第一章：应用光学——几何光学基本原理

AppliedOptics,1,应用光学,AppliedOptics,2,光学的应用领域越来越广泛,AppliedOptics,3,光学的应用,工业,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,AppliedOptics,4,通信,日用,工业,军事,医学,天文,光学的应用,农业,农业：叶面与果实的检测,AppliedOptics,5,通信,日用,工业,农业,医学,天文,光学的应用,军事,军事：望远镜、夜视仪、导弹制导、激光测距、无人驾驶侦探机、平视显示器等等,AppliedOptics,6,通信,日用,工业,农业,医学,军事,光学的应用,天文,天文：资源勘探、星际探索,AppliedOptics,7,通信,日用,工业,农业,军事,天文,光学的应用,医学,医学：CT、胃镜、虹膜检测、生物检测,AppliedOptics,8,日用,工业,农业,医学,天文,光学的应用,通信,通信：光缆通讯,军事,AppliedOptics,9,通信,工业,农业,医学,天文,光学的应用,日用,日用：扫描仪、照相机,军事,AppliedOptics,10,光的本质,光的本质的认知过程,1666年牛顿微粒说弹性粒子,1678年惠更斯波动说以太弹性波,1801年托马斯杨双缝实验,1873年麦克斯韦电磁场理论,1905年爱因斯坦光子假设,现在波粒二象性,AppliedOptics,11,光的本质,光具有波粒二象性。一般看作电磁波,可见光波长：400760nm,AppliedOptics,12,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。“应用”包含两层意思：1、作为粒子看待2、涉及具体的光学系统,应用光学研究内容,AppliedOptics,13,课程内容,AppliedOptics,14,参考书目,1、安连生，应用光学，北京理工大学出版社2、郁道银，工程光学，机械工业出版社3、胡玉禧，应用光学，中国科技大学出版社,AppliedOptics,15,第一章几何光学基本原理,AppliedOptics,16,第一章几何光学基本原理,光波和光线几何光学基本定律光路可逆和全反射光学系统类别和成像的概念理想像和理想光学系统,AppliedOptics,17,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,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。,AppliedOptics,18,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。,太不方便了！,AppliedOptics,19,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！,AppliedOptics,20,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。,AppliedOptics,21,一.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,AppliedOptics,22,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。,AppliedOptics,23,二、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。,AppliedOptics,24,三、波面和光束（无线多条光线的集合）,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，或某一时刻光波所到达的位置称为波面,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,AppliedOptics,25,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,AppliedOptics,26,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,AppliedOptics,27,第一章几何光学基本原理,光波和光线几何光学基本定律光路可逆和全反射光学系统类别和成像的概念理想像和理想光学系统,AppliedOptics,28,1-2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。光的独立传播定律意义：考虑某一光线的传播时，可不考虑其他光线的影响。,AppliedOptics,29,1-2几何光学基本定律,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。光的独立传播定律意义：考虑某一光线的传播时，可不考虑其他光线的影响。条件：两束光为非相干光两束满足相干条件的光称为相干光，这两束光在相遇区域：振动方向相同；振动频率相同；相位相同或相位差保持恒定,AppliedOptics,30,三、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,AppliedOptics,31,（1）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面(入射面）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,即,或,AppliedOptics,32,c：在真空中光速，v：在介质中光速,n,n:介质对真空的折射率,也称绝对折射率，指在真空中光速与介质中光速之比:,AppliedOptics,33,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。,AppliedOptics,34,（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。,AppliedOptics,35,第一章几何光学基本原理,光波和光线几何光学基本定律光路可逆和全反射光学系统类别和成像的概念理想像和理想光学系统,AppliedOptics,36,1-3光路可逆和全反射,一、全反射,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。