应用光学教案第一章
应用光学 第一章
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课程：应用光学
主讲：路绍军 电话：83208450 lushaojun1979@
绪 论
•光学是一门古老而又焕发着青春的学科 •光学老又新，前程端似锦。 • 一、光学现象 • 二、光学研究内容 • 三、光学的应用 • 四、参考资料
一、光学现象
佛光
彩 虹
海市蜃楼
2月6日，中国国防科工局发布了嫦娥二号获得的7米分辨率 月球表面全图。
( AB) n dl 0
A
B
三、费马原理的应用 （一）反射定律
（二）折射定律
§1.4 成像的概念 一、物和像 1、物：进入光学系统的同心光束的交点。 分为 实物：实际入射光线的 交点； 2、像：从系统出射的同心光束的交点。
延长线的交点。 虚物：实际入射光线的
交点； 分为 实像：实际出射光线的 延长线的交点。 虚像：实际出射光线的
第一章 几何光学的基本定律 和成像的概念
• 第一节 基本概念 • 一、光波 • 光是一种电磁波，其振动方向和光的传播方 向垂直，为横波。 • 波长在400~760nm范围内的电磁波能被 人眼所接受、所感觉，称为可见光。 • 光和其它电磁波一样，在真空中以同一速度 c传播，在空气中也近似如此。
•
c 3 10 m / s
传输
光的传输 （光和物 质相互作 用）
光学的主要研究内容
接收 光探 测器
照相底片（光化学作 用）、眼 睛（光生 理效 应） 、 光 电器件 （ 光电 效应）、热释电器件 （光热效应）
• 古代就有记载 • 经典光学 17世纪------19世纪 • 近现代光学 1900----• Quantum Optics（量子光学）； • Nonlinear Optics（非线性光学）； • Integrated Optics（集成光学）； • Optical Communication（光通信）； • Holography（全息学）； • Photonics（光子学）；
应用光学 教案
应用光学课程教案主页第1 次课应用光学课程教案主页第2 次课第二讲几何光学主要是以光线为基础、用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。
内容：§1—1几何光学的基本定律具体讲述：一、光波与光线1、光波性质性质：光是一种电磁波，是横波。
可见光波，波长范围390nm—780nm光波分为两种：1)单色光波―指具有单一波长的光波；2)复色光波―由几种单色光波混合而成。
如：太阳光2、光波的传播速度ν1)与介质折射率n有关；2)与波长λ有关系。
n = c/vc为光在真空中的传播速度c＝3×10m/s；n为介质折射率。
8例题1：已知对于某一波长λ而言，其在水中的介质折射率n＝4/3，求该波长的光在水中的传播速度。
解：＝3×108/4/3＝2.25×10 m/s ncv/=83、光线：没有直径、没有体积却携有能量并具有方向性的几何线。
4、光束：同一光源发出的光线的集合。
会聚光束：所有光线实际交于一点（或其延长线交于一点）发散光束：从实际点发出。
（或其延长线通过一点）说明：会聚光束可在屏上接收到亮点，发散光束不可在屏上接收到亮点，但却可为人眼所观察。
5、波面（平面波、球面波、柱面波）平面波：由平行光形成。
平面波实际是球面波的特例，是∞→R时的球面波。
球面波：由点光源产生。
柱面波：由线光源产生。
二、几何光学的基本定律即直线传播定律、独立传播定律、折射定律、反射定律。
1、直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播（光线是直线）。
直线传播的例子是非常多的，如：日蚀，月蚀，影子等等。
2、独立传播定律：从不同光源发出的光束，以不同的方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播。
3、反射定律：反射光线和入射光线在同一平面、且分居法线两侧，入射角和反射大小相等，符号相反。
4、折射定律：入射光线、折射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面，图1折反定律5、全反射：1）定义：从光密介质射入到光疏介质，并且当入射角大于某值时，在二种介质的分界面上光全部返回到原介质中的现象。
应用光学备课教案模板范文
一、教学目标1. 知识目标：- 理解并掌握应用光学的基本原理。
- 了解不同光学元件（如透镜、棱镜、反射镜等）的工作原理和应用。
- 熟悉光学成像的基本规律。
