工程光學(xué)緒論及第一章郁道銀版PPT作者竇柳明(長沙理工大學(xué))

1、工程光學(xué)工程光學(xué)長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院緒論緒論緒論緒論 1 1、光學(xué)發(fā)展的歷史、光學(xué)發(fā)展的歷史 1 2 2、什么是光學(xué)、什么是光學(xué)2 3 3、本課程的教學(xué)內(nèi)容本課程的教學(xué)內(nèi)容3 1 1 光學(xué)發(fā)展的歷史光學(xué)發(fā)展的歷史 世間萬物，繁衍生息都離不開光，光和人類的生活與生產(chǎn)有世間萬物，繁衍生息都離不開光，光和人類的生活與生產(chǎn)有著十分密切的關(guān)系，光學(xué)是人類最古老的科學(xué)之一。著十分密切的關(guān)系，光學(xué)是人類最古老的科學(xué)之一。 1 1 光學(xué)發(fā)展的歷史光學(xué)發(fā)展的歷史 u公元前公元前300300年，歐幾里德（年，歐幾里德（EuclidEuclid）論述了光的直線傳播和反射定律。

2、論述了光的直線傳播和反射定律。 u公元公元130130年，托勒密（年，托勒密（PtolemyPtolemy）列出）列出了幾種介質(zhì)的入射角和折射角。了幾種介質(zhì)的入射角和折射角。 u11001100年，阿拉伯人發(fā)明了玻璃透鏡。年，阿拉伯人發(fā)明了玻璃透鏡。 u1313世紀(jì)，眼鏡開始流行。世紀(jì)，眼鏡開始流行。 結(jié)論：折射角和入射角是成正比關(guān)系結(jié)論：折射角和入射角是成正比關(guān)系 1 1 光學(xué)發(fā)展的歷史光學(xué)發(fā)展的歷史 u15951595年，荷蘭的著名磨鏡師姜森年，荷蘭的著名磨鏡師姜森（JanssonJansson）發(fā)明了第一個簡陋的）發(fā)明了第一個簡陋的顯微鏡。顯微鏡。 u16081608年，荷蘭人李普賽發(fā)明

3、了望遠(yuǎn)鏡；第年，荷蘭人李普賽發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡；第2 2年意大利天文學(xué)家伽利略（年意大利天文學(xué)家伽利略（GalileoGalileo）制作）制作成了放大倍數(shù)為成了放大倍數(shù)為3030的望遠(yuǎn)鏡。的望遠(yuǎn)鏡。 u16211621年，荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳（年，荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳（SnellSnell）發(fā)現(xiàn)了）發(fā)現(xiàn)了折射定律。折射定律。 在不同的介質(zhì)里，入射角和折射角的余割之比總在不同的介質(zhì)里，入射角和折射角的余割之比總是保持相同的值。是保持相同的值。 1 1 光學(xué)發(fā)展的歷史光學(xué)發(fā)展的歷史 u16371637年法國科學(xué)家笛卡爾（年法國科學(xué)家笛卡爾（DescartesDescartes）給出了折射定律）給出了折射定律的

4、現(xiàn)代的表述。的現(xiàn)代的表述。u1717世紀(jì)下半葉開始，英國物理學(xué)家牛頓（世紀(jì)下半葉開始，英國物理學(xué)家牛頓（NewtonNewton）和荷蘭）和荷蘭物理學(xué)家惠更斯（物理學(xué)家惠更斯（HuygensHuygens）等人開始研究光的本質(zhì)。）等人開始研究光的本質(zhì)。 u1919世紀(jì)初，由英國醫(yī)生兼物理學(xué)家楊氏（世紀(jì)初，由英國醫(yī)生兼物理學(xué)家楊氏（T.YoungT.Young）和法）和法國土木工程師兼物理學(xué)家菲涅耳（國土木工程師兼物理學(xué)家菲涅耳（A.J.FresnelA.J.Fresnel）所發(fā)展）所發(fā)展的波動光學(xué)體系逐漸被普遍接受。的波動光學(xué)體系逐漸被普遍接受。 1 1 光學(xué)發(fā)展的歷史光學(xué)發(fā)展的歷史 u190

5、01900年，德國柏林大學(xué)教授普朗克（年，德國柏林大學(xué)教授普朗克（M.PlanckM.Planck）建立了）建立了量子光學(xué)。量子光學(xué)。 u19051905年，德國物理學(xué)家愛因斯坦（年，德國物理學(xué)家愛因斯坦（A.EinsteinA.Einstein）提出光）提出光量子（光子）理論。量子（光子）理論。 u19251925年，德國理論物理學(xué)家玻恩（年，德國理論物理學(xué)家玻恩（M.BornM.Born）提出了波粒二）提出了波粒二象性的幾率解釋，建立了波動性與微粒性之間的聯(lián)系。象性的幾率解釋，建立了波動性與微粒性之間的聯(lián)系。 u18651865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋（年，英國物理學(xué)家麥克斯韋（J. C.

