工程光學(xué)的教案

教案院系：電子與信息工程學(xué)院專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程教師：唐春曉光電子器件課程教案天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院唐春曉編纂理想光學(xué)系統(tǒng)常用表述方式：①一對共軛面的位置和放大率：兩個主平面放大率+1；②軸上的兩對共軛點(diǎn)的位置：無限遠(yuǎn)點(diǎn)和焦點(diǎn)兩個焦距的關(guān)系：2.3理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系1、圖解法求像主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注總綱：①平行于光軸入射的光線通過系統(tǒng)后必然經(jīng)過像方焦點(diǎn)；②過物方焦點(diǎn)的光線通過系統(tǒng)后必然平行于光軸；③傾斜于光軸入射的平行光束通過系統(tǒng)后聚焦于像方焦平面上的一點(diǎn)；④物方焦平面上一點(diǎn)發(fā)出的光束通過系統(tǒng)后成傾斜于光軸的平行光束；⑤共軛光線在主面上的投射高度相等。這一條是最常用的。⑥當(dāng)物像兩方的介質(zhì)折射率相同時，過主點(diǎn)的光的傳播方向不變。書P20軸外點(diǎn)圖解求像的方法：①②⑤書P21軸上點(diǎn)圖解求像的方法：㈠仿軸外：過該軸上點(diǎn)做一垂軸線，選垂軸線上任一軸外點(diǎn)，用前面方法求像點(diǎn)，該像點(diǎn)在光軸上的垂直投影點(diǎn)，即為軸上點(diǎn)的像。㈡輔助線法：③②⑤②①⑤①⑥⑤書P212、解析法求像主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注符號規(guī)則：①規(guī)定光線的方向由左至右；②物方線段：從物方主平面起指向物體，如方向與光線相同則為正，否則為負(fù);③像方線段：從像方主平面起指向像，如方向與光線相同則為正，否則為負(fù)；④光線和光軸的夾角：以銳角為準(zhǔn)，光軸指向光線，順時針為正；⑤規(guī)定垂直于光軸的線段，在光軸下為負(fù)，在光軸上為正。物距x：物點(diǎn)到物方焦點(diǎn)的距離。物、像距的符號由對應(yīng)焦點(diǎn)為原點(diǎn)，順光正、逆光負(fù)書P22像距x’：像點(diǎn)到像方焦點(diǎn)的距離。主點(diǎn)物距：物點(diǎn)到物方主點(diǎn)的距離。主點(diǎn)物、像距的符號由對應(yīng)主點(diǎn)為原點(diǎn)，順光正、逆光負(fù)書P22主點(diǎn)像距：像點(diǎn)到像方主點(diǎn)的距離。由三角形相似，有：垂軸放大率：書P22垂軸放大率特性分析：①垂軸放大率本身的正負(fù)代表了成倒像還是正像；②當(dāng)物像兩方的物質(zhì)折射率相同時，兩方的焦距相等；③很顯然，當(dāng)物體距離光學(xué)系統(tǒng)的物方焦距越近(并不處于物方焦距上)時，被放大的倍數(shù)越大。3、多光組理想光學(xué)系統(tǒng)成像主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注光組：組成光學(xué)系統(tǒng)的部件。每個光組可由一個或幾個透鏡組成。書P23每個光組可看成一個獨(dú)立的理想光學(xué)系統(tǒng)。在多光組光學(xué)系統(tǒng)中，通常每一個光組的焦距、焦點(diǎn)、主點(diǎn)和相對位置都已知。光組距離d：前一光組像方主點(diǎn)與后一光組物方主點(diǎn)之間的距離。書P24光學(xué)間隔△：前一光組像方焦點(diǎn)到后一光組物方焦點(diǎn)之間的距離。書P28高斯過渡公式：已知：求物點(diǎn)A首先經(jīng)光組1成像于，再作為光組2的物，經(jīng)光組2成像為。同理，可總結(jié)出過渡公式：書P24牛頓過渡公式：，總結(jié)出：書P24整個光組的垂軸放大倍率：整個光組的放大倍率為各個光組的放大倍率之積，即：書P242.4理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率垂軸放大率：書P24軸向放大率：書P25主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注角放大率：書P25節(jié)點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)中角放大率等于+1的一對共軛點(diǎn)。書P26節(jié)點(diǎn)的物理意義：過節(jié)點(diǎn)的光線傳播方向不變。，，得，得到特別的是當(dāng)時，節(jié)點(diǎn)恰好是兩個主點(diǎn)。(兩種方式均可導(dǎo)出)書P27注意符號焦距測量方法：用已知角度的傾瀉于光軸的平行光入射，光會聚于焦平面上一點(diǎn)，此點(diǎn)高度乘以傾斜角的tan值即可計算出焦距，同時找到像方主點(diǎn)。思考：為什么不直接用平行光軸的光入射？書P272.5理想光學(xué)系統(tǒng)的組合1、雙光組理想光學(xué)系統(tǒng)主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注講解此節(jié)的意義：實(shí)際的理想光學(xué)系統(tǒng)多是由兩個光組組成，雖然可以利用過度公式加以計算，但是每次都做公式推導(dǎo)過于繁瑣，故而一些學(xué)者將雙光組系統(tǒng)單獨(dú)拿出來做分析，得出最終分析公式，以便于實(shí)際工程應(yīng)用。雙光組變量定義圖：主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注焦距：注意圖中系統(tǒng)像方主點(diǎn)H’和物方主點(diǎn)H的位置。分別利用△M1’H1’F1’和△F1’F△Q’H’F’和△H2’F2’M以交點(diǎn)定焦點(diǎn)位置：相對于光組2來說，是相共軛的，則根據(jù)牛頓公式，有：xF指從F1為原點(diǎn)，到整個系統(tǒng)F的距離。xF’指從F2’為原點(diǎn)，到整個系統(tǒng)F’注意將和物距區(qū)分開來，由于是分別從F1和F2’算起，所以用變量x，又因?yàn)閷?yīng)最終的F和F’的位置，所以腳標(biāo)分別是F和F’。書P282、多光組組合計算(了解)正切計算法：基本思想源自于主面的定義，假設(shè)有一個高度為的平行光軸入射光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，與光軸焦點(diǎn)。無論光學(xué)系統(tǒng)有多少光組：①對于最后系統(tǒng)來講如果知道光的投射高度，以及出射光和光軸的夾角，則有，其中關(guān)鍵點(diǎn)在于②推導(dǎo)出遞推公式：對于，以為例，根據(jù)高斯公式，則有：，擴(kuò)展到多光組系統(tǒng)：對于，以為例，有，擴(kuò)展到多光組系統(tǒng)有：③對于第一個光組，隨意定義一個投射高度，根據(jù)遞推公式即可求出光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)和主點(diǎn)的位置以及焦距。書P302.6透鏡主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注透鏡：有兩個折射面包圍一種透明介質(zhì)(例如玻璃)所形成的光學(xué)元件。是構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)的最基本單元。書P33會聚透鏡(正透鏡)：對光線有會聚作用的透鏡。按照透鏡對光線的作用分類發(fā)散透鏡(負(fù)透鏡)：對光線有發(fā)散作用的透鏡。透鏡的焦距計算：商業(yè)上透鏡常見參數(shù)：常見透鏡分類：第三章平面與平面鏡成像本章的教學(xué)目標(biāo)及基本要求了解平面光學(xué)元件的種類和作用；熟悉平面鏡的成像特點(diǎn)和性質(zhì)；熟悉平行平板的成像特性，近軸區(qū)的軸向位移公式。掌握反射棱鏡的種類、基本用途、成像方向判別、等效作用與展開；掌握折射棱鏡的作用、最小偏向角公式及應(yīng)用，熟悉光楔的偏向角公式及其應(yīng)用；了解棱鏡色散、色散曲線；了解常用的光學(xué)材料種類和特點(diǎn)。本章節(jié)的主要教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配第一節(jié)平面鏡成像，包括：基本特性，雙平面鏡成像特性；第二節(jié)平行平板，包括：成像特性，軸向平移公式；第三節(jié)反射棱鏡，包括：分類、特性、成像坐標(biāo)系分析；第四節(jié)折射棱鏡與光楔，包括：特性，偏向角計算；第五節(jié)光學(xué)材料，包括：透射材料和反射材料。共4學(xué)時。本章教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：平行平板光路分析，反射棱鏡成像坐標(biāo)系分析，棱鏡的展開。難點(diǎn)：。反射棱鏡成像坐標(biāo)系分析，棱鏡的展開本章教學(xué)方式及應(yīng)注意的問題板書與課件相結(jié)合，公式推導(dǎo)過程用板書，推導(dǎo)結(jié)果用PPT展示。本章的思考題和習(xí)題習(xí)題4、6、7、13具體知識點(diǎn)3.1平面鏡成像主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注1、成像特性平面反射鏡(簡稱平面鏡)是唯一能成完善像的最簡單的光學(xué)元件。書P39特性：平面鏡成像時物像大小一致、正立、虛實(shí)相反、完全對稱于平面鏡、奇次成鏡像、偶次成一致像、與物體旋轉(zhuǎn)方向相反角度相同。書P39~40應(yīng)用：①平面鏡可以改變光的傳播方向，用于光學(xué)系統(tǒng)光路轉(zhuǎn)向；②角度旋轉(zhuǎn)特性可放大小角度，用于微小角度測量；鏡像：物體和像的左右手坐標(biāo)系反轉(zhuǎn)。書P39一致像：物體和像一致。書P402、雙平面鏡成像主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注出射光線與入射光線的夾角與入射角無關(guān)書P41無限成像：①當(dāng)兩個平面鏡相互平行時，像有無數(shù)個；②增大，像的數(shù)量減少，都在以兩平面鏡交點(diǎn)為圓心的一個圓形軌跡上；③時，單平面鏡，一個像。書P41第二條有沒有證明像減少過程？***3.2平行平板主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注定義：由兩個相互平行的折射平面構(gòu)成的光學(xué)元件。實(shí)際應(yīng)用中有：載玻片、蓋玻片、濾光片、分劃板、補(bǔ)償板、保護(hù)玻璃片等。