2. 能力目标：- 能够运用光学原理解决实际问题。
- 提高学生的实验操作能力和分析问题能力。
3. 情感目标：- 培养学生对光学现象的探究兴趣。
- 增强学生的科学素养和团队合作精神。
二、教学内容1. 应用光学基本原理2. 光学元件及其应用- 透镜：凸透镜、凹透镜- 棱镜：色散、全反射- 反射镜：凹面镜、凸面镜3. 光学成像规律- 物像关系- 成像条件- 成像性质三、教学过程（一）导入新课1. 展示生活中的光学现象，如放大镜、眼镜、望远镜等，激发学生的学习兴趣。
2. 提出问题：这些光学现象是如何产生的？它们遵循什么规律？（二）讲授新课1. 应用光学基本原理- 介绍光的传播、反射、折射等基本原理。
- 讲解光学定律，如反射定律、折射定律等。
2. 光学元件及其应用- 介绍透镜、棱镜、反射镜等光学元件的结构、工作原理和应用。
- 通过实例分析，让学生了解光学元件在实际生活中的应用。
3. 光学成像规律- 讲解物像关系、成像条件、成像性质等。
- 通过作图法演示光学成像过程，帮助学生理解成像规律。
（三）课堂练习1. 完成课后习题，巩固所学知识。
2. 进行实验操作，观察光学现象，验证所学原理。
（四）课堂小结1. 总结本节课所学内容，强调重点和难点。
2. 提出思考题，引导学生深入思考。
四、教学评价1. 课后作业完成情况2. 课堂练习及实验操作表现3. 学生对光学知识的掌握程度五、教学反思1. 课后总结教学效果，分析教学过程中的优点和不足。
2. 针对不足之处，调整教学策略，提高教学质量。
六、教学资源1. 教材2. 光学实验器材3. 网络资源七、教学时间2课时八、教学环境教室、实验室九、教学注意事项1. 注重理论联系实际，让学生了解光学知识在生活中的应用。
2. 鼓励学生积极参与课堂活动，培养学生的动手能力和创新精神。
第1章 应用光学 赵存华 著
1.2.1 光线和光束
镜头（lens）系统又称为光学系 统(optical system)，在理想成像时 其波前要么是平面，要么是球面。 如图1.7所示，第一张图为平行光 会聚于像方焦点处，第二张图为有 限远物点成像于有限远像点，第三 张图为物方焦点发出的光线平行于 光轴射出。
1.2.2 光速
光波在透明均匀介质中是沿常用英文字母v表示
1.1.2 电磁波谱
400～760nm
380～760nm 390～780nm
1nm 103 μm 106 mm 109 m
1.1.2 电磁波谱
在电磁波谱里，可见光大约在380～760nm之间，按波长从长到 短依次分别呈现红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种颜色。这七种 色光其实分界并不完全准确，因为两种色光之间的界限本身就不明 显，过渡是一种渐进的过程。
标识 h G F’ F e d D C’ C r
光谱线 Hg（紫外） Hg（蓝）
Cd（蓝） H（蓝） Hg（绿） He（黄） Na（黄） Cd（红） H（红） He（红）
1.1.4 视见函数
人的眼睛对可见光波段每一个波长的敏感度是不一样的，人眼 对中间555nm的黄绿光最敏感，波长向两边扩展时，人眼的敏感度 会迅速降低。如果定义555nm的敏感度为1的话，那么其他光线的敏
光具有波粒二相性
1.1.1 光是什么
图1.3 光的波粒二相性
1.1.2 电磁波谱
1865年，麦克斯韦总结了电磁学理论，提出了麦克斯韦方程组。 从方程组出发可以推导出电磁波传播方程。在传播方程中，真空中 电磁波的速率为
c 1
0 0
这与1850年傅科测得的光速v=298000km/s非常接近。所以麦克斯 韦预言：光是一种电磁波。
应用光学课程设计
应用光学课程设计1. 课程背景应用光学是光学科学中的一个重要分支，它研究光学原理及其应用，涉及到现代光学、量子光学、激光技术、光电子学等多个领域。
应用光学广泛应用于通信、能源、医学、环保、军事等领域，已经成为现代社会的关键技术之一。
因此，开设应用光学课程是培养光学科学及其应用领域人才的必要举措。
本文将介绍一门经过改进的应用光学课程的设计与教学实践。
2. 课程设计2.1 课程目标本课程旨在使学生：•掌握应用光学的基本原理和方法；•熟悉应用光学在通信、能源、医学、环保、军事等领域的应用；•具备应用光学解决实际问题的能力和实验研究的基本技能。
2.2 核心内容本课程包括以下核心内容：•光学基础知识与光学元件，包括光的传播、干涉、衍射、透镜、棱镜等；•应用光学的基本原理，包括应用光学的基础原理、激光技术原理、光子学、光电子学原理等；•应用光学技术与应用，包括光学仪器、光通信、光存储、激光加工、光学显微镜、光学遥感等。
