幾何光學(xué)基本原理課件

1AppliedOptics光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛工業(yè)通信日用農(nóng)業(yè)軍事醫(yī)學(xué)天文2AppliedOptics通信日用農(nóng)業(yè)軍事醫(yī)學(xué)天文光學(xué)的應(yīng)用工業(yè)工業(yè)：顯微鏡、汽車(chē)車(chē)身的檢測(cè)、機(jī)器人視覺(jué)、材料金相結(jié)構(gòu)等等3AppliedOptics通信日用工業(yè)農(nóng)業(yè)醫(yī)學(xué)天文光學(xué)的應(yīng)用軍事軍事：望遠(yuǎn)鏡、夜視儀、導(dǎo)彈制導(dǎo)、激光測(cè)距、無(wú)人駕駛偵探機(jī)、平視顯示器等等5AppliedOptics通信日用工業(yè)農(nóng)業(yè)醫(yī)學(xué)軍事光學(xué)的應(yīng)用天文天文：資源勘探、星際探索6AppliedOptics通信日用工業(yè)農(nóng)業(yè)軍事天文光學(xué)的應(yīng)用醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)：CT、胃鏡、虹膜檢測(cè)、生物檢測(cè)7AppliedOptics日用工業(yè)農(nóng)業(yè)醫(yī)學(xué)天文光學(xué)的應(yīng)用通信通信：光纜通訊軍事8AppliedOptics光的本質(zhì)光的本質(zhì)的認(rèn)知過(guò)程1666年牛頓微粒說(shuō)彈性粒子1678年惠更斯波動(dòng)說(shuō)以太彈性波1801年托馬斯·楊雙縫實(shí)驗(yàn)1873年麥克斯韋電磁場(chǎng)理論1905年愛(ài)因斯坦光子假設(shè)現(xiàn)在波粒二象性10AppliedOptics光的本質(zhì)光具有波粒二象性。一般看作電磁波可見(jiàn)光波長(zhǎng)：400~760nm物理光學(xué) 波動(dòng)性幾何光學(xué) 粒子性11AppliedOptics光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)第五章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制第四章平面鏡棱鏡系統(tǒng)第三章共軸球面系統(tǒng)的物像關(guān)系第二章

幾何光學(xué)基本原理第一章課程內(nèi)容目視光學(xué)系統(tǒng)第六章13AppliedOptics參考書(shū)目1、安連生，《應(yīng)用光學(xué)》，北京理工大學(xué)出版社2、郁道銀，《工程光學(xué)》，機(jī)械工業(yè)出版社3、胡玉禧，《應(yīng)用光學(xué)》，中國(guó)科技大學(xué)出版社14AppliedOptics第一章

幾何光學(xué)基本原理15AppliedOptics研究光的傳播和光學(xué)成像的規(guī)律對(duì)于設(shè)計(jì)光學(xué)儀器具有本質(zhì)的意義！1-1光波和光線在工農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)以及人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，使用著種類(lèi)繁多的的光學(xué)儀器，如望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，投影儀等。光學(xué)系統(tǒng)：千差萬(wàn)別

