应用光学第一章

1、 典型光学系统典型光学系统光电子技术系周花 应用光学应用光学参考教材参考教材 1、工程光学李湘宁 主编 科学出版社 2、计量光学许世文 主编 哈尔滨工业大学出版社 3 、应用光学张以谟 主编 电子工业出版社 4 、工程光学基础徐家骅 主编 机械工业出版社 5 、应用光学概念题解与自测李林 黄一帆 编著 北京理工大学出版社使用教材使用教材应用光学安连生 编著 北京理工大学出版社应用光学的研究任务 应用光学又称几何光学，是光学学科中以光线为基础，研究光的传播规律和成像规律的一个重要的实用性学科分支。注意注意：实际上光线的概念与光的波动性相违背，因为无论从能量的观点，还是从光的衍现象来看，这种几何光

2、线都是不可能存在的。所以，几何光学只是波动光学的近似，是当的波长很小时的极限情况。作此近似后，几何光学就可以不涉及光的物理本性，而能以便的方法解决光学仪器中的光学技术问题。 可见，在应用光学中并不把光当做电磁波，而是经过抽象和简化，称为“光线光线”即“携带能量的几何线”。从而将应用光学中光的传输变成了一个几何问题，故称“几何光学”；而其主要的任务是研究光的应用，故又称“应用光学”。考评细则闭卷考试，考试成绩占70%，平时占30%。平时成绩由作业、到课率、回答问题、及最终的考试成绩共同决定。平时成绩按一百分计，少交一次作业扣10分；旷课一次扣10分。注意： 若考试成绩低于50分，平时成绩 50分

3、。 第一章第一章 几何光学的基本定律几何光学的基本定律 和成像的概念和成像的概念主要内容几何光学的基本研究方法几何光学的基本定律及原理光学系统的类别和成像概念光学材料第一节基本研究方法作为讨论和解决问题的一种简便手段、我们将光学中的概念和几何中的点、线、面有机的结合起来，得到了几何光学中的基本概念。在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把物体所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。在此假设下，根据光线的传播规律，在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及光学仪器的光学系统设计等方面都显得十分方便和实用。基本概念 1发光点和光源2光线3光束 4 光路发光点概

4、念：光源作为光的辐射体，当光源直径远 小于光源辐射的作用距离时，我们 称光源为发光点。特点：把光源当作一种无尺寸无大小的几何点注意：任何被成像的物体都有无数发光点组成类似于类似于物理中物理中的质点的质点当光束的直径其辐射距离时，称该光束为光线，其方向沿着光的传播方向。光线光线：携带能量的几何线，其方向为能量传播的方向。光线光束光束：即光线束， 为光线的集合， 是物理光学中波面的法线束。分类：同心光束：所有光线发自一点或 会聚到一点。 平行光束：所有光线之间相互平行。 像散光束：所有光线即不相交一点 也不严格平行。平面波面平行光束球面波面同心光束像散光束像散光束光路概念：顾名思义，就是光的传播路

5、径。光路方向：规定光线传播方向从左到右为 正的光路反之为逆向光路。注意：由于光线有无数条，所以光路也有 无数个。在实际应用中我通常取一个界面， 研究其中的几条光线的光路来解决成像问题。第二节基本定律光的直线传播定律光的独立传播定律光的折射和反射定律费马原理光的可逆性原理光的全反射现象介质折射率和光速的关系几何光学基本定律 光的直线传播定理光的独立传播定理内容：不同的光线从不同的方向通过空间某一点时，彼此不发生影响，对其中的某一束光线而言，犹如没有其他光线存在时那样传播，在光线的相交点上，其作用是相加的。注意：该定理只对非相干光成立，相干光源并不成立。光的折射和反射定律nanbIIInab介质介