6、 MaxwellJ. C. Maxwell）建立了光的電磁理論。建立了光的電磁理論。 1 1 光學(xué)發(fā)展的歷史光學(xué)發(fā)展的歷史 u19601960年，美國物理學(xué)家梅曼（年，美國物理學(xué)家梅曼（T.H.MaimanT.H.Maiman）研制成第一臺紅寶石激光器，給光學(xué)帶來研制成第一臺紅寶石激光器，給光學(xué)帶來了一次革命，大大推動了光學(xué)以及其他科了一次革命，大大推動了光學(xué)以及其他科學(xué)的發(fā)展。學(xué)的發(fā)展。 u激光是激光是2020世紀(jì)以來，繼原子能、計算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類世紀(jì)以來，繼原子能、計算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。激光一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)的又一重大發(fā)明。激光一問世，就獲得了異乎尋常

7、的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生。展，激光的發(fā)展使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生。 1 1 光學(xué)發(fā)展的歷史光學(xué)發(fā)展的歷史 2 2 什么是光學(xué)什么是光學(xué)- - 研究有關(guān)光的本質(zhì)及其規(guī)律的科學(xué)研究有關(guān)光的本質(zhì)及其規(guī)律的科學(xué) 物理光學(xué)物理光學(xué)幾何光學(xué)幾何光學(xué)研究光的波動本質(zhì)研究光的波動本質(zhì)研究光線傳輸及成像研究光線傳輸及成像生理光學(xué)生理光學(xué)量子光學(xué)量子光學(xué)研究人身的光學(xué)現(xiàn)象研究人身的光學(xué)現(xiàn)象研究光的量子性研究光的量子性什么是光學(xué)？什么是光學(xué)？ 2 2 什么是光學(xué)什么是光學(xué)側(cè)重于光的粒子性。側(cè)重于光的粒子性。以光線為基礎(chǔ)，用以光線為基礎(chǔ)，用幾何的方法來研究光在介質(zhì)中的傳播

8、規(guī)幾何的方法來研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律律及成像（像差）。及成像（像差）。幾何光學(xué)：幾何光學(xué)：物理光學(xué)：物理光學(xué)：側(cè)重于光的波動性。側(cè)重于光的波動性。研究光的本性，并研究光的本性，并根據(jù)光的本性來研究各種光學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)光的本性來研究各種光學(xué)現(xiàn)象。2 2 什么是光學(xué)什么是光學(xué) 工程光學(xué)工程光學(xué)是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授幾何光學(xué)和主要講授幾何光學(xué)和物理光學(xué)方面的基礎(chǔ)理論物理光學(xué)方面的基礎(chǔ)理論、基本方法和典型光學(xué)系統(tǒng)、基本方法和典型光學(xué)系統(tǒng)的實例和應(yīng)用。我們以學(xué)習(xí)的實例和應(yīng)用。我們以學(xué)習(xí)幾何光學(xué)幾何光學(xué)為主。為主。工程工程光學(xué)光學(xué)應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué) 物理光學(xué)物理光學(xué) 幾何光學(xué)幾何光學(xué)

9、光的電光的電磁理論磁理論 典型光典型光學(xué)系統(tǒng)學(xué)系統(tǒng) 光度學(xué)和光度學(xué)和色度學(xué)色度學(xué) 光的干涉光的干涉 光的衍射光的衍射 2 2 什么是光學(xué)什么是光學(xué)幾何光學(xué)幾何光學(xué)像差理論像差理論典典型型光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng)光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計幾何光學(xué)幾何光學(xué)課程包括哪些主要內(nèi)容？課程包括哪些主要內(nèi)容？ 通過本課程的學(xué)習(xí)，能對通過本課程的學(xué)習(xí)，能對光學(xué)的基本概念光學(xué)的基本概念、基本原理和典型基本原理和典型光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)有較為深刻的認(rèn)識，為學(xué)習(xí)光學(xué)設(shè)計、光信息理論和從有較為深刻的認(rèn)識，為學(xué)習(xí)光學(xué)設(shè)計、光信息理論和從事光學(xué)研究打下堅實的基礎(chǔ)。事光學(xué)研究打下堅實的基礎(chǔ)。2 2 什么是光學(xué)什么是光學(xué)3 3 本課程的教

10、學(xué)內(nèi)容本課程的教學(xué)內(nèi)容本課程共本課程共3232學(xué)時學(xué)時工程光學(xué)工程光學(xué)上篇上篇幾何光學(xué)與光學(xué)設(shè)計幾何光學(xué)與光學(xué)設(shè)計下篇下篇物理光學(xué)物理光學(xué)教材：教材：工程光學(xué)，郁道銀工程光學(xué)，郁道銀 ，機(jī)械工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社 平時成績（出勤，作業(yè)）：平時成績（出勤，作業(yè)）：40%40% 考查成績：考查成績：60%60% 缺勤缺勤5 5次及以上（遲到次及以上（遲到2 2次次=1=1次缺勤），不得參次缺勤），不得參加考查。加考查。成績評定：成績評定：3 3 本課程的教學(xué)內(nèi)容本課程的教學(xué)內(nèi)容上篇上篇幾何光學(xué)與光學(xué)設(shè)計幾何光學(xué)與光學(xué)設(shè)計第一章第一章: : 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念第

