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工程光学最新预习用基本讲稿

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工程光学讲稿(典型)

工程光学讲稿(典型)

由图可知：ab = - pε ΔabA2∽ΔA2cd
Dp p2
p
p2 p
;
p2
pDp Dp p
由ΔA1ab∽ΔA1cd
Dp p
p1 p p1
;
p1
pDp
Dp p
远景深
1
p
p1
p2 Dp p
p2 近景深 2 p2 p Dp p 若眼睛调节在无限远，P＝∞，远、近景深距离为
P1∞＝+DP/ε
2’×250×0.00029≤ 0.5λΓ / NA≤ 4’×250×0.00029
取 λ＝0.000555mm得
523NA≤ Γ ≤1046NA
取近近似
500NA≤ Γ ≤1000NA
五、显微镜的景深
定义：人眼通过显微镜调焦在某一平面（对准平面）上时，在对准平面前和
后一定范围内物体也能清晰成像，能清晰成像的远、近物平面之间的距离称
锥状细胞：感光能力差，但它们能
对各色光有不同的感受。
适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。
明适应和暗适应：由暗处进入亮处，瞳孔自动缩小；由亮处进入暗处，瞳孔自
动放大。
四、眼睛的分辨率
1、眼的分辨能力：眼能够分辨最靠近两相邻点的能力称为眼的分辨能力，或 视觉敏锐度。
2、视角：物体对人眼的张角称作视角。 3、视角鉴别率ε：
二、显微镜的线视场
孔径光阑、入瞳 视场光阑
入窗 y
F1’ Δ F2 D
-y’
ω’
出瞳
出窗 -y”
物镜
fe
目镜
显微镜的线视场取决目镜焦平面上的视场光阑的大小，设视场光阑的
直径为D，则显微镜的线视场为 2y=D/β

工程光学讲稿(平面)

工程光学讲稿(平面)
经计算，得
Z n 0.8 1.5163 360 ( ) ( )( ) 14 0 d n 1 10 .4 1.5163 1 2
3、应用：将平行玻璃平板简化为一个等效空气平板。
d d l ' d / n
举例：1. 一人站在游泳池旁，垂直注视池底物体，试问物体的视见位置要 比实际位置高多少？（水的折射率为4/3） 解：设游泳池水的实际深度为d，有池底物点A发出的光线，经过水平面折 射后，像点A’相对物点A产生了轴向位移。
棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念。
重点内容
平面镜成像、平行平板的成像性质；
反射棱镜成像方向判别； 反射棱镜在光路中的应用。
教学要求
掌握平面成像的原理、平行平板成像的特性；
掌握反射棱镜成像原理及在光路中的作用；
理解折射棱镜及光楔在光路中的应用。
概述
利用透镜可以组成各种共轴球面系统，以满足不同的成像要求，例如 望远镜和显微镜等，但是，共轴球面系统的特点是所有透镜表面的球心必 须排列在同一条直线上，这往往不能满足很多实际的需要。例如用正光焦 度的物镜和目镜组成的简单望远镜所成的像是倒的，观察起来就很不方便，
y x z
x' y' z'
4）双像棱镜
O’
A’ C A’’
D
F K B
E H
G
A
O
二、棱镜系统的成像方向判断
判断原则：
1．O'Z'坐标轴和光轴的出射方向一致。 2．垂直于主截面的坐标轴O'Z'视屋脊面的个数而定，如果有奇数个屋脊面，
则其像坐标轴方向与物坐标轴OY方向相反;没有屋脊面或屋脊面个数为偶数
∴ θ＝2α

工程光学讲稿像差

工程光学讲稿像差

n
n'( >n)
UA O A'
物点位于球面旳球心处，即 L=r此时物点
发出旳全部光线将沿球面旳法线方向入射
，即入射角I=0根据折射定律，折射角也
C
-U
A,A'
I'=0,光线无偏折地经过球面，像点也将位
于球心处，即L'=r。
(3) sinI’－sinU＝0，即I’＝U，因为
L0
sin I' n sin I / n' n(L r)sinU / n'r
§6－2 轴上点旳球差
一、 球差定义及表达措施
1、轴向球差
由实际光线旳光路计算公式知，当物距L为定值时，像距L’与入射高 度h1及孔径角U有关，伴随孔径角旳不同，像距L‘是变化旳，即如图所示：
轴上点A点发出旳光束，对于光轴附近旳光用近轴光路计算公式，像点为 A0’（看作高斯像点），对于实际光线采用实际光计算公式，成像于A’1 （实际像）。
(sin I (L-r)sinU r)
故可得： L （n Ln'） rn/nnn ' r
同I '理，U由sin I sUinU' '可得出
L ' 0A'
L' (n n')r / n'
I
-U AC
n
-I' n'( <n)
由上式拟定得共轭点，不论孔径角U多大，均不产生球差。由上式也可 得出，nL＝n’L’ ，则垂轴放大率β＝nL’/n’L=(n/n’)2
单色像差——光学系统对单色光成像时所产生旳像差。 几何像差： 球差、彗差、像散、场曲、畸变 。
色差——不同波长成像旳位置及大小都有所不同。