6、质b相对于介相对于介质质a的折射率的折射率SSn2n1沿任一折射线方向观察沿任一折射线方向观察 费马原理极值bAndlsBAndlS0（极大值，极小值或恒定值） 光的可逆性原理1221sinsinnnII2112sinsinnnII光的全反射现象v条件：1. 光线由光密介质1（折射率n1大）射向 光疏介质2（折射率n2小）； 2.入射角大于临界角；临界角可由下式求出：v应用：21120,sinnnnnI其中当入射光的入射角I大于某值时，两种介质的分界面把入射光全部反射回原介质中去，这种现象称为“全反射”或“完全内反射”。（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代替平面反射镜。）制成各种全反射棱

7、镜，用于折转光路，代替平面反射镜。（2）制造光导纤维。）制造光导纤维。（3）测介质的折射率）测介质的折射率第四节光学系统的类别和成像概念光学系统：根据需要改变光线传播方向以满足使用要求的光学元件组合。 光学元件：由球面、平面或非球面包围一定折射率的介质组成。光学系统的分类光学系统非共轴系统共轴系统共轴非球面系统共轴球面系统光学系统非球面系统球面系统共轴非球面系统共轴球面系统共轴球面光学系统：如果各光学元件均由球面组成，所有的球心均位于同一条直线上，这样的光学系统就叫做共轴球面光学系统。该直线就是整个系统的对称轴线，为光轴。透镜负透镜：双凹，平凹，负月牙正透镜：双凸，平凸，正月牙透镜光学系统的基

8、本元件沿轴厚度比沿轴厚度比边缘厚度大边缘厚度大物空间：物所在的空间。 光 轴：光学系统的对称轴。光学系统的几个基本概念顶 点：光轴与透镜面的交点。 像空间：像所在的空间。 物像物：光学系统中入射光线会聚点的集合或入射光线延长线会聚点的集合，成为该系统的物。实 物：能实际发出光线的物体（实物点： 实际入射光线的出发点） 。虚 物：不是由实际入射光线，而是由入射光 线的延长线相交而成的物体（虚物点： 实际入射光线延长线的交点） 。 实 像：实际出射光线相交所成的像（实像点： 实际出射光线的交点） 。虚 像：由出射光线（反射或折射光线）的反 向延长线相交而成的像（虚像点：实 际出射光线延长线的交点）

9、 。 共 轭：物像之间的一一对应关系在光学上称 为共轭。 像：光学系统中出射光线会聚点的集合或出射光线延长线会聚点的集合，称为物对该系统所成的像。1. 实像、虚像均可用人眼来观察， 因为的确有实际的光线进入了人眼。2.虚像无法用屏幕接收，也不能使底片曝光。网上问题：虚像不可以在底片上成像，为什么可以用照相机照出水中的倒影？ 关于实像、虚像的几点说明物空间：物所在的空间，像空间：像所在的空间，物空间分为实物空间和虚物空间，像空间分为实像空间和虚像空间。根据定义：光学系统第一个曲面以前的空间称为“实物空间”，而第一个曲面以后的空间为“虚物空间”，系统最后一个曲面以后的空间为“实像空间”，最后一个曲

10、面以前的空间为“虚像空间”，整个物空间和像空间都是可以无限扩展的，因而不能按照空间位置来划分物空间和像空间。物象空间的介质折射率计算方法：物空间介质的折射率按实际入射光线所在的介质折射率来计算，像空间的介质折射率，按实际出射光线所在空间的介质折射率来计算。v几点说明： 1.物像空间的折射率仅取决与实际的入射光线和出射光线的位置，而与物像的位置和虚实无关。2.在图示表示中，实际光线用带箭头的实线表示，实际光线的延长线用带箭头的虚线表示。3.实物用实线绘出虚物用虚线绘出。4.辅助线用点划线绘出。 思考：某物通过一透镜成像在该透镜内部，透镜材料为玻璃，透镜两侧均为空气，试问物所成的像空间介质是玻璃还

