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1、第一节1、研究光的意义:90%信息由视觉获得，光波是视觉的载体2、光是什么？弹性粒子（牛顿）一弹性波（惠更斯）一电磁波（麦克斯韦）一波粒二象性1905年：爱因斯坦提出光子假设3、光的本质是电磁波光的传播实际上是波动的传播4、物理光学：研究光的本性，并由此来研究各种光学现象（干涉、衍射等） 几何光学：研究光的传播规律和传播现象，把光当做光线。5、可见光：波长在400-760nm范围 红外波段：波长比可见光长紫外波段：波长比可见光短6、单色光：同一种波长 复色光：由不同波长的光波混合而成7、频率和光速，波长的关系 在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变8、实际被成像物体都是由无数发光点组成。包
2、括线光源和面光源。9、在某一时刻，同一光源辐射场的位相相同的点构成的曲面。波面的法线即为几何 光学中所指的光线。10、同心光束：由一点发出或交于一点的光束；对应的波面为球面第二节几何光学的基本定律1、光的直线传播定律：光在各项同性的均匀介质中沿着直线传播。两个条件：均匀 介质，无阻拦。2、光的独立传播定律：以不同路径传播的两条光线同时在空间某点相遇时，彼此互 不影响，独立传播。相遇处的光强度只是简单的相加，总是增强的。（对不同发光点 的发出的光）3、反射定律：入射光线、反射光线和投射点法线三者在同一平面内。入射角=一反 射角（光线转向法线，顺时针方向旋转形成的角度为正，反之为负。）4、折射定律
3、：入射光线、折射光线和投射点法线三者在同一平面内。入射角与折射 角的正弦之比（一定压力和温度条件下为定值）与入射角无关，而与两个介质的性质有关。sin01 * n1 =sin02 * n25、相对折射率：一种介质对另一种介质n的折射率1 真空或空气的折射率n= 全反射：光从光密介质射入到光疏介质n1n2,sin I n而1 = 1 =才=n绝对折射率：介质对2 2 1并且当入射角大于全反射角环时，在二种介质的分界面上光全部返回到原介质中的现象。7、nB0 2A第三节马（Fermat）原理1、光在非均匀介质中的传播遵循的四费马原理，从“光程”的角度来阐述光的传播 规律的。光程：光在介质中传播的距
4、离与该介质折射率的乘积。如右图，光程ABA 111T12s =阳+化+讪=a+d+(b+c)费马原理以平面为界面时，按折射、反射定律，光程为极小值光从一点传播到另一点是沿着光程为极值 c极大、极小、常量的路径传播的。般地，设光在非均匀介质中，s = J tls = J n-dl-费马原理的表述：对其他曲面，光程也可能是极大值或常量对椭球面，(FMF) =FM+MF=常量 对曲面PQ,光程为极大值 对曲面ST,光程为极小值 1.均匀介质中，s=nl 由于n =C/v, I =vt,所以 $ =Ct光线在介质中传播的光程等于光线从一点到另 一点传播的时间与在真空中传播速度的乘积。光线在真空中相同时
5、间内传播的距离。 2.非均匀介质中：ds=n(lln . b$ =(X,儿 zdl/J虫A第四节马吕斯(Malus)定律1、垂直于入射波面的入射光束，经过任意次的反射和折射后，出射光束仍然垂 直于出射波面，并且在入射波面和出射波面间对应点之间的光程都相等，为一 定值。数学表示JA nds = fB nds = fC nds = cABC第五节光学系统和成像的概念1、完善成像：像与物体只有大小的变化没有形状的改变 完善成像条件：等光程。2、特例：单个界面可实现等光程条件： 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3、 等光程的反射面
6、：二次曲面等光程的折射面为二次曲面4、椭球面：对两个定点距离之和为常数的点的轨迹，是以该两点为焦点的 椭圆。对两个焦点符合等光程条件。双曲面：到两个定点距离之差为为 常数的点的轨迹，是该两点为焦点的双曲面。其中一个是实的，一个是 虚的。抛物面：到一条直线和一个定点的距离相等的点的轨迹，是以该 点为焦点，该直线为准线的抛物面。对焦点和无限远轴上点符合等光程。第二章球面和共轴球面系统第一节光线经过单个折射球面的折射1、符号规则总结：(1) 垂轴线段(yh)：光轴之上为“ + ”，反之为“一”(2) 沿轴线段(LL ,r)：顶点到光线与光轴的交点，方向和光线的传播方向相同为 “ + ”，反之为“一”
7、（3.）光线和法线夹角QJ）：光线转向法线，顺时针为“ + ”，反之为“一”（4） 孔径角（U,U）：光轴转向光线，顺为“ + ”，反之为“一”（5.）法线和光轴夹角W :光轴转向法线，顺为“ + ”，反之为“一”（6）折射面之间的距离d：前一个面的顶点到后一面的顶点，方向于光线的传播方 向相同为“ + ”，反之为“一”PS：应用时，先确定参数的正负号，代入公式计算。算出的结果亦应按照数值的正 负来确定光线的相对位置。推导公式时，也要使用符号规则。2、反射情形：看成是折射的一种特殊情形：n3、实际光线经过单个折射球面的光路sin I = Lrrn . r sinU sin I = sin I
