光學(xué)基本知識(shí)講座課件

光學(xué)基本知識(shí)第一部分幾何光學(xué)幾何光學(xué)基本知識(shí)一.基本概念發(fā)光點(diǎn)光線光束二.光線傳播的基本定律1.光的直線傳播定律2.光的獨(dú)立傳播定律3.光的折射定律4.光的反射定律2.光的獨(dú)立傳播定律以不同途徑傳播的光，同時(shí)在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，彼此互不影響，各自獨(dú)立地傳播3.光的折射定律折射光線與入射光線在同一平面內(nèi)，折射角與入射角的正弦之比與入射角的大小無關(guān)，僅由兩介質(zhì)的性質(zhì)決定,當(dāng)壓力、溫度和光的波長一定時(shí)，其比值為常數(shù)：nSin(I)=n’Sin(I’)4.光的反射定律反射光線與入射光線和法線在同一平面內(nèi)，入射光線與反射光線分別位于法線的兩側(cè)，與法線夾角相同I”=-I三.物像的基本概念1.光學(xué)儀器和激光頭的光學(xué)系統(tǒng)都由一系列折射面和反射面組成2.光軸：各個(gè)表面的曲率中心均在同一直線上的光學(xué)系統(tǒng)稱為共軸光學(xué)系統(tǒng)，這條直線稱為光軸物像的基本概念3.成像：以A為頂點(diǎn)的入射光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)一系列表面折射和反射后，變?yōu)橐訟’點(diǎn)為頂點(diǎn)的出射光束，稱A為物點(diǎn)，A’為像點(diǎn)，A’為物點(diǎn)A的像；物所在的空間稱為物空間像所在的空間稱為像空間物像基本概念4.同心光束與光程

★一個(gè)發(fā)光點(diǎn)或?qū)嵨稂c(diǎn)總是發(fā)出同心光束，它與球面波相對(duì)應(yīng)

★一個(gè)像點(diǎn)如果由對(duì)應(yīng)的同心光束匯聚而成，這樣的像點(diǎn)稱為完善像點(diǎn)

★要成為完善像點(diǎn)，必須使入射波面與出射波面之間光程是相等的：Σn×

d=constn介質(zhì)折射率d光線所經(jīng)過的實(shí)際長度光的色散介質(zhì)的折射率對(duì)不同波長（顏色）的光波是不同的目視儀器用人眼觀察，黃光（Na）D589.3nm

青光（H）F486.1nm

紅光（H）C656.3nmD對(duì)人眼最敏感

F、C位于人眼靈敏極限的兩端由于白光是各色光混合而成，經(jīng)棱鏡折射，因不同波長的折射率不同而出現(xiàn)分光現(xiàn)象。長波的紅光在上，短波的紫光在下。這就是色散。

五.理想光學(xué)系統(tǒng)1.定義：理想光學(xué)系統(tǒng)就是能對(duì)任意寬空間內(nèi)的點(diǎn)，以任意寬的光束成完善像的光學(xué)系統(tǒng)，理想系統(tǒng)是能與系統(tǒng)等價(jià)的抽象模型。它主要描述為：1）物空間的中的一點(diǎn)對(duì)應(yīng)與像空間中唯一的一點(diǎn)，這一對(duì)點(diǎn)稱為共軛點(diǎn)；2）物空間中的一條直線對(duì)應(yīng)與像空間中唯一的一條直線，這一對(duì)直線稱為共軛線；3）如物空間中一點(diǎn)位于直線上，其在像方空間中的共軛點(diǎn)必位于該直線的共軛線上。此假設(shè)1841年由高斯建立，故稱為高斯光學(xué)。2.理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)、焦距平行于光軸的入射光線AE,經(jīng)系統(tǒng)后，沿G’F’方向射出，交于像方F’點(diǎn)，沿光軸入射的光線經(jīng)系統(tǒng)后仍沿光軸出射。由于像方的出射光線G’F’和OkF’分別與物方的入射光線AE1和FO1共軛，故像方F’點(diǎn)在物方的共軛點(diǎn)必是光線AE1、和FO1的交點(diǎn)，它位于左方無窮的光軸上，故F’即為無窮遠(yuǎn)軸上點(diǎn)的像，稱為光學(xué)系統(tǒng)的像方焦點(diǎn)。理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)、焦距像方焦平面：過像方焦點(diǎn)F’的垂軸平面物方焦平面：過物方焦點(diǎn)F’的垂軸平面像方主點(diǎn)：像方主面與光軸的交點(diǎn)物方主點(diǎn)：物方主面與光軸的交點(diǎn)像方焦距：像方主點(diǎn)到像方焦點(diǎn)的距離物方焦距：物方主點(diǎn)到物方焦點(diǎn)的距離3.物像位置、放大率物像位置：可相對(duì)于焦點(diǎn)或主點(diǎn)來定義如圖所示，以焦點(diǎn)來定義的物像公式是：

