北京理工大学应用光学课件(大全)-李林

第一章几何光学的基本原理，对成像的要求，本章需要解决的问题：图像和图像的概念，光是如何进行的？ -光的传播规律，什么是光？ -光的本质问题，第一节光波和光线，研究光的含义：90%的信息来自视觉，光波是视觉载体，光是什么？ 弹性粒子-弹性波-电磁波-波粒二象性，1666年：牛顿是粒子说，弹性粒子，1678年：惠更斯是波动说，在以太网中传播的弹性波，1873年：麦克斯韦是电磁波说，电磁波，1905年：爱因斯坦是光子假说，20世纪：光是波粒二象性，第一节的光波和光线， 一般可以把光波看作电磁波，波长：， 光的本质是电磁波光的传播实际上是波动的传播，物理光学：研究光的本性，从而研究各种光学现象，几何光学：研究光的传播规律和传播现象， 可见光：波长在400-760nm范围的红外波段：波长比可见光长的紫外波段：波长比可见光短的可见光： 400-760nm单色光：同一波长的多色光：不同波长的光波混合而成，频率与光速、波长的关系在透明介质中波长与光速同时变化，频率不变， 几何光学的研究对象和光线的概念，研究对象不考虑光的性质而研究光的传播规律和传播现象，不考虑光的性质，将光视为光线、光线的概念，具有能传递能量的几何线方向、光线的概念缺陷，2 .大多数光学仪器都是用光线的概念设计的， 光线概念的意义：1.在光线概念中，大多数光学现象：影子、日食、月食、光线是能传递能量的几何线，有方向，光波的传播问题成为几何学问题，因此称为几何光学，在几何光学不能解释干涉、衍射等光学现象的情况下还采用了物理光学原理，可以说明光线与波前的关系， 波阵面：由波动到达某一瞬间的各点构成的面，a、t时刻、tt时刻、光线是波阵面的法线波阵面为所有光线的垂直曲面，同心光线：从一点出来或与一点相交的光线所对应的波阵面为球面，像散光束：严格地不与一点相交，波阵面为非球面，平行光束，波阵面为平面，另一方面，光的传播现象的分类， 二节几何光线的基本规律、灯泡、空气、玻璃、光的传播可分为一、光在同一介质中的传播2 .光在两个介质的界面传播。 二、几何光学基本定律，1、光线在同一均匀透明介质中的情况：直线传播，成分均匀，透光，2、光线在两种均匀介质的界面传播的情况：反射定律，折射定律， AO:入射光线OB:反射光线OC:折射光线NN:通过投影点的界面法线I 13360入射光线与界面法线的角度入射角R1:的反射光线与界面法线的角度、反射角I 23360的折射光线与界面法线的角度、折射角、入射面：由入射光线与法线构成的平面，反射法则：反射光线在入射面内折射定律：折射光线在入射面内的入射角正弦与折射角正弦之比是两种固定介质与入射角无关的常数。 Sini1Sini2n 1，2被称为第二种介质相对于第一种介质折射率，222000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 Sini1Sini 2，n1，2，第二种介质相对于第一种介质的折射率等于第一种介质中的光速与第二种介质中的光速之比。，=，折射率的物理意义，折射率与光速的关系，2，相对折射率与绝对折射率，1，相对折射率：某介质相对于其他介质的折射率，2，绝对折射率，介质相对于真空或空气的折射率，3，相对折射率与绝对折射率的关系，相对折射率：12，n 1，2， 第二种介质的绝对折射率：c_1、n1、 因此，n1、2、=、n2n1、三、以绝对折射率表示的折射规律、SinI1SinI2、=n1、2、n1、2=、n2n1、SinI1SinI2、n2n1、=、n1SinI1=n2SinI2、教室练习：光线如何折射水n=1.33，I1，玻璃n=1.5，空气n=1，空气n小，玻璃n大，第四节光路可逆和全反射，一、光路可逆，a，b 直线传播：a，b，反射： I1=R1R1=I1，折射： n1sinI1=n2sinI2=n1sini1，i1，R1，a，b，i2，c，3，应用，光路可逆：在焦点光学设计中，包括目镜和微物镜在内的二、全反射，1，现象，水，空气，a，和，O1，O2，O3，O4，I0，2， 