工程光学预习用基本讲稿

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1、 工 程 光 学 绪 论,一、什么是工程光学？, 从广义角度理解：工程光学就是由光学原理、光学方法和光学技术所组成的， 与工程技术应用相联系的一门学科。, 从狭义角度理解： 工程光学是一门以传统几何光学和波动光学为主要理论 基础，学习和研究光线的传播，光学系统的几何与物理成像，并 联系实际应用的一门课程。, 课程性质：测控专业的必修课，专业基础课，主干课程,附：测控专业培养计划摘录,专业培养要求：本专业学生主要学习精密仪器的光学、机械与 电子学基础理论，测量与控制理论和有关测控仪器的设计方法， 受到现代测控技术和仪器应用的训练，具有本专业测控技术及 仪器系统的应用及设计开发能力。,毕业生应获得

2、以下几方面的知识和能力：1.具有较扎实的自然科学基础，较好的人文、艺术和社会2.较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要 包括机械学、电子学、光学、测量与控制等基础知识；3.掌握光、机、电、计算机相结合的当代测控技术和实验研 究能力，具有本专业测控技术、仪器与系统的设计、开发能力；4.具有较强的外语应用能力；5.具有较强的自学能力、创新主干学科：光学工程、仪器科学与技术,二、为什么要学习工程光学（目的和意义）？,1、大中型精密光学仪器及设备的理解、使用及维护如：高级医疗检测与手术仪器，高端军用通信、目视、测 量与探测系统，大、中型激光器及其应用系统，光纤通信中的 光学系统，航空、航天

3、及空间探测中的大型光学系统，全息制 作与读写系统，微量分析与检测光学系统，遥感环境监测与图 像分析系统，等等。,工程光学与机械学、电子学相结合，形成光机电一体化的 复合型知识结构和技能，将在现代工程技术中发挥极其重要的 作用。以下简单列出基于本科层面的，以工程光学知识为基础 的一些将来可能胜任的工作和就业领域：,2、众多常规基础光学仪器的设计与制造如：显微镜、望远镜、照相机、摄像机、投影仪、测距仪、准直仪、干涉仪、比长仪、验光仪、光束耦合器件、光束整形 与变换器件、波分复用器件，等等。,3、系统监测与控制系统中的光学探测、传输、成像系统的设计与制作如：红外报警系统、远距离或电磁隔离监测与传输系

4、统、 可视成像技术(荧光、微光和夜视)、流水线产品质量在线实时 监控、生产设备的状态监控，列车运行中的动态监测，等等。,5、众多光学学科的知识基础 工程光学与其它学科，如：信息光学、纤维光学、晶体光学、 集成光学、非线性光学、激光光学、光谱学及光电子学等， 有非常紧密的联系，是学习其它光学知识的基础。,4、高精度光学检测方法的理解与综合应用如：利用几何成像、干涉、衍射、全息、光谱、电光效应、 磁光效应、非线性效应等，实现对长度、温度、压力、振动、 密度、折射率、内应力、速度、流场分布、电压、电流、磁场、 辐射、微量元素及其含量等绝大多数物理量的高精度、无接触、 实时和在线检测，等等。,三、本课

5、程的教学特点和相关要求（怎样学习？）,1、教学方式和特点 、本课程系统性极强，知识体系环环相扣，保证出勤率； 、课程基础简单、内容枯燥，概念多、图示多、公式多，要有 足够的学习耐心和积极性，强烈建议：预习1+听课3+复习2； 、快做题、多做题，及时消化掌握所学知识，讲解全部习题； 、强调“学以致用”，富于联想和联系实际地学习； 、达到基本要求前提下，鼓励学习优秀的同学做课程设计； 、培养良好学习方法。内容繁杂，要保持清晰的逻辑思路。 分清主线与支线，重点与非重点，纵向与横向知识，善于概括、 总结、归纳，实现由无序到有序、繁杂到简单的转化。,强烈建议：经常采用自问、自答方式进行学习，即： 运用该

