光学基础知识ppt课件

1、光的传播光的传播光的传播 光线光线光线 光源：任何发光的物体，如太阳，日光灯；光源：任何发光的物体，如太阳，日光灯； 或者被照明而漫反射光的物体。或者被照明而漫反射光的物体。点光源：可以看成几何光学上的点，只占有空间点光源：可以看成几何光学上的点，只占有空间 位置而无体积和线度。位置而无体积和线度。光线：表示光能量传播方向的几何线。光线：表示光能量传播方向的几何线。几何光学特点几何光学特点 研讨对象的几何线度远大于照射光波的波长研讨对象的几何线度远大于照射光波的波长几何光学实验定律几何光学实验定律 1 光线只在密度均匀媒质(每一点的折射率都为常数)中沿直线、独立传播。云隙光几何光学实验定律几何

2、光学实验定律 2 光的反射定律 反射光线与入射光线均位于入射面内； 反射光线与入射光线分别在法线两侧； 反射角 等于入射角几何光学实验定律几何光学实验定律 镜面反射Specular Reflection漫反射Diffuse Reflection几何光学实验定律几何光学实验定律 相控雷达阵列 Phased-array radar 几何光学实验定律几何光学实验定律 3 折射定律2211sinsinnnSnell定律 折射线在入射面内，并和入射线分别在法线两侧； 对于单色光，入射角与折射角的正弦之比是常数；介质折射率介质折射率 n 光经过介质时在该介质光经过介质时在该介质中速度减小程度的量度中速度减

3、小程度的量度几何光学实验定律几何光学实验定律 折射率折射率21212112sinsin nnn相对折射率相对折射率绝对折射率绝对折射率 介质相对于真空的折射率介质相对于真空的折射率光密介质光密介质 折射率较大的介质，光波在此介质折射率较大的介质，光波在此介质 中传播速度较慢中传播速度较慢光疏介质光疏介质 折射率较小的介质，光波在此介质折射率较小的介质，光波在此介质 中传播速度较快中传播速度较快介质折射率和入射光的波长有亲密关系色散几何光学实验定律几何光学实验定律 介质分界面处的光束折射The bending of rays at an interface光的可逆光的可逆光的可逆性当光线沿着和原

4、来相反的方向传播时，其途径不变费马原理费马原理 光程光程光线从m层不同折射率的介质组成的叠层中传播 miiimmsvsvst111miiisnct11光程光程(Optical Path (Optical Path Length)Length)miiisnOPL1费马原理费马原理 光程光程ctdssnOPLps)(假设介质的折射率 n 延续变化光程的了解光程的了解 表示为光在介质中经过真实路程表示为光在介质中经过真实路程SiSi 所需求总时间所需求总时间t t内，在真空中所能内，在真空中所能 传播的路程传播的路程OPLOPL的长短的长短miiistcOPL1费马原理费马原理 0dssnOPLps

5、 01dssnctps费马原理费马原理 在两点之间光线传播的实践途径与在两点之间光线传播的实践途径与任何其他能够途径相比，其光程为极值。任何其他能够途径相比，其光程为极值。在两点之间光沿着所需时间为极值的途径传播。费马原理费马原理光程极小值 反射定律PMMMn1i1i1Qn2界面界面P费马原理费马原理光程恒定值 椭球内反射面光程最大值 凹球面光程最小值 凸球面F1F2费马原理费马原理 运用运用水介质费马原理费马原理 运用运用费马原理费马原理 运用运用几何光学成像几何光学成像 理想点光源理想点光源 发光点发光点理想的点光源，实践光源的一种笼统表理想的点光源，实践光源的一种笼统表示。示。 特点：只

6、需几何位置，没有大小和外形。特点：只需几何位置，没有大小和外形。 Q实发光点实发光点Q虚发光点虚发光点几何光学成像几何光学成像 光束光束 光束光束 空间中具有一定关系的光线的集合空间中具有一定关系的光线的集合同心光束：一光束中各光线或其延伸线相交于一点同心光束：一光束中各光线或其延伸线相交于一点会聚光束发散光束平行光束：平行光束： 发光点在无限远处发光点在无限远处 几何光学成像几何光学成像 光具光具组组 光具组：假设干个反射面或折射面组成的光学系光具组：假设干个反射面或折射面组成的光学系统统平面反射镜 球面反射镜双面凹透镜透镜组合几何光学成像几何光学成像 物和物和像像 假设一个以Q点为中心的同