2.3 教学方法为了提高学生的学习兴趣和学习效果，本课程采用了多种教学方法，包括：•理论讲授。
课程将采用讲授大纲和ppt等教学材料，形成形象生动的理论讲解。
•实验教学。
本课程还设置了实验环节，让学生直接参与实验和各种项目设计，从而巩固知识并增加实践经验。
•组织学习小组。
课程将以小组形式让学生合作探讨学习问题，改善学生之间的互动关系。
2.4 课程评估为了提高学生的学习效果，课程需考核，分布式考核将由大作业、课堂发言、短笔记等方式来实现。
•大作业占比40%，课程最后等级评定中，占50%；•课堂发言占比20%，课程最后等级评定中，占25%；•短笔记占比10%，课程最后等级评定中，占25%。
3. 教学实践本课程采用以上设计且经实践检验，取得了良好的教学效果和教学评价。
学生都积极参与了相关实验研究并可能得到较高的成绩和评价评级。
4. 结论应用光学作为一门综合性强的技术科学，其课程设计需要设计到相关的理论知识、实验操作等方面。
应用光学第一章几何光学基本原理
λ
第六页，讲稿共五十七页哦
第1节 光波和光线
三、光的特性
• 光的本质是电磁波
• 光的传播实际上是波动的传播 • 物理光学
研究光的本性，并由此来研究各种光学现象
• 几何光学 不考虑光的本性，研究光的传播规律和传播现象
第七页，讲稿共五十七页哦
v2
v
第十八页，讲稿共五十七页哦
第3节 折射率与光速
四、用绝对折射率表示折射定律
• 折射定律：
sin I 1 n1, 2 sin I 2
• 相对折射率与绝对折射率的关系：
n1, 2 n 2 n1
• 所以， sin I 1 n 2 sin I 2 n1
•或
n 1 sinI1 n 2sinI2
第十九页，讲稿共五十七页哦
• 三、透镜
• 透镜的作用——成像
– 正透镜成像：中心比边缘厚，光束中心走的慢，边缘走的快—— 成实像。
– 负透镜成像：边缘比中心厚，光束中心走的快，边缘走的慢—— 成虚像。
PP’AQ源自Q’P’ PA’
A A’
Q Q’
第二十八页，讲稿共五十七页哦
第6节 光学系统类别和成像的概念
四、成像的概念
• 像：出射光线的交点 – 实像点：出射光线的实际交点
同心光束
平行光束
像散光束
第十二页，讲稿共五十七页哦
第2节 几何光学基本定律
一、光的传播现象分类
• 光的传播可以分为两类：
– 光在同一种均匀透明介质中传播：
直线传播定律
– 光在两种均匀介质分界面上传播：
➢ 反射定律，折射定律
A
应用光学第一章
光的直线传播图例
当两束或多束光在空间相遇时，各光线的传播不会受其它光线的影响。
例如：光束相交处的光强是一种简单的叠加，探照灯。
2．的独立传播定律
3．光的折射定律和反射定律
当一束光线由折射率为n的介质射向折射率为n′的介质时，在分界面上，一部分光线将被反射，另一部分光线将被折射，反射光线和折射光线的传播方向将遵循反射定律和折射定律。
全反射现象
TEXT
TEXT
TEXT
返 回
全反射的应用举例
全反射棱镜
全反射的应用举例
（2）光纤的全反射传光
全反射光纤
返 回
费马原理与几何光学的基本定律一样，也是描述光线传播规律的基本理论。
它以光程的观点描述光传播的规律，涵盖了光的直线传播和光的折、反射规律，具有更普遍的意义。
根据物理学，光在介质中走过的几何路程与该介质折射率的乘积定义为光程。设介质的折射率为n，光在介质中走过的几何路程为l，则光程s表示为
返 回
几何光学的基本定律决定了光线在一般情况下的传播方式，也是我们研究光学系统成像规律以及进行光学系统设计的理论依据。
几何光学的基本定律有三大定律：
二、几何光学的基本定律
的直线传播定律
各向同性的均匀介质中，光沿着直线传播。 用光的直线传播定律可以解释日蚀、月蚀等自然现象，也可以解释光照射物体时为什么会出现影子等类似问题，小孔成像就是利用了光的直线传播定律。
虚物和虚像
物方光线延长线交点
像方光线反像延长线交点
B’
A
返 回
物空间：即物体所在的空间；实物所在的空间为实物空间，虚物所在空间为虚物空间，无论实物空间还是虚物空间都使用实物空间介质的折射率。
像空间：即像所在的空间；实像所在的空间为实像空间，虚像所在空间为虚像空间，无论实像空间还是虚像空间都使用实像空间介质的折射率。
应用光学第1章3
1. 近轴范围和近轴光线
一个普通照相机镜头的结构
近轴范围
1 2 z = ch 2
近轴光线
入射到近轴球面上并与光轴(z轴)的夹角很小的 光线称为近轴光线。设近轴光线与光轴的夹角 为θ，θ值足够小的限定是允许采取sinθ≈θ， tanθ≈θ，cosθ≈1的近似。
