光学成像技术1PPT课件

播方向），其值为
p
h
h
cc
式中c为真空中的光速，1983年第十七届国际计量大会
通过其值为
c = 299 792 458 m/s
❖ 至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光 学现象证实了光的波动性；另一 方面通过黑体辐射、 光电效应和康普顿效应 等又证实了光的量子性—— 粒子性。
❖ 光的本性——物质（实物和场）的本性—波粒二象 性
n c v
所有介质的折射率都大于1
x 射射 线线
紫红 外外 光光
微
无
波
线
电
波
可见光(400~750nm)
1. 电磁波谱
各种波长的电磁波中，能为人眼所感受的是 400 — 760 nm 的窄小范围。对应的频率范围是 ：
= （7.6 4.0）1014 HZ
这波段内电磁波叫可见光。在可见光范围内，不同 频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。
2.粒子说（十七世纪末)
17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光 的研究引向进一步发展的道路。牛顿根据光 的直线传播性质，提出了光是微粒流的理论。 惠更斯反对光的微粒说，从声和光的某些现 象的相似性出发，认为光是在 波。这一时期 中，在以牛顿为代表的微粒说 占统治地位的 同时，以惠更斯为代表的波动 说也初步提出 来了。
3. 光的折射反射定律：
(1) 光的反射定律：反射线位于入射面内，反射线和 入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即
i1 i1
小孔成像
箱 子
小孔
折射定律
N A
折射光线跟入射光线和法线在 同一平面内，折射光线和入射光
θ1 O
θ2
线位于法线的两侧，但是，入射 空气 角和折射角之间究竟有什么定量 玻璃 关系呢？1621年，荷兰数学家斯
1935年泽尼克提出了相衬原理； 1948年伽柏发明全息术； 50年代通讯理论和光学的结合，产生了傅里叶光学
——光学信息处理的理论和技术奠定了基础。
90年代迅速发展的分数傅里叶光学是傅里叶光学的发展 和延拓，为光学信息处理开辟了更广的领域。
傅立叶光学——空间滤波、图像识别 ——光学信息处理 ——全息学、干涉计量、特征识别、高密 度储存、三维显示
20年代中期,薛定谔、海森伯、狄拉克和玻恩等人建 立了量子力学—波动性和粒子性在新的形式下得到统 一
认识
2
从量子观点看，光场是由一个个光子组成。光子是光的
最小单位，每个光子的能量 和它的频率之间的关系为
h
式中h 是普朗克常数，其数值为 h 6 .6 2 1 6 3 0 J 4s
光子也具有动量，它的方向为光子的运动方向（即光传
i1
QQ OQ
,
sin
i2
OO OQ
即 sin i1 Q Q 1 sin i2 O O 2
n 21
1 2
光在真空中的传播速度为c
c c
n1 n2
1
2
n2 1 1 2n n1 2
折射率较大的介质称为光密介质，
折射率较小的介质称为光疏介质。
折射率
光从一种介质射入另一种介质时，虽然入射角的正弦跟折射角
一.同心光束和像散光束
1. 同心光束：一束光线本身或其延长线交于一点。
会 聚 光 束 发 散 光 束
特殊：平行光束——会聚于无穷远
注意 同心光束的三要素:中心、主光线、立体角
2.2 几何光学的基本定律
1. 光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线传播
2. 光的独立传播定律：两束光在传播途中相遇时互不 干扰，即每一束光的传播方向及其他性质(频率、波 长、偏振状态)都不因另一束光线的存在而发生改变
薄膜光学、纤维光学（导波光学）、集成光学、激光光 谱学、二元光学、瞬态光学、量子光学、原子光学、激 光物理、激光化学、激光生物学等等。
大量分支和交叉学科的涌现是20世纪现代光学发展的重 要标志。
第二节 几何光学的基本定律
2.1 基本概念 1.发光点 只有几何位置而不计大小的光源称为发光
点(或称为点光源)。 2.光线 在几何光学中，光线就是一条携带光能量的
2. 麦克斯韦电磁方程