11、二章：理想光學(xué)系統(tǒng)第二章：理想光學(xué)系統(tǒng)第三章：平面與平面系統(tǒng)第三章：平面與平面系統(tǒng)第四章：光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制第四章：光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制第五章：光度學(xué)與色度學(xué)基礎(chǔ)第五章：光度學(xué)與色度學(xué)基礎(chǔ)第六章：光線的光路計算及象差理論第六章：光線的光路計算及象差理論第七章：典型的光學(xué)系統(tǒng)第七章：典型的光學(xué)系統(tǒng)第八章：現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)第八章：現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)第九章：光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價第九章：光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評價第十章：光學(xué)設(shè)計第十章：光學(xué)設(shè)計3 3 本課程的教學(xué)內(nèi)容本課程的教學(xué)內(nèi)容下篇下篇物理光學(xué)物理光學(xué)第十一章：光的電磁理論第十一章：光的電磁理論基礎(chǔ)基礎(chǔ)第十二章：光的第十二章：光的干涉和干涉系統(tǒng)干涉和干涉系統(tǒng)第十三

12、章：光的衍射第十三章：光的衍射第十四章：傅里葉光學(xué)第十四章：傅里葉光學(xué)第十五章：光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)第十五章：光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)第十六章：導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)第十六章：導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)第十七章：光子學(xué)基礎(chǔ)第十七章：光子學(xué)基礎(chǔ)3 3 本課程的教學(xué)內(nèi)容本課程的教學(xué)內(nèi)容第一章第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念幾何光學(xué)的基本定律與成像概念第一章第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念幾何光學(xué)的基本定律與成像概念 第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律1 第二節(jié)第二節(jié) 成像的基本概念與完善成像條件成像的基本概念與完善成像條件2 第三節(jié)第三節(jié) 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)3 第四節(jié)第四

13、節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng)4 第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律一、光波與光線一、光波與光線1 1、光波、光波（1 1）光是一種電磁波）光是一種電磁波, ,其在空間的傳播和在界面的行為遵從其在空間的傳播和在界面的行為遵從電磁波的一般規(guī)律。電磁波的一般規(guī)律。（2 2）可見光波長）可見光波長為為400nm760nm。對于不同波長的光，人們感受到的顏色不同。對于不同波長的光，人們感受到的顏色不同。（3 3）光在真空中的傳播速度）光在真空中的傳播速度c為：為：3030萬公里萬公里/ /秒，在介質(zhì)中的秒，在介質(zhì)中的傳播速度小于傳播速度小于c，且隨波長的不同而不同。，且隨波長的不

14、同而不同。（4 4）單色光單色光：具有單一波長的光。：具有單一波長的光。 復(fù)色光復(fù)色光：不同波長的單色光混合而成的光。：不同波長的單色光混合而成的光。( (如日光如日光) )第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律2 2、光源（發(fā)光體）：、光源（發(fā)光體）：能夠輻射光能的物體。能夠輻射光能的物體。 如日光燈、太陽、白熾燈、碘鎢燈、鈉燈、激光器等。如日光燈、太陽、白熾燈、碘鎢燈、鈉燈、激光器等。3 3、光線：、光線：由發(fā)光點發(fā)出的光抽象為能夠由發(fā)光點發(fā)出的光抽象為能夠傳輸能量的幾何線傳輸能量的幾何線，它，它代表光的傳播方向代表光的傳播方向。4 4、波陣面（波面）：、波陣面（波面）：振動位

15、相相同的各點在某一瞬間所構(gòu)振動位相相同的各點在某一瞬間所構(gòu)成的曲面。成的曲面。波面的法線即為光線。光的傳播即為光波波面的傳波面的法線即為光線。光的傳播即為光波波面的傳播。播。第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律6 6、光波的分類：、光波的分類：平面波平面波、球面波球面波（發(fā)散光波和會聚光波）、（發(fā)散光波和會聚光波）、任意曲面波任意曲面波發(fā)散光束發(fā)散光束會聚光束會聚光束平行光束平行光束同心光束同心光束5 5、光束：、光束：與波面對應(yīng)的所有光線的集合與波面對應(yīng)的所有光線的集合. .第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律二、幾何光學(xué)的基本定律二、幾何光學(xué)的基本定律1 1、光

16、的直線傳播定律、光的直線傳播定律 光在各向同性介質(zhì)中沿直線傳播光在各向同性介質(zhì)中沿直線傳播 ?！靶】壮上裥】壮上瘛?、精密測量等以此為基礎(chǔ)。、精密測量等以此為基礎(chǔ)。例：例： 影子的形成、日蝕、月蝕影子的形成、日蝕、月蝕( (忽略衍射現(xiàn)象忽略衍射現(xiàn)象 ) )光的直線傳播定律這一定律具有局限性。光的直線傳播定律這一定律具有局限性。第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律S1S2一般情況下，交會處的光強(qiáng)度一般情況下，交會處的光強(qiáng)度是各光束強(qiáng)度的簡單疊加是各光束強(qiáng)度的簡單疊加：I=I1+I2 若若 1 1= = 2 2、相位差不隨時間、相位差不隨時間變化變化, ,且振動方向不是相互垂且振動方向

17、不是相互垂直，則此區(qū)內(nèi)的光強(qiáng)分布將呈直，則此區(qū)內(nèi)的光強(qiáng)分布將呈現(xiàn)為相干分布?，F(xiàn)為相干分布。 2 2、光的獨(dú)立傳播定律、光的獨(dú)立傳播定律 從不同光源發(fā)出的光線，以不同的方向經(jīng)過某點時，各從不同光源發(fā)出的光線，以不同的方向經(jīng)過某點時，各光線獨(dú)立傳播著，彼此互不影響光線獨(dú)立傳播著，彼此互不影響。第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律3 3、反射定律和折射定律、反射定律和折射定律反射定律：反射定律： 入射光線、反射光線和分界面上入射點的法線三者在同一平入射光線、反射光線和分界面上入射點的法線三者在同一平面內(nèi)。面內(nèi)。 入射角和反射角的絕對值相等而符號相反，即入射光線和反入射角和反射角的絕對值

