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1、唐山学院机电工程系工程光学 工程光学 Engineering Optics * 例：直线度误差的测量（自准直仪） 为什么学习工程光学 1、工程光学课程是测控技术与仪器专业本科 生 的专业基础课 。 2、工程光学课程是测控技术与仪器专业本科 生 工作需要时的一本理论宝典 。 3、工程光学课程是测控技术与仪器专业本科 生 考研时一门必考课程。例如中国科技大学，合肥 工业大学，河北工业大学 特点： 对于没有光学基础的我们，知识点非常丰富， 一定要认真听讲并做好课后复习，没有捷径哟 参考书 工程光学. 李林，林家明. 北京理工出版社 工程光学. 郁道银. 机械工业出版社 工程光学. 田芊. 清华大学出
2、版社 工程光学. 王红敏. 北京出版社 工程光学基础. 曹俊卿. 中国计量出版社 工程光学基础. 徐家骅. 北京机械工业出版 主要内容 包括两部分： 一、几何光学 二、波动光学 学时安排 3：2 or 1：1 or 2：1 几何光学主要内容： 光学系统的成像 唐山学院机电工程系工程光学 第1章 几何光学基本定律与成像概念 1.1 几何光学的基本定律 1.2 光学系统的物像概念 * 概述 光学是研究光的本性、光的传播、光与物质相互 作用以及光的实际应用的科学。 研究范围： 近代物理学认为：光具有波粒二象性。 （1）研究光的发射和吸收等与物质的相互作用 光的粒子性； （2）其他情况光主要以波动的形
3、式存在着； 本质是电磁波，波谱范围从红外到真空紫外 （可见波段处于0.40.76m）。 概述 概述 几何光学和波动光学的关系？ 波动光学可精确解释光学系统中的各种 问题，但很复杂；几何光学忽略了光的 波动本性，以某种近似来研究光的传播 ，适合于工程应用的大多数光学系统， 方法较简单。 所以我们从最基本的几何光学开始光学之旅！ 1.1.1 几何光学的点线面 几何光学的点、线、面是什么？ 点：把光源和物体看作由许多发光点组成， 经 光学系统所成的像也由许多几何点组成 。 线：将光波的传播抽象成几何线一样的光线 ，相当于波面的法线，代表了传播方向。 面：（某一时刻，同一光源辐射场的位相相 同的点构成
4、的曲面为波阵面），有平面波 面，球面波面，像散波面。 点光源 光束：和同一波面对应的法线束。(波面-) 平行光束 发散的同心光束 o 会聚的同心光束 o 像散光束 当光束在非轴对称光学系统 中传输时，会产生像散 1.1.1 几何光学的点线面 1.1.2 几何光学的基本定律 基本定律：直线传播、独立传播、折反射 几条定律： （1）决定了光线在通常情况下的传播方式 ； （2）研究光学系统成像规律以及进行光学 系 统设计的理论依据。 A 光的直线传播定律 内容： 在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播。 忽略衍射 例子： 日食、月食、影子、小孔成像 光的直线传播定律 思考： 小孔成的像为什么是倒立的？
5、像的大小和哪些因素有 关？像的清晰程度和哪些因素有关？ 若不明白可在百度搜索 蜡烛、小孔屏（孔径13毫米），毛玻璃屏 2.光的独立传播定律 内容： 沿不同方向传播的光线，通过空间一点， 彼此互不影响，各光线独立传播。忽略干 涉 P A B 光的折射和反射定律 光线从折射率为n的介质入射到折射率 为n的介质中，设入射角、反射角和折 射角分别为I、I和I，如果规定光线按 照锐角旋转到法线方向，顺时针为正， 逆时针为负，则 (i)入射光线和反射光线、折射光线 分居法线两侧，并且它们和法线共面； (ii) I= -I； (iii) n sinI=n sinI 。 n n I I -I 反射和折射定律
6、说明 (a) 上面结论i和ii即为反射定律，结论i和iii为折射定律； (b) 反射定律可以看作折射定律的特殊形式。 nn，则得到反射定律ii （c）根据直线传播和折反射定律可以推出光路可逆性 全反射 当光从光密 介质射向光 疏介质且入 射角 增大 到某一角度 Ic时，折射 角达到90 ，折射光线 沿界面掠射 出去， 这种现象称为全反射，Ic称为临界角 光程 指光在介质中经过的几何路径和介质折射率的 乘 积，以字母L表示。 均匀介质中：Lns 其中n为介质的折射率，s为光经过的几何路径。 非均匀介质中 光程为光在介质中传播的时间和真空中光速的乘积. 1.1.3 费马(Fermat)原理 光线从
7、任一点A传播到另一点B，是沿光程为极值 的路径传播。 数学表示：光程的一阶变分为0. 说明: 该处极值可以是极大值、极小值或常值. Fermat原理： 感兴趣参考泛函分析 光程走极大值还是极小值，取决于折射表面的曲 率及两点间的位置，大多数情况下是极小值。 1、推导光的直线传播定律 在均匀介质中，两点间以直线距离为最短。 2、 推导光的反射定律 费马(Fermat)原理 费马(Fermat)原理 3、 推导光的折射定律 极值路径为常值： Fermat原理的极值问题 回转椭球凹面镜,自其一个焦点发出的光 线经镜面反射后都会到达另一焦点。 AB A B 反射镜MM与回转椭球切于D点,由A点 发出只
8、有过D点的光线才会经过椭球另 一焦点B,光线的光程比任何路径的光程 都大，其他光线都不过B点。 极值路径为极大值： 1.2 光学系统的物像概念 光学系统：光学元件按照某种方式并能够 对光进行传播和控制的系统。 光学系统对目标物体成像，目标发出的光线 在摄入系统前都称为物方光线；物方光线 的会聚点（不管是实际会聚还是虚线延长后 会聚）称为物；经过光学系统作用之后的 光线则称为像方光线，像方光线的会聚点 （不管是实际会聚还是虚线延长后会聚）称 为像。 1.2 光学系统的物像概念 物方光线实际相交的点为实物点；延长后相 交的点为虚物点。 虚物一般不会独立存在，往往产生于前一光学系 统所成的实像。 像方光线实际相交的点为实像点；延长后相 交的点为虚像点。 实像可用屏接收，虚像不能但可用眼睛观察。 1.2 光学系统的物像概念 1.2 光学系统的物像概念 光学系统在成像过程中划分了物空间和像空间 。 注意！（1）虽然每个空间的介质在形式上是以界面 分隔的，但光线的延长也相当于延伸了空间。 （2）光学系统的物和像都具有相对性。
