第09章工程光学 郁道银 第二版ppt课件
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《工程光学》郁道银版第一章1、已知真空中的光速c=3 m/s,求光在水(n=1.333)、冕牌玻璃(n=1.51)、火石玻璃(n=1.65)、加拿大树胶(n=1.526)、金刚石(n=2.417)等介质中的光速。
解:则当光在水中,n=1.333时,v=2.25 m/s,当光在冕牌玻璃中,n=1.51时,v=1.99 m/s,当光在火石玻璃中,n=1.65时,v=1.82 m/s,当光在加拿大树胶中,n=1.526时,v=1.97 m/s,当光在金刚石中,n=2.417时,v=1.24 m/s。
2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像,若将屏拉远50mm,则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。
解:在同种均匀介质空间中光线直线传播,如果选定经过节点的光线则方向不变,令屏到针孔的初始距离为x,则可以根据三角形相似得出:所以x=300mm即屏到针孔的初始距离为300mm。
3、一厚度为200mm的平行平板玻璃(设n=1.5),下面放一直径为1mm的金属片。
若在玻璃板上盖一圆形纸片,要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片,问纸片最小直径应为多少?解:令纸片最小半径为x,则根据全反射原理,光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射,而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。
而全反射临界角求取方法为:(1)其中n2=1, n1=1.5,同时根据几何关系,利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为:(2)联立(1)式和(2)式可以求出纸片最小直径x=179.385mm,所以纸片最小直径为358.77mm。
4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0,求光纤的数值孔径(即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角)。
解:位于光纤入射端面,满足由空气入射到光纤芯中,应用折射定律则有:n0sinI1=n2sinI2 (1)而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射,使得光束可以在光纤内传播,则有:(2)由(1)式和(2)式联立得到n0 sinI1 .5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上,求其会聚点的位置。
1 、波面:点光源发出的光波向四周传播时,某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面,简称波面。
2 、几何光学的四大基本定律1 )光的直线传播定律:在各向同性的均匀介质中,光是沿着直线传播的。
2 )光的独立传播定律:不同光源发出的光在空间某点相遇时,彼此互不影响,各光束独立传播。
3 )反射定律和折射定律(全反射):全反射:当光线从光密介质向光疏介质入射,入射角大于临界角时,入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中,而没有折射光产生。
sinI m =n ’/n ,其中I m 为临界角。
3 、费马原理光从一点传播到另一点,其间无论经历多少次折射和反射,其光程为极值。
4 、马吕斯定律光线束在各向同性的均匀介质中传播时,始终保持着与波面正交,并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
5 、完善成像条件(3种表述)1)、入射波面为球面波时,出射波面也为球面波;2)、入射光束为同心光束时,出射光束也为同心光束; 3)、物点A 1及其像点A k ’之间任意二条光路的光程相等。
6 、单个折射面的成像公式(定义、公式、意义)rnn l n l n -=-''' r l l 21'1=+ ( 反射球面,n n -=' )7 、垂轴放大率成像特性:β>0,成正像,虚实相反;β<0,成倒像,虚实相同。
|β|>1,放大;|β|<1,缩小。
注:前一个系统形成的实像,若实际光线不可到达,则为下一系统的虚物。
若实际光线可到达,则为下一系统的实物。
8 、理想光学系统两焦距之间的关系nn f f ''-= 9 、解析法求像方法为何?(牛顿公式、高斯公式)1)牛顿公式:2)高斯公式:'11'1f l l =-10 、理想光学系统的组合公式为何?正切计算法'tan '31U h f11 、几种典型的光组组合及其特点(组成、特点和应用)?12、平面光学元件的种类?作用?(4种)平面反射镜,唯一能成完善像的最简单的光学元件,可用于做光杠杆 平行平板,平行平板是个无光焦度的光学元件,不使物体放大或缩小, 反射棱镜,实现转折光路、转像和扫描等功能。
第一章小结(几何光学基本定律与成像概念)1 、光线、波面、光束概念。
光线:在几何光学中,我们通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线。
波面:发光点发出的光波向四周传播时,某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面,简称波面。
光束:与波面对应所有光线的集合称为光束。
2 、几何光学的基本定律(内容、表达式、现象解释)1 )光的直线传播定律:在各向同性的均匀介质中,光是沿着直线传播的。
2 )光的独立传播定律:不同光源发出的光在空间某点相遇时,彼此互不影响,各光束独立传播。
3 )反射定律和折射定律(全反射及其应用):反射定律:1、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,且反射角和入射角绝对值相等,符号相反,即I’’=-I。
全反射:当满足1、光线从光密介质向光疏介质入射,2、入射角大于临界角时,入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中,而没有折射光产生。
sinI m=n’/n,其中I m为临界角。
应用:1、用全反射棱镜代替平面反射镜以减少光能损失。
(镀膜平面反射镜只能反射90%左右的入射光能)2、光纤折射定律:1、折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内;2、折射角的正弦和入射角的正弦之比与入射角大小无关,仅由两种介质的性质决定。
n’sinI’=nsinI。
应用:光纤4 )光路的可逆性光从A点以AB方向沿一路径S传递,最后在D点以CD方向出射,若光从D点以CD方向入射,必原路径S传递,在A点以AB方向出射,即光线传播是可逆的。
5 )费马原理光从一点传播到另一点,其间无论经历多少次折射和反射,其光程为极值。
(光是沿着光程为极值(极大、极小或常量)的路径传播的),也叫“光程极端定律”。
6 )马吕斯定律光线束在各向同性的均匀介质中传播时,始终保持着与波面的正交性,并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
折/反射定律、费马原理和马吕斯定律三者中的任意一个均可以视为几何光学的一个基本定律,而把另外两个作为该基本定律的推论。
《工程光学》郁道银版第一章1、已知真空中的光速c=3 m/s,求光在水(n=1.333)、冕牌玻璃(n=1.51)、火石玻璃(n=1.65)、加拿大树胶(n=1.526)、金刚石(n=2.417)等介质中的光速。
解:则当光在水中,n=1.333时,v=2.25 m/s,当光在冕牌玻璃中,n=1.51时,v=1.99 m/s,当光在火石玻璃中,n=1.65时,v=1.82 m/s,当光在加拿大树胶中,n=1.526时,v=1.97 m/s,当光在金刚石中,n=2.417时,v=1.24 m/s。
2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像,若将屏拉远50mm,则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。
解:在同种均匀介质空间中光线直线传播,如果选定经过节点的光线则方向不变,令屏到针孔的初始距离为x,则可以根据三角形相似得出:所以x=300mm即屏到针孔的初始距离为300mm。
3、一厚度为200mm的平行平板玻璃(设n=1.5),下面放一直径为1mm的金属片。
若在玻璃板上盖一圆形纸片,要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片,问纸片最小直径应为多少?解:令纸片最小半径为x,则根据全反射原理,光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反射临界角时均会发生全反射,而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到金属片。
而全反射临界角求取方法为:(1)其中n2=1, n1=1.5,同时根据几何关系,利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射临界角的计算方法为:(2)联立(1)式和(2)式可以求出纸片最小直径x=179.385mm,所以纸片最小直径为358.77mm。
4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0,求光纤的数值孔径(即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角)。
解:位于光纤入射端面,满足由空气入射到光纤芯中,应用折射定律则有:n0sinI1=n2sinI2 (1)而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射,使得光束可以在光纤内传播,则有:(2)由(1)式和(2)式联立得到n0 sinI1 .5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上,求其会聚点的位置。