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1、应 用 光 学,2,教材及参考资料,工程光学，郁道银，机械工业出版社,2005年应用光学，安连生,北京理工大学出版社光学教程，叶玉堂,清华大学出版社物理光学与应用光学，石顺祥，西安电子科技大学出版社,3,光的历史很悠久光是什么？现代物理认为，光是一种具有波粒二象性的物质，即光既具有“波动性”又具有“粒子性”。以光的波长作为尺度，采用不同的物理模型和不同的方法处理光与不同尺度物体相互作用几何光学用唯象的光线模型，研究光线与大尺度物体相互作用时，在介质中和分界面处的折射、反射，处理成像问题当物体的尺度与其波长相近时，光的模型是电磁波，在波动光学中用波的叠加原理处理光的相干叠加和偏振问题量子光学初级
2、课程中采用光量子模型处理光与微观系统的相互作用目前使用的光学仪器，绝大多数是应用几何光学原理即把光看作“光线”设计出来的,4,课程性质和任务,以几何光学为理论基础，以光学系统中光的传播、成像、光度学、色度学、光学系统设计原理等为主要内容的课程 让学生掌握光学系统成像的基本概念、知识和理论学会光学系统设计的基本方法，具备光学系统的分析和设计能力,5,课程教学内容,第一章 几何光学的基本定律与成像概念 第二章 共轴球面系统的物像关系 （重点）第三章 平面镜、棱镜系统第四章 光学系统中成像光束的限制第五章 辐射度学和光度学基础（能量）第六章 色度学基础第七章 光学系统的像质评价和像差(成像质量的评价
3、)第八章 典型光学系统（望远镜、显微镜、照相机、投影仪）,6,第一章 几何光学的基本定律与成像概念basic laws of geometrical optics and basic imaging concepts,7,第一节 几何光学的基本定律,几何光学是以光线的概念为基础，采用几何的方法研究光在介质中的传播规律和光学系统的成像特性按几何光学的观点，光经过介质的传播问题可归结为四个基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的反射定律和折射定律,8,1.光波、光线、光束light waves、rays and beams,光波 光波是一种电磁波，是一定频率范围内的电磁波，波长比一般的无
4、线电波的短可见光：400nm-760nm紫外光：5-400nm红外光：780nm-40m近红外：780nm-3m中红外：3m6m远红外：6m40m,9,10,光源light sources光源：任何能辐射光能的的物体点光源：无任何尺寸，在空间只有几何位置的光源 实际中是当光源的大小与其辐射光能的作用距离相比可 忽略不计，则视为点光源光学介质optical mediums光学介质：光从一个地方传至另一个地方的空间。空气、水、玻璃各项同性介质:光学介质的光学性质不随方向而改变各向异性介质：单晶体（双折射现象）均匀介质：光学介质的不同部分具有相同的光学性质 均匀各向同性介质,11,波前 wave f
5、ront波前：某一瞬间波动所到达的位置构成的曲面波面：传播过程中振动相位相同的各点所连结成的曲面 在任何的时刻都只能有一个确定的波前；波面的数目则是任意多的 球面波：波面为球面的波，点光源平面波：无穷远光源柱面波：线光源,12,光线：传输光能的有方向的几何线在各向同性介质中，光沿着波面的法线方向传输，所以波面的法线就是光线光束光束：具有一定关系的光线的集合同心光束：同一个发光点发出或相交于同一点平行光束：发光点位于无穷远，平面光波像散光束：既不相交于一点，又不平行，但有一定关系的光线的集合，与非球面的高次曲面光波相对应,13,2.几何光学的适用条件,光学系统的尺度远大于光波的波长介质是均匀和各
6、向同性的,14,3.基本定律,光的直线传播定律各向同性的均匀介质局限性 当光经过尺寸与光波长接近或更小的小孔或狭缝时，光的传播将偏离直线， “光的衍射”当光在非均匀介质中传播时，是沿曲线传播的,15,光的独立传播定律从不同光源发出的光线，在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光线独立传播利用这条定律，研究某一光线传播时，可不考虑其它光线的影响。大大简化我们对光线传播的研究,16,光的反射和折射定律 光传播到两种不同介质的光滑分界面上时，继续传播的光线或返回原介质，或进入另一介质。前者称为光的反射，后者为光的折射。光的反射定律同一平面内；法线的两侧，且I=-I,n,17,18,折射定律在同一平面内n
7、sinI=nsinI折射率n：表征透明介质光学性质的重要参数之一。n=c/v,描述介质中的光速相对于真空中的光速减慢程度的物理量空气，n 略大于1（实际应用中大都假设为1）水，n 1.3玻璃，n 1.45 1.75光折射晶体，如铌酸锂n 2.2 2.3反射定律可以看作折射定律的特殊情况(n= -n),19,4.两个重要的光学现象,光路可逆光的全反射 total reflection 在一般情况下，光线至透明介质的分界面时，将同时发生反射和折射。在一定的条件下，界面可将入射光线全部反射回去，而无折射现象，这就是光的全反射。,20,当入射角增大到某一程度时，折射角达到90折射光线沿界面掠射出去，这
8、时的入射角为临界入射角当I Im时，I变为虚数折射光消失，能量全部被反射,发生全反射的条件：光线由光密向光疏介质入射；入射角临界角,21,例如 从玻璃到空气的交界面：n=1.5,n=1, Im=sin-1 1.5/1=41.8 I Im,可发生全反射,22,全反射广泛应用到光学仪器中：全反射在理论上优于一切镜面反射，在实际的光学仪器中，常利用全反射棱镜代替平面反射镜，以较少光能的反射损失光纤指纹检测,23,24,光纤,25,指纹开门/考勤光线经玻璃射到指纹谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样