工程光学介绍课件

工程光学介绍课件

04
继续教育：加强继续教育和 培训，提高工程光学人才的 综合素质和技能水平
谢谢
3
相机：用于记录影像 的仪器，如数码相机、 手机相机等
望远镜：用于观察遥远 天体的仪器，如天文观 测、卫星通信等
2
投影仪：用于显示图像 的仪器，如电影放映、 会议演示等
4
光学测量系统
应用领域：工业、医疗、科研等
01
领域 功能：测量物体的几何形状、尺
02
寸、位置等参数 技术原理：利用光学原理，如激
03
于导航、教育和娱乐
上，用于游戏、电影和训练
4
工程光学的未来 展望
光学技术的创新
超材料：具有特殊 光学性质的人造材 料，如光子晶体、 超透镜等
01
纳米光学：利用纳 米尺度的光学现象， 如表面等离子体、 量子点等
02
04
集成光学：将光学 元件集成在芯片上， 如光子集成电路、 光通信系统等
03
生物光学：研究生 物系统中的光学现 象，如生物成像、 生物传感器等
05
光的衍射：光 在传播过程中 遇到障碍物时
发生衍射
06
光的偏振：光 在传播过程中 具有偏振特性
07
光的吸收与散 射：光在传播 过程中被吸收
或散射
08
光的色散：光 在传播过程中 发生色散，形
成彩色光谱
工程光学的应用领域
01
光学仪器：如显微镜、 望远镜、照相机等
02
光学通信：如光纤通信、 激光通信等
工程光学的应用拓展
虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术：工程光学在虚拟现实 和增强现实技术中发挥着重要作用，如光学元件的设计和制造。
自动驾驶汽车：工程光学在自动驾驶汽车领域具有广泛的应用， 如激光雷达（LiDAR）、摄像头和传感器等。

工程光学讲稿4

工程光学讲稿4

正确透视距离：
入射光瞳
出射光瞳
B1 A P1 U P P2
y
P1' P' P2'
ω'
ω
A1
ω'
R
B p p' D
设人眼在R处，为得到正确得透视，景象平面上像y’对R的张角ω’应等于物空间 的共轭物y对入射光瞳中心 p的张角ω相等。 tg ω=y / p =tg ω’= y’ / D 则得 D=y’ / p =βp 景象面上的弥散斑的允许值z’ = z’1=z’2=Dε=βpε
B2' z2
'
.
∆1
B1
.
A
z1
∆2
.
B2
p1 2a p
p1' p p2 '
.
-p2 -p
p2
.
p1' p' p2 '
.
B1'
A'
z1'
z2
∆2
∆2
-p1
二、光学系统的景深
z1 ' = β z1 z2 '= βz2
p1 − p z1 = 2 a p 1 由几何关系： ∗ z = 2a p − p 2 2 p2
§4.4
光学系统的景深
一、光学系统的空间像
1.按照共线理论： 点物成点像；平面物成平面像；空间物成空间像。 2.光学系统的空间像：
3.透视失真： 当入瞳和出瞳沿轴位移时，弥散斑在对准及其景象平面上的位置亦改变。
s1 s2
s2 ' s1'
s1 s2 s1‘(s2 ')
4.景深 缩小光瞳时，弥散斑也将缩小，当光瞳缩小到一定程度时，就能保证对准平 面附近一定距离的物点都能成清晰的像。这个距离就是景深。

工程光学讲稿(光阑)

工程光学讲稿(光阑)