6、知识和方法，能研究和解决什么实际问题？如何实施？,2、成绩考核 总评成绩=平时成绩(30%)+期末考试(70%)， 平时成绩=期中考试40%+课堂测验(兼考勤)40%+作业总评20% 考试内容完全体现教学要求，内容涉及面宽，题型多样化， 如：名词解释、简述、填空、多项选择、正误判断、光路 作图、计算与设计、工程应用等。 特别注意掌握平时基本作业所体现的内容。,3、参考书 .工程光学，张凤林、孙学珠，1988，天津大学出版社； .工程光学，郁道银、谈恒英等，2002，机械工业出版社； .工程光学，刘晨主编，2012，国防工业出版社。,第一章 几何光学基本定律与成像概念,11 发光点、波面、光线和

7、光束,12 几何光学的基本定律,14 成像的基本概念和完善成像条件,13 费马原理（了解）,10 简要补充：光学发展简史,简要补充：光学发展简史（五个发展时期）,1、萌芽时期（远古经历2000多年十五世纪末）对光的直线传播、反射、折射等现象，积累了经验认识并实 践和应用。如平面镜、凹(凸)面镜、透镜、眼镜、针孔暗箱等。,2、几何光学时期（十六十七世纪中叶）建立了反射和折射定律、光程极值原理，出现了光学仪器。 其中望远镜的诞生促进了天文学和航海业的发展；显微镜的发 明使生物学的研究有了强有力的工具。,3、波动光学时期（十七世纪中叶十九世纪）发现了干涉、衍射和偏振等现象，并建立了波动光学理论。 确

8、定了光是电磁波并测定了光速。具有代表性的有： 杨氏双缝，马吕斯偏振，斐索测定光速，迈克斯韦电磁理论等。,4、量子光学时期（十九世纪末二十世纪初）在黑体辐射、光电效应和康普顿效应等实验中，证实了光的 量子性。重大事件有：1887年赫兹发现光电效应，1900普朗克 提出了辐射的量子理论，1905爱因斯坦提出了光子理论。,5、现代光学时期（二十世纪中叶以来）随着激光的出现，光学领域极大扩展、内容极大丰富，先后 形成许多既相对独立又相互交叉的前沿和边缘学科，如： 全息光学、信息(傅立叶)光学、非线性光学、集成光学、晶体 光学、纤维光学、激光光学、激光光谱学、光电子学、电子与 离子光学、大气与海洋光学、

9、量子光学、统计光学，等等 。,第一章 几何光学基本定律与成像概念 第一节 基本概念,1、光波 光波是一种电磁波，其基本特征用三个物理量描述： 光速c、波长、频率f 。三者关系：c=f ，不同介质中， 光速和波长不同：c=c0 /n，=0 /n ， 频率不变! 特别注意： n()问题色散！ 光波按波长或频率可分为：紫外光、可见光、近红外和远红 外光等波段。 工程光学主要研究可见光的光学现象和规律。可见光波段的 波长和频率范围大致为： 波长： 4.010-7 7.510-7 米（真空中） 频率 f ： 7.51014 4.01014 Hz,2、光源 光源： 能辐射光能(包括反射)的物体 发光点或点

10、光源： 无大小、无体积、有能量的几何点 单色光： 具有单一波长的光 复色光： 由多种波长混合而成的光,3、光线、波面、光束 光线：几何光学中，认为光线是无直径、无体积、能传输 能量的几何线。 波面：任一时刻振动位相相同各点构成的曲面，如：平面、 球面和非球面波。 光束：波面上各点的法线的集合称为光束，如：平行光束、 同心光束、像散光束等。 平行光束 平面波(面) 物(像)点 同心光束(球面波),第二节 几何光学的基本定律,3、光的反射与折射定律反射定律：. 入射光线、反射光线、法线同处一个平面内；. 入射角与反射角绝对值相等，符号相反。 I=-I”折射定律：. 入射光线、折射光线、法线同处一个

11、平面内；. 入射角与折射角的正弦之比等于两种介质的折射率之比。即：或:,O,n,n,I,I,-I”,4、光线传播的可逆性,反射定律是折射定律当n= - n时的特殊情况,利用以上定律，可解决光经任何界面后继续 传播的问题，是整个几何光学的理论基础。,5、在某种特殊变换下，折射定律转化为反射定律。,A,B,C,本课程几何光学理论基础=折射定律+平面几何+三角函数,6、全反射现象全反射产生的条件：,光线由光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角时，在 两介质分界面上发生全反射。临界角由：sin Im = n/n 决定。,二、费马原理 光线从空间一点到另一点，沿着光程(或时间) 为极值的路径传播。 数