一、基本概念与符号规则
1. 概念
2. 符号规则
2.单个近轴球面的性质
2.单个近轴球面的性质
1 1 n( − ) = n( − ) = n(u + i − u) = ni r l r l 1 1 h h n' ( − ) = n( − ) = n(u'+i'−u' ) = n' i' r l' r l' 因 ni = n' i' 为 1 1 1 1 所 , n( − ) = n' ( − ); 以 r l r l' 等 变 后 得 式 换 可 ： n n' n − n' − = l l' r n'−n h = (n'−n)(u + i) r = n' u − nu + n' i − ni = n' u − nu + n' i − n' i' = n' (u + i − i' ) − nu = n' u'−nu
n' n n'−n 1.75 1 1.75 −1 − = 有 − = l' l r l' − 50 25 1.75 0.75 1 0.5 1 则 = − = = ; l' 25 50 50 100 ' 则 =175mm l ; 若 2 = −55mm 则 ' =148.1mm l ; l
应用光学第1章 几何光学的基本定律教材
空气中n 1.000272 (760mmHg,20 , 0.593m)
I1 n2 n1 I 2 I1即I1
二、两个重要的光学现象
1. 全反射
如果n1<n2,则sinI1/sinI2=n2/n1>1,即I1>I2 如果n1>n2,则sinI1/sinI2=n2/n1<1,即I1<I2 I2首先达到90°
光导纤维（简称：光纤） 应用：传光、传像、内窥镜
反 射 型
折 射 型
2.光路可逆性原理
光沿原路返回。
I 1 I1
n1
I2
n2
注：对于反射和折射现象，无论均匀介质还是非均 匀介质，简单光学系统还是复杂光学系统，光的可 逆性均成立。 反射——一定存在 I I m时发生全反射。 入射光 折射——特定条件下可能没有（全反射）
6.光束：具有一定关系的光线的集合 （1）同心光束:同一发光点发出或交于同一点的 光束。
同心发散光束 球面波
同心会聚光束
球面波
(2)平行光束：发光点位于无穷远,波面为平面.
平行光束 平面波
(3)像散光束：即不相交于一点，又不平行，但有一 定关系的光线的集合。
光束与波面的对应关系
平行光束—平面波 同心光束—球面波
物理光学：研究光的本性，并由此来研究各
种光学现象
几何光学：研究光的传播规律和传播现象源自二、课程性质和任务
课程性质：以几何光学为理论基础，以光学
系统中光的传播、成像、光度学、光学系统设 计原理等为主要内容的课程。利用光的直线传 播概念，研究光在光学仪器中的传播和成像特 性。
应用光学第1章2
作业：
13页：2，3，4
1.2成像的基本概念与完善像
一.光学系统与成像概念
二.完善成像条件
1. 透镜对波面的作用与透镜成像
2. 透镜对光线的作用与透镜成像
如果P点成像于P′点，则P点到P′点之间的光程是相等的
P点发出的球面波经透镜变换成了另一个球面波，既然光从一个波 面传播到另一个波面所需的是同一个时间，则意味着波面之间的 光程是相等的，而P点到入射球面波波面上各点的光程是相等的， 因为它就是入射球面波的球心，同理出射球面波波面上各点到P′ 点的光程也是相等的，所以物点P到像点P′之间是等光程的。
在光线的实际路径上，光程的变分为0。
光程的意义： 光程的意义：
光在某介质中走过一段几何路程所需的时 间内，光在真空中所走的路程就是光程， 简言之，光程是等效真空程 。
由费马原理推导折射定律 证明： 证明：
（1）作图
∑
Q h i1 1
Q'
n1
M
x
M
Π
'
p−x
P'
（2）入射面上的光程最 小
Π
h2
n2
Q h1 i1
n1
Mp− xP'
∑
Q'
x
M'
h2
由光程取极小值条件 d(QMP) / dx = 0 即得
n2
Π
i2
P
n1 sin i1 = n2 sin i2
由费马原理推导折射定律
由费马原理推导反射定律
3. 费马原理的启迪
费马原理对于物理学的发展起过重要的推动作用，它 表明关于光的传播规律还存在另外一种表述形式，它 摆脱了光传播有如反射、折射、入射面、入射角、反 射角等的一些细节，而是指明实际光线是各种可能的 光线中满足某个条件，即光程取极值的那一条。由于 它比较抽象和含蓄，因而概括的面也就更广阔，这一 点曾启发物理学家探索物理规律的其他形式，于是找 到了被称之为最小作用原理(哈密顿变分原理)，它可表 述为系统的各种相邻的经历中，真实经历使作用量取 极值。
应用光学