書P41特性：①經(jīng)過平行平板的光傳播方向不變，不存在會聚或發(fā)散現(xiàn)象；②說明光線沿光軸平移的距離隨著入射角而變化，因此同心光束經(jīng)過平行平板后不再是同心光束，故而平行平板不是完善成像。③此時像方截距為:在近軸區(qū)，，故而是兩個無窮小之比，不易計算，取，有，。④在近軸區(qū)，光線的軸向位移只與平行平板的寬度和折射率有關(guān)，與入射角無關(guān)，此時成完善像。故而近軸區(qū)條件下，平行平板可為理想光學(xué)系統(tǒng)光組。書P42平行平板參與理想光學(xué)系統(tǒng)時：它對成像的貢獻(xiàn)是將像沿光軸前移一段距離書P433.3反射棱鏡1、反射棱鏡的一些概念主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注定義：將一個或多個反射面磨制在同一塊玻璃上形成的光學(xué)元件。書P43光軸：光學(xué)系統(tǒng)的光軸在棱鏡中的部分。書P43工作面：入射面、出射面、反射面實(shí)際上可以理解為和光線有接觸的面。書P43棱：兩個工作面的交線書P43主截面：垂直于棱的截面。書P43光軸主截面：包含光軸的主截面。分析光路最常用的主截面書P432、反射棱鏡的分類反射棱鏡分為簡單棱鏡、屋脊棱鏡、立方角錐棱鏡和復(fù)合棱鏡四類。書P43簡單棱鏡：所有的工作面都與主截面垂直。分為：一次、二次、三次反射棱鏡三種。一次反射棱鏡：只有一個反射面的棱鏡。成鏡像，垂直于主截面的坐標(biāo)方向不變，在主截面內(nèi)的坐標(biāo)改變方向。最常見的一次反射棱鏡有：等腰直角棱鏡、等腰棱鏡、道威棱鏡、斯密特棱鏡等。等腰棱鏡可以將光軸折轉(zhuǎn)任意角度，只需要反射面法線位于出、入射光的角平分線上，而入射面和出射面自然與出、入射光垂直即可。當(dāng)入射角大于全反射角時，可不鍍膜。道威棱鏡作用：當(dāng)其繞光軸旋轉(zhuǎn)角時，反射像同向旋轉(zhuǎn)角。一般只用于平行光路。我自己總結(jié)的方法：①以反射面為鏡面，做入射坐標(biāo)系的像，觀察像的之間的位置關(guān)系；②以光軸上的為基準(zhǔn)，依據(jù)像中坐標(biāo)系的位置關(guān)系畫圖。書P44二次反射棱鏡：有兩個反射面的棱鏡相當(dāng)于兩個平面鏡書P44二次反射棱鏡特性：①出射光線與入射光線的夾角取決于兩個反射面的夾角；②物與像一致。常見鏡面：顯微鏡【半五角棱鏡(22.5°→45°)、30°直角棱鏡(30°→60°)】；五角棱鏡(45°→90°)】；代替平面鏡【二次反射直角棱鏡(90°→180°)】；雙目光學(xué)系統(tǒng)【斜方棱鏡(180°→360°)】。三次反射棱鏡：具有三個反射面的棱鏡。書P45三次反射棱鏡成鏡像，多用于光路的折疊，使得光學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)更緊湊。屋脊棱鏡：帶有屋脊面的棱鏡。書P45屋脊：兩個相互垂直的反射面。成像特性：①入射光照射在屋脊上時，相當(dāng)于偶次成像，物與像一致。②垂直于光軸的坐標(biāo)都反轉(zhuǎn)。立方角錐棱鏡：有立方體切下一角形成，底面為等邊三角形三個工作面相互垂直；底面是出、入射面；出、入射光線方向不變，僅存在平移。書P45復(fù)合棱鏡：由二塊以上棱鏡組合而成的棱鏡系統(tǒng)。分光棱鏡、分色棱鏡、轉(zhuǎn)向棱鏡等。書P463、棱鏡系統(tǒng)的成像方向判斷基本原則：假設(shè)物為右手坐標(biāo)系：oxyz，oz為光軸方向；ox為平行于主截面方向；oy為垂直于主截面方向。則經(jīng)過系統(tǒng)后，像坐標(biāo)為o’x’y’z’，則：①o’z’（出射坐標(biāo)軸方向）：與光軸方向一致；②o’y’（垂直于主截面坐標(biāo)軸）：視屋脊個數(shù)而定；偶數(shù)個屋脊（無）――與oy方向相同；奇數(shù)個屋脊――與oy方向相反。③o’x’（平行于主截面坐標(biāo)軸）：視反射次數(shù)而定；偶數(shù)次反射(屋脊算兩個反射面)――坐標(biāo)系不變；奇數(shù)次反射――鏡像坐標(biāo)系。以上三條都是對單光軸棱鏡而言，若為多光軸面的棱鏡（復(fù)合棱鏡），上述原則在各光軸面內(nèi)均適用。書P474、反射棱鏡光線傳播方向的展開法分析：展開法原理：棱鏡中工作面主要指反射面、入射面和出射面，其中反射面主要起轉(zhuǎn)折光路的作用；入射面和出射面也會分別對成像過程起作用，作用的結(jié)果類似平行平板。反射面的作用可以利用反射鏡的對稱成像特性來簡化，即將棱鏡展開為平行平板。棱鏡中的工作面：反射面，入射面、出射面棱鏡中的工作面：反射面，入射面、出射面轉(zhuǎn)折光路平行平板可利用平面鏡的成像對稱性加以簡化將棱鏡展開為平行平板分析書P48展開法方法：①按照入射光接觸反射面的順序，逐次以主截面和反射面的交線為對稱軸翻轉(zhuǎn)展開；②將展開后的棱鏡圖按照平行平板的光學(xué)繪圖原理畫出光路；③按照從后到前的順序，逐次以主截面和反射面的交線為對稱軸翻轉(zhuǎn)光線即可。④求光學(xué)系統(tǒng)的像的方法：使用沿平行平板位移后，再幾何對稱還原至相應(yīng)位置。書P48通光口徑D：允許通過的入射(或出射)光束最大直徑(寬度)。書P48結(jié)構(gòu)常數(shù)K：光軸在棱鏡中的長度d與棱鏡通光口徑之比D。書P483.4折射棱鏡與光楔1、折射棱鏡主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注折射棱鏡：由成一定角度的兩個折射面組成的棱鏡。書P50工作面：兩個折射面。折射棱：兩折射面的交線。折射角(頂角)：兩個折射面的夾角主截面：垂直于折射棱的平面。偏向角：出射光線和入射光線的夾角。由入射光線以銳角轉(zhuǎn)向出射光線，順時正、逆時負(fù)。顯然，偏向角與有關(guān)。對于給定棱鏡，隨變化。隨變化規(guī)律：書P51偏向角極值：同時，根據(jù)折射定律，得出即：光路對稱于折射棱鏡時，折射棱鏡的偏向角取得最小值。此時書P51實(shí)際上，實(shí)際工程應(yīng)用時，在設(shè)計過程中，大多使用最小偏向角，即光路對稱。實(shí)驗(yàn)中則通過旋轉(zhuǎn)棱鏡調(diào)整出射光，不必計算。2、光楔定義：折射角很小的折射棱鏡。近軸條件，書P523、棱鏡色散對同一塊玻璃來講，入射的波長不同，折射率也不相同，這就導(dǎo)致不同的色光雖同樣遵循折射定律，但折射角有很大的差異，出射光方向不相同，從而把復(fù)色光分解為各種色光波長越小，折射率越大，跑的越慢。書P523.5光學(xué)材料主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注分類：透射光學(xué)材料――用于制作折射元件，如透鏡、棱鏡反射光學(xué)材料――用于制作反射元件，主要用于鍍膜透射光學(xué)材料：光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、光學(xué)塑料光學(xué)玻璃：一般說來其透過波段為，一旦入射波段超過此范圍，就將被強(qiáng)烈吸收，玻璃對超此范圍的波長來講就是不透明的。玻璃分為二類：冕牌玻璃K――屬于低折射率、低色散，又分為：輕冕QK、重冕ZK、冕K、鋇冕等，而每一類又有許多的牌號，如冕：K1、K2、K9、K10BaK火石玻璃F――屬于高折射率、高色散，又分為：輕火石QF、火石F、鋇火石BaF光學(xué)晶體：與玻璃相比其優(yōu)點(diǎn)是波段范圍相對較寬，較為常用的晶體有：石英()―2(可用于紫外光譜區(qū))；螢石（）――（）光學(xué)塑料：主要用于精度要求不高的光學(xué)系統(tǒng)，它的成本低，生產(chǎn)效率比較高，但像質(zhì)不好，且熱脹系數(shù)高。例如：低倍的放大鏡、簡單的望遠(yuǎn)鏡。反射光學(xué)材料：反射材料性能主要取決于反射率的大小，反射率R越大，越好。反射材料多為金屬材料，用于鍍制。一般是在拋光的玻璃表面鍍以反射膜層，當(dāng)所選用的材料不同、膜層不同時，R也不同。常見的反射膜層材料：金、銀、銅、鉑、鋁等。第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌與光束限制本章的教學(xué)目標(biāo)及基本要求掌握孔徑光闌、入瞳、出瞳、孔徑角的定義及關(guān)系；掌握視場光闌、入窗、出窗、視場角的定義及他們的關(guān)系；掌握漸暈光闌、漸暈系數(shù)的定義及漸暈光闌和視場光闌的關(guān)系；熟悉照相系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、成像關(guān)系和光束限制；熟悉望遠(yuǎn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、成像關(guān)系和光束限制；熟悉顯微系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、成像關(guān)系和光束限制，了解物方遠(yuǎn)心光路原理；熟悉光瞳銜接原則及其作用；了解場鏡的定義、作用和成像關(guān)系；了解景深、遠(yuǎn)景景深、近景景深的概念，熟悉景深公式和影響因素。本章節(jié)的主要教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配第一節(jié)光闌，包括：光闌、孔徑光闌、視場光闌的定義、性質(zhì)和判定方法；第二節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深，包括：景深、透視失真、景像畸變的概念，景深公式；第三節(jié)遠(yuǎn)心光路；第四節(jié)遠(yuǎn)心光路；第五節(jié)典型光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，包括：放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)。共4學(xué)時。本章教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：孔徑光闌和視場光闌的繪圖分析，景深計算。難點(diǎn)：孔徑光闌和視場光闌的繪圖分析。本章教學(xué)方式及應(yīng)注意的問題板書與課件相結(jié)合，公式推導(dǎo)過程用板書，推導(dǎo)結(jié)果用PPT展示。本章的思考題和習(xí)題無。具體知識點(diǎn)4.1光闌主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注光闌：光學(xué)系統(tǒng)中，限制成像光束的光孔以及是限制成像范圍的光孔或框。光闌一般垂直于光軸放置，且其中心與光軸中心相重合。書P57書中的不好分類：孔徑光闌和視場光闌。書P57形狀：光闌多為圓形、正方形、長方形，有些光闌的尺寸大小是可以調(diào)節(jié)的（即可變光闌）?？讖焦怅@（有效光闌）：指限制進(jìn)入系統(tǒng)的成像光束口徑的光闌。書P57書中的不好特性：①對軸上點(diǎn)：孔徑光闌決定了軸上點(diǎn)孔徑角的大小。