工程光学完整课件1

工程光学本课程的基本情况专业基础课总学时：64其中：理论学时：48实验学时：16教材及参考书教材：《工程光学》郁道银谈恒英机械工业出版社参考书：《应用光学》胡玉禧安连生中国科技大学出版社《应用光学》王文生华中科技大学出版社考核方式闭卷考试总评成绩比例：卷面70%实验20%平时10%绪论光学的发展史光学的分类本课程在测控领域的应用彩虹课题引入：生活中，大自然中有关光的现象无处不在日晕提问环节光学的分类几何光学物理光学量子光学现代光学工程光学在测控领域的应用精密仪器设计及制造潜望镜红外雷达和平视显示器运动员脚下的秘密光学的研究内容采用光的直线传播概念，研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的原理和应用。通过本门课程的学习，使大家了解在光电测量仪器设计中所需的一些基本概念、基本设计术语、基本设计方法等等。光学的研究目的第一章几何光学的基本原理§1.1几何光学的基本定律§1.2成像的基本概念与完善成像条件§1.3光路计算与近轴光学系统§1.4球面光学成像系统本章内容在工农业、科学技术以及人类生活的各个领域，使用着种类繁多的的光学仪器，如望远镜，显微镜，投影仪等。光学系统：千差万别,但是其基本功能是共同的：传输光能或对所研究的目标成像。研究光的传播和光学成像的规律对于设计光学仪器具有本质的意义！§1.1几何光学的基本定律从本质上讲，光是电磁波，它是按照波动理论进行传播。•但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系统是的传播规律或成像问题时将会造成计算和处理上的很大困难，在实际解决问题时也不方便。好累！太不方便了！按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光抽象成一条条光线，然后按此来研究光学系统成像。问题变得简单而且实用！几何光学：以光线为基础，用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。点：光源、焦点、物点、像点线：光线、法线、光轴面：物面、像面、反射面、折射面下面我们来分别认识它们吧！发光点几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也可认为是一个点。天体遥远的距离观察者光线发光点向四周辐射光能量，在几何光学中将发光点发出的光抽象为带有能量的线，它代表光的传播方向。某一时刻相位相同的点构成的面称为波面。波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方向，波面上的法线束称为光束。光束一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光向四周传播，形成以发光点为球心的球面波。同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波。平行光束：光线彼此平行，是平面波。像散光束：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元件中的传播途径，这个途径称为光路。实际做法：从光束中取出一个适当的截面，再求出其上几条光线的光路，即可解决成像问题。这种截面称为光束截面。重点：几何光学基本定律一、光的直线传播定律在各向同性的均匀透明介质中，光线沿直线传播。二、光的独立传播定律不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼此互不影响。在光线的相会点上，光的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后，各个光束按原方向传播。三、折射和反射定律光的折射和反射定律研究光传播到两种均匀介质的分界面时的定律。（一）折射定律na出射光线入射光线法线II’ONQnbI：入射角I’：折射角（1）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线分居法线两侧。（2）入射角的正弦和折射角的正弦之比与两角度的大小无关，仅决定于介质的性质，为一恒量nab即nab:介质b对介质a的相对折射率，如果介质a为真空，则介质b对真空的折射率也称为绝对折射率，用表示nbabsinInsinI'na出射光线入射光线法线II’ONQnb也可表述为：bbvcnC：在真空中光速，：在介质b中光速vb两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示baabvvn对上式变换abbabaabnnnCnCvvn两种介质的相对折射率等于两介质的绝对折射率之比（2）入射角I和反射角I’’的绝对值相同，可表示为（二）反射定律II（1）反射光线在由入射光线和法线所决定的平面内反射光线入射光线法线INI”O符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。下面大家来做一道练习题：在水中深度为y处有一发光点Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射光线的延长线与QO交点Q＇的深度与入射角i的关系。（注：水相对空气的折射率为n=4/3）一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发生反射和折射现象。nsinIn'sinI'可知，若：sinIsinI'即折射光线较入射光线偏离法线，下面我们来看看全反射现象的发生由公式四、光的全反射nn则：n1n2IncidentbeamReflectedbeamRefringentbeamθC不可能大于1，此时入射光线将不能射入另一介质。sinI'按照反射定律在介面上全部被反射回原介质对应于的入射角被称为临界角1sinI'InnIm'sin记为,可知mI重点：全反射的两个条件（1）光密到光疏介质；（2）入射角大于临界角；下面我们来看看全反射的应用：（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代替平面反射镜。（2）制造光导纤维。光的直线传播定律、独立传播定律、折射和反射定律是几何光学的基本定律，是研究光线传播和成像问题的基础。