不发生全反射条件： n1n2从光密介质进入光疏介质，充分条件： I1I0入射角大于全反射角，1870年，英国科学家丁达尔全反射实验表明，光从玻璃朝向与空气接触的表面时，玻璃的折射率不同，对应临界角不同的3，全反射的应用， 使用棱镜代替反射镜：减少光能损失，测量，折射率，测量对象是，nB低，nA高，I0，暗，明亮， 关于第六节中的光学系统类型和成像概念，各种光学设备显微镜：通过观察细物体望远镜：来观察远距离物体的不同光学组件的反射镜、透镜和棱镜，并且以光学系统：以一定方式组合各种光学组件以满足一定要求。 不同光学系统分类介质的界面形状类别：球面系统：系统中的光学部件全部由球面构成非球面系统：系统中包含非球面共轴球面系统：系统光学部件由球面构成，具有对称轴今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统、对称轴的有无类别：共轴系统：系统具有对称轴， 光轴非共轴：没有对称轴，二、成像的基本概念1、透镜类型、正透镜：凸透镜，中心厚、边缘薄、聚光的聚光透镜。 出射光线相对于入射光线在光轴方向上折射，负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光发散，也称为发散透镜。 出射光线相对于入射光线向远离光轴的方向折射，2、透镜作用-成像，a、a、a点称为物体a通过透镜的成像点。 把a称为物点，把a 称为实际光线的交点，把屏幕放在a 上就能看到屏幕上亮点的点称为实像点。 a和a 称为共轭点。 a和a是物体像关系，在几何光学中被称为“共轭”。 3、透镜的成像原理正透镜：正透镜的中心比边缘厚，光束的中心部分走得慢，边缘走得快。 与正透镜的情况相反，在形成、p、q、o、a、p、q、的情况下，负透镜：的负透镜的边缘厚于中心。因此，光束的中心部分走得快，边缘走得慢。，负名词概念像：出射光线交点实像点：出射光线的实际交点虚像点：出射光线的延长线的交点，物：入射光线的交点实像点：入射光线的延长线的交点， 像空间：有像的空间实像空间：系统最后一面以后的空间虚像空间：系统最后一面以前的空间整体像空间是包含实像和虚像空间的物体空间：物所在的空间实物空间：系统第一面以前的空间虚物空间：系统第一面以后的空间物体空间整体是实物和虚物空间卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡在OO中取a，OO可以看作是许多来自a点的光之一，a的唯一成像点是a，a是所有发射光的会聚点，而a当然是其中之一QQ。 a点由OO选择，即OO上的所有点都在QQ上成像，因此QQ是OO的像，当一个物点与唯一的像点对应时，平面在平面上成像，将点对应点、直线对应直线、平面对应平面的像称为理想像，将能够制作理想像的光学系统称为理想光学系统， 同轴理想光学系统的成像特性1 .轴上的点在轴上成像. a 1a. a 2， 2 .根据权利要求1所述的成像设备，其中，平面问题简化了与位于过光轴的一个横截面中的物点相对应的图像点在同一平面中、并且3 .根据权利要求1所述的成像设备，其中，平面问题简化了，系统由过光轴的一个横截面代表，并且同轴理想光学系统的成像特性是4 .如果物平面垂直于光轴，则图像平面也垂直于光轴。 5 .在物体平面与光轴垂直的情况下，图像与物体的比率完全相似，图像与物体的比率称为放大率，并且在物体平面上的任何部分成像时，以相同放大率执行成像。 放大率为常数，6 .对于共轭光学系统已知、(2)一对共轭面的位置和放大率以及轴上的两对共轭点的位置；然而，任何其他物点的图像已知有基点、基底面、(1)两对共轭面的位置和放大率、对共轭面的位置和放大率光路等于同一时间内光在真空中传播的几何路程。 两个波前之间的所有光路都是相等的。 