第一章 几何光学基本定律与成像概念.ppt

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1、工程光学上上 篇篇几何光学与成像理论n几何光学基本定律与成像概念几何光学基本定律与成像概念n理想光学系统理想光学系统n平面与平面系统平面与平面系统n光学系统中的光阑和光束限制光学系统中的光阑和光束限制n光度学和色度学基础光度学和色度学基础n光线的光路计算及像差理论光线的光路计算及像差理论n典型光学系统典型光学系统n光学系统的像质评价和像差公差光学系统的像质评价和像差公差下篇：物理光学下篇：物理光学n光的电磁理论基础光的电磁理论基础（吸收、色散、散射、傅里叶分析）（吸收、色散、散射、傅里叶分析）n光的干涉光的干涉（干涉条纹、双光束干涉、多光束干涉及应用）（干涉条纹、双光束干涉、多光束干涉及应用）

2、n光的衍射光的衍射（夫琅和费、菲涅尔、分辨率、衍射光栅）（夫琅和费、菲涅尔、分辨率、衍射光栅）n光的偏振光的偏振（双折射、偏振光与偏振器件、磁光、电光效应）（双折射、偏振光与偏振器件、磁光、电光效应）第一章第一章几何光学基本定律与成像概念几何光学基本定律与成像概念 什么是几何光学？什么是几何光学？1 1、几何光学的基本定律、几何光学的基本定律 以以光线光线的概念为基础，用的概念为基础，用几何的方法几何的方法研究光在介质研究光在介质中的传播规律和光学系统的成像特性。中的传播规律和光学系统的成像特性。本章内容本章内容2 2、成像的基本概念和完善成像条件、成像的基本概念和完善成像条件3 3、光路计算

3、与近轴光学系统、光路计算与近轴光学系统4 4、球面光学成像系统、球面光学成像系统一、光波与光线一、光波与光线 光和人类的生产、生活密不可分；人类对光的研究分为两个光和人类的生产、生活密不可分；人类对光的研究分为两个 方面：方面：（1）光的本性，以此来研究各种光学现象，称为光的本性，以此来研究各种光学现象，称为物理光学物理光学；（2）光的传播规律和传播现象称为光的传播规律和传播现象称为几何光学几何光学。第一节第一节 几何光学的基本定律几何光学的基本定律1 1、光的本质、光的本质光就其本质而言是一种光就其本质而言是一种电磁波。电磁波。光学研究史：光学研究史：1666年牛顿提出的年牛顿提出的“微粒说

4、微粒说”；1678年惠更斯的年惠更斯的“波动说波动说”；1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光是一种年麦克斯韦的电磁场提出后，光是一种电磁波；电磁波；1905年爱因斯坦提出了年爱因斯坦提出了“光子光子”说；说；现代物理学认为光具有现代物理学认为光具有波、粒二象性波、粒二象性：既有波动性，又有粒：既有波动性，又有粒子性。子性。一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它情况均可以将光看成是电磁波情况均可以将光看成是电磁波 光波波长范围大约光波波长范围大约10nm 1mm 可见光波长可见光波长380760nm，人眼对555nm黄绿光最敏感

5、单色光：单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，称之为单色光；色，称之为单色光；复色光：复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光；由不同波长的光混合成的光称为复色光；白光白光是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光.真空中光速真空中光速c2.99792458108m/s，在介质中传播速，在介质中传播速度小于度小于c，且随波长的不同而不同。，且随波长的不同而不同。电磁波谱电磁波谱 能够辐射光能量的物体称为能够辐射光能量的物体称为发光体或光源发光体或光源。2、光源、光源 注意两点：注意两点：3、光线、光线 在几何

6、光学中，通常将发光点发出的光在几何光学中，通常将发光点发出的光抽象抽象为许许多为许许多多携带能量并带有方向的几何线，即多携带能量并带有方向的几何线，即光线光线。光线的方向。光线的方向代表光的传播方向。代表光的传播方向。（1）点光源点光源是当光源的大小与辐射光能的作用距离相是当光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，此光源可认为是比可以忽略时，此光源可认为是点光源点光源。例如例如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个发光点。个发光点。（2）无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称为播时统称