12、学表述为：sndl0,第三节 费马原理（了解） 费马原理从光程的观点来描述光传播的规律，是几何光学 最基本的定律。,用费马原理可导出光的直线传播、反射和折射定律。, 反射：入射角等于反射角时路径最短,1、成像定义： 2、对像范围：,第四节 成像的基本概念与完善成像条件,用光学系统将物体的形状或其它信息按一定 要求进行再现，以供人眼观察、感光照相或 光电探测的过程。,本课程仅讨论由球面和平面光学元件组成的 光学系统的成像问题。,3、极重要的几个基本概念 物方、像方： 实物与实像： 虚物与虚像： 物空间： 像空间：,由实际光线直接相交而成的物或像。 由实际光线的非实际的延长线(正向或反向 延长)相

13、交而成的物或像。,物体(实物或虚物)发出的实际光线所在的空间。 形成像(实像或虚像)的实际光线所在的空间。,物方：入射光学系统前；像方：出系统后。,以中学“蜡烛+薄透镜成像实验”为例：,像,像,A”,A,A,实物,虚像,虚像虚物,物空间,像空间,n1,n2,n3, 实物与实像： 虚物与虚像： 物空间： 像空间：,由实际光线直接相交而成的物或像。 由实际光线的非实际的延长线(正向或反向 延长)相交而成的物或像。,物体(实物或虚物)发出的实际光线所在的空间。 成像(实像或虚像)的实际光线所在的空间。,光轴,问： 针对第一个透镜的成像，物、像空间折射率为何？ 针对第二个透镜的成像，物、像空间折射率为

14、何？ 针对第三个球面的成像，物、像空间折射率为何？ 针对双透镜系统的成像，物、像空间折射率为何？,n1、n2,n2、n3,n2、n玻,例：,n1、n3,物空间：入射光学系统前的空间，即“输入”空间 。 像空间：经光学系统出射后的空间，即“输出”空间 。,光轴,4、成像完善问题 完善成像的条件：,光学系统物点 像点, 成像完善的情况是很少的。大多数情况，成像是不完善的。仅：平面镜、旋转椭球的焦点、旋转抛物面等情况。（应用举例：固体激光器光泵浦腔）, 在一定条件下(如近轴成像),或采取一些办法(如双胶合),可能尽可能完善地成像。,第二章 球面和球面系统,2-1 基本概念与符号规则,2-2 (单)折

15、射球面,2-4 共轴(多)球面系统,2-3 反射球面,第一节 基本概念与符号规则,一、基本概念,1、光轴：通过球面之球心的直线 2、共轴系统：所有球面的球心均在一条直线上(光轴),3、光线的截距：物方光线截距顶点到物方光线与光轴的交点的距离L 像方光线截距顶点到像方光线与光轴的交点的距离L,4、光线的孔径角：物方孔径角光轴与物方光线的夹角U 像方孔径角光轴与像方光线的夹角U,1. 符号规则的基准方向：从左向右 2. 线段：沿轴线段(L，L，r)以顶点O为起点，左负、右正； 垂轴线段(h，y，y)以光轴为准，上正、下负； 间隔d (O1O2=d)，以前一个面为起点，左负、右正； 3. 角度：光轴与光线组成角度(U，U)： 光轴以锐角方向转到光线，顺时针正、逆时针负； 光线与法线组成角度(I，I)： 光线以锐角方向转到法线，顺正、逆负； 光轴与法线组成角度( ) 光轴以锐角方向转到法线，顺正、逆负。,二、符号规则： 人为规定：,通过各个光学量的正、负，体现光线传播和成像中的物理 意义和物理图像，给出更多、更细和更准确的描述； 执行一套统一的符号规则，便于在应用中表达统一含义， 避免误解和歧意。,4. 符号规则的意义：,5.特别注意：各光学量在图中以字母表示时，若该光学量为负值，则 应冠以“-”号，以保证几何量无正负之分，即“绝对值”。 以数字表示时，不加“-”号，均为“绝对值”。,