北京理工大学应用光学课件教材(全套整合)李林

第一章几何光学基本原理应用光学讲稿对成像的要求本章要解决的问题：像与成像的概念光是怎么走的？－－光的传播规律光是什么？－－光的本性问题应用光学讲稿第一节光波与光线研究光的意义:90%信息由视觉获得,光波是视觉的载体光是什么？弹性粒子－弹性波－电磁波－波粒二象性1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波1905年：爱因斯坦提出光子假设20世纪：人们认为光具有波粒二象性应用光学讲稿第一节光波与光线一般情况下,可以把光波作为电磁波看待，光波波长：λ应用光学讲稿•光的本质是电磁波•光的传播实际上是波动的传播物理光学：研究光的本性，并由此来研究各种光学现象几何光学：研究光的传播规律和传播现象应用光学讲稿可见光：波长在400-760nm范围红外波段：波长比可见光长紫外波段：波长比可见光短应用光学讲稿可见光：400-760nm单色光：同一种波长复色光：由不同波长的光波混合而成频率和光速，波长的关系在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变c应用光学讲稿几何光学的研究对象和光线概念•研究对象不考虑光的本性研究光的传播规律和传播现象特点不考虑光的本性，把光认为是光线应用光学讲稿光线的概念能够传输能量的几何线，具有方向光线概念的缺陷2.绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的采用光线概念的意义：1.用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影子、日食、月食应用光学讲稿光线是能够传输能量的几何线，具有方向光波的传播问题就变成了几何的问题所以称之为几何光学当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、衍射时，再采用物理光学的原理应用光学讲稿光线与波面之间的关系•波面：波动在某一瞬间到达的各点组成的面At时刻t+Δt时刻应用光学讲稿光线是波面的法线波面是所有光线的垂直曲面同心光束：由一点发出或交于一点的光束；对应的波面为球面应用光学讲稿像散光束：不严格交于一点，波面为非球面应用光学讲稿平行光束波面为平面应用光学讲稿一、光的传播现象的分类第二节几何光线基本定律灯泡空气玻璃应用光学讲稿光的传播可以分类为：1、光在同一种介质中的传播；2、光在两种介质分界面上的传播。应用光学讲稿二、几何光学基本定律1、光线在同一种均匀透明介质中时：直线传播成分均匀透光2、光线在两种均匀介质分界面上传播时:反射定律，折射定律应用光学讲稿R1I2I1CBAONNAO:入射光线OB:反射光线OC:折射光线NN:过投射点所做的分界面法线I1:入射光线和分界面法线的夹角，入射角R1:反射光线和分界面法线的夹角，反射角I2:折射光线和分界面法线的夹角，折射角应用光学讲稿入射面：入射光线和法线所构成的平面反射定律：反射光线位在入射面内；反射角等于入射角I1=R1。折射定律：折射光线位在入射面内；入射角正弦和折射角正弦之比，对两种一定介质来说是一个和入射角无关的常数。SinI1SinI2n1,2称为第二种介质相对于第一种介质的折射率=n1,2应用光学讲稿对于不均匀介质可看作由无限多的均匀介质组合而成，光线的传播，可看作是一个连续的折射直线传播定律反射定律折射定律几何光学的基本定律应用光学讲稿第三节折射率和光速一、折射定律和折射率的物理意义折射定律：折射光线在入射面内SinI1SinI2＝n1,2n1,2:第二种介质相对于第一种介质的折射率应用光学讲稿I212I1AON´N12PQO´Q´tvQQ1'tvOO2'''sin2OQOOI''sin1OQQQI2,121''sinsinnOOQQII2,12121sinsinnvvII应用光学讲稿SinI1υ1SinI2υ2=n1,2第二种介质对第一种介质折射率等于第一种介质中的光速与第二种介质中的光速之比。