中科大 应用光学 课件 第一章汇总
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第一章 几何光学基本定律与成像概念波面: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。
光的传播即为光波波阵面的传播,与波面对应的法线束就是光束。
波前:某一瞬间波动所到达的位置。
光线的四个传播定律:1)直线传播定律:在各向同性的均匀透明介质中,光沿直线传播,相关自然现象有:日月食,小孔成像等。
2)独立传播定律:从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响,各光线独立传播。
3)反射定律:入射光线、法线和反射光线在同一平面内,入射光线和反射光线在法线的两侧,反射角等于入射角。
4)折射定律:入射光线、法线和折射光线在同一平面内;入射光线和折射光线在法线的两侧,入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率之比,即nn I I ''sin sin = 光路可逆:光沿着原来的反射(折射)光线的方向射到媒质表面,必定会逆着原来的入射方向反射(折射)出媒质的性质。
光程:光在介质中传播的几何路程S 和介质折射率n 的乘积。
各向同性介质:光学介质的光学性质不随方向而改变。
各向异性介质:单晶体(双折射现象)马吕斯定律:光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。
费马原理:光总是沿光程为极小,极大,或常量的路径传播。
全反射临界角:12arcsinn n C = 全反射条件:1)光线从光密介质向光疏介质入射。
2)入射角大于临界角。
共轴光学系统:光学系统中各个光学元件表面曲率中心在一条直线上。
物点/像点:物/像光束的交点。
实物/实像点:实际光线的汇聚点。
虚物/虚像点:由光线延长线构成的成像点。
共轭:物经过光学系统后与像的对应关系。
(A ,A ’的对称性)完善成像:任何一个物点发出的全部光线,通过光学系统后,仍然聚交于同一点。
每一个物点都对应唯一的像点。
理想成像条件:物点和像点之间所有光线为等光程。
应用光学第一章总结知识点一、基本概念1. 光的本质光是一种电磁波,具有双重性质,既能像波一样传播,又能像粒子一样照射。
2. 光的特性光具有波长、频率、速度和偏振等特性,光的波长决定了它的颜色,频率决定了它的亮度,速度取决于介质的折射率,偏振决定了光的方向性。
3. 光的传播光在真空中的传播速度是光速,而在不同介质中传播的速度和方向都会发生变化。
光的传播遵循光线理论和波动理论。
4. 光的干涉和衍射光的干涉和衍射是光学现象的重要表现形式,它们揭示了光的波动性。
干涉是指两束波相遇时相互干扰的现象,衍射是指波通过孔隙或物体边缘时发生的扩散和弯曲。
5. 光的吸收和发射光与物质相互作用时会发生吸收和发射,物质的吸收和发射特性与光的波长有关。
二、光学元件1. 透镜透镜是光学系统的重要组成部分,它能够折射光线,使光线汇聚或发散。
透镜有凸透镜和凹透镜之分,可以用在光学仪器中进行成像。
2. 镜面镜面是能够反射光线的表面,具有平面镜、球面镜等形式。
镜面的反射特性与入射角和反射角有关,根据镜子的曲率不同,反射出的光线会发生聚焦或发散。
3. 棱镜棱镜是一种类似透镜的光学元件,它能够使光线发生色散,将不同波长的光线分散成不同的方向。
4. 光栅光栅是一种利用周期性的结构使光发生衍射的光学元件,它可以分解光线,用于光谱仪等领域。
5. 波片波片是一种能够改变光线偏振状态的光学元件,常用于偏振光学和激光器件中。
6. 光阑光阑是一种用于控制光线传播的光学元件,它能够限制光线的传播范围,提高光学系统的分辨率。
7. 光学滤波器光学滤波器是一种通过选择性吸收或透射特定波长光线的光学元件,它可以应用于激光器件、摄像头和光学测量中。