9、就在CCD上形成了指纹的图象,26,5.费马原理,几何光学的三个基本定律，说明了光从一点传播到另一点的传播规律，而费马原理则从光程的角度阐述光的传播规律费马原理，不是建立在实验基础上的定律，也不是从数学上导出的定理，而是一个最基本的假设。费马原理是几何光学中光传播的理论基础。很多定律和对事物总图像的描述，均可由其得到正确的结果，但不是一种计算工具。,27,光程：光在介质中经过的几何路径l和该介质的折射率n的乘积Lnl=c/vl=cl/v=ct（t为光在介质中传播的时间）光在某种介质中的光程，等于相同时间内光在真空中的传播距离。只要光经过不同介质中的传播时间相同，则光程也相同在任意两个波面之间的
10、所有光线，光程也相同，（波面是相同时间到达点的曲面）光经过若干种介质时，光程为各介质折射率与几何路径乘积之和。若介质为非均匀，折射率连续变化，则,28,费马原理：光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的。（1679年）可推导光基本定律费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径，不论光线正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。因而借助于费马原理可说明光的可逆性原理的正确性 对于光程取极大或常量的情况,旋转椭球凹面反射镜,29,作业：1.推导光纤的最大入射角 2.费马原理证明反射定律 3.证明五角棱镜的出射光始终与入射光垂直。,30,第二节 成像的基本概念,一 光学系统光学系统：由一系列反射、
11、折射表面（零件）按一定方式组合而成，从而满足一定使用要求的组合球面系统：光学表面均为球面共轴球面系统：各球面的球心均在一直线上非球面系统：,31,二 成像概念物点：物光束的交点像点：像光束的交点成像：物点发出的同心光束、经光学系统后变为另一个同心光束实物、实像点：实际光线的会聚点 虚物、虚像点：由光线的延长线构成的物像点共轭：物经光学系统后与像的对应关系（A、A对称性）物空间：物所在的空间（包括虚物）像空间：物所在的空间（包括虚像）物空间与像空间可能重合,32,33,完善成像的条件,1.完善像的定义：每一个物点对应于唯一的一个像点，该像点称为完善像点，物体上每个点经过光学系统后所成完善像点的集
12、合就是该物经过关学系统后的完善像2.完善成像的条件： 入射波面为球面波时，出射波面也为球面波 球面波对应同心光束(会聚或发散) 入射光束为同心光束时，出射光束亦为同心光束,34,马吕斯定律 Malus law: 垂直于波面的光线束，经过任意多次反射和折射后，出射波面仍和出射光束垂直，且入射波面和出射波面对应点之间的光程相等。 费马原理，在任意两个波面之间的所有光线，光程也相同，（波面是相同时间到达点的曲面） 一球面波在某时刻 t1 形成一波面，该波面经光学系统仍为一球面波，它在某一时刻 t2 形成一波面。波面之间的光程总是相等，得等光程条件。 物点及像点之间任意两条光路的光程相等,35,3.特
13、例： 单个界面可实现等光程条件,反射 有限远物 A 有限远像 A：椭球反射面无穷远物 A 有限远像 A：抛物反射面 有限远物 A 无穷远像 A：根据光路可逆性,36,这是一个四次曲线方程，为卵形线。以此曲线绕 旋转而成的曲面，称卵形面。 若令物或像点之一位于无穷远，可得二次曲面。这些曲面加工困难，且它们对轴外点并不满足等光程条件实际的光学系统，绝大多数由容易加工的球面构成，当满足一定条件时，能对有限大小的物等光程成像。,第二章 共轴球面系统的物像关系Coaxial Spherical System,本章是本课程的理论基础也是本课程的重点。,38,2.1近轴球面光学系统的光路计算2.2球面光学成
14、像系统2.3理想光学系统2.4理想光学系统的基点与基面2.5理想光学系统的物象关系2.6理想光学系统的放大率2.7节点2.8理想光学系统的组合2.9透镜2.10矩阵方法,39,2.1 近轴光学系统的光路计算,大多数光学系统都是由折、反射球面或平面组成的共轴球面光学系统折射球面系统具有普遍意义光学系统的成像实际上是物体各点发出的光线经光学系统逐面折、反射的结果所以首先讨论单个折射球面折射的光路计算问题，再过渡到整个光学系统实际光学系统中，光线和球面的位置可能是多种多样的，为使推导出的公式在各种情况下都适用，对参数符号做了规定,40,一 基本概念和符号规则,1.基本概念光轴：若光学系统由球面组成，
15、它们的球心位于同一直线上，则称为共轴球面系统，这条直线为该光学系统的光轴。实际上，光学系统的光轴是系统的对称轴子午面：通过物点和光轴的截面物方截距：LOA，像方截距：L=OA物方孔径角:U，像方孔径角：U,E,41,2. 符号规则：光线的传播方向：自左向右为正线段沿轴:以O为原点， L，r，L垂轴 h球面的曲率半径：球心在球面顶点的右方为正，反之为负角度光线与光轴的夹角：光轴转向光线 -U，U光线与法线的夹角：光线转向法线 I，I光轴与法线的夹角：光轴转向法线 ,42,或,（1-9）,在E点，由折射定律得,（1-10）,由图可知,在给定单个折射球面的结构参量 n、n 和r 时，由已知入射光线坐标 L 和U，计算折射后出射光线的坐标L 和U 在AEC中，应用正弦定理有,二 单个折射球面的光路计算,A,E,L,-L,n,n,h,A,O,D,C,-U,U,I,I,r,43,所以,（1-11）,同样，在三角形AEC中应用正弦定理有,化简后得像方截距,（1-12）,（1-9）（1-12）式就是计算子午面内光线光路的 基本公式。给出一组L、U，可计算L、U,