学零件都有一定的大小。因此、从物体发出的光束能够进入系统成像的只
是其中一部分。显然，光学零件起到了限制光束的作用。更确切地说，是 放置光学零件的金属框（如透镜框、棱镜框）限制了成像光束的位置和大
小。因此，我们把系统中起限制成像光束作用的光学零件的金属框称作
“光阑”。 在光学系统中，不单用装夹光学零件的金属框的内孔来限制光束，有
学系统，因此，能被系统成像的物面范围便由极小的入瞳光从与入射窗边
缘的连线(主光线)所决定，主光线便是视场边缘光线。
入窗限制了物平面的成像范围，是因为在所有光孔被其前面光组所成 的像中入射窗对光瞳中心的张角为最小，同样，出射窗之所以限制了像方 视场的大小，也是因为在所有光孔被其后的光组所成的像中，出射窗对出
瞳中心的张角为最小。 这就解释为什么视场光阑能限制物面成像范围的原
因。 入射窗 出瞳 入瞳
L1
-ω'
ω
L2
像
物
主光线
视场光阑 出射窗 孔径光阑
以上只讨论了入射光瞳口径为无限小的情况。实际上，光学系统的入射
光瞳总是有一定大小。有时还可能很大。此时系统小光束被限制的情况就变 得复杂一些。下面我们就一般情况作简要分析。
照相机和光阑的作用
将Dp被后面的光组成像。由高斯公式得：
1 1 1 l ' 20mm l ' 20 10 l' 20 1 2 y' -1 2 2mm l 20
系统的出瞳在L2透镜之后20mm处，大小为2mm。 举例2：在上例中，若物点位于轴上无限远处，试问此时哪一个光阑是系统 的孔径光阑? 解：当物点位于轴上无限远时，从物点向光阑像边缘引伸光线，实际上这 些光线都平行于光轴。所以，此时只须比较位于系统物空间的所有光阑像 的孔径大小，直径最小者就是入瞳，它对应的光阑就是孔径光阑。

《工程光学》课件

《工程光学》课件

光学信号处理原理
光学信号处理概述 简要介绍了光学信号处理的基本 概念和原理，包括光波的干涉、 衍射、傅里叶变换等方面的知识 。
全息术与光学信息处理 简要介绍了全息术的基本原理和 应用，以及光学信息处理技术的 发展和应用前景。
干涉测量技术 详细介绍了干涉测量技术的基本 原理和应用，包括干涉仪的结构 和工作原理、干涉图样的分析和 解释等方面的知识。
的发展提供了新的机遇和挑战。
工程光学在各领域的应用
能源领域
太阳能利用、激光焊接、激光切割等 。
通信领域
光纤通信、光网络技术等。
环境监测领域
光谱分析、大气污染监测等。
生物医学领域
医学成像、光谱诊断、激光医疗等。
CHAPTER 02
工程光学基础知识
光的本质与传播
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。 其电磁场振动方向与传播方向垂直， 表现出横波的特征。
显微镜
介绍了显微镜的基本原理和结构，包括透射光显微镜和反 射光显微镜等类型，以及显微镜的性能参数和选择方法。
激光器
简要介绍了激光器的基本原理和结构，包括气体激光器、 固体激光器、光纤激光器等类型，以及激光器的性能参数 和应用领域。
光学系统设计原理
光学系统设计基础
介绍了光学系统设计的基本概念和原则， 包括光学材料、光学镀膜、光学元件加工
光学信息处理实验
研究光学信息处理技术，如傅里叶 变换、光学图像处理等，掌握光学 信息处理系统的基本构成和操作方 法。
光学系统设计与制造实践
光学系统设计实践
通过实践了解光学系统设计的基本原理和方法，掌握光学设 计软件的使用技巧，熟悉光学元件的选择和加工工艺。
光学制造工艺实践

