工程光学第一章几何光学基本定律与成像概念课件.ppt

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1、工程光学上篇几何光学与成像理论几何光学基本定律与成像概念理想光学系统平面与平面系统光学系统中的光阑和光束限制光度学和色度学基础光线的光路计算及像差理论典型光学系统光学系统的像质评价和像差公差下篇：物理光学光的电磁理论基础（吸收、色散、散射、傅里叶分析）光的干涉（干涉条纹、双光束干涉、多光束干涉及应用）光的衍射（夫琅和费、菲涅尔、分辨率、衍射光栅）光的偏振（双折射、偏振光与偏振器件、磁光、电光效应）第一章几何光学基本定律与成像概念●什么是几何光学？1、几何光学的基本定律以光线的概念为基础，用几何的方法研究光在介质中的传播规律和光学系统的

2、成像特性。●本章内容2、成像的基本概念和完善成像条件3、光路计算与近轴光学系统4、球面光学成像系统一、光波与光线●光和人类的生产、生活密不可分；人类对光的研究分为两个方面：（1）光的本性，以此来研究各种光学现象，称为物理光学；（2）光的传播规律和传播现象称为几何光学。第一节几何光学的基本定律1、光的本质——光就其本质而言是一种电磁波。●光学研究史：1666年牛顿提出的“微粒说”；1678年惠更斯的“波动说”；1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光是一种电磁波；1905年爱因斯坦提出了“光子”说；●现代物理学认为光具有波、粒二象性：既有波动

3、性，又有粒子性。一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它情况均可以将光看成是电磁波●光波波长范围大约10nm～1mm可见光波长380～760nm，人眼对555nm黄绿光最敏感●单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，称之为单色光；复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光；白光是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光.●真空中光速c≈2.99792458×108m/s，在介质中传播速度小于c，且随波长的不同而不同。电磁波谱▲能够辐射光能量的物体称为发光体或光源。2、光源注意两点：3、光线在几何光学中，通常将发光点发出

4、的光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线，即光线。光线的方向代表光的传播方向。（1）点光源是当光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，此光源可认为是点光源。例如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个发光点。（2）无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称为发光体。▲光波是电磁波，任何光源可看作波源，光的传播正是这种电磁波的传播。4、波面▲光波向四周传播时，在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。在各向同性介质中，波面上某点的法线即代表了该点处光的传播方向，即光是沿着波面法线方向传播的。

5、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。5、光束b)球面光波与会聚光束c)平面光波与平行光束▲同心光束——对应于波面为球面的光束称为同心光束。▲球面光波对应的同心光束按光的传播方向不同又分为会聚光束和发散光束。▲与平面波相对应的是平行光束，是同心光束的一种特殊形式波面与光束a)球面光波与发散光束▲像散光束一般来讲，同心光束或平行光束经过实际光学系统后，由于像差的作用，将不再是同心光束或平行光束，对应的光波为非球面波。FtFsa1b1a2a3b2b3c1c2c3非球面波和对应的像散光束二、几何光学的基本定律几何光学把研

6、究光经过介质的传播问题归结为如下四个基本定律，它是我们研究各种光的传播现象和规律以及物体经过光学系统的成像特性的基础。（1）光的直线传播定律（2）光的独立传播定律（3）光的折射定律（4）光的反射定律1、光的直线传播定律2、光线的独立传播定律在各向同性的均匀介质中，光线按直线传播。例子：影子的形成、日食、月蚀等。不同的光线以不同的方向通过某点时，彼此互不影响，在空间的这点上，其效果是通过这点的几条光线的作用的叠加。利用这一规律，使得对光线传播情况的研究大为简化。3、光的折射定律与反射定律入射光线AO入射到两种介质的分界面PQ上，在O点发生

7、折反射。其中，反射光线为OB，折射光线为OC，NN′为界面上O点处的法线。入射光线、反射光线和折射光线与法线的夹角I、I’’、I’分别称为入射角、反射角和折射角，它们均以锐角度量，由光线转向法线，顺时针方向旋转形成的角度为正,反之为负.▲反射定律归结为：（1）反射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；（2）反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角与入射角的绝对值相等，符号相反，即：I’’=-I▲折射定律归结为：（1）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；（2）折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两种介质的性质

8、决定，即：n’·sinI’=n·sinI▲关于折射率折射率是表征透明介质光学性质的重要参数，是用来描述介质中的光速相对于真空中的光速减慢程度的物理量。折射率定义：因为真空中的折射率为1，故把介质相对于真空的