結(jié)論1：軸上點(diǎn)孔徑角的大小受光闌大小和位置的影響，孔徑角U由光闌決定，光闌的位置不同，其口徑應(yīng)不同。②對軸外點(diǎn)：結(jié)論2：對軸外點(diǎn)B發(fā)出的寬光束而言，在保證軸上點(diǎn)U不變的情況下，光闌處于不同位置時，將選擇不同部分的光參與成像，這樣通過改變光闌的位置，就可以選擇成像質(zhì)量較好的部分光束參與成像，提高（改善）成像質(zhì)量。③結(jié)論3：在保證成像質(zhì)量的前提下，合理選取光闌的位置，可使整個系統(tǒng)的橫向尺寸減小，結(jié)構(gòu)勻稱。④結(jié)論4：系統(tǒng)中的光闌只是針對某一物體位置而言的，若物體位置發(fā)生了變化，則原光闌會失去限光作用。分析方法：①將所有光孔和光學(xué)元件，經(jīng)其前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到物方空間。②找出對物點(diǎn)張角最小的像孔，該像孔所對應(yīng)的物孔，即為孔徑光闌。入瞳：孔徑光闌經(jīng)前面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像。入瞳決定了物方最大孔徑角的大小，是所有入射光的入口。書p58主光線：由軸外一物點(diǎn)發(fā)出并通過入瞳中心的光線。 出瞳：孔徑光闌經(jīng)后面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像。出瞳決定了像方孔徑角的大小，且是所以出射光的出口。書P58特性：1、通過入瞳中心的光線必通過孔闌中心，并過出瞳中心；2、通過入瞳邊緣的光線必通過孔闌邊緣，并過出瞳邊緣；3、充滿入瞳的光束必充滿孔闌，并充滿出瞳。相對孔徑（）：系統(tǒng)的入瞳直徑與系統(tǒng)的焦距之比。光瞳數(shù)（F數(shù)）：相對孔徑的倒數(shù)。多用于相機(jī)。入瞳和光學(xué)零件重合時，零件口徑最??；越遠(yuǎn)離光學(xué)零件，則零件尺寸越大；主光線先經(jīng)過入瞳中心再經(jīng)過光學(xué)零件。顯然入瞳和元件重合時，主光線直接從元件中心過元件可無限小。漸暈：當(dāng)軸外點(diǎn)的成像光束有一部分被光闌遮擋，造成物體的像中間亮，邊緣暗的現(xiàn)象。視場光闌：用以限制成像范圍的光闌。視場光闌的形狀多為正方形、長方形。書P60確定視場光闌的方法：根據(jù)實(shí)像面上光孔的大小，計算出可成像的物體垂軸范圍或角度范圍。入窗(入射窗)：視場光闌經(jīng)其前面的光組在光學(xué)系統(tǒng)物空間所成的像。書p60入窗判定法：①將光學(xué)系統(tǒng)中所有的光學(xué)元件的通光口徑分別對其前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的物空間去；②根據(jù)各像的位置及大小求出它們對入瞳中心的張角，其中張角最小者為入窗；③入窗對應(yīng)的物即為視場光闌。出窗(出射窗)：視場光闌經(jīng)其后面的光組在光學(xué)系統(tǒng)像空間所成的像。書p604.2光學(xué)系統(tǒng)的景深主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注1、一些基本定義平面上的空間像（平面像）：光學(xué)系統(tǒng)把空間中的物點(diǎn)成像在像平面上。如望遠(yuǎn)鏡，照相機(jī)書p67景像平面：平面像所在平面。書p67對準(zhǔn)平面：物空間中與景像平面共軛的平面。書p67空間點(diǎn)平面像的獲取規(guī)則：物方空間點(diǎn)成像相當(dāng)于以入射光瞳中心為投影中心，以主光線為投影線，使空間點(diǎn)投影在對準(zhǔn)平面上，再成像在景像平面上。透視失真：投影中心的前后移動時，投影像的變化和景物不成比例的現(xiàn)象。書p68景像畸變：遠(yuǎn)軸物體發(fā)出的圓錐光束，在像平面上的截面隨主光線和光軸夾角而變化的現(xiàn)象。書p69景深△：入瞳一定時，在景像平面上獲得清晰像的空間深度。書p69遠(yuǎn)景深度△1：對準(zhǔn)平面到能成清晰像的最遠(yuǎn)平面（遠(yuǎn)景平面）的距離。近景深度△2：對準(zhǔn)平面到能成清晰像的最近平面（近景平面）的距離。景深的計算：現(xiàn)設(shè)入瞳的直徑為，人眼極限分辨角則由于景深的存在，除了對準(zhǔn)平面外，所有的空間點(diǎn)在對準(zhǔn)平面上都將形成一個彌散斑，在正確透視距離條件下，該彌散斑允許的直徑為：為遠(yuǎn)景平面上的點(diǎn)在對準(zhǔn)平面上形成的彌散斑大??；為近景平面上的點(diǎn)在對準(zhǔn)平面上形成的彌散斑大小；P為對準(zhǔn)平面與入瞳之間的距離；則根據(jù)三角形相似關(guān)系可得：（下角標(biāo)為2是指近景，為1是指遠(yuǎn)景相關(guān)的各量）而遠(yuǎn)景深度，近景深度故有景深為：這就是景深的求取，它是用入瞳表示的；此外也可以表示成用孔徑角表示顯然從公式中可見，景深與入瞳的大?。讖浇牵┐笮∮嘘P(guān)，入瞳直徑越小，景深越大；孔徑角越小，景深越大。實(shí)際應(yīng)用中的特殊景深：①使對準(zhǔn)平面以后整個空間都能成清晰像從對準(zhǔn)平面往后至遠(yuǎn)景平面直至無限遠(yuǎn)的的整個空間全部都能成清晰像。不僅如此，在對準(zhǔn)平面之前還有個近景平面，這個小空間內(nèi)也能成清晰像，所以要想求系統(tǒng)的整個景深，只要求出近景平面就可以了。由可知：要想△1為無窮，即即近景平面位于入瞳前位置處。為此可得如下結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)把照相物鏡調(diào)焦于時，在景像平面上可得到自入瞳前無限遠(yuǎn)整個空間內(nèi)的物體都能成清晰像。②把物鏡調(diào)焦于無限遠(yuǎn)：根據(jù)已知條件有：即對準(zhǔn)平面位于無限遠(yuǎn)處，遠(yuǎn)景平面也位于無限遠(yuǎn)，則上式是分子分母同時除以p得到的。故有：結(jié)論：此時景深為自物鏡前無限遠(yuǎn)整個空間都能成清晰像4.3遠(yuǎn)心光路主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注遠(yuǎn)心光路是比較重要也是在實(shí)際應(yīng)用中使用比較多的一類光路類型，主要用于計量儀器之中。常用的計量儀器分為二種：一種是測量長度的如工具顯微鏡，一種是測量距離的如：水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等。物方遠(yuǎn)心光路：光學(xué)系統(tǒng)的物方主光線平行于光軸，主光線的會聚中心位于物方無限遠(yuǎn)處。顯微鏡光路：作用：消除（減少）由于視差所引起的測量誤差。像方遠(yuǎn)心光路：光學(xué)系統(tǒng)的像方主光線平行于光軸，主光線的會聚中心位于像方無限遠(yuǎn)處。作用：消除/減少測距誤差。如果把刻尺當(dāng)作物，則系統(tǒng)帶著分劃一起移動調(diào)焦，由于調(diào)焦不準(zhǔn)造成視差，同樣影響測距精度，為此也用孔徑光闌來控制主光線。這樣物面上一點(diǎn)A發(fā)出的過焦點(diǎn)的光，經(jīng)系統(tǒng)之后將變?yōu)槠叫泄?，由于孔闌放于F處，所以這條光就是主光線，這樣不論像面與分劃面是否重合，我們讀的都是主光線的位置，從而消除（減少）了測距誤差。4.5典型光學(xué)系統(tǒng)的光束限制主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注1、放大鏡（一般說來低倍的放大鏡都是由平凸/雙凸單透鏡構(gòu)成）放大鏡成一正立、放大的虛像。人眼是孔徑光闌（出瞳），限制的是成像光束，放大鏡本身是視場光闌（入射窗），限制的是成像范圍。其最大的視場由入瞳的下邊緣與入射窗的上邊緣決定。2、望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)：是平行光射入，平行光射出，其光學(xué)間隔。光瞳銜接原則：前一個系統(tǒng)的出瞳與后一系統(tǒng)的入瞳相重合，否則就會出現(xiàn)光束攔截現(xiàn)像。光束限制：在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，一般情況下，物鏡鏡框是它的孔徑光闌，也是系統(tǒng)的入瞳。它經(jīng)目鏡所成的像就是系統(tǒng)的出瞳。一般與人眼瞳相重合。而出瞳的位置與目鏡最后一面之間的距離就是出瞳距。一般出瞳距，分劃板是其視場光闌。它放置于實(shí)像平面上，主要用于限制視場的大小。3、顯微系統(tǒng)由物鏡與目鏡構(gòu)成，在中間也有一實(shí)像面，可放置分劃板，用于觀察近處的物體。顯微系統(tǒng)它的物鏡焦距與目鏡焦距都比較短，從而出現(xiàn)較大的光學(xué)間隔。當(dāng)物經(jīng)顯微系統(tǒng)成像時，實(shí)現(xiàn)的是二次成像過程，物位于物方焦面附近，經(jīng)物鏡成一放大的、倒立的實(shí)像，實(shí)像面一般位于目鏡的物方焦面附近，之后再經(jīng)目鏡成一正立、放大的虛像。最終的結(jié)果是：成一倒立、放大的虛像。可見，實(shí)際上顯微鏡是個復(fù)雜的放大鏡。對低倍顯微系統(tǒng)而言，其孔徑光闌是物鏡框（入瞳）；而出瞳也與人眼眼瞳相重合；對高倍顯微系統(tǒng)而言，其孔徑光闌是專門設(shè)置的；對顯微系統(tǒng)而言，其視場光闌是分劃板；位于目鏡物方焦點(diǎn)附近。4、照相機(jī)系統(tǒng)底片：用于記錄物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像，在照相機(jī)中它起到視場光闌作用，限制的是照相機(jī)的成像范圍?？勺児怅@：是系統(tǒng)的孔徑光闌，其大小可調(diào)，能夠調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的能量多少。物鏡：可以把不同遠(yuǎn)近物體發(fā)出的光經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行成像。第五章光學(xué)系統(tǒng)的光路計算和像差理論本章的教學(xué)目標(biāo)及基本要求了解像差的定義、種類和消像差的基本原則；熟悉單個折射球面的不暈點(diǎn)（齊明點(diǎn)）的概念、性質(zhì)和求解方法；掌握7種幾何像差的定義、影響因素、性質(zhì)和消像差方法；了解波像差的定義及其與幾何像差的關(guān)系。本章節(jié)的主要教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配第一節(jié)概述，包括：基本定義和分類；第二節(jié)光線的光路計算，包括：計算像差的原則、方法和步驟；第三節(jié)單色像差，包括：球差、正弦差、慧差、場曲、像散、畸變和波像差的定義與特性。