第一章應(yīng)用光學(xué)——幾何光學(xué)基本原理

1、Applied Optics,1,應(yīng)用光學(xué),Applied Optics,2,光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,Applied Optics,3,光學(xué)的應(yīng)用,工業(yè),工業(yè)：顯微鏡、汽車車身的檢測(cè)、機(jī)器人視覺、材料金相結(jié)構(gòu)等等,Applied Optics,4,通信,日用,工業(yè),軍事,醫(yī)學(xué),天文,光學(xué)的應(yīng)用,農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè)：葉面與果實(shí)的檢測(cè),Applied Optics,5,通信,日用,工業(yè),農(nóng)業(yè),醫(yī)學(xué),天文,光學(xué)的應(yīng)用,軍事,軍事：望遠(yuǎn)鏡、夜視儀、導(dǎo)

2、彈制導(dǎo)、激光測(cè)距、無人駕駛偵探機(jī)、平視顯示器等等,Applied Optics,6,通信,日用,工業(yè),農(nóng)業(yè),醫(yī)學(xué),軍事,光學(xué)的應(yīng)用,天文,天文：資源勘探、星際探索,Applied Optics,7,通信,日用,工業(yè),農(nóng)業(yè),軍事,天文,光學(xué)的應(yīng)用,醫(yī)學(xué),醫(yī)學(xué)：CT、胃鏡、虹膜檢測(cè)、生物檢測(cè),Applied Optics,8,日用,工業(yè),農(nóng)業(yè),醫(yī)學(xué),天文,光學(xué)的應(yīng)用,通信,通信：光纜通訊,軍事,Applied Optics,9,通信,工業(yè),

3、農(nóng)業(yè),醫(yī)學(xué),天文,光學(xué)的應(yīng)用,日用,日用：掃描儀、照相機(jī),軍事,Applied Optics,10,光的本質(zhì),光的本質(zhì)的認(rèn)知過程,1666年牛頓微粒說彈性粒子,1678年惠更斯波動(dòng)說以太彈性波,1801年托馬斯·楊雙縫實(shí)驗(yàn),1873年麥克斯韋電磁場(chǎng)理論,1905年愛因斯坦光子假設(shè),現(xiàn)在波粒二象性,Applied Optics,11,光的本質(zhì),光具有波粒二象性。一般看作電磁波,可見光波長(zhǎng)：400~760

4、nm,Applied Optics,12,研究光傳播的基本規(guī)律和光通過光學(xué)系統(tǒng)成像的原理和應(yīng)用?！皯?yīng)用”包含兩層意思：1、作為粒子看待2、涉及具體的光學(xué)系統(tǒng),應(yīng)用光學(xué)研究?jī)?nèi)容,Applied Optics,13,,課程內(nèi)容,Applied Optics,14,參考書目,1、安連生，《應(yīng)用光學(xué)》，北京理工大學(xué)出版社2、郁道銀，《工程光學(xué)》，機(jī)械工業(yè)出版社3、胡玉禧，《應(yīng)用光學(xué)》，中國(guó)科技大學(xué)出版社,Applied Optic

5、s,15,第一章幾何光學(xué)基本原理,Applied Optics,16,第一章 幾何光學(xué)基本原理,光波和光線幾何光學(xué)基本定律光路可逆和全反射光學(xué)系統(tǒng)類別和成像的概念理想像和理想光學(xué)系統(tǒng),Applied Optics,17,研究光的傳播和光學(xué)成像的規(guī)律對(duì)于設(shè)計(jì)光學(xué)儀器具有本質(zhì)的意義！,1-1 光波和光線,在工農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)以及人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，使用著種類繁多的的光學(xué)儀器，如望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，投影儀等。光學(xué)系統(tǒng)：千差萬(wàn)別 但是