7、心光束经光具组的反射或者折射后转化为另一个以Q点位中心的同心光束，那么可以说成光具组使Q成像于Q。Q：物点 ； Q：像点实像实像 出射的同心光束是会聚的像出射的同心光束是会聚的像. .虚像虚像 出射的同心光束是发散的像出射的同心光束是发散的像. .实物实物 入射的是发散的同心光束，那么发散中心称为实入射的是发散的同心光束，那么发散中心称为实物物. .虚物虚物 入射的是会聚的同心光束，那么会聚中心称为虚入射的是会聚的同心光束，那么会聚中心称为虚物物. .物空间物空间 入射的同心光束传播的空间入射的同心光束传播的空间像空间像空间 出射的同心光束传播的空间出射的同心光束传播的空间几何光学成像几何光学

8、成像 物和物和像像 QQ光光具具组组实物成实像实物成实像实物成虚像实物成虚像QQ光光具具组组虚物成实像虚物成实像QQ光光具具组组虚物成虚像虚物成虚像QQ光光具具组组几何光学成像几何光学成像 物和物和像像L1L2L3S2S1S3SS1是透镜是透镜L1的实像，是透镜的实像，是透镜L2的虚物；的虚物；S2是透镜是透镜L2的虚像，是凹面镜的虚像，是凹面镜L3的实物的实物;S3是最后实像点是最后实像点.几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统理想光学系统理想光学系统( (理想光具组理想光具组) ) 坚持同心性：一个能使任何同心光束坚持同心性坚持同心性：一个能使任何同心光束坚持同心性 的光具组。

9、的光具组。共轭性：物空间和像空间的这种点点、线线、共轭性：物空间和像空间的这种点点、线线、 面面的一一对应的关系。面面的一一对应的关系。 物空间每个点对应像空间一个点物空间每个点对应像空间一个点 物空间每条直线对应像空间一条直线物空间每条直线对应像空间一条直线 物空间每个平面对应像空间一个平面物空间每个平面对应像空间一个平面等光程性：物点到像点的各光线的光程都相等。等光程性：物点到像点的各光线的光程都相等。几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统光束的同心性的破坏P (x,y)点为P(x,y)点的一个像点231223/22112121221 tan11 tanPnxynniinyyn

10、n 点的坐标几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统光束的同心性的破坏光线PAP的光程PAPnlnlA点在镜面上挪动， 半径 r 是常量， 角度 是位置的变量。1110PAPdssdlrlll 几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统光束的同心性的破坏由正弦定理，对图中三角形由正弦定理，对图中三角形DQMCDQMC和和DQMCDQMC： 代入折射定律代入折射定律nsin i=nsin i，得像距，得像距s的普通计算公式：的普通计算公式： sin sin1sin sin ununrununssMQssrOCnnuuhQiHi ,sin sinsin sin rsrsrriui

11、usinsin 1 sin sin nunussrnunu几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统理想光学系统理想光学系统( (理想光具组理想光具组) ) 坚持同心性：一个能使任何同心光束坚持同心性坚持同心性：一个能使任何同心光束坚持同心性 的光具组。的光具组。共轭性：物空间和像空间的这种点点、线线、共轭性：物空间和像空间的这种点点、线线、 面面的一一对应的关系。面面的一一对应的关系。 物空间每个点对应像空间一个点物空间每个点对应像空间一个点 物空间每条直线对应像空间一条直线物空间每条直线对应像空间一条直线 物空间每个平面对应像空间一个平面物空间每个平面对应像空间一个平面等光程性：物

