应用光学第一章几何光学基本原理

第1节 光波和光线
五、光波的频率与速度、波长的关系
• 不同波长的电磁波，在真空中具有完全相同的传播速度： c=3×108m/s • 频率与速度、波长的关系 v=c/λ • 在水、玻璃等透明介质中，光的波长和速度同时改变，但 频率不变。
第1节 光波与光线
六、光线 • 概念：能够传输能量的几何线，具有方向 • 采用光线概念的意义：
• 光路可逆的应用
–求焦点、逆向计算等
I2
N’
C
第4节 光路可逆与全反射
二、全反射
• 一般情况下，投射到介质分界面上的每一条光线都分成了 两条：一条光线从介质分界面反射回原来的介质，另一条 光线经分界面折射进入另一种介质。 • 在一定条件下，分界面可将光线全部反射回去，无折射现 象发生。这就是光的全反射。 • 全反射发生的条件：
一、光的传播现象分类
• 光的传播可以分为两类： – 光在同一种均匀透明介质中传播：
直线传播定律
– 光在两种均匀介质分界面上传播：
反射定律，折射定律
A n1 n2 O I1
N B R1
I2 N’
C
第2节 几何光学基本定律
二、反射定律、折射定律
• 反射定律：
– 反射光线位于入射面内； – 反射角等于入射角：R1=I1
C
F A E B P P’ A’ F’
E’
C’
B’
第7节 理想像和理想光学系统
• 二、共轴理想光学系统的成像性质
• 光轴上的物点对应的像点也必然在光轴上； • 位于过光轴的某一个截面内的物点对应的像点必位于同一 平面内； • 过光轴的任意截面成像性质都是相同的。 • 空间问题简化为平面问题，系统可用一个过光轴的截面来 代表。
N B A n1 n2 O I2 N’ I1 R1
• 折射定律：
–折射光线位于入射面内； –入射角与折射角正弦之比， 是一个与入射角无关的常数。
sin I 1 n1, 2 sin I 2
n1,2称为第二种介质对第一种介质的折射率。
C
第2节 几何光学基本定律
三、对于光在不均匀介质中传播
• 看做无限多的均匀介质组合而成； • 光线在其中的传播是一直连续折射的过程。
O N’
A’
QQ ' sin I 1 OQ ' OO ' sin I2 OQ '
sin I 1 QQ' v 1 t v 1 n1,2 sin I 2 OO' v 2 t v 2
第3节 折射率与光速
二、折射率与光速的关系
sin I 1 v1 n1, 2 sin I 2 v 2
A A’
• 物空间：物所在的空间
–实物空间：系统第一面以前的空间 –虚物空间：系统第一面以后的空间 –整个物空间包括实物空间和虚物空间
A’
A
第6节 光学系统类别和成像的概念
• 四、成像的概念
• 物像空间折射率确定
–物空间折射率： 按实际入射光线所在的空间折射率计算 –像空间折射率： 按实际出射光线所在的空间折射率计算
v
c v1 c n 2 — 第二种介质的绝对折射率： v2
— 第一种介质的绝对折射率： n1 — 所以
n2 n1, 2 n1
第3节 折射率与光速
四、用绝对折射率表示折射定律
• 折射定律：
sin I 1 n1, 2 sin I 2
n2 • 相对折射率与绝对折射率的关系：n1, 2 n1
A
A’
A’
A
第7节 理想像和理想光学系统
• 一、理想像
• 为什么要定义理想像？
–为了保证成像的决定清晰，必须 “每一个物点都对应唯一的像点”！
• 理想像的性质：
–每一个物点都对应唯一的像点 –直线成像为直线 –平面成像为平面
• 理想像 • 理想光学系统ຫໍສະໝຸດ 第7节 理想像和理想光学系统
一、理想像
• 直线成像为直线 • 直线OO为入射光线，出射光线为QQ，需要证明QQ是OO的 像。在OO上任取一点A，OO可看做A点发出的很多光线中的 一条，A的唯一像点为A’，A’是所有出射光线的汇聚点，A’当 然在其中的一条出射光线QQ上。 • 因为A点是在OO上任取的，及OO上所有点都成像在QQ上， 所以QQ是OO的像。
– 用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影子、日 食、月食等。 – 绝大多数光学仪器都是依据光线的概念设计的 – 光波的传输问题就变成了几何问题
• 光线概念的缺陷
– 几何光学无法解释干涉、衍射等光学现象，需要采用 物理光学的原理研究
第1节 光线与光波
七、光线与波面
• 波面：某一瞬间波动传播所到达的曲面 • 光线与波面的关系： – 光线是波面的法线； – 波面是所有光线的垂直曲面。
第6节 光学系统类别和成像的概念
• 三、透镜
• 透镜的作用——成像
–正透镜成像：中心比边缘厚，光束中心走的慢，边缘 走的快——成实像。 –负透镜成像：边缘比中心厚，光束中心走的快，边缘 走的慢——成虚像。
P’
P
A Q