假设,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,AppliedOptics,37,当入射角增大到I0时，折射角,这时，折射光线掠过两介质分界面，强度趋于0,当入射角时，折射光线不再存在，入射光线全部反射，这种现象称为全反射。,AppliedOptics,38,当光线由折射率为n的介质射向空气时，则有,对应于的入射角I被称为临界角,AppliedOptics,39,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。,AppliedOptics,40,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,AppliedOptics,41,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。,AppliedOptics,42,根据折射定律，又有：,可以得到：,AppliedOptics,43,定义为光纤的数值孔径,i0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！,AppliedOptics,44,二、光路可逆一条光线沿着一定的路线，从A点传播到B点，如果在B点，按照与B点处出射光线相反的方向投射一条光线，则此光线必沿同一条路线通过A点，这种现象称为光路可逆。无论通过何种介质，经过多少次反射和折射，光路可逆现象始终存在。利用这一原理，可以由物求像，也可以由像求物。,AppliedOptics,45,1-4马吕斯定律和费马原理,一、马吕斯定律光程：几何路程与介质折射率的乘积只要光线的传播时间相同，它们的光程就相同。马吕斯定律：与某一曲面垂直的一束光线，经过任意次折射、反射后，必定与另一曲面垂直，而且位在这两个曲面之间的所有光线的光程相等地。,AppliedOptics,46,二、费马原理实际光线沿着光程为极值（极小、极大、常量）的路线传播，,AppliedOptics,47,光的直线传播定律、独立传播定律、折射和反射定律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。几何光学的基本定律、马吕斯定律和费马原理，都能够说明光线传播的基本规律，都可以作为几何光学的基础，只要知道三者中任意一个，即可导出其余两个。,AppliedOptics,48,第一章几何光学基本原理,光波和光线几何光学基本定律光路可逆和全反射光学系统类别和成像的概念理想像和理想光学系统,AppliedOptics,49,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”,1-4光学系统类别和成像的概念,AppliedOptics,50,具有对称轴（光轴）的系统成为共轴光学系统。没有对称轴的系统称为非共轴光学系统。,光轴与透镜面的交点称为：顶点,AppliedOptics,51,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,AppliedOptics,52,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,AppliedOptics,53,常见光学零件,1、反射镜,AppliedOptics,54,（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,2、透镜,AppliedOptics,55,正透镜,AppliedOptics,56,负透镜,AppliedOptics,57,3、棱镜,直角棱镜,屋脊棱镜,AppliedOptics,58,在光学仪器中最常用的光学零件是透镜。球面透镜（系统）：由球面透镜和球面反射镜组成的系统。,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。,平面可以看作曲率半径无穷大的球面。,AppliedOptics,59,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,AppliedOptics,60,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。,由实际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。,AppliedOptics,61,与像类似，物也分两种,实物：由实际光线形成的物。,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。,物和像是相对的，前面光学系统所成的像，即为后一光学系统的物,AppliedOptics,62,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,AppliedOptics,63,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，AB是像，则A1B1称为中间像,AppliedOptics,64,物所在的空间为物空间，像所在的空间为像空间，两者的范围都是（-,+）,AppliedOptics,65,通常对于某一光学系统来说，某一位置上的物会在一个相应的位置成一个清晰的像，物与像是一一对应的，这种关系称为物与像的共轭。,物点A和像点A之间沿光轴的距离AA称共轭距,AppliedOptics,66,第一章几何光学基本原理,光波和光线几何光学基本定律光路可逆和全反射光学系统类别和成像的概念理想像和理想光学系统,AppliedOptics,67,什么是理想光学系统？研究理想光学系统有什么实际意义？理想光学系统有什么特点？,1-5理想像和理想光学系统,AppliedOptics,68,什么是理想光学系统？物、像空间符合“点对应点，直线对应直线，平面对应平面”关系的像成为“理想像”。成像满足“点对应点，直线对应直线，平面对应平面”的光学系统成为“理想光学系统”。实际使用的光学系统除平面镜以外都不是理想光学系统，即不能成理想像！,AppliedOptic