第一章光学详解课件

应用光学是光学工程重要的技术基础。它的传统概念是指经典光学仪器(望远镜,显微镜、照相机、投影仪等）中光学系统的理论与设计，它的内容主要是几何光学和波动光学。

介绍高斯光学、光学仪器基本原理等传统内容外，还介绍了激光束光学，光纤光学，红外光学以及色度学等有关现代光学的基础内容本章要解决的问题：光的本性问题光的传播规律像与成像的概念对成像的要求

第一章几何光学基本原理§1-1光波与光线一、研究光的意义弹性粒子－弹性波－电磁波－波粒二象性1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波1905年：爱因斯坦提出光子假设20世纪：人们认为光具有波粒二象性二、光是什么？光波:电磁波,波长、光速xzy光的传播实际上是波动的传播频率、光速、波长的关系：在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变可见光：波长在400-760nm范围

红外波段：波长比可见光长

紫外波段：波长比可见光短可见光：400-760nm;单色光：同一种波长。

物理光学：研究光的本性，由此来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复色光：由不同波长的光波混合而成白光：由各种波长的光混合而形成的复色光三、几何光学的研究对象和光线概念研究对象

光的传播规律:几何光学的基本定律，进而研究光的传播现象，并应用这些规律来设计和制造光学仪器。

特点不考虑光的本性，把光认为是光线。

光线:能够传输能量的几何线，具有方向

采用光线概念的意义：

用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影子、日食、月食

绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、衍射时，采用物理光学的原理.光波的传播问题就变成了几何的问题-----几何光学光线与波面之间的关系波面：波动在某一瞬间到达的各点组成的面At时刻t+Δt时刻均匀介质中点光源发射的光波的波面光线是波面的法线波面是所有光线的垂直曲面同心光束：由一点发出或交于一点的光束；对应的波面为球面像散光束：不严格交于一点，波面为非球面平行光束波面为平面一、光的传播现象的分类第二节

几何光学基本定律光在同一种介质中的传播；光在两种介质分界面上的传播。二、几何光学基本定律2、光线在两种均匀介质分界面上传播规律

反射定律，折射定律

1、光线在各向同性、透明介质中：直线传播AO:入射光线OB:反射光线OC:折射光线NN’:分界面法线I1:入射角R1:反射角I2:折射角’入射面：入射光线和法线所构成的平面反射定律：入射光线、法线、反射光线在入射面内；入射光线和反射光线在法线的两侧，且I1=R1。’折射定律：入射光线、法线、折射光线在入射面内；入射角正弦和折射角正弦之比是一个和入射角无关的常数。’不均匀介质可看作由无限多的均匀介质组合而成，光线的传播，可看作是一个连续的折射直线传播定律反射定律折射定律几何光学的基本定律§1-3折射率和光速折射定律：入射光线、法线、折射光线在入射面内；入射角正弦和折射角正弦之比是一个和入射角无关的常数。n12称为第二种介质相对于第一种介质的折射率O’Q’折射率与光速关系相对折射率与绝对折射率1、相对折射率：

一种介质对另一种介质的折射率2、绝对折射率介质对真空或空气的折射率3、相对折射率与绝对折射率之间的关系相对折射率：

第一种介质的绝对折射率：第二种介质的绝对折射率：用绝对折射率表示的折射定律SinI1SinI2＝n

1,2由n

1,2=

n2

n1

有

SinI1SinI2

n2

n1=或

n1SinI1=n2SinI2课堂练习：判断光线如何折射空气n=1水n=1.33I1I2玻璃n=1.5空气n=1I1空气n小玻璃n大cI1空气n小玻璃n大§1-4光路可逆和全反射一、光路可逆AB1、光路可逆定理假定某一条光线，沿一定的路线，由A传播到B。如果在B点沿着出射光线，按照相反的方向投射一条光线，则此反向光线，仍沿着同一条路线，由B传播到A。光线传播的这种性质，称为光路可逆定理.2、证明直线传播：AB反射：I1=R1

R1=I1折射：n1SinI1=n2SinI2n2SinI2=n1SinI1I1R1ABI2C二、全反射1、现象水空气AI1R1I2O1O2O3O4I02、发生全反射的条件n1>n2由光密介质进入光疏介质I1>I0入射角大于全反射角I0称为“临界角”或“全反射角”当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻璃的折射率不同、对应的临界角不同n1.51.521.541.561.581.601.621.641.66I041°48’41°8’40°30’39°52’39°16’38°41’37°7’37°7’37°3’3、全反射的应用用棱镜代替反射镜：减少光能损失测量折射率待测样品nBnAI0暗亮阿贝折射计普氏折射计na>nb§1-6基本定律的向量形式OrQ:入射光线方向的单位向量Q’：出射光线方向的单位向量N：法线方向的单位向量折射定律均匀介质中的直线传播定律：Q=Q’反射定律Q:入射光线方向的单位向量-Q’：出射光线方向的单位向量N：法线方向的单位向量§1-6光学系统类别和成像的概念光学仪器显微镜:观察细小的物体望远镜:观察远距离的物体各种光学元件——反射镜、透镜和棱镜光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求。这样的光学器件的组合称为光学系统。光学系统分类按有无对称轴分：

共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴非共轴系统：没有对称轴线按介质分界面形状分：

球面系统：系统中的光学零件均由球面构成非球面系统：系统中包含有非球面共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一条对称轴线。

主要研究：共轴球面系统和平面镜棱镜系统成像基本概念1、透镜类型正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转2、透镜作用－成像AA’A’点称为物体A通过透镜所成的像点。A称为物点，A′为实际光线的相交点，如果在A′处放一屏幕，则可以在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。

A和A′称为共轭点。A’与A互为物像关系，在几何光学中称为“共轭”。3、透镜成像原理正透镜：正透镜中心比边缘厚，光束中心部分走的慢，边缘走的快

，光束折向光轴。AOPQPQO’A’P’Q’成实像负透镜:负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，光束中心部分走得快，边缘走得慢。成虚像思考：正透镜是否一定成实像？负透镜是否一定成虚像？名词概念物：入射光线的交点

实物点：实际入射光线的交点虚物点：入射光线延长线的交点像：出射光线的交点实像点：出射光线的实际交点虚像点：出射光线延长线的交点像空间：像所在的空间

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物空间：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像空间（无限延展）物空间（无限延展）

物像空间折射率确定物空间折射率：按实际入射光线所在的空间折射率计算像空间折射率：按实际出射光线所在的空间折射率计算例：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，试问像是实像还是虚像？该像所处的像空间介质是玻璃还是空气？虚像。像空间介质是空气§1-7理想像和理想光学系统

光学系统成像的最普遍的要求：成像清晰，必须一个物点对应唯一的一个像点。

理想像？物空间和像空间均为均匀透明介质，根据光线的直线传播定律，符合点对点成像，还具有以下性质。一个物点对应唯一的像点，则直线成像为直线一个物点对应唯一的像点，则平面成像为平面符合点对应点，直线对应直线，平面对应平面的像称为理想像。能够成理想像的光学系统称为理想光学系统。

共轴理想光学系统的成像性质

位于过光轴的某一截面内的物点对应的像点位在同一平面内

过光轴任一截面内的成像性质是相同的

轴上点成像在轴上

空间的问题简化为平面问题，可用过光轴的一个截面来代表共轴系统。1.

当物平面垂直于光轴时，像平面也垂直于光轴2.位于垂直于