P’
A’ Q’ A
P A’ Q Q’
第6节 光学系统类别和成像的概念
四、成像的概念
第一章 几何光学基本原理
本章要解决的问题
光是什么？
——光的本性问题
光是怎么走的？ ——光的传播定律 像与成像的概念 对成像的要求
第1节 光波与光线
一、研究光的意义
• 生活中90%的信息由视觉获得，视觉的载体是光波。所谓 “眼见为实”正反映了光对生活的重要作用。 • 公元前400多年，中国的《墨经》记录了世界上最早的光 学知识。它有八条关于光学的记载，叙述了影的定义和生 成，光的直线传播性和真空成像，并且以严谨的文字讨论 了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物与像的关系 • 公元11世纪阿拉伯人伊本· 海赛木发明了透镜 • 公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明 了显微镜 • 17世纪中，斯涅耳和笛卡尔归纳了反射定律和折射定律
应用光学
2015年2月
课程性质与任务
• 以几何光学为理论基础，以光学系统中光 的传播、成像以及光学系统的设计原理与 像质评价为主要内容 • 掌握光学系统成像的概念、理论和原理 • 学习光学系统设计的基本方法、光学系统 的分析评价方法
课程内容
• • • • • • • • • 第一章 几何光学基本原理 第二章 共轴球面系统的物像关系（重点） 第三章 眼睛和目视光学系统 第四章 平面镜、棱镜系统 第五章 光学系统中成像光束的选择 第六章 辐射度学基础 第七章 色度学基础 第八章 光学系统成像质量评价（重点） 第九章 典型光学系统（望远镜、显微镜、照相机、 投影仪以及光纤、激光、红外光学系统）
λ
第1节 光波和光线
三、光的特性
• 光的本质是电磁波 • 光的传播实际上是波动的传播 • 物理光学 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象 • 几何光学 不考虑光的本性，研究光的传播规律和传播现象
第1节 光波和光线
四、光波
• 光波是一种电磁波，是一定频率范围内的电磁波，波长比一 般的无线电波短 – 可见光：400nm-760nm – 紫外光：5nm-400nm – 红外光：780nm-40μm • 近红外：780nm-3μm • 中红外：3μm-6μm • 远红外：6μm-40μm • 单色光：同一波长的光 • 复色光：不同波长的光混合而成
A
第1节 光线与光波
八、光束
• 光束：具有一定关系的光线的集合
– 同心光束：由一点发出或交于一点的光束，对应的波 面为球面； – 平行光束：发光点位于无穷远，对应的波面为平面； – 像散光束：既不相交于一点，又不平行，但有一定关 系的光线的集合，对应波面为非球面高次曲面
同心光束
平行光束
像散光束
第2节 几何光学基本定律
n1 sin I 0 n 2 sin 90° n 2 n2 sin I 0 n1
I1 O1 I2
I0 O2
I11 O3
第4节 光路可逆和全反射
二、全反射
• 全反射的应用
–用全反射棱镜代替反射镜：减少光能损失 –光纤 –指纹仪
激光照明
数码相机
第5节 基本定律的向量形式
基本定律的向量表示形式
一、光学系统
• 各种光学仪器
• 望远镜：观察远距离物体 • 显微镜：观察肉眼难以分辨的细小物体
• 各种光学零件：反射镜、透镜、棱镜 • 光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，以满
足一定要求。
第6节 光学系统类别和成像的概念
二、光学系统分类
• 按有无对称轴分
• 共轴系统：光学系统具有一条对称轴线——光轴 • 非共轴系统：没有对称轴线
几何光学基本定律 • 直线传播定律 • 反射定律 • 折射定律
第3节 折射率和光速
一、折射定律与折射率的物理意义
• 折射定律：
–折射光线在入射面内；
N I1 A P Q Q’ 1 2 I2 O’
sin I 1 n1, 2 sin I 2
• 假设光波从OQ经过时间t传播到O’Q’， 光在介质1、2中的速度分别为v1、v2： QQ’=v1· t； OO’=v2· t
– 必要条件：n1>n2，光线由光密介质进入光疏介质。 – 充分条件：I1>I0，入射角大于全反射角。
n2 sin I 0 n1
第4节 光路可逆和全反射
• 二、全反射
• n1>n2 • 根据n1sinI1=n2sinI2可得:I1<I2 A • 当入射角I1增大到I0时，折射角I2=90°， 折射光线略过分界面，折射光线强度 n1 趋于零。当入射角I1>I0时，折射光线 n2 不在存在，入射光线全部反射，折射 角I2=90°对应的入射角I0称为“临界 角”或“全反射角” 。