工程光学基础教程第一章

工程光学基础教程第一章

工程光学基础教程第一章工程光学是一门研究光学现象和光学器件在工程领域中应用的学科。

它涵盖了光学基础知识、光学器件和系统设计、光学测量和测试、光学传感和图像处理等方面的内容。

本文将以工程光学基础教程的第一章为主题，讨论工程光学的基本概念和原理。

第一章介绍了光的物理性质和光的波动理论。

光是一种电磁波，具有波动性和粒子性的特点。

光波动的基本特性包括波长、频率、振幅和相位。

光的波动可以通过实验来验证，例如干涉、衍射和折射等实验。

干涉是指两束光波相遇时发生的干涉现象。

干涉可以分为同相干和非相干干涉两种情况。

同相干干涉是指两束光波的相位差为整数倍的情况下发生的干涉。

非相干干涉是指两束光波的相位差不是整数倍的情况下发生的干涉。

衍射是指光通过一个小孔或经过不规则边缘时发生的衍射现象。

衍射可以用赫兹普龙原理来描述，即波的传播过程中每个波前都可以看作是一系列波源发出的球面波。

折射是指光从一种介质传播到另一种介质时发生的折射现象。

光的折射是由介质的折射率引起的，折射率是光在介质中传播速度与真空中传播速度的比值。

光的粒子性可以通过光的能量传播和光的吸收来解释。

光的能量在空间中传播时遵循能量守恒定律和动量守恒定律。

光的吸收是指光被物质吸收并转换为其他形式的能量，例如热能。

本章还介绍了光的能量和功率的计算方法。

光的能量可以通过光的强度和面积来计算，光的功率可以通过光的能量和时间来计算。

光的强度可以用辐射亮度和辐射通量来描述。

此外，本章还介绍了坐标系和光的传播方向。

坐标系是研究物体位置和光传播方向的基本工具。

光的传播方向可以用传播矢量和波矢量来描述，传播矢量指示光的传播方向，波矢量指示光的传播速度和方向。

综上所述，工程光学基础教程的第一章主要介绍了光的物理性质和光的波动理论。

通过学习这些基本概念和原理，我们可以更好地理解和应用工程光学知识。

工程光学是一门应用广泛的学科，对于光学器件和系统的设计、光学测量和测试、光学传感和图像处理等方面都有很大的意义和价值。

工程光学讲稿(平面)知识讲解

工程光学讲稿(平面)知识讲解
y
y＝ f 'tg2θ ≈ 2f 'θ 若平面镜转动是由测微杆引起得，设测杆到支点的距离微a，测杆的移动量 为 x, 则tgθ≈θ＝x/a, 代入上式，得：y =(2f '/a)x =Kx
三、双平面镜成像
性质：在双平面镜系统中，出射光线和入射光线的夹角与入射角无关，只取
决于双面镜的夹角α。 N
β α
所以有
β=2 α
§3.2 平行平板
一、平行平板的成像特性
1、平行平板的定义：由二个互相平行的折射平面构成的光学元件。
r1 r2 透镜 平行平板 I2 I1' sIi1 n n sIi1 ' n n sIi2 n sIi2 'n
∴ I1 I2' ，或 U1 U2' 即：出射线与入射线始终平行。
工程光学讲稿(平面)
利用棱镜或平面镜的旋转，就可以 观察到四周的情况，如图中的周视瞄准 镜。 平面镜、棱镜系统主要作用有： ① 将共轴系统折叠以缩小仪器的体积和 减轻仪器的重量； ② 改变像的方向——起倒像使用； ③ 改变共轴系统中光轴的位置和方向； ④ 利用平面镜或棱镜的旋转，可连续改 变系统光轴的方向，以扩大观察范围。
分析： 平板测微器是根据平行平板使光线产生侧向位移这一特点而设计的。
在读数望远镜物镜后而设置一块平行平板。OA’为系统的光轴，当平行平 板垂直于光轴时，轴上物点经物镜所成的像落在A’点。在分划板上通常 它位于刻尺的两条刻线之间，如果要确定它位于一格的百分之几位置，则
可转动测微平板，使像点从A’移到某一点A”而与一条刻线重合由图可 见，平板转过的角度α就是光线在平板第一面的入射角i1。而A’A”就是 平板因倾斜而产生的侧向位移。当α很小时，根据公式

工程光学讲稿(平面)(完整)课件

工程光学讲稿(平面)(完整)课件
详细描述
折射望远镜使用透镜作为主反射镜，能够观测可见光波段的天体。反射望远镜使用凹面反射镜作为主反射镜，能够观测红外线和射电波段的天体。射电望远镜则专门用于观测射电波段的天体。
01
02
03
04
总结词
摄影镜头是一种光学仪器，用于拍摄照片或录制视频。
总结词
摄影镜头的种类繁多，根据用途和功能可分为多种类型，如定焦镜头、变焦镜头、鱼眼镜头等。
光的衍射
平面镜与透镜
平面镜是反射面为平面的镜子，具有反射光线的能力，且入射角等于反射角。
用于日常生活、光学仪器和科学实验中，如化妆镜、眼镜、显微镜、望远镜等。
平面镜的用途
平面镜的性质
中间厚边缘薄的透镜，具有汇聚光线的能力，可以用于制作放大镜、显微镜、望远镜等。
凸透镜Βιβλιοθήκη 凹透镜透镜的焦距中间薄边缘厚的透镜，具有发散光线的能力，可以用于制作近视眼镜、散光眼镜等。
光学仪器在科研领域的应用也十分广泛，主要用于物理、化学、生物等学科的研究。例如，利用光谱仪研究物质的结构和性质，使用干涉仪测量微小距离和角度，以及通过光学仪器观测天体和微观粒子等。
科研中常用的光学仪器还包括分光仪、干涉仪、光谱分析仪等，这些仪器在推动学科发展和科技进步方面发挥着重要作用。
光的干涉与衍射实验
通过双缝干涉实验，观察光波的干涉现象，了解干涉的条件和特点。
双缝干涉实验是研究光波干涉现象的基础实验之一。在实验中，通过调整光源、双缝和屏幕的距离，观察到明暗相间的干涉条纹。通过测量干涉条纹的间距和双缝的间距，可以计算出光波的波长。
通过圆孔衍射实验，观察光波的衍射现象，了解衍射的条件和特点。
工程光学应用
光学仪器在工业中应用广泛，主要用于检测、测量和控制等方面。例如，利用光学显微镜对产品表面进行微观检测，使用激光测量仪对生产线上的产品进行高精度测量，以及通过光束控制系统实现自动化生产。