=折射率的物理意义折射率与光速之间的关系应用光学讲稿二、相对折射率与绝对折射率1、相对折射率：一种介质对另一种介质的折射率2、绝对折射率介质对真空或空气的折射率2,12121sinsinnvvIIvcn应用光学讲稿3、相对折射率与绝对折射率之间的关系相对折射率：υ1υ2n1,2=第一种介质的绝对折射率：第二种介质的绝对折射率：Cυ1n1=Cυ2n2=所以n1,2=n2n1应用光学讲稿三、用绝对折射率表示的折射定律SinI1SinI2＝n1,2由n1,2=n2n1有SinI1SinI2n2n1=或n1SinI1=n2SinI2应用光学讲稿课堂练习：判断光线如何折射空气n=1水n=1.33I1I2玻璃n=1.5空气n=1I1应用光学讲稿空气n小玻璃n大cI1空气n小玻璃n大应用光学讲稿第四节光路可逆和全反射一、光路可逆AB1、现象应用光学讲稿2、证明直线传播：AB反射：I1=R1R1=I1折射：n1SinI1=n2SinI2n2SinI2=n1SinI1I1R1ABI2C应用光学讲稿3、应用光路可逆：求焦点光学设计中，逆向计算：目镜，显微物镜等应用光学讲稿二、全反射1、现象水空气AI1R1I2O1O2O3O4I0应用光学讲稿2、发生全反射的条件必要条件：n1n2由光密介质进入光疏介质充分条件：I1I0入射角大于全反射角120sinnnI1870年，英国科学家丁达尔全反射实验应用光学讲稿当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻璃的折射率不同、对应的临界角不同n1.51.521.541.561.581.601.621.641.66I041°48’41°8’40°30’39°52’39°16’38°41’37°7’37°7’37°3’应用光学讲稿3、全反射的应用用棱镜代替反射镜：减少光能损失应用光学讲稿测量折射率待测样品nB低nA高I0暗亮ABnnI0sin0sinInnAB应用光学讲稿第六节光学系统类别和成像的概念各种各样的光学仪器显微镜:观察细小的物体望远镜:观察远距离的物体各种光学零件——反射镜、透镜和棱镜应用光学讲稿光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求应用光学讲稿光学系统分类按介质分界面形状分：球面系统：系统中的光学零件均由球面构成非球面系统：系统中包含有非球面共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一条对称轴线今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、按有无对称轴分：共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴非共轴系统：没有对称轴线应用光学讲稿二、成像基本概念1、透镜类型正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转应用光学讲稿2、透镜作用－－－成像AA’A’点称为物体A通过透镜所成的像点。而把A称为物点A′为实际光线的相交点，如果在A′处放一屏幕，则可以在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。A和A′称为共轭点。A’与A互为物像关系，在几何光学中称为“共轭”。应用光学讲稿3、透镜成像原理正透镜：正透镜中心比边缘厚，光束中心部分走的慢，边缘走的快。AOPQPQO’A’P’Q’成实像应用光学讲稿负透镜:负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，光束中心部分走得快，边缘走得慢。AA’成虚像应用光学讲稿思考：正透镜是否一定成实像？负透镜是否一定成虚像？应用光学讲稿•名词概念•像：出射光线的交点•实像点：出射光线的实际交点•虚像点：出射光线延长线的交点•物：入射光线的交点•实物点：实际入射光线的交点•虚物点：入射光线延长线的交点应用光学讲稿像空间：像所在的空间实像空间：系统最后一面以后的空间虚像空间：系统最后一面以前的空间整个像空间包括实像和虚像空间物空间：物所的空间实物空间：系统第一面以前的空间虚物空间：系统第一面以后的空间整个物空间包括实物和虚物空间注意：虚物的产生虚像的检测应用光学讲稿物像空间折射率确定物空间折射率：按实际入射光线所在的空间折射率计算像空间折射率按实际出射光线所在的空间折射率计算应用光学讲稿第七节理想像和理想光学系统为什么要定义理想像如果要成像清晰，必须一个物点成像为一个像点应用光学讲稿如果一个物点对应唯一的像点则直线成像为直线直线OO为入射光线，其对应的出射光线为QQ，需要证明QQ是OO的像。