应用光学第6章
北京理工大学应用光学课件大全李林
玻璃 n大
应用光学讲稿
第四节 光路可逆和全反射
一、光路可逆 1、现象
A
B
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2、证明
直线传播：
A
B
反射：I1=R1
A
R1=I1
折射：
n1 Sin I1 = n2 Sin I2
n2 Sin I2 = n1 Sin I1
B I1 R1
I2 C
应用光学讲稿
3、应用 光路可逆：
求焦点 光学设计中，逆向计算：目镜，显微物 镜等
应用光学讲稿
光线的概念
能够传输能量的几何线，具有方向
光线概念的缺陷
采用光线概念的意义： 1.用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：
影子、日食、月食 2.绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计 的
应用光学讲稿
光线是能够传输能量的几何线，具有方向 光波的传播问题就变成了几何的问题 所以称之为几何光学
成分均匀
透光
2、光线在两种均匀介质分界面上传播时: 反射定律，折射定律
应用光学讲稿
A
AO: 入射光线 OB: 反射光线 OC: 折射光线 NN: 过投射点所做的分界面法线 I1: 入射光线和分界面法线的夹角
，入射角 R1: 反射光线和分界面法线的夹 角， 反射角 I2: 折射光线和分界面法线的夹角
，折射角
N B
I1
R1
O I2
C N
应用光学讲稿
入射面：入射光线和法线所构成的平面
反射定律：反射光线位在入射面内； 反射角等于入射角 I1=R1。
折射定律：折射光线位在入射面内； 入射角正弦和折射角正弦之比，对两种一 定介质来说是一个和入射角无关的常数 。 Sin I1
精选第六章应用光学目视光学系统
一、工作原理 目视光学仪器的两个要求 扩大视角 出射平行光 显微镜是将近物成像于无限远，望远镜使无限远物体 成像在无限远，所以望远镜是一个无焦系统 由于是无焦系统，物镜的像方焦点和目镜的物方焦点 重合，光学筒长＝0
望远镜有两种基本型式：伽利略望远镜、开普勒望远镜。
➢开普勒望远系统，物镜和目镜都是正透镜，中间有实像面，可在实像处
一、显微镜的成像原理及视角放大率
放大镜不能满足对更细小的物体观察，考虑可以先用 一组透镜把物体放大成像到放大镜前焦面上，再通过 放大镜观察；
这样经过两级放大形成的光学系统称为显微镜系统；
靠近物体，把物体尺寸放大的透镜叫做显微物镜 靠近眼睛，用来扩大视角的放大镜叫做显微目镜。
光学筒长△：F′物 到F目之间的距离。
tg f目 D
➢望远镜系统的特点：P148 1.Γ可正可负，Γ>0,ω、ω´同号，物像方向相同（伽利略望远镜）
Γ<0,ω、ω´异号，物像方向相反（开普勒望远镜）
2.目镜焦距不能太小，因此要提高放大率，必须加长物镜焦距； 3.出瞳与人眼眼瞳直径相匹配，为了得到高倍率，要加大物镜口径。
三、分辨率及工作放大率
⑴、显微镜的视角放大率； ⑵、出瞳距离（镜目距）； ⑶、斜入射光照明，波长为0.55微米，求其分辨率； ⑷、物镜通光孔径； ⑸、出瞳直径； ⑹、设物高2y＝6mm，K=50％，求目镜的通光口径。
6.4 望远镜系统
主要内容： 1、工作原理； 2、视放大率； 3、分辨率及工作放大率； 4、透镜转象系统；
NA ，λ 时， σ ，分辨率
3、有效放大率（要使显微镜分辨的细节能被人眼所分辨）
便于眼睛分辨的角距离为 2 ~ 4
该角距离在眼睛的明视距离250mm处所对应的线距离σ眼，可表示为：
_第六章 光扫描技术
说明F数大于100，则（R－x）值急剧增大，对应平面波失真越小。 因此，对激光扫描系统，一般取F>100为好。 现代光学测试技术