工程光学讲稿(平面)

工程光学讲稿(平面)

∆T = DG = DE sin( I1 − I1' ) =
d sin( I1 − I1' ) cos I1'
Q sin ( I1 − I1' ) = sin I1 cos I1' − cos I1 sin I1'
，
1 Q sin I1 = n sin I ⇒ sin I = sin I1 n d d ' ∴ ∆T = sin( I1 − I1 ) = (sin I1 cos I1' − cos I1 sin I1' ) cos I1' cos I1'
2、成象特性： 、成象特性： 1）光线经平行平板折射后光线方向不变； ）光线经平行平板折射后光线方向不变； 2）平行平板不使物体放大或缩小, 其放大率 ＝1, 且象与物始终在同一侧； ）平行平板不使物体放大或缩小 其放大率β＝ 且象与物始终在同一侧； 3）光线经平行平板后虽方向不变，但却要产生一定位移； ）光线经平行平板后虽方向不变，但却要产生一定位移； 4）同心光束经平板后变为非同心光束（平行平板成像是不完善的）， ）同心光束经平板后变为非同心光束（平行平板成像是不完善的）， 不完善程度也越大； 不完善程度也越大； 5）轴上点近轴光经平板成象是完善的。 ）轴上点近轴光经平板成象是完善的。 越大， 越大，
即像与物相对于平面镜来讲 是对称的。 是对称的。 放大率公式： ② 放大率公式：
-l l’
这说明正立的像与物等距离的分布在镜面的二边，大小相等，虚实相反。 这说明正立的像与物等距离的分布在镜面的二边，大小相等，虚实相反。 因此，像与物完全对称于平面镜。 因此，像与物完全对称于平面镜。
3、镜像与一致像 、 ①所谓镜像是指若物为右手坐标，像为左手坐标，这种像叫为镜像。 所谓镜像是指若物为右手坐标，像为左手坐标，这种像叫为镜像。

6工程光学讲稿(典型)解读

6工程光学讲稿(典型)解读

分辨率。
2．有效放大率 显微镜总是要与人眼组合使用的，而人眼具有分辨极限，为了人眼舒适起 见，可取 2’~4’，则在明视距离上对应的线距离σ’为： 2’×250×0.00029≤ σ’ ≤ 4’×250×0.00029 y’= 0.5λΓ / NA λ＝555nm 近似为：500NA≤ Γ ≤1000NA 习题7－3，4 523NA≤ Γ≤1046NA
§7.7
投影系统
把平面物放大成平面实像以便于人眼观察。幻灯机、电影
机、测量投影仪、微缩胶片阅读机等都属于投影系统。 一、基本参数 1、放大率 β＝y’/y 2、焦距 f '
2y -l l’ 2y’
β=l ' / l
l ' –l = L 1 / l '-1/ l = 1/f '
L l' 解方程得： f 2 ( 1) 1
4. 散光： • 它所产生的原因是由于水晶体的两表面不对称，造成二个 主截面方向的光焦度并不完全一致，形成了像散光束。 • 矫正的方法配戴能产生像散的元件，例如：柱面镜
三、眼睛的分辨率
定义：眼能够分辨靠近的两个物点的极限值。 人眼的成像过程是物体最终成像于视网膜上，而视网膜 上视神经细胞有一定大小，相邻二点必须成像于二个细 胞上才有可能分辨出来。 一个视神经细胞的直径为0.003mm，故视神经细胞能分 辨的二个像点之间的最小距离为0.006mm。 极限分辨角为：
tg ' ' 1' 7 . 3 tg 0.138'
应选用8X以上的望远镜。
§7.5
目镜
目镜是显微系统、望远系统的重要组成部分，它相当于放 大镜，是正透镜组 1、目镜的作用：把物镜所成的像再放大从而成像在人眼的 明视距离处/无穷远。