共2學(xué)時。本章教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：各種像差的定義與特性。難點(diǎn)：正弦差、慧差、場曲和像散的區(qū)分。本章教學(xué)方式及應(yīng)注意的問題板書與課件相結(jié)合，公式推導(dǎo)過程用板書，推導(dǎo)結(jié)果用PPT展示。在前面“理想光學(xué)系統(tǒng)”章節(jié)中，物體的高度用h來表述，但是在這一章中，講述球差時，軸上點(diǎn)不同角度的入射光在折射球面上的入射高度用h來表述了，故而這一章中物體高度用y來表述了，這一點(diǎn)容易混淆，需要額外說明。本章的思考題和習(xí)題無具體知識點(diǎn)5.1概述主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注像差：實(shí)際像與理想像之間的差異書p104書p104簡化記憶：球差：軸上點(diǎn)成像不在光軸的一點(diǎn)上?；鄄詈驼也睿涸诟咚瓜衩嫔陷S外點(diǎn)成像不對稱，不是圓形而是慧尾狀。正弦差只用于小視場；場曲：沿光軸方向光線交點(diǎn)與高斯面的距離。自編色差：不同色光的成像差異。書p104波像差：實(shí)際波面與理想球面的偏差。書p104像差消除的原則：光學(xué)設(shè)計中總是根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的作用和接收器的特性把影響像質(zhì)的主要像差，校正到某一公差范圍內(nèi)，使接收器不能察覺。書p1055.2光線的光路計算主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注像差計算的根本原則：計算出理想光學(xué)系統(tǒng)中像的位置和大??；再計算出實(shí)際像的位置和大小；二者求差。主光線：通過入瞳中心的光線。寬光束：孔徑角相差較大的光束。細(xì)光束：孔徑角相差很小的光束。初始光線：計算像差時人為選定的特殊的最初的物方光線。第一近軸光線：軸上點(diǎn)發(fā)出的，通過入瞳邊緣的光線。第二近軸光線：視場邊緣點(diǎn)發(fā)出的，通過入瞳中心的光線。子午面：包含軸外點(diǎn)主光線和系統(tǒng)光軸的平面?；∈该妫喊S外點(diǎn)主光線，且垂直于子午面的平面。光線光路的計算主要有四類：①近軸光線的光路計算，也可由理想系統(tǒng)計算，求理想像；②子午面內(nèi)不同孔徑和視場的實(shí)際光線的光路計算；③軸外點(diǎn)沿主光線的細(xì)光束的光路計算；④子午面外光線的光路計算。通常計算弧矢面內(nèi)光線。補(bǔ)充：無像質(zhì)要求系統(tǒng)~①；有像質(zhì)要求的一般系統(tǒng)~①、②；有像質(zhì)要求的大視場系統(tǒng)~①、②、③；有像質(zhì)要求的大視場、大孔徑系統(tǒng)：①、②、③、④。書p106軸外點(diǎn)沿主光線的細(xì)光束的光路計算屬于了解的內(nèi)容；近軸光線的光路計算：此時得到的是光學(xué)系統(tǒng)中理想像的位置和大小。①第一近軸光線計算：取軸上點(diǎn)發(fā)射到入瞳邊緣的光線為研究對象，利用高斯公式求出像在軸上的位置；②第二近軸光線計算：取視場邊緣點(diǎn)發(fā)出的，通過入瞳中心的光線為研究對象，利用正切過渡公式求出像的高度；總結(jié)：既可以用單球面遞推公式，也可以用理想光學(xué)系統(tǒng)的遞推公式。遠(yuǎn)軸光線的光路計算：此時得到的是光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)際像的位置和大小。①軸上點(diǎn)的遠(yuǎn)軸光線計算：在單球面遞推公式中，不忽略sin函數(shù)的推導(dǎo)，求出像點(diǎn)在軸上的位置。②軸外點(diǎn)的遠(yuǎn)軸光線計算：按照不同的實(shí)際應(yīng)用，按照實(shí)際需求分物體在無限遠(yuǎn)和物體在有限遠(yuǎn)設(shè)定初始光線，按照實(shí)際光線計算公式和過渡公式求解實(shí)際像高。(實(shí)際光線計算公式和過渡公式本課程不學(xué)，要到光學(xué)碩士學(xué)習(xí))近軸光線的光路計算結(jié)合遠(yuǎn)軸光線的光路計算可以計算出初步的像差。5.3單色像差主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注1、球差軸上球差（簡稱球差）定義：軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，不再是同心光束，不同入射高度的光線交于光軸上不同的位置，相對于近軸像點(diǎn)有不同程度的偏離。書p111垂軸球差：球差存在時，高斯像面上彌散斑的半徑書p111單正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差。即像點(diǎn)比近軸像點(diǎn)靠左。書P111單負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差。書P111球差校正方法：①利用正負(fù)透鏡球差相反的性質(zhì)，采用正負(fù)雙膠合透鏡；②使用非球面透鏡或齊明透鏡來消球差；齊明點(diǎn)：對于單個折射球面，不產(chǎn)生球差的共軛點(diǎn)。有三對：①L＝0，此時L'必為零，即物點(diǎn)、像點(diǎn)均與球面頂點(diǎn)重合。②光線和球面法線重合，物點(diǎn)和像點(diǎn)均與球面中心相重合。③時，書P113齊明透鏡：入射點(diǎn)位于第一面的球心，第二面的書P1132、正弦差定義：表示的是小視場時軸外物點(diǎn)寬光束經(jīng)系統(tǒng)成像后失對稱的情況。對于軸外物點(diǎn)來說，由于球差的影響，對稱于主光線的同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后不再相交于一點(diǎn)，相對于主光線失去對稱性。軸外點(diǎn)在高斯面上像的形狀。書P114正弦條件：垂直于光軸平面內(nèi)的兩個相鄰點(diǎn)，一個是軸上點(diǎn)，一個是靠近光軸的軸外點(diǎn)，當(dāng)滿足條件時，若軸上點(diǎn)理想成像，則軸外點(diǎn)也理想成像。當(dāng)物體處于無限遠(yuǎn)時，正弦條件可以簡化為：書P114不暈成像：光學(xué)系統(tǒng)既無球差也無正弦差。書P114等暈成像：光學(xué)系統(tǒng)中軸上點(diǎn)和近軸點(diǎn)有相同的成像缺陷時的成像。書P114等暈成像條件：書P114特點(diǎn)：正弦差與孔徑光闌的位置有關(guān)，改變光闌的位置，可以使正弦差發(fā)生變化。書P115不產(chǎn)生正弦差的特殊點(diǎn)：①，即光闌在球面的曲率中心；②，即物點(diǎn)在球面頂點(diǎn)；③，即物點(diǎn)在球面曲率中心；④，即物點(diǎn)在處書P1163、慧差慧差與正弦差沒有本質(zhì)區(qū)別，正弦差僅適用于具有小視場的光學(xué)系統(tǒng)，慧差可用于任何視場的光學(xué)系統(tǒng)。也可以說正弦差是慧差的一種特殊情況。書P116命名的原因：在具有慧差的光學(xué)系統(tǒng)中，靠近主光線的細(xì)光束相交在主光線上形成一個亮點(diǎn)，而遠(yuǎn)離主光線的不同孔徑的光線束形成一系列的圓環(huán)，整體形同彗星狀的光斑。書P116子午慧差：慧差的形成中由子午面上光束形成的部分。書P116弧矢慧差：慧差的形成中由弧矢面上光束形成的部分。4、場曲定義：某一視場的子午像點(diǎn)、弧矢像點(diǎn)相對于高斯像面的距離稱為子午像面彎曲和弧矢像面彎曲，簡稱子午場曲和弧矢場曲。軸外點(diǎn)某一張角入射光(子午和弧矢)交點(diǎn)各自與高斯面的軸距。書P117子午場曲：分為寬光束的子午場曲和細(xì)光束的子午場曲。寬光束的子午場曲：軸外點(diǎn)子午寬光束的交點(diǎn)沿光軸方向到高斯像面的距離。細(xì)光束的子午場曲：軸外點(diǎn)子午細(xì)光束的交點(diǎn)沿光軸方向到高斯像面的距離。軸外子午球差：軸外點(diǎn)子午細(xì)光束與寬光束的交點(diǎn)沿光軸方向的偏離書P117弧矢場曲：分為寬光束的弧矢場曲和細(xì)光束的弧矢場曲。寬光束的弧矢場曲：軸外點(diǎn)弧矢寬光束的交點(diǎn)沿光軸方向到高斯像面的距離。細(xì)光束的弧矢場曲：軸外點(diǎn)弧矢細(xì)光束的交點(diǎn)沿光軸方向到高斯像面的距離。軸外弧矢球差：軸外點(diǎn)弧矢細(xì)光束與寬光束的交點(diǎn)沿光軸方向的偏離書P117子午像面：各視場的子午像點(diǎn)構(gòu)成的像面。對稱于光軸的旋轉(zhuǎn)曲面。書P118弧矢像面：由弧矢像點(diǎn)構(gòu)成的像面。對稱于光軸的旋轉(zhuǎn)曲面。書P118軸外點(diǎn)子午細(xì)光束的焦和弧矢細(xì)光束的焦點(diǎn)并不重合，也不在高斯像面上。書P1185、像散定義：細(xì)光束的子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)的軸向距離。軸外點(diǎn)某一張角入射光(子午和弧矢)交點(diǎn)之間的軸距。書P119子午焦線：在子午像點(diǎn)T’’處得到一垂直于子午面的短線。子午像點(diǎn)處的弧矢光束寬度書P119弧矢焦線：在弧矢像點(diǎn)S’處，得到一垂直于弧矢平面的短線?；∈赶顸c(diǎn)處的子午光束寬度。書P119在子午焦線和弧矢焦線中間，物點(diǎn)的像是一個圓斑，其它位置是橢圓形彌散斑。書P119若光學(xué)系統(tǒng)對直線成像，由于像散的存在，其成像質(zhì)量和直線的方向有關(guān)：①直線在子午面內(nèi)，子午面彌散，弧矢面清晰；②直線在弧矢面內(nèi)，弧矢面彌散，子午面清晰；③直線既不在子午面又不在弧矢面內(nèi)，子午像和弧矢像都不清晰。書P1196、畸變定義：由于球差的影響，不同視場的主光線通過光學(xué)系統(tǒng)后與高斯像面交點(diǎn)的高度與理想像高的差別。軸外點(diǎn)不同張角的主光線在高斯面上高度差別。書P120相對畸變：，為某視場的實(shí)際垂軸放大率；為光學(xué)系統(tǒng)的理想垂軸放大率。書P120正畸變也叫枕形畸變；負(fù)畸變也叫桶形畸變。書P120畸變只改變軸外物點(diǎn)在理想像面上的成像位置，使像的形狀產(chǎn)生失真，但不影響像的清晰度。書P120在投影儀和顯示系統(tǒng)中可以用梯形校正來演示。7、色差定義：不同色光之間成像位置和成像大小的差異書P121位置色差(軸向色差)：軸上點(diǎn)兩種色光成像位置的差異。實(shí)際上類似球差書P121位置色差只與孔徑有關(guān)。倍率色差(垂軸色差)：對軸外物點(diǎn)，同一材質(zhì)對于不同色光有不同的折射率，導(dǎo)致不同色光的垂軸放大率之間的差異。實(shí)際上類似與畸變或慧差書P1238、波像差波像差：當(dāng)實(shí)際波面與理想波面在出瞳處相切時，兩波面間的光程差。