6、其基本功能是共同的：傳輸光能或?qū)λ芯康哪繕?biāo)成像。,Applied Optics,18,從本質(zhì)上講，光是電磁波，它是按照波動(dòng)理論進(jìn)行傳播。,但是按照波動(dòng)理論來討論光經(jīng)透鏡和光學(xué)系統(tǒng)是的傳播規(guī)律或成像問題時(shí)將會(huì)造成計(jì)算和處理上的很大困難，在實(shí)際解決問題時(shí)也不方便。,太不方便了！,Applied Optics,19,按照近代物理學(xué)的觀點(diǎn)，光具有波粒二象性，那么如果只考慮光的粒子性，把光源發(fā)出的光抽象成一條條光線，然后按此來研究光學(xué)系統(tǒng)成像。

7、,問題變得簡(jiǎn)單而且實(shí)用！,Applied Optics,20,幾何光學(xué)：以光線為基礎(chǔ)，用幾何的方法來研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律及光學(xué)系統(tǒng)的成像特性。,點(diǎn)：光源、焦點(diǎn)、物點(diǎn)、像點(diǎn)線：光線、法線、光軸面：物面、像面、反射面、折射面,由于光具有波動(dòng)性，因此這種只考慮粒子性的研究方法只是一種對(duì)真實(shí)情況的近似處理方法。必要時(shí)要輔以波動(dòng)光學(xué)理論。,Applied Optics,21,一. 發(fā)光點(diǎn)幾何上的點(diǎn)是既無大小，又無體積的抽象概念。當(dāng)光源

8、的大小與其作用距離相比可以忽略不計(jì)時(shí)，也可認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)。,,天體,遙遠(yuǎn)的距離,觀察者,Applied Optics,22,任何被成像的物體， 是由無數(shù)個(gè)發(fā)光點(diǎn)組成,1、本身發(fā)光。2、反射光。,因此研究物體成像時(shí)，可以用某些特征點(diǎn)的成像規(guī)律來推斷整個(gè)物體的成像。,Applied Optics,23,二、光線,發(fā)光點(diǎn)向四周輻射光能量，在幾何光學(xué)中將發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光抽象為帶有能量的線，它代表光的傳播方向。,Applied Optics,24,

9、三、波面和光束（無線多條光線的集合）,一個(gè)位于均勻介質(zhì)中的發(fā)光點(diǎn)，它所發(fā)出的光向四周傳播，形成以發(fā)光點(diǎn)為球心的球面波。,某一時(shí)刻相位相同的點(diǎn)構(gòu)成的面，或某一時(shí)刻光波所到達(dá)的位置稱為波面,波面上某一點(diǎn)的法線就是這一點(diǎn)上光的傳播方向，波面上的法線束稱為光束,Applied Optics,25,同心光束：發(fā)自一點(diǎn)或會(huì)聚于一點(diǎn)，為球面波,平行光束：光線彼此平行，是平面波,Applied Optics,26,像散光束：光線既不平行，又不相交，波面

10、為曲面。,在幾何光學(xué)中研究成像時(shí)，主要要搞清光線在光學(xué)元件中的傳播途徑，這個(gè)途徑稱為光路,Applied Optics,27,第一章 幾何光學(xué)基本原理,光波和光線幾何光學(xué)基本定律光路可逆和全反射光學(xué)系統(tǒng)類別和成像的概念理想像和理想光學(xué)系統(tǒng),Applied Optics,28,1-2 幾何光學(xué)基本定律,一、光的直線傳播定律在各向同性的均勻透明介質(zhì)中，光線沿直線傳播。,二、光的獨(dú)立傳播定律不同的光源發(fā)出的光線在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，

11、彼此互不影響。在光線的相會(huì)點(diǎn)上，光的強(qiáng)度是各光束的簡(jiǎn)單疊加，離開交會(huì)點(diǎn)后，各個(gè)光束按原方向傳播。光的獨(dú)立傳播定律意義：考慮某一光線的傳播時(shí)，可不考慮其他光線的影響。,Applied Optics,29,1-2 幾何光學(xué)基本定律,二、光的獨(dú)立傳播定律不同的光源發(fā)出的光線在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，彼此互不影響。在光線的相會(huì)點(diǎn)上，光的強(qiáng)度是各光束的簡(jiǎn)單疊加，離開交會(huì)點(diǎn)后，各個(gè)光束按原方向傳播。光的獨(dú)立傳播定律意義：考慮某一光線的傳播時(shí)，可不考