但是其基本功能是共同的：傳輸光能或?qū)λ芯康哪繕?biāo)成像。17AppliedOptics從本質(zhì)上講，光是電磁波，它是按照波動(dòng)理論進(jìn)行傳播。但是按照波動(dòng)理論來(lái)討論光經(jīng)透鏡和光學(xué)系統(tǒng)是的傳播規(guī)律或成像問(wèn)題時(shí)將會(huì)造成計(jì)算和處理上的很大困難，在實(shí)際解決問(wèn)題時(shí)也不方便。太不方便了！18AppliedOptics按照近代物理學(xué)的觀點(diǎn)，光具有波粒二象性，那么如果只考慮光的粒子性，把光源發(fā)出的光抽象成一條條光線，然后按此來(lái)研究光學(xué)系統(tǒng)成像。問(wèn)題變得簡(jiǎn)單而且實(shí)用！19AppliedOptics一.發(fā)光點(diǎn)幾何上的點(diǎn)是既無(wú)大小，又無(wú)體積的抽象概念。當(dāng)光源的大小與其作用距離相比可以忽略不計(jì)時(shí)，也可認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)。天體遙遠(yuǎn)的距離觀察者21AppliedOptics任何被成像的物體，是由無(wú)數(shù)個(gè)發(fā)光點(diǎn)組成1、本身發(fā)光。2、反射光。因此研究物體成像時(shí)，可以用某些特征點(diǎn)的成像規(guī)律來(lái)推斷整個(gè)物體的成像。22AppliedOptics二、光線發(fā)光點(diǎn)向四周輻射光能量，在幾何光學(xué)中將發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光抽象為帶有能量的線，它代表光的傳播方向。23AppliedOptics同心光束：發(fā)自一點(diǎn)或會(huì)聚于一點(diǎn)，為球面波平行光束：光線彼此平行，是平面波25AppliedOptics像散光束：光線既不平行，又不相交，波面為曲面。在幾何光學(xué)中研究成像時(shí)，主要要搞清光線在光學(xué)元件中的傳播途徑，這個(gè)途徑稱(chēng)為光路26AppliedOptics1-2幾何光學(xué)基本定律二、光的獨(dú)立傳播定律不同的光源發(fā)出的光線在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，彼此互不影響。在光線的相會(huì)點(diǎn)上，光的強(qiáng)度是各光束的簡(jiǎn)單疊加，離開(kāi)交會(huì)點(diǎn)后，各個(gè)光束按原方向傳播。光的獨(dú)立傳播定律意義：考慮某一光線的傳播時(shí)，可不考慮其他光線的影響。條件：兩束光為非相干光兩束滿足相干條件的光稱(chēng)為相干光，這兩束光在相遇區(qū)域：①振動(dòng)方向相同；②振動(dòng)頻率相同；③相位相同或相位差保持恒定29AppliedOptics三、折射和反射定律光的折射和反射定律研究光傳播到兩種均勻介質(zhì)的分界面時(shí)的定律。（一）折射定律na出射光線入射光線法線II’ONQnbI：入射角I’：折射角30AppliedOptics（1）折射光線位于由入射光線和法線所決定的平面(入射面）內(nèi)，折射光線和入射光線分居法線兩側(cè)。（2）入射角的正弦和折射角的正弦之比與兩角度的大小無(wú)關(guān)即na出射光線入射光線法線II’ONQnb或31AppliedOpticsc：在真空中光速，v：在介質(zhì)中光速n,n‘:介質(zhì)對(duì)真空的折射率,也稱(chēng)絕對(duì)折射率，指在真空中光速與介質(zhì)中光速之比:32AppliedOptics真空折射率為1，在標(biāo)準(zhǔn)壓力下，20攝氏度時(shí)空氣折射率為1.00028，

通常認(rèn)為空氣的折射率也為1，把其他介質(zhì)相對(duì)于空氣的折射率作為該介質(zhì)的絕對(duì)折射率。提示：但是在設(shè)計(jì)高精度的太空中的光學(xué)儀器時(shí)，就必須考慮空氣和真空折射率的不同。33AppliedOptics（2）入射角I和反射角I’’的絕對(duì)值相同，可表示為（二）反射定律（1）反射光線在由入射光線和法線所決定的平面內(nèi)反射光線入射光線法線INI”O(jiān)符號(hào)相反說(shuō)明入射光線和反射光線分居法線兩側(cè)。34AppliedOptics第一章幾何光學(xué)基本原理光波和光線幾何光學(xué)基本定律光路可逆和全反射光學(xué)系統(tǒng)類(lèi)別和成像的概念理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)35AppliedOptics1-3光路可逆和全反射一、全反射一般情況下，光線射至透明介質(zhì)的分界面時(shí)將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。假設(shè)可知即折射光線較入射光線偏離法線由公式當(dāng)光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí),

