工程光学 几何光学基本定律与成像概念

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1、1工程光学基础教程主讲：李小燕2光的本质光的本质的认知过程1666年牛顿微粒说弹性粒子1678年惠更斯波动说以太弹性波1801年托马斯·杨双缝实验1873年麦克斯韦电磁场理论1905年爱因斯坦光子假设现在波粒二象性3光的本质光属于电磁波，具有波粒二象性。可见光波长：400~760nm物理光学波动性几何光学粒子性4光的研究二十世纪六十年代，激光问世。从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许许多多新兴的光学学科。薄膜光学全息光学傅立叶光学红外与微光技术集成光学纤维光学5内容：研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的原理和应用。要求：在注重论述光学基本原理的同时，结合工程实际，较全面掌

2、握光学基本理论和实际应用技术；在掌握经典光学理论的基础上，对现代光学系统原理及成像特性有更进一步的认识。工程光学研究内容光学系统的像质评价和像差公式第九章现代光学系统第八章6典型光学系统第七章光线的光路计算及像差理论第六章光学系统中的光阑与光束限制第四章平面与平面系统第三章理想光学系统第二章几何光学基本原理与成像概念第一章7第一章几何光学基本原理与成像概念8第一章几何光学基本原理几何光学基本定律成像的基本概念与完善成像条件光路计算与近轴光学系统球面光学成像系统9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！1-1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

3、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。10从本质上讲，光是电磁波，它是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。太不方便了！11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光线，然后按此来研究光学系统成像。问题变得简单而且实用！12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

4、：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。13一.发光点几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。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14任何被成像的物体，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。15二、光线发光点向四周辐射光能量，在几何光学中将发光点发出的光抽象为带有能量的线，它代表光的传播方向。16三、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

5、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17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18像散光束：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元件中的传播途径，这个途径称为光路实际做法：从光束中取出一个适当的截面，再求出其上几条光线的光路，即可解决成像问题。这种截面称为光束截面1-2几何光学基本定律一、光的直线传播定律在各向同性的均匀透明介质中，光线沿直线传播。★局限：没有考虑波动性如：衍射物注：均匀介质：折射率处处相等，与位置无关。各向同性介质：

6、各个方向的折射率相等，与方向无关。★条件：各向同性的均匀介质201-1几何光学基本定律二、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。★局限1：没有考虑波动性，如干涉。★局限2：没有考虑光束能量很强的情况，如非线性效应。21三、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。（一）折射定律na出射光线入射光线法线II’ONQnbI：入射角I’：折射角22（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

7、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nab即nab:介质b对介质a的相对折射率，如果介质a为真空，则介质b对真空的折射率也称为绝对折射率，用nb表示。na出射光线入射光线法线II’ONQnb23也可表述为：c：在真空中光速，vb：在介质b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对上式变换两种介质的相对折射率等于两介质的绝对折射率之比24将上式代入并设有：真空折射率为1，在标准压力下，20摄氏度时