7、为发光体发光体。光波是电磁波，任何光源可看作波源，光的传播光波是电磁波，任何光源可看作波源，光的传播正是这种电磁波的传播。正是这种电磁波的传播。4、波面、波面 光波向四周传播时，在某一时刻其光波向四周传播时，在某一时刻其振动位相相同振动位相相同的点所构成的等相位面称为的点所构成的等相位面称为波阵面波阵面，简称，简称波面波面。在各向同性介质中，波面上某点的法线即代表了该在各向同性介质中，波面上某点的法线即代表了该点处光的传播方向，即光是沿着波面法线方向传播的。点处光的传播方向，即光是沿着波面法线方向传播的。因此，波面法线即为光线，与波面对应的所有光线的因此，波面法线即为光线，与波面对应的所有光线

8、的集合称为集合称为光束光束。5、光束、光束b)球面光波与球面光波与会聚光束会聚光束c)平面光波与平面光波与平行光束平行光束同心光束同心光束对应于对应于波面为球面波面为球面的光束称为的光束称为同心光同心光束束。球面光波对应的同心光束按光的传播方向不同又分球面光波对应的同心光束按光的传播方向不同又分为为会聚光束和发散光束会聚光束和发散光束。与平面波相对应的是与平面波相对应的是平行光束平行光束，是同心光束的一种，是同心光束的一种特殊形式特殊形式波面与光束波面与光束a)球面光波与球面光波与发散光束发散光束 像散光束像散光束 一般来讲，同心光束或平行光束经过实际光学系统一般来讲，同心光束或平行光束经过实

9、际光学系统后，由于像差的作用，将不再是同心光束或平行光束，后，由于像差的作用，将不再是同心光束或平行光束，对应的光波为非球面波。对应的光波为非球面波。FtFsa1b1a2a3b2b3c1c2c3非球面波和对应的非球面波和对应的像散光束像散光束二、几何光学的基本定律二、几何光学的基本定律 几何光学把研究光经过介质的传播问题归结为如下四个基本几何光学把研究光经过介质的传播问题归结为如下四个基本定律，它是我们研究各种光的传播现象和规律以及物体经过光定律，它是我们研究各种光的传播现象和规律以及物体经过光学系统的成像特性的基础。学系统的成像特性的基础。（1 1）光的直线传播定律光的直线传播定律（2 2）

10、光的独立传播定律光的独立传播定律（3 3）光的折射定律光的折射定律（4 4）光的反射定律光的反射定律1 1、光的直线传播定律、光的直线传播定律 2 2、光线的独立传播定律、光线的独立传播定律 在各向同性的均匀介质中，光线按直线传播。例子：影子的在各向同性的均匀介质中，光线按直线传播。例子：影子的形成、日食、月蚀等。形成、日食、月蚀等。不同的光线以不同的方向通过某点时，彼此互不影响，在空不同的光线以不同的方向通过某点时，彼此互不影响，在空间的这点上，其效果是通过这点的几条光线的作用的叠加。利间的这点上，其效果是通过这点的几条光线的作用的叠加。利用这一规律，使得对光线传播情况的研究大为简化。用这一

11、规律，使得对光线传播情况的研究大为简化。3、光的折射定律与反射定律、光的折射定律与反射定律入射光线入射光线AO入射到两种介质的分界入射到两种介质的分界面面PQ上，在上，在O点发生点发生折反射折反射。其中，反。其中，反射光线为射光线为OB，折射光线为，折射光线为OC，NN为为界面上界面上O点处的法线。入射光线、反射点处的法线。入射光线、反射光线和折射光线与法线的夹角光线和折射光线与法线的夹角I、I、I 分别称为分别称为入射角入射角、反射角反射角和和折射角折射角，它，它们均们均以锐角度量以锐角度量，由光线转向法线，顺由光线转向法线，顺时针方向旋转形成的角度为正时针方向旋转形成的角度为正,反之为反之

