应用光学0308-2.ppt

1、目视光学仪器为何使用前要进行 视度调节？,研究一下？,1-2 几何光学的基本定律 一、光的直线传播定律 在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播。 1）定律成立的条件； 2）“直线”即指无时不在的波面的法线。 二、光的独立传播定律 由不同光源发出的光线，以不同方向通过空间某点时，各光线独立传播彼此互不影响。实质上，简单的强度叠加，然后各自继续按原来的方向传播。,三、反射定律与折射定律 光在传播过程中遇到特性不同的界面。当光遇到两种透明介质的光滑分界面上时所发生的现象就是二定律阐述的问题。 1. 反射定律 I ：入射角，I:反射角 AO: 入射光线 BO：反射光线 角度标定：以过O点的PQ垂线 ON

2、为准，由光线转到 ON，锐角。 符号规则：由光线转到ON，顺正 逆负,数学表述形式： I =-I 光学语言表述：1）入射光线、反射光线和法线在同一平面内，入、反线在法线两侧；（三线共面） 2）入射角、反射角大小相等，符号相反。（二角相等） 2. 折射定律 光线入射到上述界面时，还会出现下图所示的情况 n :第一介质折射率 n :第二介质折射率 I 入射角 I 折射角 AO 入射光线 OC 折射光线 角度标定与符号规则同上 数学表述：,或 光学语言表述： 1）入射光线、 折射光线和法线在同一平面内， 入、折射线在法线两侧；（三线 共面） 2）入、折射角 的正弦值之比与入射角的大小无 关，仅与两种

3、介质的折射率有关 讨论 1）可否将上两图合并在一起？ 2）介质不变，将入射光线由B或C点发出，可否？（说明光路的可逆性！） 3. 折射率（绝对折射率的简称） 符号 n n=c/v,：光在真空中的速度（常数） ：光在介质中的速度 则 ,故有 是介质对光的”阻性”特征的说明 大: 光密介质, 小 小: 光疏介质, 大 1-3 全反射 应用折射定律,有 讨论 的取值对折射定律的影响 若 时,则入射光线不能进入到 介质,这时对应 为一特殊角,进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连续发生全发射，直至另一端出射。,S,B,A,当,大于临界角时，就发生全发射。,根据折射定律，又有：,可以得到：,由 得,若在

4、空气中：,定义 为光纤的数值 孔径,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。,一、完善成像（perfect） 物理意义：在均匀介质中，点物发出球面波经光学系统后仍为球面波并会聚于 一点，则该点即为该物点的完善像。 一般地，物点A,B,C像点A,B,C 完善成像的条件：一物点对应一像点。 物由点构成，推论到，物 像,二、实物点和实像点 物和像的认识：把光学系统的入射线会聚点或入射线之延长线会聚点的集合称为该系统的物； 把相应之出射线会聚点或出射线之延长线会聚点的集合称为该系统的像。 物和像的概念具有相对性 实物点和实像点:由实际光线所形成的

5、物点或像点 实物和实像：由实物点和实像点构成的物或像,实像特点：实际光线交点 可由接收器接受 人眼可视 三、虚物点和虚像点 虚物和虚像 光线的延长线所形成的物点或像点 虚物点或虚像点构成的物和像,虚像特点：光线延长线交点 不可由接收器接收 人眼可视 四、物像空间 光学系统的物、像所在的空间 注意 物像空间并不以光学系统作为划分的绝对 界限（参见前页右下图） 五、等光程面 光程 S=n l (A) l=vt 光在真空中相同时间所走过的路程为： S=Ct=vtc/v=nl (B) 比较上式与光程的定义式可知：,光在介质中的光程即为光以相应的时间间隔内在真空中所传播的路程。 等光程面：由A点发出的光

6、线经某介质面的作用后都会聚于B点，且光程相等，该介质面即为关于A、B的等光程面。 结论：等光程面皆为非球面。 第一章作业题 p15，2、4、5,第二面（斜面）的临界角,第二章 球面和球面系统 作业：P38：3， 4，5，6，7 等光程面都是非球面，为何还要研究球面？ 21 光线经过单个球面的折射 一、球面与球面系统的表示 如图为单球面系统的一个切面。 研究成像，就要研究光线经过光学材料的传播问题，即可理解为光线经光学材料的折射问题，亦即将折射定律逐次应用到光线传播时所经过的每一个界面。,直线经过球面的曲率中心C，A和A都在其上光轴！ AOA. 切面 包含物、像点和光轴的一个截面，称为子午面。

7、该面反映了球面的对称性，由该面的研究就可得到成像的一般规律。 物像表示：物点 A 像点 A 广义 物像（垂轴） 入射光线的特征表示：L 物方截距 U 物方孔径角 出射光线的特征表示：L 像方截距 U像方孔径角 入射高度（入射高）：h 界面特征表示：r 曲率半径 O 顶点（原点） C 曲率中心 介质特征表示： n ,n两种介质的折射率,二、符号规则 方便系统地将特征量用数学表示式联系起来，因而具有更普遍的意义 1 沿轴线段：以顶点算起，向左为负，向右为正 2 垂轴线段：以光轴为准，向上为正，向下为负 3 光线与光轴交角：锐角量度，由光轴转向光线，顺时针 为正，逆时针为负 4 光线与法线交角： 锐

8、角量度，光线转向法线，顺正逆负 5 光轴与法线交角： 锐角，光轴转向法线，顺正逆负 6 折射面之间的间隔：d 由前一顶点到后一顶点，与光线传播方向一致为正，反之为负 注意：折射光学系统中 d 恒为正值 图形标示规则：图上皆标出各特征量的绝对值 符号规则的简单表述： 沿轴线段左负右正，垂轴线段上正下负，角度顺正逆负,A EC中再利用正弦定理，则有： （4） （1）（4）称为实际光线的光路计算公式。 整个物理过程未作任何近似，反映了光线传播的实际。 讨论：1 本组公式是最为基础的，成像规律研究的基础。 对一个面的推导，适用多个面的情况。 方法：光线追迹追踪光线的轨迹。 2 若物点位于物方光轴上无穷

9、远处，光线到折射球面可认为是平行于光轴的平行光束。 初始坐标参量为: L= U=0,实际光线,宽光束,4 计算数据位数的要求 一般取六位，每个计算结果都要求如此。 为使计算过程、步骤清晰， 易于检查和寻找错误， 在手工计算时则是列成表格。 5 校对公式 从另外一个角度去 验证计算结果的 正确与否。,四、近轴光的计算公式 近轴光：光线与光轴交角孔径角U很小，靠近光轴的光线。 此时，用小写字母表示L U l u L U lu 近轴光成像时： sinUu sinUu sinIi sinI i 近轴光的折射成像公式：,1 说明光线在近轴区，可用角度的弧度值代替其正弦值 2 近轴区没有明显界限，而由允许的相对误差大小确定 例如 若允许误差 u 角不超过50。通常35o范围内有相当的精度。 讨论： 1 代入l,u 求lu时发现，l不随u而变，l不再是u的函数，所以，近轴区内，像点和物点对应共轭。,a)点对应点，完善成像 即轴上物点以细光束成像时像点是完善的。 b)近轴光所成的像称为高斯像， l称为高斯像距。 这同几