11、是空气？第五节理想像和理想光学系统理想像：又称完善像是指由同一物点发出的所有光线，通过光学系统后仍然相交与唯一的像点。理想光学系统：在物、像空间满足“点对应点，直线对应直线，平面对应平面关系的光学系统。共轴理想光学系统的成像性质位于光轴上的物点，其对应的像点也一定位于光轴上。位于过光轴的某一截面内的物点，其对应的像点也一定位于此平面内。位过光轴的任意截面内的成像性质都是相同的，因此用一个过光轴的截面来代表一个共轴系统。 垂直于光轴的物平面的共轭像面也一定垂直于光轴。位于垂直光轴的同一平面内的物所成的像，其几何形状与物完全相似。一个共轴理想光学系统，如果已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭

12、面的位置和放大率一级轴上两对共轭点的位置，其它一切物点的共轭像点都可以根据已知的共轭面和共轭点求出。第六节光学材料为得到良好的成像质量，光学材料 应该满足如下要求：1.高度的光学均匀性；2.最大的透明度，以减少光能的吸收损失；3.良好的物理性能和化学稳定性；4.内部尽可能无杂质、气泡和条纹；对某些特殊场合，要求在激发光照射时不 产生荧光。光学玻璃由硅，磷，硼，铅，钾，钠，钡，砷，铝等的氧化物按一定的配方在高温条件下形成岩溶液体，经过冷却而得到的无定形体。其中多用硅酸盐玻璃(SiO2)和硼酸盐玻璃（B2O3）。玻璃除了具有固体的机械性能和光学性能外，还具有一下物理性能： 1.各向同性 2.没有熔

13、点，仅有一个软化的温度范围 3.具有较高的内能光学玻璃由于同一玻璃对各种颜色的光具有不同的传播速度，即不同颜色的光具有不同的折射率。因此，光学玻璃的性质由一系列特定光谱线的折射率来决定。具体如下表：颜色红黄绿青蓝紫谱线符号ACDdeFgGh波长(nm)766.5656.3589.3587.6546.1486.1435.6434.1404.7对应元素KHNaHe Hg HHg HHg常用光学参数： 1.基本折射率平均色散阿贝常数 相对色散部分色散谱线C、F、h、g、e、A及红外波长 863.0nm及紫外波长365.0nm的折射率CFDnnnv1CFnnDn光学材料选材要点： 1.成像质量（消像差

14、）的要求.使用环境（室内室外，水下，放射， 特殊温度要求，腐蚀，荧光等）.降低成本（尽量选择常用的、易购买的）光学玻璃分类冕牌光学玻璃（K）：低折射率、低色散火石光学玻璃（F） ：高折射率、高色散稀土光学玻璃：高折射率、低色散氟钛光学玻璃：低折射率、高色散晶体 晶体：具有晶格结构的固体。即构成晶体的 内部质子以点阵的形式在三维空间作 有规律的重复排列。例如：石英、岩 盐、萤石和其他碱金属卤化物的 块单晶体。优点： 大部分的光学玻璃仅局限与紫外和可见 光波段，但有些晶体的透过范围看以从 紫外到红外，因此可以用来制作传播宽 波段电磁辐射的元件晶体的分类及用途紫外晶体：氟化锂（i）、溴化钾（r ）、 石英（i）红外晶体：硅（i）、岩盐（acl）、三硫化二砷玻璃激光晶体：宝石、氟化钙、钇铝石榴石偏振晶体：方解石（CaCO3）、石英、硝酸钠非线性晶体：声光、电光、变频复消色差晶体：光子晶体：光学塑料（1.47/.60） 常用的光学塑料：1.PMMA：化学名：聚甲基丙烯酸甲酯 产品名：亚克力、亚加力(英文acrylic)，俗称有机玻璃特点：所有塑料中透明度最高 透射率：可见光：91%94% 紫外光:73 % 折射率：1.492 2.PC： 化学名：聚碳酸酯（Polycarbonate）特点：与PMMA相