在OO上任取一点A，OO可看作是A点发出的很多光线中的一条，A的唯一像点为A’，A’是所有出射光线的会聚点，A’当然在其中的一条QQ上。因为A点是在OO上任取的，即OO上所有点都成像在QQ上，所以QQ是OO的像应用光学讲稿如果一个物点对应唯一的像点则平面成像为平面应用光学讲稿符合点对应点，直线对应直线，平面对应平面的像称为理想像能够成理想像的光学系统称为理想光学系统应用光学讲稿共轴理想光学系统的成像性质1.轴上点成像在轴上.A1’A..A2’2.位在过光轴的某一截面内的物点对应的像点位在同一平面内3.过光轴任一截面内的成像性质是相同的空间的问题简化为平面问题，系统可用过光轴的一个截面来代表应用光学讲稿共轴理想光学系统的成像性质4.当物平面垂直于光轴时，像平面也垂直于光轴应用光学讲稿5.当物平面垂直于光轴时，像与物完全相似yy'像和物的比值叫放大率所谓相似，就是物平面上无论什么部位成像，都是按同一放大率成像。即放大率是一个常数应用光学讲稿PQOPGHAB常数PQGHOPAB''''''''QPPOHGBA常数''''''''QPHGPOBA应用光学讲稿6.对于共轴光学系统，如果已知：或者(2)一对共轭面的位置和放大率，以及轴上两对共轭点的位置则其它任意物点的像均可求出基点，基面(1)两对共轭面的位置和放大率应用光学讲稿已知:两对共轭面的位置和放大率已知:一对共轭面的位置和放大率，和轴上两对共轭点的位置应用光学讲稿光程光线在介质中所走过的几何路程和折射率的乘积称为光程。光程等于在相同的时间内，光在真空中传播的几何路程。两个波面之间的所有光线的光程都相等。snL理想成像的条件：等光程物点和像点间的所有光线的光程都相等。应用光学讲稿双曲面：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。对内焦点和外焦点符合等光程条件。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。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。等光程的反射面:二次曲面对于反射面，通常都是利用等光程的条件：等光程的折射面二次曲面应用光学讲稿•两镜系统基本结构形式应用光学讲稿应用光学讲稿•常用两镜系统•1、经典卡塞格林系统•主镜为凹的抛物面，副镜为凸的双曲面，抛物面的焦点和双曲面的的虚焦点重合，经双曲面后成像在其实焦点处。卡塞格林系统的长度较短，主镜和副镜的场曲符号相反，有利于扩大视场。•2、格里高里系统•主镜为凹的抛物面，副镜为凹的椭球面，抛物面的焦点和椭球面的一个焦点重合，经椭球面后成像在其另一个实焦点处。•3、R-C系统•主镜副镜均为双曲面。应用光学讲稿•4、马克苏托夫系统•主镜副镜均为椭球面。•5、库特系统•主镜副镜均为凹面。•6、同心系统•7、无焦系统第二章共轴球面系统的物像关系本章内容：共轴球面系统求像。由物的位置和大小求像的位置和大小应用光学讲稿§2-1共轴球面系统中的光路计算公式求一物点的像，即求所有出射光线位置，交点就是该物点的像点。因为所有的球面的特性是一样的，只须导出光线经过一个球面折射时由入射光线位置计算出射光线位置的公式,即球面折射的光路计算公式。因为所有出射光线位置的求法是相同的，只须找出求一条出射光线的方法即可。应用光学讲稿φUˊUOCAAˊnnˊPLrL’II’Q表示光线位置的坐标入射光线与光轴的焦点A到球面顶点的距离L入射光线与光轴的夹角U像方相应地用L’、U’表示应用光学讲稿球面半径r折射率n、n’入射光线坐标L、u法线与光轴的夹角ψ已知求折射光线坐标L’、U’应用光学讲稿对△APC应用正弦定理得到UrIrLsinsin由此得到(2-1)根据折射定律（1-5）