工程光学讲稿(理想)

A
F
H
H′ F′
A′
A
F
H
H′ F′
A′
10
练习：作图求像 练习： A
H F H′ F′
A
H′ F H F′
A′
A′
F
A′ A
H H′ F′
A A′
F′ H H′ F
A
F H
H
H′ F′
A′ A′
A′ H′ F′
A
F
A
F
H
H′ F′
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作图法课堂练习1、 ： 作图法课堂练习 、2： 已知： 已知： 已知系统和物的参数 求：成像情况
F
F′
F
5
二、主点H、H’，主平面 主点H H’， 根据理想系统基本性质，可作光路图如下： 根据理想系统基本性质，可作光路图如下：
Q Q’ H’ Ok
h
-u
F
O1
H
u’ F’
显然： 显然： 为一对垂轴放大率 的一对共轭点 Q、Q′为一对垂轴放大率 为一对垂轴放大率β=+1的一对共轭点；过Q、Q′的 的一对共轭点； 的 两垂轴平面为β=+1的一对共轭面，称为物(像)方主面； 的一对共轭 主面； 两垂轴平面为 的一对共轭面 称为物( 物方(像方)主面与光轴的交点称为物方(像方)主点(H H’)。 (H、 物方(像方)主面与光轴的交点称为物方(像方)主点(H、H’)。 重要性质：射向物方主面上某点的 重要性质： 光线，必从像方主面等高点出射。 等高点出射 光线，必从像方主面等高点出射。 节点J J’，节平面（ 节点J、J’，节平面（略） H H′
− f'
Q’ H’
△
d
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课程名称：工程光学适用班级：光信息科学与技术专业二年级学生主讲教师：[教师姓名]职称：[教师职称]教学时间：[具体日期]教学地点：[具体教室]一、教学目标1. 知识目标：（1）掌握工程光学的基本概念和基本原理；（2）熟悉光学元件的基本特性及其应用；（3）了解光学系统的设计方法和性能评价。

2. 能力目标：（1）培养学生运用光学原理解决实际问题的能力；（2）提高学生的实验操作技能和实验数据分析能力；（3）培养学生的创新意识和团队合作精神。

3. 素质目标：（1）增强学生的科学素养和人文精神；（2）提高学生的自主学习能力和终身学习能力；（3）培养学生的社会责任感和职业道德。

二、教学内容1. 光学基础知识（1）光的传播规律；（2）光的反射与折射；（3）光的干涉与衍射；（4）光的偏振。

2. 光学元件（1）透镜；（2）棱镜；（3）光栅；（4）光纤。

3. 光学系统（1）光学系统的基本结构；（2）光学系统的成像规律；（3）光学系统的设计方法；（4）光学系统的性能评价。

4. 光学应用（1）光学仪器；（2）光学传感器；（3）光学信息处理。

三、教学方法1. 讲授法：系统讲解工程光学的基本概念、原理和应用；2. 讨论法：引导学生对光学问题进行讨论，培养学生的创新思维；3. 案例分析法：结合实际案例，分析光学原理在工程中的应用；4. 实验法：通过实验验证光学原理，提高学生的实验操作技能；5. 计算机辅助教学：利用多媒体技术，展示光学现象和实验过程。

四、教学过程1. 导入新课：简要介绍工程光学的背景和意义，激发学生的学习兴趣；2. 讲授新知识：讲解光学基础知识、光学元件、光学系统等内容；3. 案例分析：结合实际案例，分析光学原理在工程中的应用；4. 实验演示：演示光学实验，让学生直观感受光学现象；5. 学生讨论：引导学生对光学问题进行讨论，培养学生的创新思维；6. 课堂小结：总结本节课的重点内容，布置课后作业。

五、教学评价1. 课堂表现：观察学生的出勤、课堂纪律、发言积极性等；2. 作业完成情况：检查学生的课后作业，了解学生对知识的掌握程度；3. 实验报告：评估学生的实验操作技能和实验数据分析能力；4. 期末考试：全面考察学生对工程光学知识的掌握程度。

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 面称为波阵面，简称波面。光的传播即 为光波波阵面的传播。 光束：几何波面与几何光线的关系：在 各项同性介质中，波面上某点的法线即 代表了该点处光的传播方向，即光沿着 波面法线方向传播，因此，波面法线即 为光线。与波面对应的所有光线的集合， 称为光束。
时，可以全反射传送，
i i0
时，光线将会透过内壁进入包层
26
定义 na sin i0 为光纤的数值孔径
够传送的光能越多。
i0
越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是光纤能
这意味着光信号越容易耦合入光纤。
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三、费马原理
费马原理与几何光学的基本定律一样，也是描 述光线传播规律的基本理论。 它以光程的观点描述光传播的规律，涵盖了光 的直线传播和光的折、反射规律，具有更普遍 的意义。 根据物理学，光在介质中走过的几何路程与该 介质折射率的乘积定义为光程。设介质的折射 率为n，光在介质中走过的几何路程为l，则光程 s表示为
同心光束：通常波面可分为平面波、
球面波和任意曲面波。与平面波对应的光
束成为平行光束，与球面波对应的光束称
为同心光束。
平行光束与同心光束
平面波面
球形波面
同心光束
平行光束
各类光束及对应的波面
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折射率：折射率是表征透明介质光学 性质的重要参数。我们知道，各种波长的 光在介质中的传播速度会减慢。介质的折 射率正是用来描述介质中光速减慢程度的 物理量，即：
c n v
这就是折射率的定义。
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二、几何光学的基本定律
几何光学的基本定律决定了光线在一般 情况下的传播方式，也是我们研究光学 系统成像规律以及进行光学系统设计的 理论依据。 几何光学的基本定律有三大定律：

1.
(2-37) 如果已知系统焦距f′和物体的位置x， 就可以按照(2-37)式求得像点的 位置x′。
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xx ' = ff '
②
另一种是以系统的主点为参考点： 高斯公式 （如图2-21）
f ' f + = 1 l' l
(2-38)
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2.
理想光学系统的放大率 理想光学系统的放大率描述了物象 的大小关系，放大率分别有垂轴放 大率、轴向放大率和角放大率。这 里讨论的放大率适合于任意大小的 空间和任意大小的光束，并且利用 理想光学系统的有关参数来计算。
h f '= tgU '
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（2-35a）
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h f = tgU
（2-35b）
我们把像方焦距为正的光组称为正光组，像方 焦距为负的光组称为负光组。
光焦度φ，它是系统像方焦距的倒数，即
1 Φ= f'
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（2-36）
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2.2.2.5 理像光组的节点
实际应用中还有一对共轭点极其有用， 即角放大率为+1的一对共轭点，称 之为节点，用J、J′表示。如果一 条光线通过物方节点J入射，则其共 轭光线必通过像方节点J′，且与入 射光线平行（图2-16）。
① ② ③
按照这一共线理论，还可以得到如下推 论： 如果一条物方光线经过物点P， 则对应 的像方光线必经过其共轭点P′； 如果物方的平面垂直于光轴，则像方对 应的共轭平面也垂直于光轴； 在任何一对共轭的垂轴平面内，垂轴放 大率为一常数，即垂轴的平面物体物像 相似。
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例2-4： 如图2-11，已知Q、Q′为
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