36AppliedOptics當(dāng)入射角增大到I0時(shí)，折射角,這時(shí)，折射光線掠過(guò)兩介質(zhì)分界面，強(qiáng)度趨于0,當(dāng)入射角時(shí)，折射光線不再存在，入射光線全部反射，這種現(xiàn)象稱(chēng)為全反射。37AppliedOptics當(dāng)光線由折射率為n的介質(zhì)射向空氣時(shí)，則有對(duì)應(yīng)于的入射角I被稱(chēng)為臨界角記為,可知38AppliedOptics全反射的兩個(gè)條件：（1）光密到光疏介質(zhì)；（2）入射角大于臨界角；全反射的應(yīng)用：（1）制成各種全反射棱鏡，用于折轉(zhuǎn)光路，代替平面反射鏡。（2）制造光導(dǎo)纖維。39AppliedOptics光導(dǎo)纖維號(hào)稱(chēng)現(xiàn)代信息系統(tǒng)的神經(jīng)由內(nèi)層折射率較高的纖芯和外層折射率較低的包層組成40AppliedOptics進(jìn)入光纖的光線在纖芯與包層的分界面上連續(xù)發(fā)生全發(fā)射，直至另一端出射。SBA當(dāng)大于臨界角時(shí)，就發(fā)生全發(fā)射。41AppliedOptics根據(jù)折射定律，又有：SBA可以得到：當(dāng)入射角時(shí)，可以全反射傳送，當(dāng)時(shí)，光線將會(huì)透過(guò)內(nèi)壁進(jìn)入包層42AppliedOptics定義為光纖的數(shù)值孔徑i0越大，可以進(jìn)入光纖的光能就越多，也就是光纖能夠傳送的光能越多。這意味著光信號(hào)越容易耦合入光纖！43AppliedOptics二、光路可逆一條光線沿著一定的路線，從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)，如果在B點(diǎn)，按照與B點(diǎn)處出射光線相反的方向投射一條光線，則此光線必沿同一條路線通過(guò)A點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光路可逆。無(wú)論通過(guò)何種介質(zhì)，經(jīng)過(guò)多少次反射和折射，光路可逆現(xiàn)象始終存在。利用這一原理，可以由物求像，也可以由像求物。44AppliedOptics1-4馬呂斯定律和費(fèi)馬原理一、馬呂斯定律光程：幾何路程與介質(zhì)折射率的乘積只要光線的傳播時(shí)間相同，它們的光程就相同。馬呂斯定律：與某一曲面垂直的一束光線，經(jīng)過(guò)任意次折射、反射后，必定與另一曲面垂直，而且位在這兩個(gè)曲面之間的所有光線的光程相等地。45AppliedOptics二、費(fèi)馬原理實(shí)際光線沿著光程為極值（極小、極大、常量）的路線傳播，46AppliedOptics光的直線傳播定律、獨(dú)立傳播定律、折射和反射定律是幾何光學(xué)的基本定律，是研究光線傳播和成像問(wèn)題的基礎(chǔ)。幾何光學(xué)的基本定律、馬呂斯定律和費(fèi)馬原理，都能夠說(shuō)明光線傳播的基本規(guī)律，都可以作為幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，只要知道三者中任意一個(gè)，即可導(dǎo)出其余兩個(gè)。47AppliedOptics第一章幾何光學(xué)基本原理光波和光線幾何光學(xué)基本定律光路可逆和全反射光學(xué)系統(tǒng)類(lèi)別和成像的概念理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)48AppliedOptics※光學(xué)系統(tǒng)的作用之一是對(duì)物體成像，因此必須搞清物像的基本概念和它們的關(guān)系?！?/p>

物體通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)（光組）成像，光學(xué)系統(tǒng)(各種光學(xué)儀器)由一系列光學(xué)零件

組成。?！?/p>

光學(xué)系統(tǒng)一般是軸對(duì)稱(chēng)的，有一條公共軸線，稱(chēng)為光軸。這種系統(tǒng)被稱(chēng)為“共軸系統(tǒng)”光軸1-4光學(xué)系統(tǒng)類(lèi)別和成像的概念一、光學(xué)系統(tǒng)的基本概念49AppliedOptics頂點(diǎn)頂點(diǎn)頂點(diǎn)頂點(diǎn)具有對(duì)稱(chēng)軸（光軸）的系統(tǒng)成為共軸光學(xué)系統(tǒng)。沒(méi)有對(duì)稱(chēng)軸的系統(tǒng)稱(chēng)為非共軸光學(xué)系統(tǒng)。光軸與透鏡面的交點(diǎn)稱(chēng)為：頂點(diǎn)50AppliedOptics由兩個(gè)球面構(gòu)成的透鏡中，通過(guò)兩球面球心的直線為光軸(P14)。光軸頂點(diǎn)51AppliedOptics若有一個(gè)面為平面，則光軸通過(guò)球面的球心與平面垂直。光軸頂點(diǎn)52AppliedOptics常見(jiàn)光學(xué)零件1、反射鏡平面反射鏡凸面鏡凹面鏡53AppliedOptics（1）正透鏡：中心比邊緣厚度大，起會(huì)聚作用（2）負(fù)透鏡：中心比邊緣厚度小，起發(fā)散作用正透鏡（會(huì)聚透鏡）2、透鏡負(fù)透鏡（發(fā)散透鏡）54AppliedOptics正透鏡雙凸正月牙平凸55AppliedOptics平凹負(fù)月牙雙凹負(fù)透鏡56AppliedOptics3、棱鏡直角棱鏡屋脊棱鏡4、平行平板57AppliedOptics在光學(xué)儀器中最常用的光學(xué)零件是透鏡。球面透鏡（系統(tǒng)）：由球面透鏡和球面反射鏡組成的系統(tǒng)。所有球面球心連線為光軸，光軸為一條直線的光學(xué)系統(tǒng)稱(chēng)為共軸球面系統(tǒng)。平面可以看作曲率半徑無(wú)窮大的球面。58AppliedOptics二、成像的基本概念光學(xué)系統(tǒng)的成像，本質(zhì)上就是進(jìn)行光束變換。如A點(diǎn)發(fā)發(fā)出一束發(fā)散同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后得到一束會(huì)聚于A′點(diǎn)的會(huì)聚同心光束。A稱(chēng)為物點(diǎn)，A′稱(chēng)為像點(diǎn)A和A′之間的這種物像對(duì)應(yīng)關(guān)系稱(chēng)為共軛AA’※

