工程光学与技术完整课件

工程光学与技术授课教师：段志伟单位：电气信息工程学院联系方式：[e-mail]本课程的基本情况专业基础课先修课程：光学基础，数学基础总学时：48其中：理论学时：40实验学时：8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73%实验17%平时10%绪论光学的发展史光学的分类光的本质本课程在测控领域的应用光---Light，是我们最熟悉的现象之一，没有光，人类就无法生存。万物生长靠太阳！地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！生活中，大自然中有关光的现象无处不在佛光彩虹海市蜃楼日晕光学的分类几何光学物理光学量子光学现代光学几何光学发展最为迅速，荷兰数学家斯涅尔发现的准确的折射定律对于光学仪器的设计和改进具有重要意义！为研究整个光学系统提供了计算的可能。光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。二十世纪六十年代，激光问世。从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许许多多新兴的光学学科，如：傅立叶光学薄膜光学集成光学纤维光学全息光学红外与微光技术等等……光的本性现代物理学认为光具有波、粒二象性：既有波动性，又有粒子性。一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它情况均可以将光看成是电磁波。可见光的波长范围：400-780nm。单色光：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。复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光。白光：由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。Spectrumofelectromagnetic(orHertzian)wave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自动检测与非接触式测量运动员脚下的秘密几何（应用）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。几何（应用）光学的研究目的第一章几何光学的基本原理在工农业、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几何光学的基本概念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、折射面由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子性的研究方法只是一种对真实情况的近似处理方法。必要时要辅以波动光学理论。一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任何被成像的物体，是由无数个发光点组成1、本身发光。2、反射光。因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成像规律来推断整个物体的成像。二光线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。三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。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。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。§1-2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将上式代入并设nnb,nna有：nsinIn'sinI'真空折射率为1，在标准压力下，20摄氏度时空气折射率为1.00028，通常认为空气的折射率也为1，把其他介质相对于空气的折射率作为该介质的绝对折射率。提示：但是在设计高精度的太空中的光学仪器时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。absinInsinI'（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。练习题：在水中深度为处有一发光点Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射光线的延长线与QO交点的深度与入射角的关系。（注：水相对空气的折射率为）y34nQi全反射现象一般情况下，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由公式当光由光密介质射向光疏介质时,nn'§1-3全反射和光路可逆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；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。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。光导纤维号称现代信息系统的神经由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包层组成进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连续发生全发射，直至另一端出射。0ian'nn0'i02i'SBA当02i'大于临界角时，就发生全发射。根据折射定律，又有：00ansininsini'0ian'nn0'i0'2iSBA可以得到：2201aiarcsin(nn')n0ii当入射角时，可以全反射传送，当0ii时，光线将会透过内壁进入包层由得02n'sin(i')nmn'sinIn定义为光纤的数值孔径0sinina越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是光纤能够传送的光能越多。0i这意味着光信号越容易耦合入光纤。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。§1-4费马原理一、光程的概念所谓光程s就是指光在某种介质中传播的几何路径l与所在介质折射率n的乘积。其中，，则：lnsvcntvltctvvcs光程相当于光在同一时间内在真空中所走过的几何路程，故光程又称为光的折合路程。（1）如果光线从A点出发经过N种不同的均匀介质到达B点，则总光程可以表示为：iNiin1][（2）若A和B之间介质的折射率是缓慢改变的，以致折射率随空间的变化率dn/dt在波长数量及内可近似看作常数，则总光程可表示为：BAnd][1Fermat原理的表述古代科学家（如公元前2世纪的埃及人Hero）猜想光的传播遵从最短时间法则，即从A点—B点，光线沿最短时间的路径行进：ABBABABAvdsdttBAndsc1定义光程:折射率n与路程S的积最短时间光程极小二、Fermat原理光从某点传播到另一点的实际路径是使光程取极小值。后来实验发现，绝大部份情况下，光程取极小值，但也有光程取极大值和恒定值的情形。F1PF2的光程取恒定值F1PF2的光程取极大值Fermat原理（1650）的最初表述透镜成像时：物点到像点的光程取恒定值。Fermat原理的现代表述：光从某点传播到另一点的实际路径是使光程取极值或定值。Fermat原理光传播的可逆性原理PP’2用Fermat原理推导几何光学三定律A.直线传播定律B.反射定律C.折射定律验证直线传播定律和反射定律如何用Fermat原理推证折射定律?（1）证明入射光线与折射光线共面；（2）证明Snell定律。即PP:和构成的平面AOBO’n2Sn1S：n1与n2的分界面；（1）证明入射光线与折射光线共面；ABP’POO’O、O’:A、B在分界面S上的垂点；入射光线与折射光线共面APB比AP’B的光程短由两个直角三角形APP’和BPP’的斜边与直角边的长短比较n1n2xai1i2ABOO’Ph2h1光程:PBAP21nn22222121hxanhxnFermat原理要求光程取极值:0dxd(2)证明Snell定律n1n2xai1i2ABOO’Ph2h12211sinsininin022222121dxhxanhxnd022222121hxaxanhxxn练习题：利用费马原理证明光的反射定律不知哪位哲人说过，思考是件快乐事§1-5光学系统类别和成像概念※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由两个球面构成的透镜中，通过两球面球心的直线为光轴。光轴顶点光轴与透镜面的交点称为：顶点若有一个面为平面，则光轴通过球面的球心与平面垂直。光轴顶点透镜分两大类（1）正透镜：中心比边缘厚度大，起会聚作用（2）负透镜：中心比边缘厚度小，起发散作用物像的虚实※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。