麦克斯韦方程组在电磁学中的地位， 如同牛顿运动定律在力学中的地位 一样。以麦克斯韦方程组为核心的 电磁理论，是经典物理学最引以自 豪的成就之一。它所揭示出的电磁 相互作用的完美统一，为物理学家 树立了这样一种信念：物质的各种 相互作用在更高层次上应该是统一 的。另外，这个理论被广泛地应用 到技术领域。
760 630 600 570 500 450 430 400(nm)
红
橙
黄
绿
青
蓝紫
5.量子光学
20世纪初~20世纪中：量子光学时期
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的 发生、光和物质相互作用的微观机制 中，开始了量 子光学时期。1905年爱因斯坦 发展了普朗克的能量 子假设，把量子论贯穿 到整个辐射和吸收过程中， 提出了杰出的光 量子（光子）理论，圆满地解释了 光电效应， 并被后来的许多实验（例如康普顿效应） 证 实。
涅耳终于找到了入射角和折射角 之间的规律．
B N'
入射角的正弦跟折射角的正弦成正比，如
果用n来表示这个比例常数，就有：
sin 1 n
斯
sin 2
涅
光的折射定律（斯涅耳定律）
耳
(2) 光的折射定律：折射线位于入射面内,折射线与入 射线分居法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之 比为一与入射角无关的常数，即
认识
麦克斯韦电磁理论认为，光是一种电磁波
各种 色视 觉对 应的 波长 和频 率范 围：
色视觉 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
频率 /Hz (3.9~4.8)×1014 (4.8~5.0)×1014 (5.0~5.3)×1014 (5.3~6.0)×1014 (6.0~6.7)×1014 (6.7~7.0)×1014 (7.0~7.7)×1014
❖ 3、1610年伽里略（1564-1642年）用自己制造的望远镜观 察星体，发现了绕木星运行的卫星，这给哥白尼关于 地球绕 日运转的日心说提供了强有力的证据。
❖ 4、开普勒（1571-1630年）汇集了前人的光学知识，他提 出了用点光源照明时，照度与受照面到光源距离 的平方成反 比的照度定律。他还设计了几种新型的望 远镜，特别是用两 块凸透镜构成的开普勒天文望远镜。
麦克斯韦和谐优美的方程组及电磁波理论
4.光的电磁理论
❖ 1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现 象。随后菲涅耳和阿拉 果对光的偏振现象和偏振光的干涉进 行了研 究。
❖ 1845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的内在联系。麦克 斯韦在1865年的理
❖ 论研究说明光是一种电磁现象。这个理论 在1888年被赫兹 的实验所证实。至此，确立了光的电磁理论。
波动光学时期：19世纪初 ~20世纪初 到了19世纪初，初步发展起来的波动光学
的体系已经形成。1801年杨氏最先用干涉原 理令人满意的解释了白光照射下薄膜颜色 的 由来并做了著名的“杨氏双缝干涉实验” ， 第一次成功的测定了光的波长。1815年菲涅 耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成 了人们所熟知的惠更斯—菲涅尔原理
几何线，它代表了光的传播方向。 3.光束 发光点所发出的光波波面是以发光点为球心
的球面波，波面的法线束就是几何光学中的光线束， 简称为光束。 4.光路 光线的传播途径。
2.1 基本概念
按照光速传播的特点，可以分为：
(1)同心光束。 (2)平行光束。 (3)像散光束。 像散光束：各条光线彼此既不平行又不完全 相交于一点。
2. 17世纪几何光学基础已奠定：如费马的最小时间原 理，斯涅耳的实验发现折射定律，笛卡尔将其表为 正弦形式
物理光学的实验研究始于17世纪：格里马耳迪(1618 －1663)首次详细描述衍射现象
胡克和玻意耳各自独立发现牛顿环，在白光下薄 膜的彩色干涉图样,胡克主张光由振动组成
1690年，惠更斯(C.Huygens)在《论光》中阐发了 光的波动学说并提出著名的惠更斯原理
1704年牛顿出版《光学》：棱镜分光(白光为复合 光)，牛顿环的生成及色序，牛顿认为光的本性是微 粒，并提出光的“侧边”概念，对偏振光的天才猜想。
19世纪波动学说达到尽善尽美境界
1801-1803杨氏双缝实验—干涉条纹