12、慮其他光線的影響。條件：兩束光為非相干光兩束滿足相干條件的光稱為相干光，這兩束光在相遇區(qū)域：①振動(dòng)方向相同；②振動(dòng)頻率相同；③相位相同或相位差保持恒定,Applied Optics,30,三、折射和反射定律,光的折射和反射定律研究光傳播到兩種均勻介質(zhì)的分界面時(shí)的定律。,（一）折射定律,I：入射角,I’：折射角,Applied Optics,31,（1）折射光線位于由入射光線和法線所決定的平面(入射面）內(nèi)，折射光線和入射光線分居法線兩

13、側(cè)。,（2）入射角的正弦和折射角的正弦之比與兩角度的大小無關(guān),即,,或,Applied Optics,32,,c：在真空中光速，v：在介質(zhì) 中光速,n,n‘:介質(zhì)對(duì)真空的折射率,也稱絕對(duì)折射率，指在真空中光速與介質(zhì)中光速之比:,Applied Optics,33,真空折射率為1，在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，20攝氏度時(shí)空氣折射率為1.00028， 通常認(rèn)為空氣的折射率也為1，把其他介質(zhì)相對(duì)于空氣的折射率作為該介質(zhì)的絕對(duì)折射率。,提示：但是在設(shè)計(jì)高精度

14、的太空中的光學(xué)儀器時(shí)，就必須考慮空氣和真空折射率的不同。,,Applied Optics,34,（2）入射角 I和反射角I’’的絕對(duì)值相同，可表示為,（二）反射定律,（1）反射光線在由入射光線和法線所決定的平面內(nèi),符號(hào)相反說明入射光線和反射光線分居法線兩側(cè)。,Applied Optics,35,第一章 幾何光學(xué)基本原理,光波和光線幾何光學(xué)基本定律光路可逆和全反射光學(xué)系統(tǒng)類別和成像的概念理想像和理想光學(xué)系統(tǒng),Applied Opt

15、ics,36,1-3 光路可逆和全反射,一、全反射,一般情況下，光線射至透明介質(zhì)的分界面時(shí)將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。假設(shè),可知,即折射光線較入射光線偏離法線,由公式,當(dāng)光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí),,Applied Optics,37,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

16、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,當(dāng)入射角增大到I0時(shí)，折射角 ,

17、這時(shí)，折射光線掠過兩介質(zhì)分界面，強(qiáng)度趨于0,當(dāng)入射角 時(shí)，折射光線不再存在，入射光線全部反射，這種現(xiàn)象稱為全反射。,,Applied Optics,38,,當(dāng)光線由折射率為n的介質(zhì)射向空氣時(shí)，則有,對(duì)應(yīng)于 的入射角 I被稱為臨界角,Applied Optics,39,全反射的兩個(gè)條件：,（1）光密到光疏介質(zhì)；,（2）入射角大于臨界角；,全反射的應(yīng)用：,（1）制成各種全反射棱鏡，用于折轉(zhuǎn)光路，代替平面

18、反射鏡。,（2）制造光導(dǎo)纖維。,Applied Optics,40,光導(dǎo)纖維號(hào)稱現(xiàn)代信息系統(tǒng)的神經(jīng),由內(nèi)層折射率較高的纖芯和外層折射率較低的包層組成,,,,,,,,Applied Optics,41,進(jìn)入光纖的光線在纖芯與包層的分界面上連續(xù)發(fā)生全發(fā)射，直至另一端出射。,,,,,,,,S,B,A,當(dāng),大于臨界角時(shí)，就發(fā)生全發(fā)射。,Applied Optics,42,根據(jù)折射定律，又有：,可以得到：,Applied Optics,43,定義

19、 為光纖的數(shù)值孔徑,i0越大，可以進(jìn)入光纖的光能就越多，也就是光纖能夠傳送的光能越多。,這意味著光信號(hào)越容易耦合入光纖！,Applied Optics,44,,二、光路可逆一條光線沿著一定的路線，從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)，如果在B點(diǎn)，按照與B點(diǎn)處出射光線相反的方向投射一條光線，則此光線必沿同一條路線通過A點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為光路可逆。無論通過何種介質(zhì)，經(jīng)過多少次反射和折射，光路可逆現(xiàn)象始終存在。利用這一原理，