工程光学讲稿(球面)

工程光学讲稿(球面)
上篇 几何光学与成像理论
第一章 几何光学基本定律与成像概念
第一节 几何光学的基本定律 第二节 成像的基本概念与完善成像条件 第三节 光路计算与近轴光学系统 第四节 球面光学成像系统
1
一、光学 - 简介
光学真正形成一门科学，应该 从建立反射定律和折射定律的时代 算起，这两个定律奠定了几何光学 的基础。 光学 - 定义
为负。 （2）垂轴线端：光轴以上为正，光轴以下为负。 （3）光线与光轴夹角：由光轴转向光线锐角，顺时针为正，逆时针为负。 （4）光线与折射面法线的夹角：由光线经锐角转向法线，顺时针为正，逆时针
为负。 （5）光轴与法线的夹角：有光轴经锐角转向法线，顺时针为正逆时针为负。 （6）折射面间隔:d有前一面顶点到后一面顶点方向，顺光线方向为正，逆光线
在ΔAOD中，根据几何关系有
AOD arctg( AD ) arctg( 9 ) 36.860
AO
12
且 I2 DOC 900 AOC 53.140
I1

arctg( BC OC
)

arctg( 12 ) 16

36.860
n1

n2 sin I2 sin I1

1 sin53.140 s in 36.860
23
由△A’EC
sin I sin U

L' r(1 sin I ' )
L'r
r
sin U '
以上公式被称为子午面光线光路计算公式。
说明:
（1）以上即为子午面内实际光线的光路计算公式，给出U、L，可算出U’、L’， 以A为顶点，2U为顶角的圆锥面光线均汇聚于A’点。

2工程光学讲稿(理想)

2工程光学讲稿(理想)