12、为负负.反射定律归结为：反射定律归结为：（1）反射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；）反射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；（2）反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角与入射）反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角与入射角的绝对值相等，符号相反，即：角的绝对值相等，符号相反，即：I=-I 折射定律归结为：折射定律归结为：（1）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；（2）折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，）折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两种介质的性质决定，即仅由两种介质的性质决定，即：

13、nsinI=nsinI 关于折射率关于折射率 折射率是表征透明介质光学性质的重要参数，是用来描述介质折射率是表征透明介质光学性质的重要参数，是用来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。中的光速相对于真空中的光速减慢程度的物理量。vcn介质中光速真空中光速折射率折射率定义：定义：因为真空中的折射率为因为真空中的折射率为1，故把介质相对于真空的折射率称为，故把介质相对于真空的折射率称为绝对折射率。绝对折射率。空气的折射率：空气的折射率：标准条件标准条件(大气压强大气压强 p=101275Pa=760mmHg，温度温度 t=293K=20)下，空气的下，空气的折射率折射率n=1.000

14、273。为方便起见，常把介质为方便起见，常把介质相对于空气的相对折射率相对于空气的相对折射率作为该介质作为该介质的绝对折射率，简称的绝对折射率，简称折射率折射率。折射定律与反射定律的转化折射定律与反射定律的转化 在在nsinI=nsinI中，令中，令n=-n，则有，则有I=-I，即，即折射定律转化为折射定律转化为反射定律。反射定律。4、全反射现象、全反射现象 在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，没有折射光产生，这种现象称为光的中，没有折射光产生，这种现象称为光的全反射现象全反射现象。光密介质与光疏介质光密介质与光疏介质把分

15、界面两边折射率较高的介质称为把分界面两边折射率较高的介质称为光密介质光密介质，而把折射率较低的介质称为，而把折射率较低的介质称为光疏介质光疏介质。当光从当光从光密介质光密介质射向射向光疏介质光疏介质且入射角且入射角 I 增大到某一程度时，增大到某一程度时，折射角折射角 I 达到达到90，折射光线沿界面掠射出去，这时的入射角，折射光线沿界面掠射出去，这时的入射角称为称为临界角临界角，记为，记为Im，sinIm=n/n。若入射角继续增大，入射角。若入射角继续增大，入射角大于临界角的那些光线不能折射进入第二种介质，而全部反射大于临界角的那些光线不能折射进入第二种介质，而全部反射回的一种介质，即发生了

16、全反射现象。回的一种介质，即发生了全反射现象。发生全反射的条件：发生全反射的条件：（1）光线从光密介质射向）光线从光密介质射向光疏介质；光疏介质；（2）入射角大于）入射角大于临界角临界角。光光密密介质介质光光疏疏介质介质全反射现象全反射现象 全反射现象的应用全反射现象的应用 1、用于改变光路方向、用于改变光路方向 利用各种利用各种全反射棱镜代替平面镜，以减少光能损失。从理论全反射棱镜代替平面镜，以减少光能损失。从理论上讲，全反射棱镜可将入射光全部反射，而镀有反射膜层的平上讲，全反射棱镜可将入射光全部反射，而镀有反射膜层的平面反射镜只能反射面反射镜只能反射90%左右的入射光能。左右的入射光能。加屋脊棱镜转像光学系统加屋脊棱镜转像光学系统加加Porro(保罗保罗)棱镜转像的光学系统棱镜转像的光学系统(望远镜望远镜)光纤结构光纤结构光纤光纤通常用光纤光纤通常用d=560m的透明丝作芯料，的透明丝作芯料，为光密介质；外有包层，为光疏介质。只要满足光线在其中全为光密介质；外有包层，为光疏介质。只要满足光线在其中全反射，则可实现无损传输。反射，则可实现无损传输。2、光纤、光纤广泛应用于光纤通信和各