xx’=ff’以主點(diǎn)來定義的物像公式是：1/l’-1/l=1/f’物像位置、放大率根據(jù)上面的成像關(guān)系式，可以導(dǎo)出物像之間放大倍率的計(jì)算公式1）橫向放大率：β=l’/l2)軸向放大率：α=(n’/n)×

β

3)角放大率：γ=n/n’/β5.透鏡透鏡：由兩個(gè)折射面所限定的透明體，它是構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)最基本的元件。透鏡根據(jù)其不同的光學(xué)特性可分為：

1.凸透鏡：中心厚度大于邊緣厚度，f’>0,具有正光焦度，對(duì)光束起會(huì)聚作用2.凹透鏡：中心厚度小于邊緣厚度，f’<0,具有負(fù)光焦度，對(duì)光束起發(fā)散作用透鏡1.凸透鏡：中心厚度大于邊緣厚度，f’>0,具有正光焦度，對(duì)光束起會(huì)聚作用2.凹透鏡：中心厚度小于邊緣厚度，

f’<0,具有負(fù)光焦度，對(duì)光束起發(fā)散作用6.光學(xué)系統(tǒng)中光束的限制任何光學(xué)系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)一定的放大倍率和物像距要求外，還要求有一定的成像范圍和以一定孔徑角的光束來成像。

1.孔徑光闌：限制成像光束的立體角典型的孔徑光闌，如照相機(jī)的光圈，它常用相對(duì)孔徑或數(shù)值孔徑來表述；2.視場光闌：限制物平面或物空間能被系統(tǒng)成像的范圍。像差知識(shí)介紹像差：由光線傳播定律決定，從光路實(shí)際計(jì)算表明，任意組合的光學(xué)系統(tǒng)只能對(duì)近軸物點(diǎn)以細(xì)光束成像。隨著視場和孔徑的增大，成像光束的同心性將遭到破壞，產(chǎn)生各種成像缺陷。這種成像缺陷就是像差。像差分類：對(duì)單色光：球差、彗差、象散、場曲、畸變對(duì)多色光：位置色差、倍率色差

1.球差

由軸上一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)球面折射后所得的截距L’,隨入射光線與光軸夾角U或入射光線在球面上的入射點(diǎn)的高度而異，原來的同心光束將不復(fù)為同心光束。不同傾角的光線交光軸于不同的位置上，相對(duì)于理想像點(diǎn)位置有不同的偏離。這就是單色光成像缺陷之一——球差，它是軸上點(diǎn)像差。

δL’=L’-l’2.彗差定義兩個(gè)平面1。子午平面：入射光線和光軸組成的平面2?；∈钙矫妫和ㄟ^入射光線并垂直于子午平面的平面為方便起見，彗差分為子午彗差和弧矢彗差，分別對(duì)應(yīng)于子午平面和弧矢平面內(nèi)不同光線對(duì)的成像缺陷?；∈稿绮罨∈稿绮睿侯愃频?，對(duì)于弧矢平面上具有相同孔徑的一對(duì)弧矢光線，由于它們對(duì)稱于子午平面，經(jīng)球面折射后交于輔軸上，這一對(duì)光線交點(diǎn)Bs’,同樣偏離主光線，其偏離量用Ks’表示，稱為弧矢彗差。3.像散和場曲像散：隨著視場的增大，遠(yuǎn)離光軸的物點(diǎn)，即使是主光線周圍的細(xì)光束成像也會(huì)明顯地失去對(duì)稱性，在不同方向上有不同的曲率，其曲率隨方向而漸變，分別形成子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)。兩個(gè)像點(diǎn)之間的距離就用來描述像散的大小。

xts’=xt’-xs’場曲：即使子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)重合，但像面仍然彎曲，這就是場曲。4.畸變

