 以光线为基础 用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性 点 光源 焦点 物点 像点线 光线 法线 光轴面 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 12 2020 2 7 一 发光点几何上的点是既无大小 又无体积的抽象概念 当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时 也可认为是一个点 天体 遥远的距离 观察者 13 2020 2 7 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 14 2020 2 7 二 光线 发光点向四周辐射光能量 在几何光学中将发光点发出的光抽象为带有能量的线 它代表光的传播方向 光束 发光点发出的所有光线的集合体 15 2020 2 7 三 波面 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 某一时刻相位相同的点构成的面称为波面 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 16 2020 2 7 同心光束 发自一点或会聚于一点 为球面波 平行光束 光线彼此平行 是平面波 17 2020 2 7 像散光束 光线既不平行 又不相交 波面为曲面 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 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 18 2020 2 7 几何光学基本定律 一 光的直线传播定律在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 各个光束按原方向传播 19 2020 2 7 三 折射和反射定律 光的折射和反射定律研究光传播到两种均匀介质的分界面时的定律 一 折射定律 I 入射角 I 折射角 20 2020 2 7 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nb表示 21 2020 2 7 也可表述为 两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示 对上式变换 两种介质的相对折射率等于两介质的绝对折射率之比 C 在真空中光速 Vb 在介质b中光速 22 2020 2 7 将上式代入并设 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1 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 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 23 2020 2 7 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 符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧 24 2020 2 7 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 当光由光密介质射向光疏介质时 全反射 25 2020 2 7 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 26 2020 2 7 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 27 2020 2 7 28 2020 2 7 光导纤维号称现代信息系统的神经 由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包层组成 29 2020 2 7 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 30 2020 2 7 根据折射定律 又有 可以得到 由得 31 2020 2 7 定义为光纤的数值孔径 越大 可以进入光纤的光能就越多 也就是光纤能够传送的光能越多 这意味着光信号越容易耦合入光纤 32 2020 2 7 一 光程 光线在介质中传播的几何距离L与介质折射率的乘积 1 均匀介质中 s nL Lc v ct既 光在真空中相同时间内传播的距离 2 非均匀介质中 设 介质折射率是空间坐标的函数n n x y ds n x y dL 费马原理 最短光程原理 则 从A点到B点光线可能为任意曲线期方程 积分与路径有关 且光程是路径的函数 33 2020 2 7 二 费马原理1 原理 光线从一点传播到另一点 其光程为极值 极大 极小 常量 两点间光线的实际路径是其光程为平稳的路径 2 平稳 在某处平稳 指它的一阶微分dy 0 对路径的无穷小变化 其光程变化 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 34 2020 2 7 光的直线传播定律 独立传播定律 折射和反射定律 费马原理是几何光学的基本定律 是研究光线传播和成像问题的基础 从上述定律可以得到光线传播的一个重要原理 光路的可逆性原理 利用这一原理 可以由物求像 也可以由像求物 35 2020 2 7 四 光路的可逆性 A点发射的光线经O点反射向C 若在C点置一光线 光线亦可由C点出射经O点反射而射向A 即光线是可逆的 意义 研究物象关系时 可由物求像 亦可由像到物 36 2020 2 7 补充 马吕斯定律光线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 并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值 37 2020 2 7 1 2成像的基本概念与完善成像条件 光学系统的作用之一是对物体成像 因此必须搞清物像的基本概念和它们的关系 物体通过光学系统 光组 成像 光学系统 各种光学仪器 由一系列光学零件组成 光学系统一般是轴对称的 有一条公共轴线 称为光轴 这种系统被称为 共轴系统 38 2020 2 7 在光学仪器中最常用的光学零件是透镜 目前绝大多数是球面透镜 系统 由这些球面系统 透镜 组成的光学系统有对称轴 也称为共轴球面系统 39 2020 2 7 由两个球面构成的透镜中 通过两球面球心的直线为光轴 光轴 顶点 光轴与透镜面的交点称为 顶点 40 2020 2 7 若有一个面为平面 则光轴通过球面的球心与平面垂直 顶点 41 2020 2 7 透镜分两大类 1 正透镜 中心比边缘厚度大 起会聚作用 2 负透镜 中心比边缘厚度小 起发散作用 42 2020 2 7 物像的虚实 由实际光线成的像 称为实像 在凸透镜2f外放一个点燃的蜡烛 后面放一个纸屏 当纸屏放到某一位置时 会在屏上得到蜡烛清晰的像 如电影 幻灯机 照相机成像 43 2020 2 7 有的光学系统成的像 能被眼睛看到 却无法在屏上得到 这些像不是由实际光线相交得来 而是由实际光线的反向延长线相交得来 由反射或折射光线的反向延长线相交所得的像称为虚像 如照镜子 显微镜 望远镜等 44 2020 2 7 与像类似 物也分两种 实物 自己发光的物体 虚物 不是由实际光线而是由光线的延长线相交而成的物 虚物不能人为设定 它是前一系统所成的像被当前系统截取得到的 如灯泡 蜡烛等 也可以是被照明后发光的物体 如人物 景物等 45 2020 2 7 请判断物与像的虚实 a 实物成实像 b 实物成虚像 c 虚物成实像 对于第二个透镜 d 虚物成虚像 46 2020 2 7 判断虚实小窍门 实物 虚像对应发散的同心光束 虚物 实像对应汇聚的同心光束 实物 物的虚像 47 2020 2 7 注意 物 像的概念是相对于光组来说的 对于L1而言 A1B1是AB的像 对L2而言 A1B1是物 A B 是像 则A1B1称为中