理想波面應(yīng)是球面，像差就是波面與球面的差異。書P127波像差越小，系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好，瑞利判斷認(rèn)為，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的最大波像差小于波長時，其成像是完善的。書P127第六章典型光學(xué)系統(tǒng)的成像特性和設(shè)計要求本章的教學(xué)目標(biāo)及基本要求了解正常眼、近視眼和遠(yuǎn)視眼的定義和特征，校正非正常眼的方法，眼睛調(diào)節(jié)能力的計算；掌握視覺放大率的概念、表達(dá)式、意義以及與光學(xué)系統(tǒng)角放大率的異同點(diǎn)；熟悉放大鏡的視覺放大率；掌握顯微鏡系統(tǒng)的概念和計算公式，包括：組成、成像關(guān)系、光束限制、視覺放大率、線視場、數(shù)值孔徑、出瞳、物鏡的分辨率、顯微鏡有效放大率、物鏡的景深和視度調(diào)節(jié)；熟悉顯微鏡的臨界照明和坷垃照明方式；掌握望遠(yuǎn)系統(tǒng)的概念和計算公式，包括：組成、成像關(guān)系、光束限制、視覺放大率、分辨率與視覺放大率的關(guān)系、有效分辨率和工作分辨率；熟悉攝影系統(tǒng)的概念和計算公式，包括：組成、成像關(guān)系、光束限制、物鏡的主要參數(shù)及其作用、分辨率、光圈的定義及其與孔徑光闌、分辨率、像面深度、景深的關(guān)系、景深及其影響因素、物鏡的種類等；了解投影系統(tǒng)的概念和計算公式，包括系統(tǒng)的基本要求、主要光學(xué)參數(shù)及其照明系統(tǒng)的銜接條件。本章節(jié)的主要教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配第一節(jié)眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)，包括：眼睛的結(jié)構(gòu)、自然調(diào)節(jié)、人工矯正、分辨率、景深；第二節(jié)放大鏡，包括：視覺放大率，光學(xué)分析，光束限制；第三節(jié)顯微鏡系統(tǒng)，包括：結(jié)構(gòu)，放大率，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，特征參數(shù)；第四節(jié)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，包括：結(jié)構(gòu)、原理、放大率和特性；第五節(jié)目鏡，包括：作用、特征參數(shù)、像差分析、基本類型；第六節(jié)攝影系統(tǒng)，包括：。共8學(xué)時。本章教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：。難點(diǎn)：。本章教學(xué)方式及應(yīng)注意的問題板書與課件相結(jié)合，公式推導(dǎo)過程用板書，推導(dǎo)結(jié)果用PPT展示。本章的思考題和習(xí)題具體知識點(diǎn)6.1眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)書p130在視網(wǎng)膜上所形成的像是倒像，但由于神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)部作用，感覺仍然是正立的像。書p130主平面H和H’距角膜頂點(diǎn)后約1.3mm和1.6mm，人眼的焦距約為書p130眼睛的調(diào)節(jié)：眼睛成像系統(tǒng)對任意距離的物體自動調(diào)焦的過程。書p130人眼通過環(huán)狀肌肉調(diào)節(jié)使水晶體的曲率半徑變小，導(dǎo)致水晶體表面的曲率增大，從而降低人眼的焦距。書p130遠(yuǎn)點(diǎn)距離和近點(diǎn)距離：眼睛能清晰調(diào)教的極限距離。用于表示人眼的調(diào)節(jié)能力。書p130遠(yuǎn)點(diǎn)和近點(diǎn)的發(fā)散度：遠(yuǎn)點(diǎn)距離和近點(diǎn)距離的倒數(shù)。單位為屈光度（D）書p130眼睛的調(diào)節(jié)能力以遠(yuǎn)點(diǎn)距離和近點(diǎn)距離的倒數(shù)之差來度量。書p130明視距離：人眼前方250毫米處。書p131正常眼：眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)在無限遠(yuǎn)?；蛘哒f眼睛光學(xué)系統(tǒng)的后焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。反之稱為反常眼書p131遠(yuǎn)視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼后有限距離。50歲以后的遠(yuǎn)視眼也被稱為老花眼書p131近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼前有限距離。書p131矯正近視時在近視眼放一負(fù)透鏡，其焦距大小恰能使其后焦點(diǎn)與遠(yuǎn)點(diǎn)重合。書p131矯正遠(yuǎn)視時在遠(yuǎn)視眼放一正透鏡，其焦距恰等于遠(yuǎn)點(diǎn)距。書P131視度：遠(yuǎn)點(diǎn)距離的倒數(shù)。通常醫(yī)院和眼鏡店把1D稱為100度書P131散光度：水晶體兩個主截面的遠(yuǎn)點(diǎn)距離之差。人眼感光具有兩種細(xì)胞：桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。其中，桿狀細(xì)胞對光刺激極敏感，但完全不感色，主要用于夜間視覺；錐狀細(xì)胞感光能力較差，但對各色光的感受不同，主要用于白天的視覺。人眼的適應(yīng)：眼睛對周圍空間光亮情況的自動適應(yīng)程度。眼的分辨能力：人眼能夠分辨最靠近兩相鄰點(diǎn)的能力。通常而言不小于0.006毫米。視角：物體對人眼的張角視角鑒別率：人眼能分辨的物點(diǎn)間最小視角光學(xué)系統(tǒng)的放大率和被觀察物體所需要的分辨率的乘積，應(yīng)等于眼睛的分辨率對準(zhǔn)是指在垂直于視軸方向上的重合或置中過程。對準(zhǔn)誤差：偏離置中或重合的線距離或角距離。眼睛的景深：當(dāng)眼睛調(diào)焦在某一對準(zhǔn)平面時，眼睛不必調(diào)節(jié)能同時看清對準(zhǔn)平面前和后的物體的距離。視差角：兩眼的視軸對準(zhǔn)某一點(diǎn)時，兩視軸之間夾角。視覺基線：兩眼節(jié)點(diǎn)的連線。視差：也叫做立體視差，不同距離的物體對應(yīng)不同的視差角。視差的極小值稱為體視銳度。通常人眼在1200米內(nèi)可分辨遠(yuǎn)近，在1200米外，均為無限遠(yuǎn)。1200米被稱為人眼能分辨遠(yuǎn)近的最大距離，也叫做立體視覺半徑。人眼的孔徑光闌是瞳孔，其大小在暗處時可到八毫米，在亮處時最小為兩毫米。6.2放大鏡光學(xué)系統(tǒng)主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注視覺放大率：用儀器觀察物體時視網(wǎng)膜上的像高與用人眼直接觀察物體時視網(wǎng)膜上的像高之比。一般用于表述目視光學(xué)儀器的放大率。書P135，視覺放大率的光學(xué)分析：根據(jù)分析可以看出此公式極為復(fù)雜，在分析時我們討論幾種特殊情況：①人眼最放松的時候，被觀察的對象應(yīng)位于無窮遠(yuǎn)方，對于放大鏡來說，此時物體極為接近我，焦點(diǎn)。此時，，一般人們在使用放大鏡前，習(xí)慣將物體放在明視距離上，。②人眼看的最舒服的時候，像位于明視距離，。顯然，隨著放大鏡的位置不同，會不同，視覺放大率不同。特殊點(diǎn)：，即人眼在透鏡焦點(diǎn)處。，即放大鏡緊貼人眼，物體位于明視距離。書P136，注意書上有錯，***光束限制：討論前提：像點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)，物體在明視距離且接近焦點(diǎn)。書P1366.3顯微鏡主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注顯微鏡由物鏡和目鏡組成，物體經(jīng)顯微物鏡放大成像后，其像再經(jīng)目鏡放大以供人員觀察。書P137視覺放大率：FFe’FeABA’B’A”B”FoFo′Δy-y′分析思路：物體經(jīng)第一透鏡成像時，物體在一倍焦距和二倍焦距之間，所從相位放大的倒立實(shí)像；此實(shí)像經(jīng)過第二透鏡成像后，才被人眼看到。第二透鏡起到作用與前面所講的放大鏡相同，因此，第一透鏡所成實(shí)像位于第二透鏡的物方焦點(diǎn)位置。此時第一透鏡的放大率可表述為，第二透鏡的視覺放大率可表述為。總的放大率為從視覺放大率的表述可以看出，顯微鏡等同于一個放大鏡，焦距為。共軛距：顯微鏡的物鏡從物平面到像平面的距離。國際規(guī)定為180毫米；而我國在生物顯微鏡方向規(guī)定為19書P137機(jī)械筒長：把顯微鏡的物鏡和目鏡取下后，所剩的鏡筒的長度。我國規(guī)定為160毫米。書P137顯微鏡的視場光闌位于物鏡的像平面上，孔徑光闌為物鏡的邊框。線視場計算：利用物鏡的垂軸放大，和目鏡的視場公式。出瞳直徑的計算：由于在目鏡的物方焦平面上，根據(jù)拉赫不變量：，人眼一般所在的介質(zhì)是空氣，視覺放大率，故而由于顯微系統(tǒng)主要是由人眼來觀察的，出瞳的直徑應(yīng)當(dāng)與人眼瞳孔的尺寸相當(dāng)。當(dāng)然現(xiàn)在很多的顯微鏡已經(jīng)都配了CCD相機(jī)，可以在監(jiān)控顯示屏上，去看到顯微圖像，此時出瞳直徑要與相機(jī)匹配。顯然，最終的出瞳直徑跟物體所在空間的折射率以及物方孔徑角有關(guān)，當(dāng)物體和物鏡的距離固定時，物方孔徑角和物鏡的尺寸有關(guān)。這里研究出瞳直徑是為了選擇合適的物鏡：物鏡大了，進(jìn)入的光多了，但是出瞳也大了，若是出瞳大于瞳孔，比瞳孔多出來的部分的光線就沒有用了，物鏡造得再大也是白賠成本。顯微物鏡的數(shù)值孔徑一般會與物鏡的倍率一起刻在物鏡上。數(shù)值孔徑：用于計算出瞳直徑。顯微鏡的分辨率：顯微鏡能分辨的物方兩點(diǎn)間的最短距離。6.4望遠(yuǎn)鏡主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注望遠(yuǎn)鏡多用于觀察遠(yuǎn)處物體，故而考慮其光學(xué)特性時，應(yīng)討論平行于光軸的入射光。放大率:如圖所示，⑴物體位于無限遠(yuǎn)處，物鏡的像位于物鏡的焦點(diǎn)附近；同時，目鏡相當(dāng)于一個放大鏡，為了使人觀察時最舒服，放大鏡的物體應(yīng)當(dāng)在放大鏡焦點(diǎn)附近；因此，物鏡和目鏡之間的。