理想光學(xué)系統(tǒng)，一對(duì)共軛面上的放大率是常數(shù)。實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)視場變大時(shí)，像的放大率隨視場而變，使像相對(duì)于物體失去了相似性，這種使像變形的成像缺陷稱為畸變。

δy’/y0’=(yp’-y0’)/y0’×100%無畸變枕形桶形5.色差色差：由于同一介質(zhì)對(duì)不同顏色的光有不同的折射率，所以在成像時(shí)，不同顏色的光成像在不同的位置，且具有不同的放大倍率。色差分類：1.位置色差2.倍率色差位置色差表述軸上點(diǎn)用不同色光成像時(shí)，其像點(diǎn)的位置差異。由于色差的存在，光軸上一點(diǎn)即使以細(xì)光束成像也得不到清晰的像。它的值用下式描述：

δlch’=lF’-lC’

倍率色差不同色光有不同的折射率，各色光焦距不等，所以對(duì)同一物體成像大小也不等，這就產(chǎn)生了倍率色差，其值用下式表征：

δych’=yF’-yC’6.波像差

上面所提到的像差均以光線為討論基礎(chǔ)的，統(tǒng)稱為幾何像差。光是電磁波，光線是波面的法線。如光學(xué)系統(tǒng)是理想的，經(jīng)系統(tǒng)形成一個(gè)新的球面波，但實(shí)際上，由于光學(xué)系統(tǒng)存在成像缺陷，不可避免地使波面變了形，這個(gè)變了形實(shí)際波面與相對(duì)于理想波面的偏離，就是波像差。7.像質(zhì)評(píng)價(jià)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須校正像差，如何評(píng)判設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞就要用適當(dāng)?shù)姆椒▉磉M(jìn)行。目前最常用的方法有：1.瑞利判斷：實(shí)際波面與參考球面之間的最大偏離量，即波像差小于1/4波長時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)是滿意的。此法常用于小像差系統(tǒng)，如顯微鏡物鏡；2.點(diǎn)列圖：計(jì)算大量光線，在像面上形成彌散圖形，即點(diǎn)列圖。點(diǎn)的分布代表了能量的分布。可用于分析照像物鏡；3.波像差：以波像差作為像質(zhì)的評(píng)判依據(jù)，激光頭物鏡的設(shè)計(jì)中常以此為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；4.光學(xué)傳遞函數(shù)：把物的亮度分布函數(shù)展開為傅里葉級(jí)數(shù)或傅里葉積分，光學(xué)系統(tǒng)的特性就表現(xiàn)為它對(duì)各種頻率正弦波的傳遞和反應(yīng)能力，于是出現(xiàn)了較全面評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的新的評(píng)價(jià)手段-光學(xué)傳遞函數(shù)。在照相物鏡設(shè)計(jì)中已得到普遍采用。光學(xué)基本知識(shí)第三部分波動(dòng)光學(xué)概述光通常指人眼所感受到的一定波段的電磁波，即所謂的可見光。其波長范圍在390~760nm之間，廣義地說，光還包括紅外線和紫外線。光既然是電磁波，必定具有波動(dòng)的基本特征——光的干涉和衍射。

一.光的干涉

當(dāng)兩列光波在空間傳播時(shí)，滿足一定條件情況下，在兩列光波的交疊區(qū)，某些地方振動(dòng)始終加強(qiáng)，而某些地方振動(dòng)始終減弱，這就是光的干涉。兩列波相遇時(shí)，必須滿足下述條件才能發(fā)生干涉：1.頻率相同；2.振動(dòng)方向相同；3.具有恒定的相位差。右圖稱為牛頓環(huán)，是光干涉的典型例子。二.光的衍射波在傳播過程中，當(dāng)遇到障礙物就會(huì)偏離直線傳播的現(xiàn)象，猶如聲音可以繞過大墻，無線電波能夠跨越高山。光在一定條件下也偏離直線，這就是光的衍射。右圖為單縫衍射的光強(qiáng)分布。三.光柵光柵：實(shí)質(zhì)上就是在空間具有周期性結(jié)構(gòu)的衍射屏。在透明的平行平板上刻有大量相互平行等寬的刻痕，每毫米幾十條到