18、相等而符號相反，即入射光線和反射光線位于法線的兩側(cè)，即：射光線位于法線的兩側(cè)，即：II II IANBCnnPQN 入射角、反射角和折射角，入射角、反射角和折射角，由光線轉(zhuǎn)向法線由光線轉(zhuǎn)向法線，順時針方向，順時針方向旋轉(zhuǎn)形成的角度為正，反之為負(fù)。旋轉(zhuǎn)形成的角度為正，反之為負(fù)。O第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律折射定律：折射定律： 入射光線、折射光線和分界面上入射點的法線三者在同一平入射光線、折射光線和分界面上入射點的法線三者在同一平面內(nèi)。面內(nèi)。 入射角的正弦與折射角的正弦之比和入射角的大小無關(guān)，只入射角的正弦與折射角的正弦之比和入射角的大小無關(guān)，只與兩種介質(zhì)的折射率有關(guān)。與兩

19、種介質(zhì)的折射率有關(guān)。折射定律可表示為折射定律可表示為:nnIIsinsinInInsinsin折射率：折射率：n=c/v 。 反射是折射在反射是折射在 時的特例時的特例nn折射率是用來描述介質(zhì)中光速減慢程度的物理量。折射率是用來描述介質(zhì)中光速減慢程度的物理量。真空的折射率為真空的折射率為1，介質(zhì)相對于真空的折射率為，介質(zhì)相對于真空的折射率為絕對折射率。絕對折射率。第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律II IANBCnnPQNO4 4、全反射現(xiàn)象、全反射現(xiàn)象 當(dāng)光線射至透明介質(zhì)的光滑分界面而發(fā)生折射時，必然會當(dāng)光線射至透明介質(zhì)的光滑分界面而發(fā)生折射時，必然會伴隨著部分光線的反射。伴

20、隨著部分光線的反射。光密介質(zhì)：光密介質(zhì)： 分界面一側(cè)折射率較高的介質(zhì)分界面一側(cè)折射率較高的介質(zhì)光疏介質(zhì)：光疏介質(zhì)： 分界面一側(cè)折射率較低的介質(zhì)分界面一側(cè)折射率較低的介質(zhì)IAnnPQmInn InInsinsinII I第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律 在一定條件下，該界面可以將全部入射光線反射回原介質(zhì)而在一定條件下，該界面可以將全部入射光線反射回原介質(zhì)而無折射光通過，無折射光通過，這就是光的全反射現(xiàn)象。這就是光的全反射現(xiàn)象。光密介質(zhì)光密介質(zhì)光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)全反射條件：全反射條件： 光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)；光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)； 入射角大于臨界角。入射角大于臨界角。n

21、nnnInnIm90sinsinsinInInsinsin由：由：由折射定律可求出由折射定律可求出臨界角臨界角I Im m第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律AmII nnPQ光密介質(zhì)光密介質(zhì)光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)半圓形玻璃磚折射與反射半圓形玻璃磚折射與反射 當(dāng)入射角小于當(dāng)入射角小于4242度，可以觀察到反射光線和折射光線，當(dāng)增大入射角度，可以觀察到反射光線和折射光線，當(dāng)增大入射角角度，反射光增強(qiáng)，折射光線減弱。角度，反射光增強(qiáng)，折射光線減弱。當(dāng)入射光線大于當(dāng)入射光線大于4242度時，光線就發(fā)生全度時，光線就發(fā)生全反射現(xiàn)象。反射現(xiàn)象。全反射實驗全反射實驗第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律

22、幾何光學(xué)的基本定律1 1）等腰直角三角形玻璃磚）等腰直角三角形玻璃磚( (反射棱鏡反射棱鏡) )2 2）激光射入有機(jī)玻璃棒）激光射入有機(jī)玻璃棒應(yīng)用應(yīng)用 反射棱鏡、光纖反射棱鏡、光纖 ImII I 第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律5 5、光路的可逆性、光路的可逆性 光源光源A發(fā)射的光線經(jīng)發(fā)射的光線經(jīng)B B點折射向點折射向C C. .若在若在C C點置一光源點置一光源, ,由由折射定律知，光線由折射定律知，光線由C C點入射經(jīng)點入射經(jīng)B B點折射必射向點折射必射向A A，即光，即光線是可逆的線是可逆的. .IInnPBCQA第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律三、費(fèi)

23、馬原理三、費(fèi)馬原理若介質(zhì)折射率是空間坐標(biāo)的函數(shù)若介質(zhì)折射率是空間坐標(biāo)的函數(shù)n=n(x,y,z)，則，則從從A A點點到到B B點光線可能為一空間曲線，其光程方程為點光線可能為一空間曲線，其光程方程為 光程等于在相同時間內(nèi)光在真空中傳播的距離。光程等于在相同時間內(nèi)光在真空中傳播的距離。光程：光程：光線在介質(zhì)中傳播的幾何距離光線在介質(zhì)中傳播的幾何距離l與介質(zhì)折射率與介質(zhì)折射率n的乘積。的乘積。ctnvtnlsBAndlsABndl費(fèi)馬原理是用費(fèi)馬原理是用“光程光程”的概念對光的傳播的一個簡明概括。的概念對光的傳播的一個簡明概括。第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律費(fèi)馬原理：費(fèi)馬原理：