⑵望遠(yuǎn)鏡通常用來觀察無限遠(yuǎn)物體，因此入射光用平行于光軸的光束，根據(jù)，出射光也是平行于光軸的，因此，易得視覺放大率為即入瞳和出瞳之比。開普勒望遠(yuǎn)鏡。結(jié)論：望遠(yuǎn)鏡的放大率與物體位置無關(guān)，只與望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)。書P142由望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率可看出，物鏡的焦距越大，目鏡的焦距越小，放大率越大。因此，天文望遠(yuǎn)鏡都是很長的。望遠(yuǎn)鏡的目鏡焦距不得小于6mm，否則，出瞳距過小，眼睛睫毛會與目鏡片接觸。書P142由視覺放大率可以看出，隨物鏡和目鏡的焦距符號不同，視覺放大率可能為正，也可能為負(fù)。視覺放大率為正值時像是正立的，反之像是倒立的。開普勒望遠(yuǎn)鏡由兩個正透鏡組成，因此成倒像。故而在實(shí)際應(yīng)用中，需要在其中加上轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，但是由于其物件所成為實(shí)像，故爾，很容易安裝分化板用于瞄準(zhǔn)或測量。伽利略望遠(yuǎn)鏡是有一個正透鏡和一個負(fù)透鏡組成形成的是正立的像但是無法安裝分化板。望遠(yuǎn)鏡的孔徑光闌，一般是物鏡框或者是物鏡中某一個透鏡的邊框入瞳：為物鏡邊框或在附近。出瞳：位于目鏡外，與人眼重合。視場光闌設(shè)置在物鏡實(shí)像面上，即分劃板所在平面。漸暈光闌為目鏡邊框。若目鏡孔徑較大，則能實(shí)現(xiàn)無漸暈。望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率：⑴與顯微系統(tǒng)相似，望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨能力也是由于衍射而存在的，所以其分辨率的大小仍是從衍射所造成的極限分辨角求起，即：，其中代表入瞳半徑、代表入瞳直徑。⑵當(dāng)時，，這是儀器成像時，像中相臨兩點(diǎn)能夠分出亮暗，不會分不出兩點(diǎn)的情況下的分辨率，即儀器分辨率。(也可以簡單說儀器成像清晰不模糊的基本條件。)這說明入瞳越大，儀器的分辨率越大，故而天文望遠(yuǎn)鏡口徑很大。⑶儀器所成的像清晰后，還要人眼能清晰看見才行。故而還要在以上基礎(chǔ)上人眼能看出來。人眼的極限分辨率是60’’⑷根據(jù)視覺放大率的定義，加上近軸條件，，所以有。這代表了滿足人眼分辨需求的最小視覺放大率。望遠(yuǎn)鏡的透射式物鏡主要分為以下幾種：雙膠合物鏡、雙分離物鏡、三片型物鏡、攝遠(yuǎn)物雙膠合物鏡：結(jié)構(gòu)簡單、制造裝配方便，光能損失小。它適用于小視場系統(tǒng)，常用的焦距與相對孔徑之間的關(guān)系如下：雙分離：有較大的選玻璃的自由度，相對孔徑可比雙膠合要大些，三片型物鏡：由雙膠合＋單透鏡構(gòu)成；從理論上可消除高級球差及色球差，但很難（高手可以）且裝配麻煩，光能損失較大，相對孔徑可達(dá)1：2。攝遠(yuǎn)物鏡：由正負(fù)二組透鏡構(gòu)成。優(yōu)點(diǎn)：視場較大，可校正場曲，比較復(fù)雜，可使主面前移。6.5目鏡主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注目鏡的作用類似于放大鏡，把物鏡所成的像，放大在人眼的遠(yuǎn)點(diǎn)，以工人眼觀察。書144目鏡的主要參數(shù)包括焦距、視場角、相對鏡目距，和工作距離。書144鏡目距：目鏡后表面的頂點(diǎn)到出瞳的距離。書p130目鏡屬于小孔徑、大視場、短焦距的光學(xué)系統(tǒng)，軸上像差較小，球差、色差容易滿足；軸外像差大，校正也困難，除畸變外，彗差、像散、場曲、倍率色差影響較大，畸變影響較小，可以不完全校正。所以對目鏡而言，其主要矛盾應(yīng)校正軸外像差。目鏡在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，一般不設(shè)計，而是有現(xiàn)成的系統(tǒng)中進(jìn)行選取即可，常用的目鏡有很多種：惠更斯目鏡、冉斯登目、凱涅耳目鏡、對稱目鏡、無畸變目鏡、廣角目鏡。6.6攝影系統(tǒng)主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注定義：指由攝影物鏡及感光膠片等接收器件組成的光學(xué)系統(tǒng)。書P146第七章光的電磁理論基礎(chǔ)本章的教學(xué)目標(biāo)及基本要求熟悉麥克斯韋方程組、物質(zhì)方程、波動方程；掌握電磁波的平面波解，包括：平面波、簡諧波解的形式和意義，物理量的關(guān)系，電磁波的性質(zhì)等；了解球面波和柱面波的定義、方程表達(dá)式；了解光在電介質(zhì)分界面上的反射和折射；了解光的吸收、色散和散射；熟悉光波的疊加原理以及兩列波的疊加結(jié)果和性質(zhì)分析。了解光波的傅里葉分析。本章節(jié)的主要教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配第一節(jié)光的電磁性質(zhì)，包括：麥克斯韋方程組、物質(zhì)方程組、電磁波特性分析、波形與表達(dá)式；第二節(jié)光在電介質(zhì)分界面上的反射和折射(沒有磁性)，包括：電磁場邊界連續(xù)條件、反射和折射規(guī)律分析、菲涅爾公式、全反射；第三節(jié)光的吸收、色散和散射，包括：定義、分類和理論分析；第四節(jié)光的疊加，包括：頻率相同振動方向相同或垂直的波的疊加、不同頻率光的疊加；第五節(jié)光波的傅里葉分析，包括：非簡諧周期波的傅里葉級數(shù)表示、非周期波的傅里葉積分表示。共6學(xué)時。本章教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：。難點(diǎn)：。本章教學(xué)方式及應(yīng)注意的問題板書與課件相結(jié)合，公式推導(dǎo)過程用板書，推導(dǎo)結(jié)果用PPT展示。本章的思考題和習(xí)題具體知識點(diǎn)7.1光的電磁性質(zhì)主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注1、一些基本定義19世紀(jì)中葉，麥克斯韋在電磁學(xué)理論的研究基礎(chǔ)上，從理論上推得電磁波的傳播速度等于光速，從而猜測光是電磁波。書P26120年后，赫茲做實(shí)驗(yàn)證明了光是電磁波。書P261麥克斯韋方程組：麥克斯韋方程組在是學(xué)術(shù)上的一項(xiàng)偉大成就，一方面它描述了電場和磁場相互影響相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律；另一方面，麥克斯韋將人們對事物的認(rèn)識從‘量’的角度擴(kuò)展到‘場’的角度。書P261電場強(qiáng)度：單位電荷在電場中所受的力。電位移矢量(電感強(qiáng)度)，真空介電常數(shù)，為介質(zhì)的介電常數(shù)。磁場強(qiáng)度：單位電流在磁場中所受的力。磁感強(qiáng)度，真空磁導(dǎo)率，為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。電流密度：單位面積的電流強(qiáng)度。電導(dǎo)率電荷密度:單位體積上的電荷量。叫做微分算子三個方向的偏導(dǎo)數(shù)與單位矢量的乘積和。旋度定義：最大環(huán)量面密度。環(huán)量定義：，矢量場在某一閉合曲線上的曲線積分。環(huán)量面密度：環(huán)量與曲線包圍的面積之比。代表矢量場的旋度計算，旋度是矢量，其含義在于旋度為０說明矢量場沒有漩渦，旋度不為０說明矢量場是一個漩渦場。散度的定義：某一閉合曲面的單位面積上的通量。通量定義：，矢量場在某一閉合曲面上的曲面積分。代表矢量場的散度計算，散度是標(biāo)量，其含義在于散度為０說明矢量場無源，散度不為０說明矢量場有源。公式一：描述了變化的磁場激發(fā)電場的規(guī)律。變化的磁場激發(fā)出的電場是漩渦場，且其方向是為了阻止磁場的變化。法拉第電磁效應(yīng)，高中有過線圈過磁鐵測電流的實(shí)驗(yàn)，還有發(fā)電機(jī)。公式二：描述了電場激發(fā)磁場的規(guī)律。安培定律之所以被稱為電位移，麥克斯韋認(rèn)為電場的變化等效于一種電流，稱為位移電流。這一部分包括兩個方面，一個是恒定的電流會激發(fā)出磁場另一部分是時變電場會激發(fā)出磁場，當(dāng)然磁場都是旋渦場。公式三：描述了電場的性質(zhì)。在一般情況下，電場可以是庫侖電場，通量由空間內(nèi)的自由電荷大小決定；也可以是變化磁場激發(fā)的感應(yīng)電場，而感應(yīng)電場是渦旋場，它的電位移線是閉合的，對封閉曲面的通量無貢獻(xiàn)。從公式來看，只有自由電荷提供的庫侖電場。公式四：描述了磁場的性質(zhì)。磁場都是渦旋場，磁感應(yīng)線都是閉合線，對封閉曲面的通量無貢獻(xiàn)。2、物質(zhì)方程物質(zhì)方程：描述物質(zhì)在場作用下特性的關(guān)系式。，，書P262物質(zhì)方程給出了介質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，它們是光與物質(zhì)相互作用時，介質(zhì)中大量分子平均作用的結(jié)果。書P2623、電磁場的波動性時變電場和磁場相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，在空間中形成統(tǒng)一的場電磁場。交變電磁場在空間中以一定的速度傳播，就形成了電磁波。假設(shè)無限大各向同性均勻絕緣介質(zhì)，且無輻射源時：++=，同理，稱為波動微分方程書P263，書P2634、平面電磁波及其性質(zhì)平面電磁波：電場或磁場在與傳播方向正交的平面上各點(diǎn)具有相同值的波。書264假設(shè)平面波沿著坐標(biāo)系中的方向傳播：⑴波動方程可變化為⑵數(shù)學(xué)上求得通解為，這是平面波的通解。不管怎么算出來的，我們可以驗(yàn)證：⑶之所以用兩者，分別代表z的正方向和負(fù)方向。⑷★不要考慮距離和速度時間之間的關(guān)系。z代表的是空間位置，t是時間量，這兩個是分離開的。從波動方程中，我們就知道z和t是兩個維度，不要合并到一起。書265假設(shè)平面波沿著坐標(biāo)系中的方向傳播，平面簡諧電磁波：⑴在波動形式中最簡單的是正弦波；⑵在傅里葉分析法中，任何復(fù)雜波形都可以分解為一系列頻率和振幅不同的正弦波疊加。⑶，平面單色光波的波動公式。⑷角頻率，介質(zhì)中的光速，介質(zhì)中的波長，介質(zhì)中的波矢量，波數(shù)，⑸理解：在某一時刻，光波在空間中的分布是，這一分布的周期性是由空間頻率來表述的；在某一空間點(diǎn)，光波隨時間變化是一個以為周期的信號，表述周期性的參數(shù)是頻率。