第一章 几何光学的基本定律§ 1-1 发光点、波面、光线、光束 返回本章要点 发光点 ---- 本身发光或被照明的物点。
既无大小又无体积但能辐射能量的几何点。
对于光学系统来说， 把一个物体看成由许多物点组成，把这些物点都看成几何点 ( 发光点 ) 。
把不论多大的物体均看作许多 几何点组成。
研究每一个几何点的成像。
进而得到物体的成像规律。
当然这种点是不存在的，是简化了的概念。
一个实际的光源总有一定大小才能携带能量，但在计算时，一 个光源按其大小与作用距离相比很小便可认为是几何点。
今后如需回到光的本质的讨论将特别指出。
波面 --- 发光点在某一时刻发出的光形成波面 如果周围是各向同性均匀介质，将形成以发光点为中心的球面波或平面波 第二章 球面和球面系统§ 2-1 什么是球面系统？由球面组成的系统称为球面系统。
包括折射球面和反射球面反射面：n ' =-n.平面是半径为无穷大的球面，故讨论球面系统具有普遍意义折射系统折反系统§ 2-2 概念与符号规则•概念① 子午平面 —— 包含光轴的平面② 截距：物方截距 —— 物方光线与光轴的交点到顶点的距离像方截距 —— 像方光线与光轴的交点到顶点的距离③ 倾斜角：物方倾斜角 —— 物方光线与光轴的夹角像方倾斜角 —— 像方光线与光轴的夹角返回本章要点•符号规则返回本章要点因为分界面有左右、球面有凹凸、交点可能在光轴上或下，为使推导的公式具有普遍性，参量具有确切意 义，规定下列规则：a. 光线传播方向：从左向右b. 线段：沿轴线段 ( L,L',r ) 以顶点 O 为基准，左“ - ”右“ + ” 垂轴线段 ( h ) 以光轴为准，上“ + ”下“ - ” 间隔 d(O1O2) 以前一个面为基准，左“ - ”右“ + ” c. 角度：光轴与光线组成角度 ( U,U' ) 以光轴为起始边，以锐角方向转到光线，顺时针“ + ”逆时针“ - ”光线与法线组成角度 ( I,I' ) 以光线为起始边，以锐角方向转到法线，顺“ + ”逆“ - ”光轴与法线组成角度 ( φ ) 以光轴为起始边，以锐角方向转到法线，顺“ + ”逆“ - ”§ 2-3 折射球面返回本章要点•由折射球面的入射光线求出射光线已知： r, n, n',L, U 求： L', U'，由 以上几个公式可得出 L' 是 U 的 函数这一结论， 不同 U 的光线经 折射后不能相交于一点点－》斑，不完善成像•近轴光线经折射球面折射并成像.1 ．近轴光线：与光轴很靠近的光线，即 -U 很小 ， sin(-U) ≈ -U ，此时用小写：sin(-U)= - usinI=iL=l 返回本章要点近轴光线所在的区域叫近轴区2 ．对近轴光，已知入射光线求折射球面的出射光线：即由 l , u —> l ',u' , 以上公式组变为：当 u 改变时， l ' 不变！点 —— 》点，完善成像 此时 A ， A' 互为物像，称共轭点近轴光所成像称为高斯像，仅考虑近轴光的光学叫高斯光学返回本章要点近轴光线经折射球面计算的其他形式（为计算方便，根据不同情况可使用不同公式）利用：可导出返回本章要点4 ．（近轴区）折射球面的光焦度，焦点和焦距可见，当（ n'-n )/r 一定时， l ' 仅与 l 有关。
应用光学课件完整版
物象都有虚实之分： 实物— 物方实际光线直接相交而成的点。 虚物— 物方实际光线不能相交，延长线相交而成的点。 实象— 象方实际光线直接相交的点。 虚象— 象方实际光线不能直接相交，反向延长相交。 物空间— 构成物的光线所处的空间。（实物、虚物） 象空间— 构成象的光线所处的空间。（实象、虚象）
由一点A发出的光线经过光学系统后聚交或近似的聚 交在一点A′，则A为物点， A′为物点A通过光学系统 所成的像点。物与象之间的对应关系称为“共轭”。
一个物点，总是发出同心光束，与球面波相对应； 一个像点，理想情况应该由球面波对应的同心光束汇交 而成，称这种像点为完善像点。
3. 成完善象的条件 发光体每一物点发出球面波，通过光学系统后仍为
1. 共轴球面系统的结构参量： 各球面半径：r1 、 r2 …… rk-1 、 rk 相邻球面顶点间隔：d1 、 d2 …… dk-1 各球面间介质折射率：n1 、 n2 …… nk-1 、 nk n 、 k+1
2. 转面公式
原则：前一折射面的象为后一面的物 ，前一面的象空间为后一面的物空间
n2 ＝ n1′， n3 ＝ n2′ …… nk ＝ nk-1′
3）在光学设计中有重要作用。为了设计出一定垂 轴倍率的光学系统，在物方参数nuy固定的条件下，常通 过改变像方孔径角u′的大小来改变y′的数值，使得y′与y 的比值满足系统设计的要求。
