工程光学基础(机械工业出版社,郁道银主编)课件-第一章【免费】

na
O i’ A’
nb
（一）折射定律
A i O i’ A’ 即
法线
na nb
（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 n ab
sin i nab sin i '
两种介质的相对折射率等于两介质的绝对 折射率之比。
sin I nab 并设 将上式代入 sin I '
n a n , nb n
有：
n sin I n' sin I '
真空折射率为1，在标准压力下，20摄氏度时空 气折射率为1.000273，
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。
E n A O h r
n’ C
※子午面：包含物点（或物体）和光轴的光路截面。 ※ 单个折射球面的结构参数： r , n , n’。 (给定了结构参数和物点A后，即可确定A点的像。)
E n A -U O -L h r
n’ C
※ A点在光轴上，其到顶点O的距离OA为物方 截距，用 -L 表示。 ※ 入射光线AE与光轴的夹角为物方倾斜角也 叫物方孔径角，用-U 表示。
E n A -U O h r
n’ C U’ A’
-L 折射光线EA’ 由以下参量确定：
L’
※像方截距：顶点O到折射光线与光轴交点，用L’ 表示。 ※像方倾斜角：折射光线EA’ 与光轴的夹角，也叫像 方孔径角，用U ’ 表示。
像方参数与对应的物方参数所用的字母相同，并加以“ ’ ” 相区别。
只知道无符号的参数，光线可能有多种情况。
为真空，则介质 b 对真空的折射率也称为 绝对折射率，用 n b 表示
n ab :介质 b 对介质 a 的相对折射率，如果 a
也可表述为：
c nb vb
v b ：介质 b 中光速
C：真空中光速，
两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示
va nab vb
对上式变换：
va C na nb nab vb C nb na
• 从本质上讲，光是电磁波，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 光抽象成一条条射线，然后来研究光学系统 成像。
看看近视镜的形状和远视镜的形状是什么 样的？
二、完善成像条件
• 完善像点：物点（发出球面波，同心光束）光 学系统像点（球面波，同心光束） 完善像：物体上每个点经光学系统后所成完善像 点的集合——物体经光学系统后的完善像。
•
•
完善成像条件
入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。 或 入射光为同心光束时，出射光也为同心光束。
O1
O2 +d
O1
O2
+d
O2 -d
O1
2. 垂轴线段：以光轴为界，上方为 正，下方为负。
B
y
-U A O
+h C
U' A'
-y'
B'
y' y
（三）角度
※ 角度的度量一律以锐角来度量，由起始边顺 时针转到终止边为正，逆时针为负。
－U
U
※ 起始边规定如下：
（1）光线与光轴的夹角，如U, U’ ,以光 轴为起始边，顺时针为正，逆时针为负。
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。
A i N i” B A:入射光线 B:出射光线 A’:折射光线 ON:法线 i:入射角 i’:折射角 i”:反射角
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。
n'
B
na
i0 S A
n
i '0
i '0 2
当
i ' 0 大于临界角时，就发生全发射。 2
n'
na
i0
n
i '0
B
i '0 2
双凸
正月牙
平凸
由这些球面透镜 （系统）组成的光 学系统有共同的对 称轴，也称为共轴 球面系统
平凹
负月牙
双凹
• 由两个球面构成的透镜中，光轴为通过 两球面球心的直线。
顶点为光轴与透镜面的交点
光轴
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
※ 由实际光线相交所成的像，称为实像。 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。
与像类似，物也分两种 ※ 实物：自己发光的物体。 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。 ※ 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在 还未成像前就被当前系统截取得到的。***
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
E A O +r A C -r O
C E
（2）. 物方截距L 和像方截距L’ 也以顶点O为原 点，到光线与光轴交点，向右为正，向左为负
E A O -L C +L’ E A C -L A’ -L’ O A’
（3）. 球面间隔 d 以前一个球面的顶点为原点，向右 为正，向左为负。（在折射系统中总为正，在反射和 折反系统中才有为负的情况）
※ 物所在的空间为物空间，像所在的空间为像空 间，两者的范围都是（-∞,+∞） 物空间 像空间
物空间
两者可以重叠 像空间
※ 通常对于某一光学系统来说，某 一位置上的物会在一个相应的位置成 一个清晰的像，物与像是一一对应的， 这种关系称为物与像的共轭。
三、物像的虚实
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。
提示：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。
（二）反射定律
（1）反射光线在由入射光线和法线所决定的平 面内 N B A i O （2）入射角 i和反射角i’’的绝对值相同，可表示为 i”
n
i i
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
§3 光路可逆和全反射
第一章 几何光学基本原理与成像概念 第一节 几何光学的基本定律 §1 光波和光线
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！
另一介质。
按照反射定律，入射光线在介面上全部被反 射回原介质。 N A B
Im
O i’
n
n’
对应于 sin i ' 1 的入射角 i 被称为临界角 记为 I m ,可知
n' sin I m n
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。
全反射现象
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将同时 发生反射和折射现象。 当光由光密介质射向光疏介质时, n>n’ 由公式 A i O i’ A’
n sin i n' sin i '
N n n’
可知
sin i sin i '
即折射光线较入 射光线偏离法线
当 I 增大到一定程度时
sin I ' 不可能大于1，此时入射光线将不能射入
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：既无大小，又无体积。 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，也是由无数个发 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。