20、可以由物求像，也可以由像求物。,Applied Optics,45,1-4 馬呂斯定律和費(fèi)馬原理,一、馬呂斯定律光程：幾何路程與介質(zhì)折射率的乘積只要光線的傳播時(shí)間相同，它們的光程就相同。馬呂斯定律：與某一曲面垂直的一束光線，經(jīng)過任意次折射、反射后，必定與另一曲面垂直，而且位在這兩個(gè)曲面之間的所有光線的光程相等地。,Applied Optics,46,,二、費(fèi)馬原理實(shí)際光線沿著光程為極值（極小、極大、常量）的路線傳播，,Ap

21、plied Optics,47,光的直線傳播定律、獨(dú)立傳播定律、折射和反射定律是幾何光學(xué)的基本定律，是研究光線傳播和成像問題的基礎(chǔ)。幾何光學(xué)的基本定律、馬呂斯定律和費(fèi)馬原理，都能夠說明光線傳播的基本規(guī)律，都可以作為幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，只要知道三者中任意一個(gè)，即可導(dǎo)出其余兩個(gè)。,Applied Optics,48,第一章 幾何光學(xué)基本原理,光波和光線幾何光學(xué)基本定律光路可逆和全反射光學(xué)系統(tǒng)類別和成像的概念理想像和理想光學(xué)系統(tǒng),App

22、lied Optics,49,※光學(xué)系統(tǒng) 的作用之一是對(duì)物體成像，因此必須搞清物像的基本概念和它們的關(guān)系。,※ 物體通過光學(xué)系統(tǒng)（光組）成像，光學(xué)系統(tǒng)(各種光學(xué)儀器)由一系列光學(xué)零件 組成。。,※ 光學(xué)系統(tǒng)一般是軸對(duì)稱的，有一條公共軸線，稱為光軸。這種系統(tǒng)被稱為“共軸系統(tǒng)”,1-4 光學(xué)系統(tǒng)類別和成像的概念,Applied Optics,50,,,,,,具有對(duì)稱軸（光軸）的系統(tǒng)成為共軸光學(xué)系統(tǒng)。沒有對(duì)稱軸的系統(tǒng)稱為非共軸光學(xué)系統(tǒng)。,光

23、軸與透鏡面的交點(diǎn)稱為：頂點(diǎn),Applied Optics,51,由兩個(gè)球面構(gòu)成的透鏡中，通過兩球面球心的直線為光軸。,光軸,頂點(diǎn),,,,,Applied Optics,52,若有一個(gè)面為平面，則光軸通過球面的球心與平面垂直。,頂點(diǎn),,,,,Applied Optics,53,常見光學(xué)零件,1、反射鏡,Applied Optics,54,（1）正透鏡：中心比邊緣厚度大，起會(huì)聚作用（2）負(fù)透鏡：中心比邊緣厚度小，起發(fā)散作用,2、透鏡,Ap

24、plied Optics,55,正透鏡,Applied Optics,56,負(fù)透鏡,Applied Optics,57,3、棱鏡,直角棱鏡,屋脊棱鏡,Applied Optics,58,在光學(xué)儀器中最常用的光學(xué)零件是透鏡。 球面透鏡（系統(tǒng)）：由球面透鏡和球面反射鏡組成的系統(tǒng)。,由這些球面系統(tǒng)（透鏡）組成的光學(xué)系統(tǒng)有對(duì)稱軸，也稱為共軸球面系統(tǒng)。,平面可以看作曲率半徑無窮大的球面。,Applied Optics,59,物像的虛實(shí),※ 由實(shí)

