应用光学第一章

1、applied optics1applied optics2研究光的意义佛光彩虹日晕自然界中的光学现象applied optics3光学的应用领域越来越广泛工业通信日用农业军事医学天文applied optics4通信日用农业军事医学天文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applied optics5通信日用工业军事医学天文光学的应用农业农业：收割、除草、叶面与果实的检测applied optics6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applied optics7通信日用工业农业医

2、学军事光学的应用天文天文：资源勘探、星际探索applied optics8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applied optics9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applied optics10通信工业农业医学天文光学的应用日用日用：扫描仪、光碟、照相机军事applied optics11光的本质光的本质的认知过程1666年年牛顿牛顿微粒说微粒说弹性粒子弹性粒子1678年年惠更斯惠更斯波动说波动说以太弹性波以太弹性波1801年年托马斯托马斯杨杨双缝实验双缝实验1873年年麦克斯韦麦克斯韦电磁场理论电磁场理论1905年年爱因斯坦

3、爱因斯坦光子假设光子假设现在现在波粒二象性波粒二象性applied optics12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物理光学波动性几何光学粒子性applied optics13光的研究二十世纪六十年代，激光问世。从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许许多多新兴的光学学科。薄膜光学全息光学傅立叶光学红外与微光技术集成光学纤维光学applied optics14几何光学的发展先秦时代墨经330-260bc欧几里德反射光学965-1038ad阿勒哈增 光学全书十七世纪开普勒、斯涅尔、笛卡儿、费马折射定律的确立，使几何光学理论得到很快的发展。applied

4、optics15v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。v“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applied optics16光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价光学系统中成像光束的选择光学系统中成像光束的选择平面镜棱镜系统平面镜棱镜系统眼睛和目视光学系统眼睛和目视光学系统共轴球面系统的物像关系共轴球面系统的物像关系 几何光学基本原理几何光学基本原理applied optics17applied optics18第一章 几何光学基本原理v光波和光线v几何光学基本定律v光路可逆和全反射v光学系统类别和成像的概念v理想像和理想光学系统ap

5、plied optics19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。applied optics20v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！applied optics21v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

6、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！applied optics22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。v点：光源、焦点、物点、像点v线：光线、法线、光轴v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。applied optics23一. 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applied optics24任何被成像的物

7、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。applied optics25二、光线v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。applied optics26三、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applied optics27v同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波v平行光束：光线彼此平行，是平面波applied

8、optics28v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applied optics29第一章 几何光学基本原理v光波和光线v几何光学基本定律v光路可逆和全反射v光学系统类别和成像的概念v理想像和理想光学系统applied optics301-2 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

9、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。applied optics31三、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na出射光线入射光线法线iionqnbi：入射角i：折射角applied optics32（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。absin ins

10、in i na出射光线入射光线法线iionqnbapplied optics33也可表述为：bbvcnc：在真空中光速，vb：在介质 b 中光速两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示baabvvn对上式变换 abbabaabnnncncvvn两种介质的相对折射率等于两介质的绝对折射率之比applied optics34将上式代入 并设nnb, nna有：nsinin sini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

11、真空折射率的不同。absininsiniapplied optics35（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ii （1）反射光线在由入射光线和法线所决定的平面内反射光线入射光线法线ini”o符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。applied optics36第一章 几何光学基本原理v光波和光线v几何光学基本定律v光路可逆和全反射v光学系统类别和成像的概念v理想像和理想光学系统applied optics371-3 光路可逆和全反射全反射现象一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发生反射和折射现象。n sin in sin i可知sin isin i即折射光

12、线较入射光线偏离法线由公式applied optics38 不可能大于1，此时入射光线将不能射入另一介质。sini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 i 被称为临界角1sini nnimsin记为,可知miapplied optics39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。applied optics40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applied optics41进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连续发生全

13、发射，直至另一端出射。0ian nn0 i02isba当02i大于临界角时，就发生全发射。applied optics42根据折射定律，又有：00an sininsini0ian nn0 i02isba可以得到：2201aiarcsin(nn )n0ii 当入射角时，可以全反射传送，当0ii 时，光线将会透过内壁进入包层applied optics43定义 为光纤的数值孔径0sininai0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！applied optics44v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

14、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。applied optics45第一章 几何光学基本原理v光波和光线v几何光学基本定律v光路可逆和全反射v光学系统类别和成像的概念v理想像和理想光学系统applied optics46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”光轴1-4 光学系统类别和成像的概念applied opti

15、cs47顶点顶点顶点顶点具有对称轴（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applied optics48v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applied optics49v若有一个面为平面，则光轴通过球面的球心与平面垂直。光轴顶点applied optics50常见光学零件1、反射镜applied optics51v（1）正透镜：中心比边缘厚度大，起会聚作用v（2）负透镜：中心比边缘厚度小，起发散作用正透镜（会聚透镜）2、透镜负透镜（发散透镜）applied optics52正透镜双凸正月牙平凸applied

16、 optics53平凹负月牙双凹负透镜applied optics543、棱镜直角棱镜屋脊棱镜4、平行平板applied optics55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。平面可以看作曲率半径无穷大的球面。applied optics56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applied optics57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

17、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。ffapplied optics58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。aaaapplied optics59请判断物与像的虚实aaaaaaaaa. 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applied optics60判断虚实小窍门： 实物，虚像对

18、应发散的同心光束。 虚物，实像对应汇聚的同心光束。照相机实物物的虚像照相机的实物applied optics61注意：物、像的概念是相对于光组来说的b1l1l2abba1a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applied optics62 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（-,+）实物空间虚物空间物空间像空间虚像空间实像空间applied optics63 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。aaapplied optics64第一章 几何光学基本原理v光波和光线v几何光学基本定律v光路可逆和全反射v光学系统类别和成像的概念v理想像和理想光学系统applied optics65v什么是理想光学系统？v研究理想光学系统有什么实际意义？v理想光学系统有什么特点？1-5 理想像和理想光学系统applied optics66v什么是理想光学系统？物、像可能关键符合“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！applied opt