24、 光線從一點傳播到另一點，其間無論進(jìn)行了多少次光線從一點傳播到另一點，其間無論進(jìn)行了多少次反射或折射，其光程為極值（極大、極小、常量）。光反射或折射，其光程為極值（極大、極小、常量）。光是沿著光程為極值的方向傳播的。是沿著光程為極值的方向傳播的。 費(fèi)馬原理是描述光線傳播的基本定律，利用費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理是描述光線傳播的基本定律，利用費(fèi)馬原理可以導(dǎo)出光的直線傳播定律和反射、折射定律?？梢詫?dǎo)出光的直線傳播定律和反射、折射定律。 0BAndls由極值條件得由極值條件得費(fèi)馬原理的數(shù)學(xué)表示：費(fèi)馬原理的數(shù)學(xué)表示： 費(fèi)馬原理可解釋：在均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。在費(fèi)馬原理可解釋：在均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。在非

25、均勻介質(zhì)中，光不再沿直線傳播，此時折射率非均勻介質(zhì)中，光不再沿直線傳播，此時折射率n為空間為空間位置的函數(shù)，其光程應(yīng)為極值。位置的函數(shù)，其光程應(yīng)為極值。第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律四、馬呂斯定律四、馬呂斯定律折反射定律折反射定律、費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理和和馬呂斯定律馬呂斯定律三者中任意一個均可視為幾三者中任意一個均可視為幾何光學(xué)的三個基本定律之一，而把另兩個作為其基本定律的推論。何光學(xué)的三個基本定律之一，而把另兩個作為其基本定律的推論。馬呂斯定律：馬呂斯定律：光線束在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時，始終光線束在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時，始終保持著與波面的正交性，并且入射波面與出射

26、波面對應(yīng)點之間保持著與波面的正交性，并且入射波面與出射波面對應(yīng)點之間的光程均為定值。的光程均為定值。 馬呂斯定律描述了光經(jīng)過多次反射折射后，光束與波面、光馬呂斯定律描述了光經(jīng)過多次反射折射后，光束與波面、光線與光程的關(guān)系線與光程的關(guān)系.第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律第二節(jié)第二節(jié) 成像的基本概念與完善成像條件成像的基本概念與完善成像條件 4 4、物空間、像空間：、物空間、像空間： 物（像）所在的空間。物（像）所在的空間。一、光學(xué)系統(tǒng)與成像概念一、光學(xué)系統(tǒng)與成像概念1、光學(xué)系統(tǒng)的作用：、光學(xué)系統(tǒng)的作用： 對物體成像，擴(kuò)展人眼的功能。對物體成像，擴(kuò)展人眼的功能。2 2、完善像點：

27、、完善像點： 若一個物點對應(yīng)的一束同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后仍若一個物點對應(yīng)的一束同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后仍為同心光束，該出射同心光束的中心即為該物點的完善為同心光束，該出射同心光束的中心即為該物點的完善像點。像點。3、完善像：、完善像： 完善像點的集合。完善像點的集合。AA第二節(jié)第二節(jié) 成像的基本概念與完善成像條件成像的基本概念與完善成像條件 5 5、共軸光學(xué)系統(tǒng)：、共軸光學(xué)系統(tǒng)： 若光學(xué)系統(tǒng)中各個光學(xué)元件表面的曲率中心在同一若光學(xué)系統(tǒng)中各個光學(xué)元件表面的曲率中心在同一條直線上，則該光學(xué)系統(tǒng)是共軸光學(xué)系統(tǒng)。條直線上，則該光學(xué)系統(tǒng)是共軸光學(xué)系統(tǒng)。6 6、光軸：、光軸： 光學(xué)系統(tǒng)中各個光學(xué)元件表面的曲

28、率中心的連線。光學(xué)系統(tǒng)中各個光學(xué)元件表面的曲率中心的連線。光軸光軸第二節(jié)第二節(jié) 成像的基本概念與完善成像條件成像的基本概念與完善成像條件 CAOnEOnOOnOOnOAnAEnEEnEEnEEnEAnkkkkkkkk21211112121111二、完善成像條件二、完善成像條件表述二：入射波面是球面波時，出射波面也是球面波。表述二：入射波面是球面波時，出射波面也是球面波。表述一：入射光是同心光束時，出射光也是同心光束。表述一：入射光是同心光束時，出射光也是同心光束。表述三：物點及其像點之間任意兩條光路的光程相等。表述三：物點及其像點之間任意兩條光路的光程相等。共軸光學(xué)系統(tǒng)共軸光學(xué)系統(tǒng)nkn11

29、1第二節(jié)第二節(jié) 成像的基本概念與完善成像條件成像的基本概念與完善成像條件 三、物、像的虛實三、物、像的虛實實物（像）：實物（像）：由實際光線相交會聚而形成的物（像）。由實際光線相交會聚而形成的物（像）。虛物（像）：虛物（像）：由光線的延長線相交形成的物（像）由光線的延長線相交形成的物（像） 。請注意下圖中的實物、實像、虛物、虛像以及物空間、像空間請注意下圖中的實物、實像、虛物、虛像以及物空間、像空間實物成實像實物成實像實物成虛像實物成虛像虛物成實像虛物成實像虛物成虛像虛物成虛像第二節(jié)第二節(jié) 成像的基本概念與完善成像條件成像的基本概念與完善成像條件 虛物不能人為設(shè)定，它是前一光學(xué)系統(tǒng)的實像被當(dāng)前