25、際光線成的像，稱為實(shí)像。,在凸透鏡2f 外放一個(gè)點(diǎn)燃的蠟燭，后面放一個(gè)紙屏，當(dāng)紙屏放到某一位置時(shí)，會(huì)在屏上得到蠟燭清晰的像。,如電影，幻燈機(jī)，照相機(jī)成像,Applied Optics,60,有的光學(xué)系統(tǒng)成的像，能被眼睛看到，卻無法在屏上得到,這些像不是由實(shí)際光線相交得來，而是由實(shí)際光線的反向延長(zhǎng)線相交得來。,※ 由實(shí)際光線的反向延長(zhǎng)線相交所得的像稱為虛像。,如照鏡子，顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡等。,Applied Optics,61,與像類似，物也

26、分兩種,※ 實(shí)物：由實(shí)際光線形成的物。,※ 虛物：不是由實(shí)際光線而是由光線的延長(zhǎng)線相交而成的物。,虛物不能人為設(shè)定，它是前一系統(tǒng)所成的像被當(dāng)前系統(tǒng)截取得到的。,如燈泡、蠟燭等，也可以是被照明后發(fā)光的物體，如人物，景物等。,物和像是相對(duì)的，前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像，即為后一光學(xué)系統(tǒng)的物,Applied Optics,62,請(qǐng)判斷物與像的虛實(shí),a. 實(shí)物成實(shí)像,b. 實(shí)物成虛像,c. 虛物成實(shí)像,（對(duì)于第二個(gè)透鏡）,d. 虛物成虛像,App

27、lied Optics,63,注意：物、像的概念是相對(duì)于光組來說的,對(duì)于L1而言，A1B1是AB的像; 對(duì)L2而言，A1B1是物，A’B’是像，則A1B1稱為中間像,Applied Optics,64,※ 物所在的空間為物空間，像所在的空間為像空間，兩者的范圍都是（-∞,+∞）,Applied Optics,65,※ 通常對(duì)于某一光學(xué)系統(tǒng)來說，某一位置上的物會(huì)在一個(gè)相應(yīng)的位置成一個(gè)清晰的像，物與像是一一對(duì)應(yīng)的，這種關(guān)系稱為物與像的共軛

28、。,※ 物點(diǎn)A和像點(diǎn)A'之間沿光軸的距離AA'稱共軛距,Applied Optics,66,第一章 幾何光學(xué)基本原理,光波和光線幾何光學(xué)基本定律光路可逆和全反射光學(xué)系統(tǒng)類別和成像的概念理想像和理想光學(xué)系統(tǒng),Applied Optics,67,什么是理想光學(xué)系統(tǒng)？研究理想光學(xué)系統(tǒng)有什么實(shí)際意義？理想光學(xué)系統(tǒng)有什么特點(diǎn)？,1-5 理想像和理想光學(xué)系統(tǒng),Applied Optics,68,什么是理想光學(xué)系統(tǒng)？物、

29、像空間符合“點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，直線對(duì)應(yīng)直線，平面對(duì)應(yīng)平面”關(guān)系的像成為“理想像”。成像滿足“點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，直線對(duì)應(yīng)直線，平面對(duì)應(yīng)平面”的光學(xué)系統(tǒng)成為“理想光學(xué)系統(tǒng)”。實(shí)際使用的光學(xué)系統(tǒng)除平面鏡以外都不是理想光學(xué)系統(tǒng)，即不能成理想像！,Applied Optics,69,研究理想光學(xué)系統(tǒng)有什么實(shí)際意義？研究理想光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際意義在于用它作為衡量實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。通常把理想光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算公式計(jì)算出來的像稱為實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的理想像。

30、在設(shè)計(jì)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，用它近似表示實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成的位置和大小，即實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始計(jì)算。,Applied Optics,70,理想光學(xué)系統(tǒng)有什么特點(diǎn)？1、光軸上物點(diǎn)的像位于光軸上； 過光軸截面內(nèi)物點(diǎn)的像位于同一平面內(nèi)； 過光軸的任意截面成像性質(zhì)相同。2、位于垂直于光軸的平面內(nèi)的物所成的像，其幾何形狀和物相似。3、已知兩對(duì)共軛面的位置和放大率；或一對(duì)共軛面的位置和放大率，以及軸上兩對(duì)共軛點(diǎn)的位置，則系統(tǒng)成像特性被確定