書266空間中自由傳播的平面簡諧電磁波：⑴平面波的波面是一個平面，且該平面上各點(diǎn)的振動情況相同，一般設(shè)由直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)到該平面的距離，代表該平面上所有點(diǎn)的振動強(qiáng)度。⑵假設(shè)由原點(diǎn)指向波面的矢量為；對于平面上任何一點(diǎn)，由原點(diǎn)指向該點(diǎn)的矢量為，表述其波動的公式為，代表在上的投影。⑶假設(shè)指向的點(diǎn)為，的方向余弦為，則波動的公式也可以表述為。⑷按照，該波動方程也可以表述為書266平面簡諧電磁波的性質(zhì)：⑴，故而振動方向垂直于傳播方向；⑵，所以相互垂直，且成右手坐標(biāo)系；⑶，所以這兩者相位相同，書2665、球面波和柱面波球面波：等相位面(波面)是球面的波。一般是點(diǎn)光源發(fā)出的光。球面波的表達(dá)式：⑴對于球面波來說，等相位面是r=某一常數(shù)的面；⑵從點(diǎn)光源發(fā)出的光離點(diǎn)光源越遠(yuǎn)，振幅越??；⑶因此，發(fā)散光束表述為，會聚光束表述為；幾何上球面表達(dá)式為：，柱面波的表達(dá)式：幾何表達(dá)式：6、光波的輻射和輻射能光輻射的科學(xué)解釋，電偶極子輻射模型：①在外界能量刺激下，原子的原子核以及電子不停運(yùn)動，它們會時分時聚，距離不斷變化，成為不斷振動的電偶極子。當(dāng)電子與原子核不在一起且具有一定距離時，稱為電偶極子。原子核及電子分離且振蕩。②電偶極子距離的不同，導(dǎo)致空間中電磁場的變化。當(dāng)這種變化呈周期性時，形成電磁波輻射并伴隨著能量的傳播。振蕩周期性發(fā)生引發(fā)電磁場變化從而輻射電磁波。③輻射電磁波的角頻率與電偶極子振蕩的角頻率相同。④輻射的電磁波是以電偶極子中心為原點(diǎn)的發(fā)散球面波；振幅隨距離而減小；在電偶極子振動方向上輻射為0，垂直振動方向上能量最強(qiáng)，振幅隨方向變化的規(guī)律為。⑤電磁輻射的相互垂直，符合右手螺旋系，其中和電偶極子振動的直線在同一平面內(nèi)，則垂直于此平面。書P267輻射能：①光是電磁場，其在某一區(qū)域中單位體積的輻射能用電磁場的能量密度表述：②引入矢量表述能量的傳播，稱為輻射強(qiáng)度矢量(或者坡印亭矢量)。定義為：單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的能量。③隨時間變化非常快，頻率為Hz，因此人眼和探測儀器看不到瞬時光強(qiáng)，只能接收到某一時間內(nèi)的平均值。④電磁波輻射強(qiáng)度的平均值與電偶極子振蕩的振幅平方成正比、與電磁波頻率的四次方成正比，與輻射方向的正弦平方成正比。⑤通常我們用表述輻射強(qiáng)度矢量在單位時間內(nèi)的平均值，稱為光強(qiáng)。書P2687.2光在電介質(zhì)分界面上的反射和折射主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注1、電磁場的邊界條件電介質(zhì)指只對電場矢量有反應(yīng)的介質(zhì)，對磁場無反應(yīng)，與真空一樣。★電磁波由一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，由于兩種介質(zhì)的物理性質(zhì)不同，則電磁波在界面上必然存在突變，即不連續(xù)。書P269電磁場的一些分量在界面上還是連續(xù)的，稱為連續(xù)條件。書P269電磁場連續(xù)條件：在沒有傳導(dǎo)電流和自由電荷的介質(zhì)中，磁感強(qiáng)度和電感強(qiáng)度的法向分量在界面上連續(xù)；而電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的切向分量在界面上連續(xù)。書P2692、光在兩介質(zhì)分界面上的反射和折射光在介質(zhì)表面上的現(xiàn)象可看成為光與物質(zhì)相互作用的記過。介電常數(shù)和磁導(dǎo)率則表示大量分子的平均作用。書P269光波的入射面：界面法線與入射光線組成的平面。書P269光波的振動面：電場矢量和入射光線組成的平面。書P269界面反射和折射的研究方法——考慮電場矢量振動方向的影響，光波分量：①任何矢量都可以分為兩個方向的分量和的形式，光波也與此類似；②P分量：振動方向平行于入射面的光矢量的分量，記為；③S分量：振動方向垂直于入射面的光矢量的分量，記為。④因此，不論入射光的電場矢量振動方向如何，研究其界面反射和折射時，都統(tǒng)一到研究P和S分量的規(guī)律即可。書P269計算分析界面反射和折射：①定義兩種介質(zhì)的折射率為和；入射波、反射波和折射波的波矢量分別為、和，對應(yīng)的入射角、反射角和折射角分別為、和，角頻率為、和；②先討論S分量：顯然，此時s分量垂直于紙面向外；此時取S的方向?yàn)閥軸的正方向。③對于此圖，S分量的方向是不變的，P方向分量則會隨著入射光變化，因此，S分量直接由平面波的矢量公式轉(zhuǎn)為標(biāo)量公式，同時注意矢量和坐標(biāo)軸的夾角以坐標(biāo)軸和矢量的正方向之間角度算，可得：，，④根據(jù)可得，即此式若要成立，從數(shù)學(xué)上講，需要：⑤說明入射光、反射光和折射光的頻率相等⑥由于在介質(zhì)的界面上，故而，故而有：，，所以有，。書P270書上關(guān)于三個波矢量在同一平面內(nèi)的論述我認(rèn)為講不通***3、菲涅耳公式及其討論菲涅耳公式表示反射波、折射波與入射波的振幅和相位關(guān)系。菲涅耳公式中的振幅部分：①坐標(biāo)系定義：三者滿足右手坐標(biāo)系，圖中矢量的方向?yàn)樵撌噶康恼较颉D中所有垂直于紙面的矢量正方向都是指向紙面外面。②電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的切向分量在界面上連續(xù)。所以有：③由可得④由可得⑤若同樣設(shè)，可得：⑥設(shè)振幅反射系數(shù)和解得：，⑦設(shè)振幅折射系數(shù)和解得：，⑧若考慮兩個介質(zhì)都不是鐵質(zhì)，，則有：，⑨若考慮垂直入射的情況：，⑩若根據(jù)折射定律：，由⑧可得：補(bǔ)充：書P271反射和折射時的振幅變化：①光從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)：當(dāng)垂直入射時，有反射光也有折射光；當(dāng)平行界面入射時，反射光為1，折射光為0；隨著入射角增大，折射光在變小，S分量的反射光變大；對于B點(diǎn)，則是布儒斯特角，此時只有S光沒有P光，線偏振光完全垂直于紙面。②對于光密進(jìn)入光疏，除了與①類似外，在C點(diǎn)的時候發(fā)生全反射，只有反射光沒有折射光。書P273菲涅耳公式中的相位部分：①在前面的振幅系數(shù)中，反射光的振幅比有正有負(fù)，符號就代表了相位。②對于折射波，不論取值如何，都是正值，代表與入射波的相位相同。③當(dāng)時，，表明反射光與入射光方向相反，此反射的S波在界面上發(fā)生了的相位變化；當(dāng)入射角小于布儒斯特角時，P波與入射波沒有相位變化，當(dāng)入射角大于布儒斯特角時，P波與入射波有的相位變化。④當(dāng)時，和的相位變化如下圖所示：全反射時的相位變化格外不同：，菲涅爾公式中的能量比：①如圖所示，假設(shè)單位面積上的光強(qiáng)分別為；②則通過此面積的光能為：，，解釋：單位面積上的光強(qiáng)，且是垂直于的橫截面積方向上，所以過做垂線，交界面上的面積投影到垂線上，變成。③所以能流比為：④若考慮非磁性介質(zhì)中，則，可得：，⑤根據(jù)④的結(jié)果，，，，⑥假設(shè)入射光的電矢量方位角為，則有：，解釋：對于任何一個電矢量都可以分為S矢量和P矢量兩個分量，有，且。⑦對于自然光，偏振方向均勻分布，因而考慮，布儒斯特角：當(dāng)自然光的入射角滿足時的入射角，記為此時反射光為線偏振光(s波)，稱為全偏振現(xiàn)象。全反射：①。②在微觀條件下，入射波透入第二介質(zhì)大約一個波長的深度，并流過波長量級的距離后才重新返回第一介質(zhì)。這種沿著第二介質(zhì)表面流動的波叫做消逝波。③根據(jù)界面反射和折射，。④消逝波公式和特性：根據(jù)折射定律，在全反射的時候，所以從數(shù)學(xué)上來講，在物理上，取，有。，則有：，分析與結(jié)論：透射波是沿著x方向傳播的，在深度z方向上按照指數(shù)衰減；等振幅面是z為常數(shù)的面，等相位面是x為常數(shù)的面；波長⑤全反射相位變化：根據(jù)反射和折射分析，，則有：，，說明反射系數(shù)是復(fù)數(shù)，令，則有:，,分析與結(jié)論：入射光中的S波和P波在全反射后具有不同的相位變化，因而線偏振光入射后大多為橢圓偏振光。若要線偏振光入射后仍為線偏振光，有以下方法：入射光偏振方向?yàn)镾向或者P向；入射角等于全反射臨界角，，入射角等于90度，。7.3光的吸收、色散和散射主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注1、光的吸收當(dāng)光波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)中的束縛電子將在光波電磁場的作用下作受迫振蕩，使得介質(zhì)中的原子成為一個振蕩電偶極子，光波要消耗電能量來激發(fā)電偶極子的振蕩。書P284電偶極子振蕩的一部分能量將以電磁次波的形式與入射波疊加為反射波和折射波，另一部分能量由于原子(分子)間的相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊鳳284物質(zhì)對光的吸收：光迫使電偶極子振蕩時，振蕩將光能轉(zhuǎn)化為其它能量的部分。最常見的就是轉(zhuǎn)化為熱能了。書P284朗伯(Lambert)定律：若一束單色平行光在某種固體均勻介質(zhì)中沿方向傳播，通過厚度為的均勻介質(zhì)層后，實(shí)驗(yàn)表明，其光強(qiáng)為表示由于物質(zhì)對光的吸收，光的強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減。對于強(qiáng)激光不一定適用。書P284介質(zhì)的吸收系數(shù)：在數(shù)值上等于光強(qiáng)度因吸收而減弱到時透過的物質(zhì)厚度的倒數(shù)。是與光強(qiáng)無關(guān)的比例系數(shù)書P284比爾(Beer)定律：當(dāng)光通過溶解于透明溶劑中的物質(zhì)時，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)溶液濃度不太大時，吸收系數(shù)與溶液濃度成正比，其吸收規(guī)律為當(dāng)溶液濃度過大或當(dāng)溶劑分子明顯地影響著溶質(zhì)分子對光的吸收本領(lǐng)時，比爾定律不再成立。β是與C無關(guān)的常量光吸收的波長選擇性：物質(zhì)對于不同波長的光吸收系數(shù)不同，甚至相差很大。物質(zhì)的顏色就是沒被吸收的光疊加而成。吸收曲線：物質(zhì)吸收的波長選擇性可用它的吸收系數(shù)和波長的關(guān)系曲線來表示?！镒⒁?