§ 2－3 共轴球面系统
探讨方法— 将光线的光路计算公式及放大率公式反复应 用于各个折射面，分别求出各面的u、 u′、l 、 l′、 β、α、γ、y、y′J、J′、Q、 Q′。 转面公式— 前后相邻面之间的基本量的转化关系。
反射定律可表示为 I I ''
应用光学课程设计
应用光学课程设计
应用光学是一门旨在培养学生对光学原理及其在实际应用中的
应用能力的学科。
本课程旨在介绍光学的基本概念、原理和应用，深入了解光学系统的设计、测量和控制，以及光学器件和系统的应用。
通过本课程的学习，学生可以掌握光学的基本理论和实际应用，从而为未来的工作和学习打下坚实的基础。
课程目标：
1. 掌握光学的基本概念、原理和应用；
2. 熟悉光学器件和系统的设计、测量和控制；
3. 了解光学技术在各个领域的应用，如通信、医学、工业等；
4. 培养学生的实验能力和问题解决能力。
课程大纲：
第一节：光学基础知识
1. 光的本质和光的传播
2. 光的干涉和衍射
3. 光的偏振和旋转
第二节：光的测量和控制
1. 光学测量的基本原理
2. 光的调制和控制
3. 光的成像和显示
第三节：光学器件和系统
1. 光学器件的分类和特性
2. 光学系统的设计和优化
3. 光学系统的测量和校准
第四节：光学应用
1. 光学在通信领域的应用
2. 光学在医学领域的应用
3. 光学在工业领域的应用
第五节：实验
1. 光学基础实验
2. 光学器件和系统实验
3. 光学应用实验
评估方式：
1. 平时成绩（参与度、作业、课堂表现等）占20%；
2. 期中考试占30%；
3. 期末考试占50%。
参考教材：
1. 《应用光学》（第四版），江苏教育出版社；
2. 《现代光学》（第六版），高等教育出版社；
3. 《光学基础》（第二版），电子工业出版社。
应用光学第一章.
共轴球面光学系统：如果各光学元件均由球面组成，所 有的球心均位于同一条直线上，这样的光学系统就叫做 共轴球面光学系统。该直线就是整个系统的对称轴线， 为光轴。
第一章
透镜——光学系统的基本元件
正的像
方焦距
正透镜：双凸，平凸，正月牙 透 镜 负透镜：双凹，平凹，负月牙
沿轴厚度比 边缘厚度大
第一章
第一章
◆晶体
不可能有紫外到 红外都具有良好 的光学性质
晶体：具有晶格结构的固体。即构成晶体的 内部质子以点阵的形式在三维空间作 有规律的重复排列。例如：石英、岩 盐、萤石和其他碱金属卤化物的 块单晶体。
优点： 大部分的光学玻璃仅局限与紫外和可见 光波段，但有些晶体的透过范围看以从 紫外到红外，因此可以用来制作传播宽 波段电磁辐射的元件
意义：物 简单证明：
像
A：同介质：光的直线传播定律或费马原理
B：不同介质：光的折射和反射定律
sin I1 n2 sin I 2 n1
sin I 2 n1 sin I 1 n2
第一章
◆光的全反射现象
当入射光的入射角I大于某值时，两种介质的分界面 把入射光全部反射回原介质中去，这种现象称为“全 反射”或“完全内反射”。 条件：1. 光线由光密介质1（折射率n1大）射向
◆光学玻璃
由于同一玻璃对各种颜色的光具有不同的传 播速度，即不同颜色的光具有不同的折射率。 因此，光学玻璃的性质由一系列特定光谱线 的折射率来决定。具体如下表： 红
A′
766.5
颜色
黄
C
656.3
绿
d
587.6
青
F
486.1
蓝 紫
g
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[考试要求]本章要求考生了解几何光学的基本术语、基本定律、光路计算及完善成像 的条件。
[考试内容]几何光学的基本定律、全反射现象的应用、完善成像的含义及条件、近轴光 学系统的光路计算和球面光学成像系统的物像位置关系。
［作业］P13：2、3、4、7、8、9、16、17、18、19、21第一章 几何光学基本定律与成像概念第一节 几何光学基本定律一、 光波与光线 1、光波性质性质：光是一种电磁波，是横波。
可见光波，波长范围 390nm —780nm 光波分为两种：1)单色光波―指具有单一波长的光波；2)复色光波―由几种单色光波混合而成。
如：太阳光 2、光波的传播速度ν 1)与介质折射率 n 有关； 2)与波长λ有关系。
v = c / nc 为光在真空中的传播速度 c ＝3×10 8 m/s ；n 为介质折射率。
例题 1：已知对于某一波长λ而言，其在水中的介质折射率 n ＝4/3，求该波长的 光在水中的传播速度。
解： v = c / n ＝3×10 8 /4/3＝2.25×10 8 m/s3、光线：没有直径、没有体积却携有能量并具有方向性的几何线。
