工程光学1课件

第一章几何光学基本原理,1.1概述,1.3物象概念和完善成像条件,1.2几何光学的基本定律,从本质上讲，光是电磁波，它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时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！,光波和光线,1.1概述,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射线，然后来研究光学系统成像。,问题变得简单而且实用！,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。,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,一.发光点,任何被成像的物体，也是由无数个发光点组成。,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。,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射线，它代表光的传播方向。,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。,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,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,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。,一个光源发出的光线有无数条，不可能求出每一条光线的光路。,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。,二.光的独立传播定律：,一.光的直线传播定律：,在各向同性均匀介质中，光是沿直线传播的。,从不同光源发出的光线，以不同的方向经过某点时，各光线独立传播着，彼此互不影响。,1.2几何光学的基本定律,若1=2、相位差不随时间变化,且振动方向不垂直，此区内的光强分布将呈现为相干分布。,三、反射定律和折射定律,I,n,n,光线,法线,角度的符号规定：,顺时针角度为正；,逆时针角度为负。,（1）入射光线、反射光线、法线共面，反射光线和入射光线分居法线两侧。,（2）I=-I”,折射定律,（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。,I,n,n,折射率：n=c/v,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：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。,，取n=-n。折射定律推出反射定律,由,海市蜃楼美景：2008.8.12上午9时30分，连云港海域雨过天晴，连岛偏北海面呈现幢幢楼房。,四、光路的可逆性,五、全反射及其应用,若，则为光密介质，为光疏介质。,1、光密介质与光疏介质：,2、全反射,3、应用：,临界角Im：,光线从光密介质进入光疏介质；,入射角大于临界角。,发生全反射的条件,全反射棱镜代替平面镜转折光路，可减少能量损失,数值孔径(NA),光纤,说明光纤接收光线能力的强弱,光纤参数,阶跃型光纤与梯度型光纤,光能透射比,入射光能，出射光能，,称/=为光能透射比。,六、费马原理,光程,光线路径的几何长度与所经过的介质折射率的乘积。,（QP)光程的表达式：,光程的概念对几何光学的重要意义体现在费马原理中。几何光学的基础是前面所提到三个实验定律，费马却用光程的概念高度概括地把它们归结成一个统一的原理。,*光程与时差,QP的传播时间：,介质中光速用真空光速和折射率代替：,光程的另一角度认识光经历Q和P两点的光程等于传播时间乘以真空光速。,*表述：,费马原理：光线沿光程为平稳值的路径而传播。,平稳值的三种基本的含义：,极小值直线传播，常数成像系统的物像关系极大值个别现象,*费马原理的数学表达式,几何光学的基础是前面所提到三个实验定律，费马却用光程的概念高度概括地把它们归结成一个统一的原理。,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、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。,1.3物象概念和完善成像条件,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,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,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,2、完善像点：,若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍为同心光束，该光束的中心即为该物点的完善像点。,3、完善像：完善像点的集合。,4、物空间、像空间：,物所在的空间为物空间，像所在的空间为像空间。,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。,两者的范围都是（-,+）,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,5、物、像的虚实,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，生物显微镜等。,与像类似，物也分两种,实物：自己发光或反射光的物体。,虚物：不是由实