应用光学2006(第一章)f.ppt

1、2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,1,应用光学,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,2,授课教师：光电测控技术与装备研究所庄志涛,E-mail:zhuangzt121,办公电话：86402312/3-800,见到同学们很高兴,办公地点：制造楼604,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,3,研究领域,光电测试技术与仪器视觉检测技术与图像处理网络化测试技术生物医学图像技术,光电测控技术与装备研究所OpticsInstrument&AutomationLab.(OIAL),2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,4,研究领域,光电测试技术

2、与仪器主要研究光学与电子学相结合的测量与控制方法及相应的装备，在激光测量技术和光纤测量技术等方面取得一系列成果。快速、非接触式激光测量系统在很多应用中具有其他测量手段不可比拟的优势。随着激光技术、精密机械技术和电子技术的发展，光、机、电三者相结合的产品如激光干涉仪、激光跟踪仪，激光坐标测量机，激光测距仪，全站仪等仪器在工业检测中占有举足轻重的地位。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,5,研究领域,视觉检测技术与图像处理是精密测试技术领域内最具有发展潜力的新技术，它综合运用了电子学、光电探测、图象处理和计算机技术，将机器视觉引入到工业检测中，实现对物体(产品或零件)三维尺寸或位

3、置的快速测量，具有非接触、速度快、柔性好等突出优点，在现代制造业中有着重要的应用前景。视觉检测技术为解决在线测量问题提供了一个理想的手段，美国国家标准局八十年代在调查的基础上曾作过预测：今后工业检测工作的80%将由视觉检测技术完成。经过十多年的发展，视觉检测技术在国内外都获得了长足的进步，应用领域已涵盖汽车、钢铁、微电子器件等几乎所有的现代制造业领域。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,6,网络化测试技术网络的最大特点就是可以实现资源共享，使现有资源得到充分利用，从而实现多系统、多专家的协同测试与诊断，它解决了已有总线在仪器台数上的限制，使一台机器为更多的用户使用，实现测量信

4、息的共享，实现整个测试过程的高度自动化、智能化，同时减少了硬件的设置，有效降低了测试系统的成本。另外，网络可以不受地域的限制，这就决定了网络化测试系统可以实现远程测控，使测试人员不受时间和空间的限制，随时随地获取所需信息，同时网络化测试系统还可以实现测试设备的远距离测试与诊断，提高测试效率。正是网络化测试系统的这些优点，使得网络化测试技术倍受关注。,研究领域,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,7,生物医学图像技术生物医学图像在生命科学研究、医学诊断、临床治疗等方面起着重要的作用。生物医学图像技术主要研究生物医学成像和图像处理方面的基本原理方法和发展趋势。针对国内外的先进技术，

5、尤其是在射频超声等医学信号、信息提取方法方面开展深入的研究。,研究领域,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,8,师资力量,光电测控技术与装备研究所经过多年发展，现有400平方米实验室，在编人员10人，教授四名(浦昭邦,袁怡宝,刘宛予,张琢),副教授二名(刘国栋,庄志涛),在读博士助教3人（刘炳国，任淑燕，胡涛），高级技师1人（王文涛），陈凤东（博士，留校工作，计算机学院）.光电测控技术与装备研究室科研方向隶属于自动化测试与控制一级学科，自建所以来，培养博士生28人、硕士生48余人。现承担博士研究生学位课一门、硕士生学位课多门。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所

6、,9,激光焦点法多功能测量系统,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,10,万工显视觉测量仪器,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,11,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,12,考试成绩组成：,期末考试卷面成绩:70%平时成绩:30%作业成绩：10%实验成绩：10%出勤成绩：10%注意：缺勤一次扣5分，三次和三次以上缺勤者或缺席一次和一次以上实验的，不准参加期末考试,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,13,本门课程的主要参考教材,1、工程光学基础徐家骅主编机械工业出版社2、工程光学李湘宁主编科学出版社3、计量光学许世文主编哈尔滨

7、工业大学出版社,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,14,光-Light，是我们最熟悉的现象之一，没有光，人类就无法生存。,万物生长靠太阳！,地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,15,生活中，大自然中有关光的现象无处不在,佛光,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,16,彩虹,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,17,海市蜃楼,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,18,日晕,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,19,你还能举些有关光的现象么？,2020/6/

8、19,哈工大光电测控技术与装备研究所,20,几何光学发展最为迅速，荷兰数学家斯涅尔发现的准确的折射定律对于光学仪器的设计和改进具有重要意义！为研究整个光学系统提供了计算的可能。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,21,光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。,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，如：,傅立叶光学,薄膜光学,集成光学,纤维光学,全息光学,红外与微光技术,等等,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,22,光学的应用领域越来越广泛,工业：显微镜、汽车车

9、身的检测、机器人视觉、材料金相结构等等,车身模型数字化系统,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,23,农业：收割、除草、叶面与果实的检测,叶面积仪,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,24,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,红外侦察,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,25,激光制导,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,26,潜望镜,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,27,红外雷达和平视显示器,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,28,医学：CT、胃镜、虹膜

10、检测、生物检测,通信：光缆通讯,航天：资源勘探、星际探索哈勃号太空望远镜是被送入轨道的口径最大的望远镜。总长12.8米，镜筒直径4.28米，主镜直径2.4米，连外壳孔径则为3米，全重11.5吨,日用：扫描仪、光碟、照相机,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,29,哈勃太空望远镜,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,30,“哈勃”太空望远镜拍摄的狮子座“NGC3370”螺旋星系的照片,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,31,哈勃望远镜2002年5月到12月拍摄到的太空神秘发光星体图片,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,32,人们

11、还在不断研究光的应用领域,宇宙1号太阳帆,宇宙1号的太阳帆面积为530.93平方米，由光压获得的推力为255克。如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力即为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在200多天内飞抵火星,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,33,应该指出的是，人们对光的认识还远未完结，对光的本性、传播规律以及光与物质相互作用的研究还在不断继续。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,34,几何（应用）光学的研究内容,采用光的直线传播概念，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,通过

12、本门课程的学习，使大家了解在光电测量仪器设计中所需的一些基本概念、基本设计术语、基本设计方法等等。,几何（应用）光学的研究目的,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,35,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,36,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,37,光切显微镜,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,38,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,39,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,40,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,41,第一章几何光学的基本原理,2020/6/19,哈工大光

13、电测控技术与装备研究所,42,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。,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,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,43,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。,好累！太不方便了！,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,44,按

14、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！,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,45,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。,点：光源、焦点、物点、像点线：光线、法线、光轴面：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。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,46,一.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

15、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,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,47,任何被成像的物体，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。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,48,二、光线,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。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,49,三、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

16、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,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,50,同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波,平行光束：光线彼此平行，是平面波,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,51,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,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,52,1-2几何光学基本定律

17、(1-2,1-3),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。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,53,三、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,I：入射角,I：折射角,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,54,（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

18、与两角度的大小无关，仅决定于介质的性质，为一恒量nab,即,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,55,也可表述为：,两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示,对上式变换,两种介质的相对折射率等于两介质的绝对折射率之比,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,56,将上式代入并设,有：,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，就必须考虑空气和真空折射率的不同。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,57,（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,（1）反射光线在由入射光线和法线所决定的平面内,符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。,2020/6/19,哈工大光电测控技术与装备研究所,58,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。,可知,即折射光线较入射光线偏离法线,由公式,当光由光密介质射向光疏介质时,1-3光路可逆和全反射(1-4,11-1,11-2),2020/6/19,哈工