12、点到像点的各光线的光程都相等。等光程性：物点到像点的各光线的光程都相等。几何光学成像几何光学成像 平面镜 光导纤维 棱镜 球面折射 球面反射镜 薄透镜几何光学成像几何光学成像 平面反射成像平面反射成像 平面反射镜：在平基片上镀一层金属如银、铝、平面反射镜：在平基片上镀一层金属如银、铝、 铬等作为反光物质作为平面反射镜铬等作为反光物质作为平面反射镜SSABSS实物S 虚像S虚物S 实像S几何光学成像几何光学成像 平面反射成像平面反射成像 镜像反演XYZxyz物体:左手坐标系XYZ像：右手坐标系xyz几何光学成像几何光学成像 平面折射成像平面折射成像)(coscos211212nniinnASSA

13、像散光束，不能成像平面折射近似成像 12nnASSA几何光学成像几何光学成像 全反射全反射 a1a2c1b2a1b1c1n1n2n1i1icb1全反射全反射( (全内反射全内反射) )条件：光线从光密介条件：光线从光密介质进入光疏介质质进入光疏介质全反射的临界角全反射的临界角 ，此时折射角为此时折射角为9090ci2112sinnnnnic临界角是产生全反射景象的最小入射角。几何光学成像几何光学成像 全反全反射射 几何光学成像几何光学成像 全反全反射射 (全全)外反射外反射NASA的卡西尼号探测器初次捕捉到土星最大卫星泰坦星上的一个液态甲烷湖反射阳光的图像 。拍摄间隔为泰坦星20万公里处。几何

14、光学成像几何光学成像 光导纤光导纤维维几何光学成像几何光学成像 光导纤光导纤维维maxsin,sinsin,2fcciftctnn nn 光纤数值孔径N.A.(NumericalAperture)=maxsinin22maxsincfinnnCoreCladding几何光学成像几何光学成像 棱镜棱镜 回反棱镜回反棱镜五脊棱镜五脊棱镜直角棱镜直角棱镜色散棱镜色散棱镜几何光学成像几何光学成像 色散色散( (折射折射) )棱镜棱镜C 三棱镜 (Dispersing Psism) 任务面 底面 折射棱 棱镜顶角-两任务面间夹角 主截面-垂直于折射棱平面AA BB C 几何光学成像几何光学成像 色散色散

15、( (折射折射) )棱镜棱镜 2211iiii偏向角cossinsinsinsin12112211iini /eg304050602040608037.248.3mii1(Deg)n=1.5a=60omi色散棱镜的偏向角色散棱镜的偏向角随入射角的变化随入射角的变化A2i1i2i1i1M2MBCn几何光学成像几何光学成像 色散色散( (折射折射) )棱镜棱镜min对于给定资料和顶角的三棱镜，存在最小偏向角满足的条件： 时，棱镜内折射光线 平行于底面经过，偏向角最小2211,iiii2sin2sinminn重要运用：丈量棱镜的折射率几何光学成像几何光学成像 色散色散( (折射折射) )棱镜棱镜Ab

16、be Prism 阿贝棱镜PellinBroca Prism 貝林-布洛卡稜鏡几何光学成像几何光学成像 反射反射( (转向转向) )棱镜棱镜全内反射原理改动光束方向几何光学成像几何光学成像 反射反射( (转向转向) )棱镜棱镜Right-angle Prism直角全反射棱镜几何光学成像几何光学成像 反射反射( (转向转向) )棱镜棱镜Porro Prism普罗棱镜几何光学成像几何光学成像 反射反射( (转向转向) )棱镜棱镜Penta Prism五棱镜rhrh几何光学成像几何光学成像 反射反射( (转向转向) )棱镜棱镜Dove Prism达夫棱镜几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面

17、折射成像 球面曲率中心C球面顶点O或者V主光轴SOCO几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像 球面折射及薄透镜的符号规那么 +物位于顶点O的左边 +物方焦距 的左边 +像位于顶点O的右边 +像方焦距 的右边 R +如果曲率中心C顶点O的右边 +光轴的上方 角度 + 以光轴或球面法线为基准，考察光线或线段与基准线构成的锐角。若锐角由光线或线段相对基准线逆时针偏转形成 00,SSff 0 xx 0FF,iiSSffixxiF F 0,iyyyyO-Object，物。 i-Image, 像。几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像 1 02:iOPLnln l费马原理2