理想成像条件：等光路物质点和像点之间所有光线的光路相等。 双曲面：到2个定点的距离之差一定的点的轨迹，是其2点为焦点的双曲面。 内焦点和外焦点满足等光路条件。 一个是现实，一个是虚，抛物面：直线与定点的距离相等的点的轨迹，以该点为焦点，以该直线为基准线的抛物面。 将焦点和无限远轴上的点对准等光路。 椭圆体面：两点距离之和一定的点的轨迹是以该点为焦点的椭圆。 对于两个焦点满足等光路条件。 等光路的反射面：二次曲面对于反射面，通常采用等光路的条件：等光路的折射面二次曲面，利用两镜系统的基本结构形式：常用两镜系统1，古典卡塞系统主镜为凹的抛物面，副镜为凸的双曲面，抛物面的焦点与双曲面的虚焦点一致，经过双曲面成为实际焦点卡塞格伦系统的长度短，主镜和副镜的像曲符号相反，有利于视野扩大。2、胶系主镜为凹的抛物面，副镜为凹的椭圆面，抛物面的焦点与椭圆面的一个焦点一致，通过椭圆面，成像为另一个实焦点。 3、R-C系统的主镜副镜均为双曲面。 4、马克斯托夫系统的主镜副镜均为椭圆面。 5、库尔特系主镜副镜为凹面。 6、同心系统7、非对焦系统、第二章共轴球面系统的物体像关系、本章内容：共轴球面系统要求像。 根据物体的位置和大小求出像的位置和大小，求出2-1同轴球面系统中的光路计算式，求出物体点的像，即求出全出射光线位置，交点为该物体点的像点。 因为所有球面的特性都相同，所以导出光线被一个球面折射时根据入射光线的位置计算出射光线的位置的公式，即被球面折射的光路计算公式。 所有的出射光线位置的求法相同，只要找到求出出射光线的方法就可以了。l，r，l，I，I，q是表示光线位置的坐标，根据入射光线与从光轴的焦点a到球面顶点的距离l入射光线与光轴所成的角u像侧，用l ，u表示，求出球面半径r折射率n，n入射光线坐标l，u法线与光轴所成的角，并求出折射光线已知的是将正弦定理应用于u，从而(2-1)根据折射率定理(1-5)根据入射角I确定折射角I(2-2)，将外角定理应用于APC和APC以确定折射光线的一个坐标u，并且将正弦定理(2-4)应用于APC l，u要求顺利。旋转式、计算第一面后，其折射光线为第二面的入射光线，2-2符号规则，在实际光学系统中光线和球面的位置可能不同。 为了将公式应用于各种情况，必须制定一系列符号规则。 符号规则直接影响式的形式，5，o，10，各参数的符号规则被规定为，1 .线段：从左到右为正，从下到上为正，反之为负。 定义计算直线的起点：从l、l-球面顶点到光线与光轴的交点r-球面顶点到球心d-前一顶点到下一顶点，从d-前一顶点到下一顶点。 2 .角度：始终以锐角测量，顺时针为正，逆时针为负。 角度也从开始轴：u、u-光轴向光轴的旋转必须规定的I、I-光线向法线从-光轴向法线旋转，在适用的情况下，首先决定参数的符号，代入式子进行计算。 计算的结果也要用数值的正负来决定光线的相对位置。 导出表达式时，也使用符号规则。 为了使所导出的表达式具有普遍性，在导出表达式时，请注意，每个几何量总是具有绝对值，并且常常在正反射或反射的情况下被视为折射特殊情况： n=-n反射被视为在n=-n的情况下的折射。 在仅描述折射公式的反射情况下，可以用-n代入n来推导出公式，而不是单独推导出公式。 研究、-L、r、l、I、I、q、2-3球面近轴范围内的成像特性和近轴光路计算公式，研究光线通过球面后的成像规则和特性找到理想的成像范围，首先通过一例同轴球面系统中的光路计算例子，计算通过一个透镜的三条光线的光路。 n1=1.0空气r1=10d1=5n1=n2=1.5163玻璃(K9)r2=-50n2=1.0空气，计算从a点到第1面顶点距离为100、从a点到光轴的角度分别为1、2、3度的光线： 计算来自轴上的物体点a的光线的结果，从在第1球面折射后的与光轴的交点到球面顶点的距离L1，随着U1 (绝对值)变大而逐渐变小：这表示来自同一物体点a的光线在球面折射后，不相交于一点。 球面成像是不理想的。 U1越小，L1的变化越慢