8、n牛I -Isin I 、 L = r( 1 + 时)这种通过公式来计算光线实际光路的过程称光路追迹。4、由同一物点A发出的光线，经球面折射后，不交于一点。球面成像不理想。5、球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式（1）U越小，L变化越慢。当U相当小时，L 几乎不变。靠近光轴的光线聚交得越好。 光线离光轴很近，则U、U、I、I都很小。（2）由轴上同一物点发出的近轴光线，经过球面折射以后聚交于轴上同一点，此时A, A互 为物像，称共轭点。轴上物点用近轴光线成像时符合理想成像计算近轴像点位置时，u可任取（3）结论：位于近轴区域内的物点，利用近轴光线成像时，符合（近似地）点对应点的理想hn u
9、- nu = (n - n) rn nn - nl l =rn (卜-)=n (- ) = Qlrlrp/Q为阿贝尔不变量第二节单个折射球面的成像倍率、拉赫不变量3、卩=y=山型 MrM加u1 1n 1yn l口- 卫- , j r ijj-1 = = = 1LtJ“ 1 Q n JU1、横向放大率（垂轴放大率）P :用y和y分别表示物高和像高。符号规则：位 于光轴上方的y、y为正，反之为负。y /y称为垂轴放大率，用0表示2、这就是物像大小的关系式：3、轴向（沿轴）放大率a : 4：角度放大率（角倍率）Y4、能量守恒：当折射率一定时，输入的总能量是nuy，输出的总能量是n u y 根据能量守
10、恒，二者相等。若y增大，则u减小，即像增大，则变暗第三节 共轴球面系统1、截距的过度公式:l = l - d211l 二 l - d322U 1 1U 2 22、光线在折射面上入射高度的过度公式:h2h32、共轴球面系统的拉赫不变量Wl m = w;=兔比儿= j孔径角J表征了这个光学系统的性能，即能以多高的物、多大孔径角的光线入射成像。J值 大，表明系统能对物体成像的范围大，成像的孔径角大，传输光能多。同时， 还与光学系统分辨微细结构的能力有关。所以J大的系统具有高的性能。3、整个系统的垂轴放大率B :y 3*y2y = y , y =1 2 2y y .k=1 *yy1 1卩卩1 2l l
11、 2l l1 2n1nkn1nku u 1 u u 1 22 uk ukl l 12l l .1 2nu11 nk lk lk4、整个系统的轴向（沿轴）放大率（轴向倍率）a :nn (p 2 p 2 n 1 n 21 2np 2n15、整个系统的角度放大率（角倍率）Y :=y y1 21厂fn1n1yk1 n r芳26、三个倍率之间的关系:ayn kn 1第四节球面反射镜1、球面反射镜的物像位置关系：.-I- _ =3、球面反射镜的拉赫不变量:2、球面反射镜的成像倍率:j = nyu=丹”刼第三章理想光学系统 3-1理想光学系统和共线成像1、理想光学系统：任意大的物体以任意宽的光束都能完善成像
12、的一种理想成像模 型。2、理想光学系统一像与物是完全相似的3、理想光学系统 完善成像 物）点对（像）点卫唯一4、理想光学系统理论一高斯光学5、共线成像理论：物空间和 像空间：点 共轭点 直线 共轭直线 直线上的点 共轭直线上的共轭点（共轭：物像这种一一对应的关系）这种点对点、线对线和面对面的成像变换即称为共线成像。共线成像理论是理想光学 系统的理论基础。3-2理想光学系统的基点和基面1、物方焦点和像方焦点不是一对共轭点2、物方焦点和焦平面的性质：通过物方焦点入射的光线，通过光学系统后平行射 出；物方焦平面上轴外任意一点发出的光线，通过光学系统后对应一束和光轴 成一定夹角的平行光线。3、像方焦点
13、和焦平面的性质：平行于光轴入射的任意一条光线，其共轭光线一定 通过F和光轴成一定夹角的平行光束，通过光学系统后必交于像方焦平面 上同一点。4、光学系统总包含一对主点（主平面），一对焦点（焦平面），前者是一对共轭点（面），后者不是。通常总是用一对主平面和两个焦点位置来代表一个光学系统。5、焦距是以主点为原点定正负的！6、y f tanU = - y1 f 1tanU17、对理想光学系统，上式不论对多大的U和U1、y和y1都成立，当然对于小孔 径、小视场的近轴区也适用。在近轴区，有y f u = -ylflul8、与拉赫不变量nuy = nlulyl相比较，则得：fl/ f = -nl/ n此即为
14、理想光学系统 物像方焦距之间的关系。9、多数情况下，光学系统位于同一种介质（如空气）中，即：n1=n，故有：10、f = - fl对于由折反射面组成的光学系统，两焦距间的关系视反射面的个数而定。即：f1/ f = （-1）k+1 n1将两焦距关系代入y f tgU = -y1f 1tanU1式中得理想光学系统的拉赫公式ny tgU = n1y1tgU111、节点和节平面：r=1的一对共轭点，称为节点，过节点垂直于光轴的平面称为 节平面。J、J分别称为物方节点和像方节点。12、物方节点和像方节点的性质：凡是通过物方节点J的光线，其出射光线必定通 过像方节点J并且和入射光线相平行。3-3理想光学系统的物像位置关系