30、系統(tǒng)所截虛物不能人為設(shè)定，它是前一光學(xué)系統(tǒng)的實像被當(dāng)前系統(tǒng)所截而得。虛像只能人眼觀察不能記錄。而得。虛像只能人眼觀察不能記錄。 實物、虛像對應(yīng)發(fā)散同心光束，虛物、實像對會聚同心光束。實物、虛像對應(yīng)發(fā)散同心光束，虛物、實像對會聚同心光束。因此，幾個光學(xué)系統(tǒng)組合時，前一系統(tǒng)形成的虛像應(yīng)看成是當(dāng)前系因此，幾個光學(xué)系統(tǒng)組合時，前一系統(tǒng)形成的虛像應(yīng)看成是當(dāng)前系統(tǒng)的實物。統(tǒng)的實物。實物成實像實物成實像實物成虛像實物成虛像虛物成實像虛物成實像虛物成虛像虛物成虛像第二節(jié)第二節(jié) 成像的基本概念與完善成像條件成像的基本概念與完善成像條件 第三節(jié)第三節(jié) 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 第三節(jié)第三節(jié) 光

31、路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)都是由折、反射球面或平面組成的共軸大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)都是由折、反射球面或平面組成的共軸球面光學(xué)系統(tǒng)。而平面可看作是球面光學(xué)系統(tǒng)。而平面可看作是 的球面特例，反射則是的球面特例，反射則是折射在折射在 時的特例，所以折射球面系統(tǒng)具有普通意義。時的特例，所以折射球面系統(tǒng)具有普通意義。rnn 光學(xué)系統(tǒng)是由多個折射球面組成，因此首先討論單個折射光學(xué)系統(tǒng)是由多個折射球面組成，因此首先討論單個折射球面折射的光路計算問題，再由各表面過渡到整個光學(xué)系統(tǒng)。球面折射的光路計算問題，再由各表面過渡到整個光學(xué)系統(tǒng)。一、基本概念與符號規(guī)則一、基本概念與符號規(guī)則L：OA

32、 A的距離為的距離為像方截距像方截距U：出射光線與光軸的夾角出射光線與光軸的夾角OAE為為像方孔徑角像方孔徑角C：球面中心球面中心r ：折射球面的折射球面的曲率曲率半徑半徑O：光軸與球面的交光軸與球面的交點稱為點稱為頂點頂點 設(shè)在空間存在如下一個折射球面設(shè)在空間存在如下一個折射球面OE：L：OA A的距離的距離物方截距物方截距U：入射光線與光軸的夾角入射光線與光軸的夾角OAE為為物方孔徑角物方孔徑角子午面：子午面：通過物點和光軸的截面。通過物點和光軸的截面。（軸上物點（軸上物點A的子午面有無窮多個，軸外的子午面有無窮多個，軸外物點物點B的子午面只有一個）的子午面只有一個）第三節(jié)第三節(jié) 光路計算

33、與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 符號規(guī)則：符號規(guī)則：（1 1） 沿軸線段沿軸線段( (如如L、L、r) )：光線方向自左向右，光線方向自左向右，以頂點以頂點O為原點為原點，到光線和光軸交點或球心的方向與光，到光線和光軸交點或球心的方向與光線傳播方向相同，其值為正，反之為負(fù)。即：線傳播方向相同，其值為正，反之為負(fù)。即：順光線為順光線為正，逆光線為負(fù)正，逆光線為負(fù)。（2 2） 垂軸線端（如光線矢高垂軸線端（如光線矢高h(yuǎn)）：）：光軸以上為正，光軸光軸以上為正，光軸以下為負(fù)。以下為負(fù)。第三節(jié)第三節(jié) 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) （4 4） 光線與折射面法線的夾角（如光線與折射面法

34、線的夾角（如I I、II、II）：）：由光由光線經(jīng)銳角轉(zhuǎn)向法線線經(jīng)銳角轉(zhuǎn)向法線，順時針為正，逆時針為負(fù)。，順時針為正，逆時針為負(fù)。 （3 3） 光線與光軸夾角（如光線與光軸夾角（如U、U ）：）：由由光軸轉(zhuǎn)向光線光軸轉(zhuǎn)向光線的銳角的銳角，順時針為正，逆時針為負(fù)。，順時針為正，逆時針為負(fù)。第三節(jié)第三節(jié) 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) （6 6） 折射面間隔折射面間隔( (d）：）：d由前一面頂點到后一面頂點方由前一面頂點到后一面頂點方向，順光線方向為正，逆光線方向為負(fù)。向，順光線方向為正，逆光線方向為負(fù)。（5 5） 光軸與法線的夾角（如光軸與法線的夾角（如）：）：由由光軸經(jīng)銳角轉(zhuǎn)向