菲涅耳：惠更斯-菲涅耳原理成功解释了衍射现象
1850年傅科用旋转镜法测定光速，说明光在水中的 速度比在空气中小(这是波动光学预言的结果)
认识
3
光既有波动性也有粒子性，即具有波粒二象性。
普朗克常数非常小，一个光子的能量也非常小。
一般情况下我们遇到极大数量的光子，明显表现波动性。 在光极其弱的情况下，以及光和物质相互作用的某些特 殊情况下，其量子特性才会明显地表现出来。
6.现代光学发展
❖ 现代光学时期： 20世纪中~ 三件大事：
❖ ①1948全息术 ❖ ②1955光学传递函数 ❖ ③1960激光器的诞生
的正弦之比为一常数n，但是对不同的介质来说，这个常数n是
不同的，它是一个反应介质光学性质的物理量，物理学中把光 从真空射入某种介质发生折射时，入射角与折射角的正弦之比
n，叫做这种介质的折射率．
研究表明，光在不同介质的速度不同，这也是光发生 折射的原因．
某种介质的折射率，等于光在真空中的传播速度c跟 光在这种介质中的传播速度v之比．即：
1960年第一台红宝石激光器的发明是光学发展的一个新 里程碑。它是20世纪继原子能、半导体、计算机之后的 又一重大发明。
计算机延伸了人的大脑，而激光延伸了人的感官，成为 探索大自然奥秘的“超级探针”。
激光：高强度、高相干性
全息术得益于激光器的问世
通讯、测距、加工、医疗、光谱学、激光制导、 激光武器、激光热核聚变、非线性光学—介质中 的非线性叠加—如倍频、混频、自聚焦等。
研究范围
什么是光
❖ 光学研究范围
学？
❖ 光学—光现象的科学：光学是物理学的组 成部分。它研究的对象是光。研究的内容 包括光的本性，光的发射、传播、接收，
以及光和物质的相互作用等。
本课共分四大部分：
❖ 一、几何光学
内
❖ 二、激光技术
容
❖ 三、光学系统
提
要
具体内容
第一部分 几何光学 ❖ 第一章 几何光学的基本定律和物象概念
惠更斯反对光的微粒说，在《论光》中认 为光是在“以太”中传播的波。惠更斯不仅 成功地解释了反射和折射定 律，还解释了方 解石的双折射现象。这一时期中，在以牛 顿 为代表的微粒说占统治地位的同时，由于相 继发现了干 涉、衍射和偏振等光的波动现象， 以惠更斯为代表的波动 说也初步提出来了。
3.波动说(十九世纪初）
19世纪到20世纪:深入研究光与物质相互作用出现的 经典理论与黑体辐射能谱间矛盾—开尔文称为“笼罩 在物理学上空的两朵乌云”之一。
普朗克1900年提出量子假说
1905年爱因斯坦提出光子的概念,成功预言了光电效应 的规律,建立了光子学说
1924年德布罗意提出物质波(每一粒子的运动都与一 定的波长相联系),由电子通过金属箔的衍射实验证实
(2)折射定律的内容为：
①折射光线、入射光线和法线在同一平面内； ②折射光线、入射光线居于法线的两侧； ③入射角的正弦和折射角的正弦之比是一个常数，以n表示，该值与两角度 的大小无关，而由两种介质的性质决定。
三.折射率
Q Q 1t,O O 2 t
Q
n1
i1
Q
o
n2
O
i2
平行光的折射
n c
sin
真空中波长 /nm 760~630 630~600 600~570 570~500 500~450 450~430 430~390
1. 电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称~。
γ射线→ x 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm
1-1光学发展简史 1-2几何光学的基本定律 1-3光学系统的物像概念 1-4光学玻璃
❖ 1、荷兰李普塞（H.Lippershey，1587-1619年）在1608年 发明了第一架望远镜。
❖ 2、十七世纪初延森（Z.Janssen，1588-1632）和冯特纳 （P.Fontana，1580-1656年）最早制作了复合显微镜。
s siiii1 2 n nn n 1 2n21或 n 1sii1 n n2sii2 nnn12
i1 i1
i2
介绍
*漫射：当界面粗糙时,各入射点处法线不平行,即使入 射光是平行的,反射光和折射光也向各方向分散开—漫 反射或漫折射。
反射定律和折射定律：
(1)反射Leabharlann 律的内容为：①反射光线、入射光线和法线在同一平面内； ②反射光线和入射光 线居于法线的两侧； ③反射角等于入射角。