8. 光学偏振元件光学偏振元件是一种能够改变光线偏振状态的光学元件,包括偏振片、偏光镜和偏振棱镜等。
三、光学系统1. 成像系统成像系统是由透镜、镜面和光学滤波器等组成,它能够将物体上的信息投影到成像平面上,形成清晰的图像。
第一章几何光学基本定律与
成像概念
2019/1/9
§1.1 几何光学的基本定律
光学的基本参量
●传输介质的折射率n:
⏹折射率是左右光学传播规律的基本参量
●光波波长λ:
●光波:1mm~10nm
红外(IR)-760nm-可见光(VL)-380nm-紫外(UV)●光速:3×108m/s (真空中)
波面、光线与光束
球面波非球面波
平面波同心光束像散光束平行光束
小孔成像
手术无影灯与探照灯
几何光学基本定律——折射定律
“海市蜃楼”和“幻日”
全反射应用
反射棱镜
光纤
费马原理
球面
光程为极大值椭球面
光程为常量
光程极值举例APB>AQB
§1.2 成像的基本概念
光学瞄准系统
反射镜
保护
玻璃物镜
分划板目镜组棱镜
组合
共轴完善成像系统的性质:
1.位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然在光
轴上;位于过光轴的某一截面内的物点对应的
共轭像点必位于该平面的共轭像面内;过光轴
的任意截面成像性质都是相同的
1.可以用一个过光轴的截面来代表一个共轴成像系统
2.垂直于光轴的物平面,其共轭像面也必然垂直于光
轴
共轴完善成像系统的性质:
1.---
2.垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像的几何
形状完全与物相似,即垂直于光轴的同一平面
上的各部分具有相同的放大率。
N P N’P’
M
M’
D
E
C
E’
D’
C’
A’
B’
B A
完善成像系统的性质
共轴完善成像系统的性质:
1.---
2.---
3.一个共轴理想光学系统,若已知两对共轭面的
位置和放大率,或者一对共轭面的位置和放大
率,以及轴上的两对共轭点的位置,则其它一
切物点的像点都可以根据这些已知的共轭面和
共轭点来表示。
A
C B
P’
P
C’
A’D B’D’
已知:两对共轭面的位置和放大率
A
C B
P’
P
C’
A’D
B’
已知:一对共轭面的位置和放大率以及光轴上两对共轭点的位置
D’
§1.3 球面光学系统及成像光路计算
单球面折射系统
A
A’
n n’
C
D E
O
I I’
-U
U’
-L
r
L’
符号规则
1.线段:正方向:左→右,下→上
沿轴线段垂轴线段L,L’r d h
起点折射面顶点折射面顶点上一面顶点光轴终点与光轴交点球心下一面顶点线段端点
2.角度:
以锐角度量,顺时针为正,逆时针为负
方向:光轴→光线→法线
实际光路计算
U
r r L I sin sin -=I
n n
I sin '
'sin ='
'I I U U -+=r
U I r L +='
sin 'sin '
例题——实际光路计算
设A点发出三条光线,物方孔径角分别为1°2 °和3 °,系统其它条件为r=10mm, n=1, n’=1.5163, L=-100mm。
求这三条光线的L’和U’
A n n’
A’1
A’
2
A’3
解:利用实际光线光路计算公式可得
第一条光线L’=35.969mm,U’=2.7945°第二条光线L’=34.591mm,U’=5.9094°第三条光线L’=32.227mm,U’=9.8350°
实际光路计算与近轴光路计算
'
'
''
''
'u i r
r l i i u u i n n i u
r r l i +=-+==-=r
U I r L I I U U I
n n
I U
r r L I +=-+==-='
sin 'sin ''
'sin '
'sin sin sin 实际光路
近轴光路
近轴区内轴外点成像情况
A A’
C
O
-l
r
l’
B
B’
B 1
B 1’
近轴区物像关系
A A’
n
n’
C
O
-l r
l’
B
B’-u
u’
-y y’h
OK。