1 1 1 l' l f
说明几点：

l' l
1）垂轴放大率β 与物体的位置有关，某一垂轴放大率只对应一个物体位置； 2）对于同一共轭面，β 是常数，因此平面物与其像相似； 3）理想光学系统的成像性质主要表现在像的位置、大小、虚实、正倒上，利用上述 公式可描述任意位置物体的成像问题；
19
例1 有一高度为10 mm的物体位于焦距为-200 mm的 负薄透镜的像方焦点处，求其像的位置和大小。 解： f ' 200mm
' 得l 2 54 .63mm , 为 虚 像。 ' 第 三 次成 像 ， l3 l 2 d 2 54 .63 20 74 .63mm , 实物
1 1 1 ' l3 －74 .63 50
' 得l3 151 .50 mm , 为 实 像。
系 统 放大 率
' ' l3 l1' l 2 600 （ 54 .63 ） 151 .5 ＝1 2 3＝ 0.94 l1 l 2 l3 （ 120） 590 （ 74 .63 ）
说明： 1)、ω 的大小反映了轴外物点离开光轴的角距离，当ω →0时，轴外物点就重 合于轴上物点。 2）、这一束平行光线经过系统后，一定相交于像方焦平面上的某一点。
6
二、无限远轴上像点对应的物点F
如果轴上某一物点F 和它的共轭像点位于轴 上无限远，则该点为物 方焦点。 通过该点且垂直于 共轴的平面称为物方 焦平面，它和无限远
20
例2 有一高度为10 mm的物体位于焦距为-200 mm 的负薄透镜的像方焦点处，求其像的位置和大小。 解： f ' 200mm f 200mm y 10mm
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4、高精度光学检测方法的理解与综合应用
如：利用几何成像、干涉、衍射、全息、光谱、电光效应、 磁光效应、非线性效应等，实现对长度、温度、压力、振动、 密度、折射率、内应力、速度、流场分布、电压、电流、磁场、
辐射、微量元素及其含量等绝大多数物理量的高精度、无接触、
实时和在线检测，等等。
5、众多光学学科的知识基础
二、为什么要学习《工程光学》（目的和意义）？
工程光学与机械学、电子学相结合，形成光机电一体化的 复合型知识结构和技能，将在现代工程技术中发挥极其重要的
作用。以下简单列出基于本科层面的，以工程光学知识为基础
的一些将来可能胜任的工作和就业领域：
1、大中型精密光学仪器及设备的理解、使用及维护
如：高级医疗检测与手术仪器，高端军用通信、目视、测 量与探测系统，大、中型激光器及其应用系统，光纤通信中的 光学系统，航空、航天及空间探测中的大型光学系统，全息制 作与读写系统，微量分析与检测光学系统，遥感环境监测与图 像分析系统，等等。
2、非均匀介质中：ds=n d l，
Байду номын сангаас
s A n ( x , y , z ) dl
n dl B
B
二、费马原理
光线从空间一点到另一点，沿着光程(或时间)
为极值的路径传播。 数学表述为：δ
s＝δ∫n·dl＝0
A
用费马原理可导出光的直线传播、反射和折射定律。
以均匀介质为例：
① 两点间以直线为最短——直线传播 ② 反射：入射角等于反射角时路径最短 ③ 折射
P透
低n2玻璃体
受抑全反射 测微小位移
X
光 纤 高n1玻璃芯子
第三节 费马原理（了解）
费马原理从光程的观点来描述光传播的规律，是几何光学 最基本的定律。 一、光程——光线在介质中传播的距离与该介质折射率的乘积。
1、均匀介质中：s＝n l 由于n＝c/v，l＝vt， s＝ct 即：光线在介质中传播的光程等于光线从一点到另一点传播的 时间与真空中光速的乘积。
4、量子光学时期（十九世纪末——二十世纪初）
在黑体辐射、光电效应和康普顿效应等实验中，证实了光的 量子性。重大事件有：1887年赫兹发现光电效应，1900普朗克 提出了辐射的量子理论，1905爱因斯坦提出了光子理论。
5、现代光学时期（二十世纪中叶以来）
随着激光的出现，光学领域极大扩展、内容极大丰富，先后 形成许多既相对独立又相互交叉的前沿和边缘学科，如： 全息光学、信息(傅立叶)光学、非线性光学、集成光学、晶体 光学、纤维光学、激光光学、激光光谱学、光电子学、电子与 离子光学、大气与海洋光学、量子光学、统计光学，等等 。
以中学“蜡烛+薄透镜成像实验”为例：
F 物 像
F 物 像
n1
物空间 A” A 实物 虚像
n2
光轴
像空间
n3
A’ 虚像 虚物
物、像空间绝不一定 注意： 是物和像所在的空间。
● 实物与实像： 由实际光线直接相交而成的物或像。 ● 虚物与虚像： 由实际光线的非实际的延长线(正向或反向 延长)相交而成的物或像。 ● 物空间： 物体(实物或虚物)发出的实际光线所在的空间。 ● 像空间： 成像(实像或虚像)的实际光线所在的空间。
强烈建议：经常采用自问、自答方式进行学习，即： 运用该知识和方法，能研究和解决什么实际问题？如何实施？
2、成绩考核
● 总评成绩=平时成绩(30%)+期末考试(70%)，
平时成绩=期中考试40%+课堂测验(兼考勤)40%+作业总评20% ● 考试内容完全体现教学要求，内容涉及面宽，题型多样化，
如：名词解释、简述、填空、多项选择、正误判断、光路
A
N
B
I -I”
O
N I
利用
d ( AOB ) 0 dx
A y1 x
可导出 nsinI-n'sinI'＝0 费马原理的突出优势是可用于解决 非均匀介质中空间光线的传播问题。
O
I’ L y2
n n’
B
第四节 成像的基本概念与完善成像条件
1、成像定义： 用光学系统将物体的形状或其它信息按一定 要求进行再现，以供人眼观察、感光照相或 光电探测的过程。 2、对像范围： 本课程仅讨论由球面和平面光学元件组成的 光学系统的成像问题。