35、法光軸經(jīng)銳角轉(zhuǎn)向法線線，順時針為正，順時針為正, ,逆時針為負(fù)。逆時針為負(fù)。第三節(jié)第三節(jié) 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 二、實際光線的光路計算二、實際光線的光路計算解：解：AEC中應(yīng)用正弦定理中應(yīng)用正弦定理由折射定律：由折射定律： 又又AEC中中應(yīng)用正弦定理應(yīng)用正弦定理rUrLI)sin()180sin(InnIsinsinIUIUrUrLIsinsin已知：已知：折射球面曲率半徑折射球面曲率半徑r，介質(zhì)折射率為，介質(zhì)折射率為n和和n，物方坐，物方坐標(biāo)標(biāo)L和和U求：求：像方像方L和和UrUrLIsin)(sinIIUU)sinsin1 (UIrL第三節(jié)第三節(jié) 光路計算與近軸光學(xué)

36、系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) UI說明說明: :（1）由子午面內(nèi)實際光線的光路計算公式可知，只要給出）由子午面內(nèi)實際光線的光路計算公式可知，只要給出U、L，可算出可算出U、L，由于折射面乃至整個系統(tǒng)都具有軸對稱性，故以，由于折射面乃至整個系統(tǒng)都具有軸對稱性，故以A為頂點，為頂點，2U為頂角的圓錐面上的光線均匯聚于為頂角的圓錐面上的光線均匯聚于A點。點。（2）由上面推導(dǎo)可知：）由上面推導(dǎo)可知：L是是L,U的函數(shù)的函數(shù)、U 也是也是L,U的函數(shù)的函數(shù)。當(dāng)當(dāng)L不變，只不變，只U變化時，變化時，L也是變化的。說明也是變化的。說明“球差球差”的存在。的存在。InnIsinsinrUrLIsin)(sinI

37、IUU)sinsin1 (UIrL子午面內(nèi)實際光線的子午面內(nèi)實際光線的光路計算公式光路計算公式“球差球差”：同心光束經(jīng)折射后，出射光束不再是同心光束，即同心光束經(jīng)折射后，出射光束不再是同心光束，即單個折射球面對軸上點成像是不完善的，這種現(xiàn)象叫單個折射球面對軸上點成像是不完善的，這種現(xiàn)象叫”球差球差”第三節(jié)第三節(jié) 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 近軸光線的光路計算公式：近軸光線的光路計算公式：(5)(5)式說明：式說明：在近軸區(qū)在近軸區(qū)l只是只是l的函數(shù)，它不隨孔徑的函數(shù)，它不隨孔徑u的變化而變化，的變化而變化，軸上物點在近軸區(qū)以細(xì)光束成完善像，這個像點稱軸上物點在近軸區(qū)以細(xì)光束成

38、完善像，這個像點稱高斯像點高斯像點。 高斯像面：高斯像面：通過高斯像點且垂直于光軸的平面稱為高斯像面，位置為通過高斯像點且垂直于光軸的平面稱為高斯像面，位置為l。共軛點：共軛點：物面上與像面上的一對構(gòu)成物像關(guān)系的點稱為共軛點物面上與像面上的一對構(gòu)成物像關(guān)系的點稱為共軛點 )4()1 ()3()2()1 (uirliiuuinniurrli)5()(rlnlnlrnl三、近軸光線的光路計算三、近軸光線的光路計算概念：概念：近軸區(qū)近軸區(qū) 近軸光線近軸光線當(dāng)當(dāng)U很小時，很小時，I，I和和U都很小，光線在光軸附近很小的區(qū)域內(nèi)。都很小，光線在光軸附近很小的區(qū)域內(nèi)。近軸區(qū)內(nèi)的光線。近軸區(qū)內(nèi)的光線。InnI

39、sinsinrUrLIsin)(sinIIUU)sinsin1 (UIrL子午面內(nèi)實際光線的光路計算公式子午面內(nèi)實際光線的光路計算公式用弧度代替正弦值用弧度代替正弦值第三節(jié)第三節(jié) 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 在近軸區(qū)有：在近軸區(qū)有：由公式由公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)(1)(2)(3)(4)(5)(6)可推出：可推出：(7)(7)式中式中Q稱為稱為阿貝不變量阿貝不變量，對于單個折射球面物空間與像空間對于單個折射球面物空間與像空間的的Q相等，隨共軛點的位置而異相等，隨共軛點的位置而異； (8)(8)式表明了物、式表明了物、像孔徑角像孔徑角對應(yīng)對應(yīng)的關(guān)系的關(guān)系(9)(

40、9)式表明了物、式表明了物、像位置像位置對應(yīng)對應(yīng)關(guān)系關(guān)系)6(luulh)9()8()()7()11()11( rnnlnlnrhnnnuunQlrnlrn )4()1 ()3()2()1 (uirliiuuinniurrli)5()(rlnlnlrnl第三節(jié)第三節(jié) 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) 一、單折射面成像一、單折射面成像垂軸線段垂軸線段AB為近軸區(qū)內(nèi)垂直于光軸的平面物體。對軸外物點為近軸區(qū)內(nèi)垂直于光軸的平面物體。對軸外物點B點的而言，點的而言，BC相當(dāng)于其光軸（相當(dāng)于其光軸（輔軸輔軸），則），則B一定成像于一定成像于B點。