4、光束：同一光源发出的光线的集合。
会聚光束：所有光线实际交于一点（或其延长线交于一点）图 1-1 会聚光束 图 1-2发散光束♣n sin I m = n ' sin I '根据折射定律， ♦发散光束：从实际点发出。
（或其延长线通过一点）说明：会聚光束可在屏上接收到亮点，发散光束不可在屏上接收到亮点，但却可 为人眼所观察。
5、波面（平面波、球面波、柱面波）平面波：由平行光形成。
平面波实际是球面波的特例，是 R 时的球面波。
球面波：由点光源产生。
柱面波：由线光源产生。
二、 几何光学的基本定律即直线传播定律、独立传播定律、折射定律、反射定律。
1、 直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播（光线是直线）。
直线传播的例子是非常多的，如：日蚀，月蚀，影子等等。
2、 独立传播定律：从不同光源发出的光束，以不同的方向通过空间某点时，彼 此互不影响，各光束独立传播。
3、 反射定律： 反射光线和入射光线在同一平面、且分居法线两侧，入射角和 反射大小相等，符号相反。
4、 折射定律：入射光线、折射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面， 且 sin I sin I '＝n ' n图 3 折反定律5、 全反射：1） 定义：从光密介质射入到光疏介质，并且当入射角大于某值时，在二种介质 的分界面上光全部返回到原介质中的现象。
刚刚发生全反射的入射角为临界角，用 I m 表示。
♥ I ' = 90 ® sin I m = n ® I m = arcsin n ' n2）全反射发生的条件：光从光密介质射入光疏介质；入射角必须大于临界角。
例题2：设光从玻璃射入空气中，n玻＝1.52，求临界角的大小。
sin I m = nn= 1 / 1.52 ®® I m H 41o3）应用：全反射在光学仪器中有着十分重要的作用。
①反射棱镜下面以直角棱镜为例：I＞ImI"图1-4 等腰直角棱镜②光纤也是基于全反射的思想。
光纤的功能：具有传光、传象及传输其它信号的功能，在医学、工业、国防得到广泛的应用。
n0n2I1＞Im纤芯图1-5n1包层光纤的全反射传光原理满足的条件：对光纤而言，设射入光纤端面的入射角为I1，则：n0 sin I1 = n22 n12这就是光纤保证发生全反射的条件，又称n0 sin I1为光纤的数值孔径。
三、费马原理（又称为极值光程定律）费马原理中首次提出了光程的概念，并从光程的角度出发，对光的传播定律进行了高度概括，是直线传播定律、折射定律、反射定律的统一体现。
1、光程（S）：指光在介质中传播的几何路程l与该介质折射率n 的乘积。
s = s 1 + s 2 + L s m = n 1l 1 + n 2l 2 + L = n i l is = + n ⊕ dlds = d + ndl = 0 数学表示形式为： S = nl例如：一束光从第一介质 n 1射入到第二介质 n 2 （全为均匀介质），则总 的光程为：S = l 1n 1 + l 2 n 2若光经过 m 层均匀介质，则总的光程可写为：mi =1若光经过的是非均匀介质，即 n 是一个变量，这时折射定律不再适用， 光所走过的路径是一个曲线，总的光程：BA 2、费马原理：光从一点传播到另一点，经过任意多次反射和折射光程为极值，即：BA四、 马吕斯定律光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，且入射波面与出射波面各对应点之间的光程为定值。
SACB光 学 系图 1—6各向同性介质中光线成像如上图，入射球面波上三点 A 、B 、C ，出射球面波对应三点 A ' , B ' , C '，则根 据马吕斯定律有：( AA ' ) = (BB ' ) = (CC ' ) = 定值 ，即从 S 到 S ' 之间的任何光路的光程为定值。
k A k §1－2成像的基本概念与完善成像条件一、光学系统与完善成像的概念1、光学系统1）共轴光学系统：各光学元件的曲率中心在同一条直线上。
2）非共轴光学系统：各光学元件曲率中心不在同一条直线。
A 1n 1W E E 1 E k E W ＇ n ＇＇OO 1图 1—7O k O ＇共轴光学系统2、 完善成像：像与物体只有大小的变化没有形状的改变。
3、完善成像的条件：入射为球面波，出射也为球面波（入射为同心光束，出射也为同心光束）。
光A学 系 统A'图 1—7 完善成像二、物和像的虚实 1、 物：发出入射光波。