物點(diǎn)A和像點(diǎn)A'之間沿光軸的距離AA'稱(chēng)共軛距59AppliedOptics物像的虛實(shí)※由實(shí)際光線成的像，稱(chēng)為實(shí)像。在凸透鏡2f外放一個(gè)點(diǎn)燃的蠟燭，后面放一個(gè)紙屏，當(dāng)紙屏放到某一位置時(shí)，會(huì)在屏上得到蠟燭清晰的像。如電影，幻燈機(jī)，照相機(jī)成像60AppliedOptics有的光學(xué)系統(tǒng)成的像，能被眼睛看到，卻無(wú)法在屏上得到這些像不是由實(shí)際光線相交得來(lái)，而是由實(shí)際光線的反向延長(zhǎng)線相交得來(lái)?！蓪?shí)際光線的反向延長(zhǎng)線相交所得的像稱(chēng)為虛像。如照鏡子，顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡等。F’F’61AppliedOptics與像類(lèi)似，物也分兩種※實(shí)物：由實(shí)際光線形成的物。※虛物：不是由實(shí)際光線而是由光線的延長(zhǎng)線相交而成的物。虛物不能人為設(shè)定，它是前一系統(tǒng)所成的像被當(dāng)前系統(tǒng)截取得到的。如燈泡、蠟燭等，也可以是被照明后發(fā)光的物體，如人物，景物等。AA’物和像是相對(duì)的，前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像，即為后一光學(xué)系統(tǒng)的物62AppliedOptics請(qǐng)判斷物與像的虛實(shí)AA’AA’AA’AA’a.實(shí)物成實(shí)像b.實(shí)物成虛像c.虛物成實(shí)像（對(duì)于第二個(gè)透鏡）d.虛物成虛像63AppliedOptics注意：物、像的概念是相對(duì)于光組來(lái)說(shuō)的B1L1L2ABB’A1A’對(duì)于L1而言，A1B1是AB的像;對(duì)L2而言，A1B1是物，A’B’是像，則A1B1稱(chēng)為中間像64AppliedOptics※

物所在的空間為物空間，像所在的空間為像空間，兩者的范圍都是（-∞,+∞）實(shí)物空間虛物空間物空間像空間虛像空間實(shí)像空間65AppliedOptics※通常對(duì)于某一光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，某一位置上的物會(huì)在一個(gè)相應(yīng)的位置成一個(gè)清晰的像，物與像是一一對(duì)應(yīng)的，這種關(guān)系稱(chēng)為物與像的共軛。AA’※

物點(diǎn)A和像點(diǎn)A'之間沿光軸的距離AA'稱(chēng)共軛距66AppliedOptics第一章幾何光學(xué)基本原理光波和光線幾何光學(xué)基本定律光路可逆和全反射光學(xué)系統(tǒng)類(lèi)別和成像的概念理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)67AppliedOptics什么是理想光學(xué)系統(tǒng)？研究理想光學(xué)系統(tǒng)有什么實(shí)際意義？理想光學(xué)系統(tǒng)有什么特點(diǎn)？1-5理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)68AppliedOptics什么是理想光學(xué)系