，不能簡單理解為吸收帶：對光吸收較強(qiáng)且有極值的波長范圍。透明區(qū)：對光吸收很弱的波長范圍。通常而言物質(zhì)自發(fā)輻射的波長與其吸收的波長相一致?？捎糜跍y量不同物質(zhì)及含量。2、光的色散色散：光在物質(zhì)中傳播時其折射率(傳播速度)隨光波頻率(波長)而變的現(xiàn)象分為正常色散和反常色散兩類。書P286色散曲線：折射率隨波長變化的曲線正常色散：發(fā)生在物質(zhì)透明區(qū)(物質(zhì)對光的吸收很小)內(nèi)的色散。表現(xiàn)為折射率隨波長增大而減小，色散曲線n(λ)呈單調(diào)下降，A、B、C是與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，叫做科希常數(shù)。只要測出三個已知波長的折射率的值，便可由上式求出A、B、C。在可見光波段，科希公式與物質(zhì)的正常色散實(shí)驗(yàn)曲線很好吻合。反常色散：發(fā)生在物質(zhì)吸收區(qū)內(nèi)的色散，此時折射率隨波長的增大而增大，實(shí)驗(yàn)表明，反常色散與物質(zhì)的吸收區(qū)相對應(yīng)，正常色散與物質(zhì)的透明區(qū)相對應(yīng)。色散的解釋，經(jīng)典色散理論：總綱：將洛倫茲的經(jīng)典電子論和麥克斯韋的電磁理論相結(jié)合，導(dǎo)出電磁場的頻率與介電常數(shù)的關(guān)系，由此得到光波頻率與折射率的關(guān)系。①經(jīng)典電子論看來，組成物質(zhì)的原子由原子核和外層束縛電子以線性彈性力所維系，原子成為作阻尼振蕩的電偶極子。②假設(shè)入射光波，電偶極子只受電場矢量作用，令為電子振動的位移(原子核一般被晶格束縛)、分別是電子的質(zhì)量和電荷：，其中為阻尼系數(shù)、為彈性系數(shù)、是電子固有的振動頻率；式中為阻尼力、為彈性力、為電場力，左右兩邊都是加速度。公式物理意義為：加速度+系數(shù)×速度+系數(shù)×距離=力量/質(zhì)量；阻尼力是為了阻止移動的與速度有關(guān)，彈性力估計是正負(fù)電荷的吸引力與距離有關(guān)。③解方程得：，其中為電子位移振幅，為它與外加電場之相位差。時，振幅最大，即為共振現(xiàn)象。④若物體在單位體積內(nèi)有個原子，介質(zhì)的電極化強(qiáng)度矢量為：，由電磁學(xué)原理來看：。⑤，稱為表征折射率。書P287折射率公式的應(yīng)用：①在一般的吸收介質(zhì)中，，折射率是一個復(fù)數(shù)，故而波矢量，所以有：，分析與結(jié)論：振幅隨傳播而下降，稱為衰減系數(shù)，是表征折射率的虛部，相位變化與入射光一致。②對于透明區(qū)，可忽略電偶極子振動阻力，，此時為實(shí)數(shù)，波長變大，頻率也變大，折射率變小；③對于吸收區(qū)，，求解后為形式，其中實(shí)部代表色散中的折射率，隨波長的增大而變大；虛部則表明了材料的吸收，在諧振波長處有極大值。3、光的散射光的散射：由于物質(zhì)(氣體、液體或固體)中存在的微小粒子對光束的作用，使光波偏離原來的傳播方向而四周散開的現(xiàn)象。當(dāng)光發(fā)生散射時，并非所有的光都散開了，一部分繼續(xù)入射，一部分散射，一部分吸收。書P289對于光通過物質(zhì)被減弱的現(xiàn)象，一般情況應(yīng)同時考慮吸收和散射的影響。吸收是入射光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)內(nèi)其他形式的能量，散射是光能量的空間分布被改變。散射分類：瑞利散射、米氏散射、喇曼散射、布里淵散射。瑞利散射：散射粒子線度比波長小得多的粒子對光波的散射。(大約小于)線度直觀上說基本上就是大小的意思。線度一般指物體從各個方向來測量時的最大的長（寬）度，并且往往只精確到數(shù)量級。米氏(G.Mie)散射：粒子線度比波長大很多的較大微粒散射。(大約大于)喇曼散射：入射光經(jīng)散射后，其中一部分光的波長發(fā)生變化導(dǎo)致散射光出現(xiàn)原本入射光沒有的光的現(xiàn)象。通常指純凈的液體和晶體內(nèi)發(fā)生。布里淵散射：光通過由熱波產(chǎn)生聲波的介質(zhì)，散射光中除包含了原來的入射光波長外，出現(xiàn)新波長的光的現(xiàn)象。通常指介質(zhì)受到周期性機(jī)械力情況下發(fā)生的。瑞利散射的解釋：①當(dāng)光波射入介質(zhì)中，會激發(fā)起介質(zhì)中電子作受迫振蕩，從而發(fā)出次級電磁波。②對于均勻介質(zhì)，這些次波相互疊加的結(jié)果使光波沿著反射和折射定律方向傳播，而在其他方向上，次波干涉完全相消，因而不發(fā)生散射現(xiàn)象。③若介質(zhì)非均勻，介質(zhì)內(nèi)有懸浮微?；蛴忻芏葷q落，這時入射波激發(fā)的次波的振幅和相位不完全相同，由于次波干涉的結(jié)果，在非透射方向上不能完全抵消而造成散射光。瑞利散射的特點(diǎn)：①散射光強(qiáng)隨觀察方向而變，角分布為：，式中為散射光和入射光之間的夾角，為時的散射光強(qiáng)度。顯然，與入射光在同一直線上的散射光最強(qiáng)，垂直于入射光時最弱。（散射光場分布可參考手電筒）②瑞利散射定律：散射光強(qiáng)與入射波長(頻率)的四次方成反比(正比)。此定律用于寬帶光源或自然光入射時，若不同波長的光入射強(qiáng)度相同，散射光強(qiáng)度會不同。地球大氣中藍(lán)光和紫光散射最大；白天太陽光接近垂直入射，空氣中微粒的散射占主體，散射光布滿大地，天空呈藍(lán)色；早晚時，日光入射角大，散射光不再照耀大地，而是擦過大氣層散入太空，云層則反射未被散射的紅光(紅光散射最小，則入射光被反射的多)，成為火燒云。③散射光具有偏振性，并與θ角有關(guān)。自然光入射各向同性媒質(zhì)中：▲在垂直于入射方向上的散射光是線偏振光；▲在原入射光方向及其逆方向上，散射光仍是自然光；▲在其他方向上，散射光是部分偏振光，偏振程度與θ有關(guān).。米氏(G.Mie)散射的特點(diǎn)：①散射光強(qiáng)幾乎與波長無關(guān)。如觀察白云對陽光的散射，各波長的光都大致均等地被散射，所以晴空的云是白色的。浪花呈白色也是同樣的道理。②前向散射的成分增多，被用于大氣中滴粒分布的研究。喇曼散射的特點(diǎn)：①在與入射光頻率ω0相同的散射譜線(瑞利散射線)兩側(cè)，對稱地分布著頻率為ω0±ω1，ω0±ω2，…強(qiáng)度較弱的散射譜線，長波一側(cè)(ω0-ω1，ω0-ω2，…)的譜線稱為斯托克斯線；短波一側(cè)(ω0+ω1，ω0+ω2，…)的譜線稱為反斯托克斯線。②頻率差ω1，ω2，…與散射物質(zhì)中分子的固有振動頻率一致，而與入射光頻率無關(guān)。③電磁理論對喇曼散射的解釋：散射物質(zhì)的極化率與分子的固有振動頻率有關(guān)，于是以固有振動頻率ω1，ω2，…振動的分子，以此頻率調(diào)制了極化率，從而以相同的頻率調(diào)制了折射率，導(dǎo)致了對入射光波的相位調(diào)制，使得在散射光中產(chǎn)生了這些頻率的譜線。布里淵散射的特點(diǎn)：①在與入射光頻率ω0相同的散射譜線(瑞利散射線)兩側(cè)，對稱地分布著頻率為ω0±ω1，ω0±ω2，…強(qiáng)度較弱的散射譜線。②頻率差ω1，ω2，…與散射物質(zhì)中聲子的頻率有關(guān)，而與入射光頻率無關(guān)。7.4光波的疊加主要知識點(diǎn)講課時的擴(kuò)展或總結(jié)備注波的疊加原理：幾個波在相遇點(diǎn)產(chǎn)生的合振動是各個波單獨(dú)在該點(diǎn)產(chǎn)生的振動的矢量和。光波同樣符合此原理書P290光的獨(dú)立傳播定律：兩個頻率相同、振動方向相同的單色光波的疊加：①從代數(shù)的角度分析：，注意和分別代表了當(dāng)光從和傳播到P點(diǎn)時的相位(含初始相位在內(nèi))。②令，則有，故而。③分析和結(jié)論：合成振動也是簡諧振動，振動頻率和振動方向都與入射光相同。④若且，則兩光束的光強(qiáng)為，根據(jù)②中的計算公式，。⑤分析和結(jié)論：P點(diǎn)的合振動光強(qiáng)取決于兩光波在疊加點(diǎn)的相位差。若要疊加光強(qiáng)最大：，；若要光強(qiáng)最小：，。⑥兩光波在P點(diǎn)的相位差，也可表述為，其中由光程差引起的相位變化為：，故而即光程差為半波長偶倍數(shù)時時光強(qiáng)最大；即光程差為半波長的奇數(shù)倍時，光強(qiáng)最小。干涉現(xiàn)象：兩光波在空間相遇，若它們的初相位恒定，相遇時的光程差也恒定，在疊加區(qū)內(nèi)將看到強(qiáng)弱穩(wěn)定的強(qiáng)度分布的現(xiàn)象。駐波：①定義：同頻、同振動方向、傳播方向相反的兩個單色光波疊加形成的在空間內(nèi)具有穩(wěn)定周期波形的波。②假設(shè)有兩個波分別為：和。③兩波的合成為：。④對于方向上的每一點(diǎn)，隨時間的振動是頻率為的簡諧振動；振幅隨而變：。⑤分析與結(jié)論：顯然振動的最小值位置不隨時間而變，稱為波節(jié)；振幅最大值位置也不隨時間而變，稱為波腹；但整體振動情況會隨時間而變。⑥波腹位置：；波節(jié)位置：相鄰波節(jié)(或波腹)間的距離為，而相鄰波節(jié)和波腹間的距離為。波腹、波節(jié)的位置不隨時間而變。⑦如果兩個波的振幅不等，則合成波除駐波外還有一個行波，波節(jié)處振幅不再為零，并且由于行波存在，將伴隨著能量傳播。兩個頻率相同、振動方向互相垂直的單色光波的疊加：①設(shè)光源S1和S2發(fā)出兩個頻率相同、振動方向互相垂直的單色光波，其振動方向分別平行于x軸和y軸，并沿z軸方向傳播。則光波為和。②兩波的合成為：，合振動的大小和方向隨時間變化。③令，，同時對求二階導(dǎo)，消去時間量得：，表示在垂直于光傳播方向平面上，合振動矢量末端的運(yùn)動軌跡為一橢圓，以角頻率周期旋轉(zhuǎn)。兩個不同頻率的單色光波的疊加：①兩個單色光波表述為：和；②合成波為：③分析與結(jié)論：合成波是一種具有雙頻率的波，這種情況在通信領(lǐng)域是很常見的，就是調(diào)幅波形。④顯然，在調(diào)幅中高頻率的波通常是載波，低頻波是調(diào)制波，故而分析時令，則。⑤合成光波的強(qiáng)度為：故而光強(qiáng)隨時間變化的頻率為，兩個光波的頻率差。拍：光波強(qiáng)度隨時間變化時大時小的現(xiàn)象。光強(qiáng)變化的頻率為拍頻。相速度：在單光波傳播時，光波的傳播速度是指它的等相面的傳播速度，稱為相速度。群速度：指合成波振幅恒定點(diǎn)的移動速度，即振幅調(diào)制包絡(luò)的移動速度。群速度與相速度特性：①如果疊加的兩個波在無色散的真空中傳播，則由于兩個波的速度一樣，合成波是一個波形穩(wěn)定的拍，其相速度和群速度相等。②當(dāng)光波在色散介質(zhì)中傳播時，由于頻率不同，其傳播速度也不同，其合成波的波形在傳播過程中不斷地產(chǎn)生微小變形，此時很難確切定義合成波的速度。③不過，當(dāng)，可認(rèn)為合成波的波形變化緩慢，仍可用調(diào)制包絡(luò)的移動速度