针对第二个透镜的成像，物、像空间折射率为何？ n2、n3
针对第三个球面的成像，物、像空间折射率为何？ n2、n玻 针对双透镜系统的成像，物、像空间折射率为何？ n1、n3
4、成像完善问题
● 完善成像的条件：
光学系统
物点
像点
完善成像条件： 物点 A 与像点 A’间，任意 两条光路的光程相等。
S
S
● 成像完善的情况是很少的。大多数情况，成像是不完善的。 仅：平面镜、旋转椭球的焦点、旋转抛物面等情况。 （应用举例：固体激光器光泵浦腔） ● 在一定条件下(如近轴成像),或采取一些办法(如双胶合), 可能尽可能完善地成像。
第二章
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4
球面和球面系统
基本概念与符号规则 (单)折射球面 反射球面 共轴(多)球面系统
附：测控专业培养计划摘录
专业培养要求：本专业学生主要学习精密仪器的光学、机械与 电子学基础理论，测量与控制理论和有关测控仪器的设计方法， 受到现代测控技术和仪器应用的训练，具有本专业测控技术及 仪器系统的应用及设计开发能力。
毕业生应获得以下几方面的知识和能力： 1.具有较扎实的自然科学基础，较好的人文、艺术和社会„ 2.较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要 包括机械学、电子学、光学、测量与控制等基础知识； 3.掌握光、机、电、计算机相结合的当代测控技术和实验研 究能力，具有本专业测控技术、仪器与系统的设计、开发能力； 4.具有较强的外语应用能力；5.具有较强的自学能力、创新„ 主干学科：光学工程、仪器科学与技术
在折射定律中，若令n’= - n , 即得：I’= - I
n' sin I ' n sin I
I ' I
反射定律是折射定律当n’= - n时的特殊情况 利用以上定律，可解决光经任何界面后继续 传播的问题，是整个几何光学的理论基础。 本课程几何光学理论基础=折射定律+平面几何+三角函数
6、全反射现象
全反射产生的条件： 光线由光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角时，在
两介质分界面上发生全反射。临界角由：sin Im = n’/n 决定。
全反射的其它特点： ⑴.全反射优于一切镜面反射，反射率几乎100%； ⑵.入射光会透入第二介质几个波长再返回，筱(xiao)逝波。 全反射应用举例： 反射棱镜
2、众多常规基础光学仪器的设计与制造
如：显微镜、望远镜、照相机、摄像机、投影仪、测距仪、 准直仪、干涉仪、比长仪、验光仪、光束耦合器件、光束整形 与变换器件、波分复用器件，等等。
3、系统监测与控制系统中的光学探测、传输、成像
系统的设计与制作
如：红外报警系统、远距离或电磁隔离监测与传输系统、 可视成像技术(荧光、微光和夜视)、流水线产品质量在线实时 监控、生产设备的状态监控，列车运行中的动态监测，等等。
平行光束 平面波(面) 物(像)点 同心光束(球面波)
第二节 几何光学的基本定律
1、光的直线传播定律
在各向同性介质中，光沿直线传播。 各向同性
2、光的独立传播定律
不同光源发出的光线在空间相交时，彼此互不干扰，独立 不同光源 传播。相遇处的光强度是简单地相加，总是增强的。
3、光的反射与折射定律
反射定律： ⑴. 入射光线、反射光线、法线 同处一个平面内； ⑵. 入射角与反射角绝对值相等， 符号相反。 I=-I”
第一章
1、光波
几何光学基本定律与成像概念
第一节 基本概念
光波是一种电磁波，其基本特征用三个物理量描述： 光速c、波长λ、频率f 。三者关系：c=λ f ，不同介质中， 光速和波长不同：c=c0 /n，λ =λ 0 /n ， 频率不变! 特别注意： n(λ )问题——色散！ 光波按波长或频率可分为：紫外光、可见光、近红外和远红 外光等波段。 工程光学主要研究可见光的光学现象和规律。可见光波段的 波长和频率范围大致为： 波长λ： 4.0×10-7 ～ 7.5×10-7 米（真空中） 频率 f ： 7.5×1014 ～ 4.0×1014 Hz
3、极重要的几个基本概念 ● 物方、像方：物方：入射光学系统前；像方：出系统后。 ● 实物与实像：由实际光线直接相交而成的物或像。 ● 虚物与虚像：由实际光线的非实际的延长线(正向或反向 延长)相交而成的物或像。 ● 物空间： 物体(实物或虚物)发出的实际光线所在的空间。 ● 像空间： 形成像(实像或虚像)的实际光线所在的空间。
作图、计算与设计、工程应用等。 ● 特别注意掌握平时基本作业所体现的内容。
3、参考书
⑴.《工程光学》，张凤林、孙学珠，1988，天津大学出版社； ⑵.《工程光学》，郁道银、谈恒英等，2002，机械工业出版社； ⑶.《工程光学》，刘晨主编，2012，国防工业出版社。
第一章
几何光学基本定律与成像概念
§1－0 简要补充：光学发展简史 §1－1 发光点、波面、光线和光束 §1－2 几何光学的基本定律
2、光源
光源： 能辐射光能(包括反射)的物体 发光点或点光源： 无大小、无体积、有能量的几何点 单色光： 具有单一波长的光 复色光： 由多种波长混合而成的光
3、光线、波面、光束
光线：几何光学中，认为光线是无直径、无体积、能传输 能量的几何线。 波面：任一时刻振动位相相同各点构成的曲面，如：平面、 球面和非球面波。 光束：波面上各点的法线的集合称为光束，如：平行光束、 同心光束、像散光束等。
工程光学与其它学科，如：信息光学、纤维光学、晶体光学、