像：由出射光波形成。
2、实物、实像：由实际光线相交而成的。
AA'图 1—8 实物成实像3、虚物、虚像：由实际光线的延长线相交而成的。
A A'A' A图1—9 虚物成实像图1—10 实物成虚像实像可由人眼或接收器所接收；虚像不可以被接收器所接收，但是却可以被人眼所观察。
四、物空间、像空间物所在的空间称为物空间；像所在的空间叫像空间。
§1－3 光路计算与近轴光学系统光学系统一般说来比较复杂，由多个反射面及折射面构成，物体经过系统成像逐面进行。
所以首先需要了解单个面的反（折）射结果，才能最终得到整个光学系统的成像。
首先研究的是符号规则。
一、符号规则假设光是自左向右传播1、对垂轴线段：以光轴为准，在光轴之上为“＋”，光轴之下为“－”；2、对沿轴线段：以顶点O 为原点，顶点到光线与光轴交点的方向与光的传播方向相同则为“＋”，反之则为“－”；3、光线与光轴夹角（物方孔径角为U，像方孔径角为U ' ）：由光轴转向光线，以锐角方向进行度量，顺时针为“＋”，逆时针为“－”；4、法线与光轴的夹角（ ）：由光轴以锐角转向法线，顺时针为“＋”，逆时针为“－”；5、光线与法线的夹角（入射角、反射角、折射角）：由光线以锐角转向法线，顺时针为“＋”，逆时针为“－”；6、折射面之间的间隔（d）：由前一折射面的顶点到后一折射面的顶点方向与光线的传播方向一致为“＋”，反之为“－”；En I I＇n＇A -UO hφCU＇A＇r-L图1—11L＇光线经过单个折射球面的折射二、单个折射面的实际光线的光路计算光路计算就是：已知一入射光，求出射光的具体位置（像点的位置）。
光线的具体位置可用二个重要的参量来加以描述：一为孔径角，二为截距。
1、物在有限远以下的公式是根据简单的几何三角关系得到的：sin I 2 = n 2sin I 2 = n 2En I I ＇n ＇A-UOCU ＇ A ＇r-LL ＇图 1—12 物在有限远光线经过单个折射球面的折射sin I = L r r sin Unsin IU 2 = U + I I 2L 2 = r (1 + sin I ' sin U 2)2、物在无限远当物在无限远时， L = ，设一条光线平行于光轴入射，入射高度为 h ，则有： I n E n' - L=∞ O hr I' U C 'A' L' 图 1—13 物在无限远光线经过单个折射球面的折射sin I =h r nsin IU 2 = U + I I 2L 2 = r (1 + sin I sin U 2)三、近轴光的光路计算公式 1、 近轴光公式实际上，近轴光的计算公式与实际光的计算公式是完全一样的，只不过凡有 正弦的位置处都用弧度值来取代了，并且为了以示区别，近轴光的计算公式都用♠ i = r u u ' ♠O E ♠i ' =♦ ♠u ' = u + i i '♠l ' = r (1 + ) l' 1）阿贝不变量 Q ： n ( ) = n ' ( )n ( ) = n ' ( ) ®小写来表示。
A-u 1-u2-l-u 3♠ i ' ♥ u '当 l , r 为确定值时，在近轴区，无论 u 为何值，l '均为定值。
即不同孔径角发 出的光交于一点，出射为同心光束。
这就意味着当采用近轴光成像时，是完善的。
F nDn'A-u 1-u 2-u 3OEu 3'u C 2'u 1'A'-lrl'图 1—14近轴光线成像2、 阿贝不变量及高斯公式 1 1 1 1r l r l '2）高斯公式：通过把阿贝不变量展开整理而得到的：1 1 1 1r l r l 'n r l n r n ® n ' nrn n l又根据阿贝不变量有：n ( ) = n ' ( ) ®2） ♦ ® ＜1－－－成缩小象，象比物小♥§1－4球面光学成像系统一、单个折射面成像的放大倍率在几何光学中描述物体大小的参量共有三个，分别为：垂轴放大率 ® ；角放 大率 © ；沿轴放大率〈 。
1、垂轴放大率 ® ：像的大小与物的大小比值。
其数学表示形式为： ® = y ' / yBnn'yA-uhcu'A'-y'B'r-ll'图 1—15近轴区有限大小的物体经过单个折射球面的成像从图中可见，根据三角形相似有： y ' y l ' r l + r ® y l ' rl r= ® 1 1 1 1 r l r l 'n ' (l ' r ) rl ' n (l r ) rl ® l ' r l r nl 'n ' l® ® = ynl 'n ' l下面根据此公式进行一下分析、讨论： 1） ® 是有符号数：® > 0 成正像，即 l , l '同号，物、像位于球面的同一侧；而像的虚实与物相 反，实物成虚像；虚物成实像。