※从上述定律可以得到光线传播的一个重要原理—光路的可逆性原理。利用这一原理，可以由物求像，也可以由像求物。五、光路的可逆原理※光学系统的作用之一是对物体成像，因此必须搞清物像的基本概念和它们的关系。※物体通过光学系统（光组）成像，光学系统(各种光学仪器)由一系列光学零件组成。※光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，称为光轴。这种系统被称为“共轴系统”光轴§1.2成像的基本概念与完善成像条件在光学仪器中最常用的光学零件是透镜，目前绝大多数是球面透镜（系统）。双凸正月牙平凸平凹负月牙双凹由这些球面系统（透镜）组成的光学系统有对称轴，也称为共轴球面系统物像的虚实※由实际光线成的像，称为实像。在凸透镜2f外放一个点燃的蜡烛，后面放一个纸屏，当纸屏放到某一位置时，会在屏上得到蜡烛清晰的像。如电影，幻灯机，照相机成像有的光学系统成的像，能被眼睛看到，却无法在屏上得到这些像不是由实际光线相交得来，而是由实际光线的反向延长线相交得来。※由反射或折射光线的反向延长线相交所得的像称为虚像如照镜子，显微镜，望远镜等。F’F’与像类似，物也分两种※实物：自己发光的物体。※虚物：不是由实际光线而是由光线的延长线相交而成的物。虚物不能人为设定，它是前一系统所成的像被当前系统截取得到的。如灯泡、蜡烛等，也可以是被照明后发光的物体，如人物，景物等。AA’A判断虚实小窍门：※实物，虚像对应发散的同心光束。※虚物，实像对应汇聚的同心光束。照相机实物物的虚像照相机的实物练习题：请判断下列物与像的虚实AA’AA’AA’AA’a.实物成实像b.实物成虚像c.虚物成实像（对于第二个透镜）d.虚物成虚像如果光学系统的所有界面均为球面，则称为球面系统。各球面球心位于一条直线上的球面系统，称为共轴球面系统。连接各球心的直线称为光轴。光轴与球面的交点称为顶点。一、基本概念§1.3光路计算与近轴光学系统球面顶点：O球面曲率中心：C球面曲率半径：r球面光轴：连接O、C而得的直线。子午面：由光轴和物点确定的平面。截距：顶点O到光线与光轴的交点的距离孔径角：光线与光轴的夹角二、符号法则（1）线段量沿轴线段（如L（L′）、r）光线传播由左向右，以折（反）射面顶点为原点（起点），顺光线传播方向为正；逆光线传播方向为负。垂轴线段(h)光轴以上为正；光轴以下为负。（2）角度量——锐角度量孔径角U、U′从光轴起算，光轴转向光线，顺时针为正，逆时针为负。入射角、折射角从光线起算，光线转向法线，顺时针为正，逆时针为负。③光轴与法线的夹角（如）从光轴起算，光轴转向法线，顺时针为正，逆时针为负。（3）绝对值标注图上出现的各长度、角度等几何量，均要求标以正值。对于按符号法则被确定为负值的参量，须在表示该量的字符前加“一”号，以表示其正值符号规则是人为规定的，一经定下，就要严格遵守，只有这样才能导出正确结果！计算光线经过单个折射面的光路，是已知球面曲率半径r，介质折射率n，n′及光线物方坐标L和U，求像方坐标L′，U′。实际光线的光路计算rULrI)sin()()180sin(o一、单折射球面光路计算在△AEC中，利用正弦定理得：由折射定律''UIUI)(UI由图rUrLI'sin''sinECA'在中，应用正弦定律得：子午面内实际光线的光路计算公式InnIsin''sin''IIUU（2-1）（2-2）（2-3）（2-4）rrUIL'sin'sin'UrrLIsinsin同一物点发出的不同孔径的光线，经折射后具有不同L′值。即同心光束经折射后，出射光束不再是同心光束。n'nA'RA'BA'GAsinhIr式中，h为平行光线到光轴的距离物点位于物方轴上无限远时，光线平行于光轴射入球面，此时有：二.近轴光路计算公式将由轴上物点发出的光线倾角限制在一个很小的范围内，以致于可视为1，可用的弧度值来代替,把满足这样条件的光线称为近轴光线，满足这样条件的区域称为近轴区域。cossin孔径角U很小时，用弧度值替换正弦值，并采用小写字母表示：Uusin~Iisin~Ll~'~'LlIisin~'sin~'Uuurrliinni''''iiuu)1('''uirl（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）近轴区光路计算公式：三、近轴区域物像关系将上述公式代换，整理得：'''()hnnnunur该式表明了物像方孔径角的相互关系。（2-13）Qlrnlrn)11()11(再经过代换：Q公式中的称为阿贝不变量，该式表明对于单个折射球面，物空间与像空间Q相等，随共轭点位置而异。（2-12）rnnlnln（2-14）（2-13）两侧同除以h得：该式为物像位置公式，表明用一个坐标（参量）就能决定近轴光像点位置。轴上点成像只需知道位置即可，但如果是有一定大小物体经球面成像后，只知道位置就不够了，还需知道成像的大小、虚实、倒正。§1.4球面光学成像系统（一）垂轴放大率垂直于光轴，大小为y的物体经折射球面后成的像大小为y’,则β称为垂轴放大率或横向放大率y'yA-lOE-uCrA’u’nn’l’hy-y’BB’△ABC∽△A’B’C有：y'l'rylr由阿贝不变量公式可得：l'rnl'lrn'l代入上式可得：y'nl'yn'l可见β只取决于介质折射率和物体位置。A-lOE-uCrA’u’nn’l’hy-y’BB’根据β的定义和公式，可以确定物体的成像特性：（1）若β0,即y与y’同号，表示成正立像。反之成倒立像。对垂轴放大率的讨论（2）若β0,即l与l’同号，表示物象在折射球面同侧，物像虚实相反。反之l与l’异号，物像虚实相同。可归结为：β0,成正立像且物像虚实相反。β0,成倒立像且物像虚实相同。l’l（3）若|β|1,则|y’||y|，成放大像，反之|y’||y|，成缩小像y'nl'yn'l还可发现，当物体由远而近时，即l变小，则β增大！！成像的位置、大小、虚实、倒正极为重要！！！（二）轴向放大率轴向放大率表示光轴上一对共轭点沿轴向移动量之间的关系。它定义为物点沿光轴作微小移动dl时，所引起的像点移动量dl’与dl之比，用α表示。dl'dl对公式n'nn'nl'lr求微分，有220n'dl'ndll'l22dl'nl'dln'l整理后由于nl'n'l所以2n'n（1）折射球面的轴向放大率恒为正，说明物点沿轴向移动时，像点沿光轴同方向移动。（2）轴向与垂直放大率不等，空间物体成像时要变形，立方体放大后不再是立方体。折射球