18、2000222cos;2cos;iiiSAClRsRRSRAC PlRsRRSR中 ，中 ，21 0120010iiin sn snnd OPLdllRll由入射折射光线与主光轴夹角的小角度 近似 ，保证了同心性。即傍轴近似 条件下得出单球面折射成像公式：cos100,iilsls12210innnnssR球面系统光焦度球面系统光焦度21nnR 几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像球面系统光焦度 单位：屈光度 D (diopter)21nnR 表示球面使入射光束会聚 表示球面使入射光束发散00表征球面曲折光线的身手几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像 FOn

19、2n1 像方焦点像方焦点FFOn2n1物方焦点物方焦点F F物方焦距:像点在无穷远时的物距1121snnfsRnn 像方焦距： 实物点在无穷远处的特殊像距2221snnfsRnn 210nffn折射球面内外的两个焦距是不相等的； 两个焦点总是位于折射面的两侧。几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像高斯公式1ffss高斯物象公式是光学系统傍轴成像的普遍公式QfQf ROMCnnFFxx牛顿公式xxff焦物距 焦像距xsf xsf 几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像傍轴小平面物体的傍轴光线成像只需当物体处在傍轴区并用细光束傍轴光线成像时，才干获得点成点像，直线成

20、直线像，平面成平面像。几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像横向放大率(垂轴放大率)： 像高与物高的比值ynsyn s 横向放大 像正立物像一实一虚横向缩小 像倒立 物像虚实相同1100几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像 角放大率 ta nta nuug在傍轴近似的条件下， 表示折射球面改动同心光束张角大小才干uug1nng横向放大率与角放大率关系nyun y u 拉格朗日-亥姆霍兹恒等式 傍轴区域成像的物空间、像空间各共轭量之间关系几何光学成像几何光学成像 单球面反射成像单球面反射成像ii反射定律：傍轴区域内折射定律 n in i nn 反射-从折射率n的

21、介质到折射率为-n的介质的特殊折射傍轴区域球面反射的成像公式112ssR 2,2RsffRs 光焦度焦距横向放大率iiRCO 物方焦点与像方焦点重合，焦距等于球面曲率半径的一半，焦点位于球心与球面顶点连线的中点。 反射成像公式不涉及介质折射率，是理想的无色差成像 系统。几何光学成像几何光学成像 单球面反射成像单球面反射成像 球面反射符号规那么 +物位于顶点O的左边 +物方焦距 的左边 +像位于顶点O的左边左边 +像方焦距 的左边左边 R +如果曲率中心C顶点O的右边 +光轴的上方 角度 + 以光轴或球面法线为基准，考察光线或线段与基准线构成的锐角。若锐角由光线或线段相对基准线逆时针偏转形成 0

22、0,SSff 0 xx 0FF,iiSSffixxiF F 0,iyyyyO-Object，物。 i-Image, 像。几何光学成像几何光学成像 共轴球面组傍轴成像共轴球面组傍轴成像 d23PQynO1S1S1s1nnnPPPO2O3S2S2S S3 3QQQy-y-ys3s2s1s2s3d12共轴球面系统一切球面的中心都在一条直线上(主光轴)共轴球面组物像关系 1,11,ii iiiisdsyy 像的横向放大率12111231121NNNNNNNNNNyyyyyyyyyy共轴球面组成像的横向放大率等于 各个球面逐次成像的横向放大率之乘积几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像非球面透镜

23、 菲涅尔透镜，自聚焦透镜，傅里叶透镜等球面透镜 两个折射面均为球面几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像1200RR120RR 1200RR1200RR120RR 1200RRBio- convexPlanar-convexMeniscus convexBi-concavePlanar-concaveMeniscus concave球面薄透镜 Spherical thin lenses几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像r1QQ(Q2)Q1(Q2)C1C2O1O2nLnnds2-r2s1s1- -s2s2LLLL111122,nnnnnnnnssrdssr121211ssnnsds几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像0d 两个球面的顶点趋于重合QQ1C1C2OnLnnssr1-r2LL12nnnnnnssrrnsns 薄透镜物像关系横向放大率薄透镜的光焦度LL12nnnnrr 几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像LFnnFLnnLL12nnnnnfnrr物方焦点与无限远处轴上像点