41、點。AB上每一點都如此，那么，上每一點都如此，那么，AB就是就是ABAB的完善像。的完善像。本節(jié)要解決的問題：本節(jié)要解決的問題：有限大的物體經(jīng)過折射球面乃至球面光學(xué)系有限大的物體經(jīng)過折射球面乃至球面光學(xué)系統(tǒng)后的放大、縮小以及像的正倒、虛實。統(tǒng)后的放大、縮小以及像的正倒、虛實。第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) ( (一一) )垂軸放大率垂軸放大率令：物高令：物高AB=y， 像高像高AB=ylnnl/第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) 垂軸放大率垂軸放大率yylrrlyylnnlCBAABC相似利用利用Q：)11()11( lrnlrnQllnnlrrlyynn 1lnn

42、 l 時，時，時，時， 垂軸放大率與垂軸放大率與物體軸上位置有關(guān)，物體軸上位置有關(guān)，一個沿軸向有一定厚度一個沿軸向有一定厚度的物體經(jīng)成像后，其軸向高度將不再與物相似。的物體經(jīng)成像后，其軸向高度將不再與物相似。lnrnn)(11)5()(rlnlnlrnl注意：注意：垂軸放大率是物方截距的函數(shù)，垂軸放大率是物方截距的函數(shù)，即物點位于不同位置其即物點位于不同位置其是不同的。是不同的。 第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) lnnl： 異號，異號，物像反方向，成倒像；物像反方向，成倒像； ： 同號，同號，物像同方向，成正像；物像同方向，成正像； 當(dāng)當(dāng) 時，時，nn 10, yy0, yy,

43、ll,ll110l異號，物像異側(cè)，物像虛實相同；異號，物像異側(cè)，物像虛實相同；放大，放大，縮?。豢s小；討論討論: : 無折射面；無折射面；即無窮遠(yuǎn)物將在某點縮為一點。即無窮遠(yuǎn)物將在某點縮為一點。同號，物像同側(cè)，物像虛實相反；同號，物像同側(cè)，物像虛實相反；lnnlyy nlrnn )(11第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) 討論討論: : ，物像點沿同一方向移動。，物像點沿同一方向移動。 也也與物點位置有關(guān)與物點位置有關(guān)，不同點有不同的軸向放大率，亦，不同點有不同的軸向放大率，亦即空間物體的像會變形。即空間物體的像會變形。（二）軸向放大率（二）軸向放大率當(dāng)物沿光軸有一微小位移當(dāng)物沿光

44、軸有一微小位移時時dl，引起像亦有一微小位移，引起像亦有一微小位移dl,定義定義 為軸向放大率為軸向放大率.dldl /0222nnlnnl 第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) 微分有對rnnlnln022lndlldln2222nnlnnlnnlnnldldl定義定義 一對共軛光線與光軸的一對共軛光線與光軸的夾角夾角u與與u之比為角放大率。之比為角放大率。uu /luul（三）角放大率（三）角放大率利用利用越大越大 ( (當(dāng)當(dāng) 一定時一定時)rl越小越小, , nnll1 nlrnnnn)(1角放大率角放大率只與共軛點的位置有關(guān)只與共軛點的位置有關(guān)，與光線的孔徑角無關(guān)。與光線的孔

45、徑角無關(guān)。角放大率表示折射球面將光束變寬或變細(xì)的能力。角放大率表示折射球面將光束變寬或變細(xì)的能力。第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) 1nnnnnllnlluuJnuyyunullu Jnuyyun三者之間關(guān)系三者之間關(guān)系: : J（拉格朗日（拉格朗日- -赫姆霍茲不變量）赫姆霍茲不變量）, ,簡稱簡稱拉赫不變量拉赫不變量, ,是表征光學(xué)是表征光學(xué)系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能的的一個重要參數(shù)一個重要參數(shù)。阿貝不變量阿貝不變量拉赫不變量拉赫不變量迄今為止迄今為止,我們已經(jīng)知道三個不變量我們已經(jīng)知道三個不變量: Qlrnlrn 1111矢高不變量矢高不變量222nnlnnlnnll1 第四節(jié)第四節(jié)

46、 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) unnuuulununllnnlyy又 在球面反射系統(tǒng)中，只要將球面折射系統(tǒng)中所得在球面反射系統(tǒng)中，只要將球面折射系統(tǒng)中所得公式中的公式中的 用用 代替，就可得到相應(yīng)公式與結(jié)論。代替，就可得到相應(yīng)公式與結(jié)論。n)( nnnnnvcn/ 為負(fù)值時，為負(fù)值時，nn表明經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后光線反向傳播。表明經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后光線反向傳播。vcn/v 二、球面反射鏡成像二、球面反射鏡成像 下面討論球面反射鏡（簡稱下面討論球面反射鏡（簡稱球面鏡球面鏡）的成像特性。）的成像特性。第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) ll /02/1yuuyJ特別地特別地, ,當(dāng)物點位于球心當(dāng)物點位于球心C時，即時，即 則則rl rl 11物像位置公式物像位置公式放大率放大率物像沿軸反向物像沿軸反向即通過球心的光線將沿光即通過球心的光線將沿光路返回，重匯于球心。路返回，重匯于球心。rnnlnln 由由令令n=-nrll211 lnnl/222nnlnnl nnll1 Jnuyyun凹透鏡凸透鏡00/2/1/1rrrll凸面鏡凸面鏡凹面鏡凹面鏡第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng) 凹面鏡成像凹面鏡成像凸面鏡成像凸面鏡成像rll211 第四節(jié)第四節(jié) 球面光學(xué)成像系統(tǒng)球面光學(xué)成像系統(tǒng)