激光束经过扫描系统后的光斑直径，由式（6-27），即 f d 1.27 1.27 Fs (6-28) d0 式中：λ为激光束波长；f为扫描物镜的焦距； FS为扫描物镜的焦距与激光束腰直径的比数。 另一方面，再从衍射角度，即镜框存在的情况下，衍射光斑 的直径是 f (6-29) d k kFD D 式中：f为扫描物镜的焦距；D为扫描物镜的口径； FD为扫描物镜的F数。 由式（6-28）及式（6-29），使d相等，在 D / d 0 2 时，则有
一、计量原理
当扫描反射镜以ω的角速度转动时，激光束的角扫描运动是
t
扫描光束通过物镜3后，形成线扫描运动，扫描线速度是
dh d 2 f 2 f d 2 f v dt dt dt
设被测件尺为D，则
dh D vt t 2 ft dt
当已知ω，测定t，由式（6-1）就可求出D。这就是光扫描计 量的基本关系式。
现代光学测试技术
为保证测量的高精度，光扫描计量系统，必须满足三点基本要 求： （1）激光束应垂直照射被测表面； （2）光束必须对物面作匀速直线扫描运动，即 v （3）扫描时间必须测得很准确。 为保证激光束扫描时始终垂直于被测表面，可采用物体表面 相对激光束作匀速运动。但这种方法，对机构要求很高， 实现困难。所以一般不采用被测物体运动的方式。
后臵扫描 图6-7光扫描的两种基本形式
前臵扫描
现代光学测试技术
目前大多数采用前臵扫描的形式。设光束扫描的长度为L， 扫描光束的光斑直径为d，那么，扫描分辨率N的定义是 L (6-25) N d 对激光来说，高斯光束的束腰直径是 4x d 2 d 02 [1 ( 2 ) 2 ] (6-26) d 0 式中：d为距束腰中心x处的光束直径； d0为初始激光束的束腰直径。 式（6-26）其符号意义示于图6-8。
工程光学课程的部分习题和答案
第一章习题1、已知真空中的光速c＝3×108 m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的光速。
解：则当光在水中，n=1.333时，v=2.25 m/s,当光在冕牌玻璃中，n=1.51时，v=1.99 m/s,当光在火石玻璃中，n＝1.65时，v=1.82 m/s，当光在加拿大树胶中，n=1.526时，v=1.97 m/s，当光在金刚石中，n=2.417时，v=1.24 m/s。
2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。
解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向不变，令屏到针孔的初始距离为x，则可以根据三角形相似得出：,所以x=300mm即屏到针孔的初始距离为300mm。
4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1为光在光纤内能以全反射方式传播时在入射端面的最大入射角）。
解：位于光纤入射端面，满足由空气入射到光纤芯中，应用折射定律则有：n0sinI1=n2sinI2 (1)而当光束由光纤芯入射到包层的时候满足全反射，使得光束可以在光纤内传播，则有：(2)由（1）式和（2）式联立得到n0 sinI1.5、一束平行细光束入射到一半径r=30mm、折射率n=1.5的玻璃球上，求其会聚点的位置。
如果在凸面镀反射膜，其会聚点应在何处？如果在凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点又在何处？反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处？说明各会聚点的虚实。
解：该题可以应用单个折射面的高斯公式来解决，设凸面为第一面，凹面为第二面。
（1）首先考虑光束射入玻璃球第一面时的状态，使用高斯公式：会聚点位于第二面后15mm处。
（2）将第一面镀膜，就相当于凸面镜像位于第一面的右侧，只是延长线的交点，因此是虚像。
(157)第六章填空题I级应用光学
［填空题］1、一双胶合薄透镜组，若Ci=O,则CII=｛0｝。
［填空题］2、七种初级像差中，仅与孔径光阑大小有关的单色像差是（球差｝。
［填空题］3、对于玻璃等折射材料，除折射率的参数外，还有一重要参数为｛阿贝数或阿贝常数｝。
［填空题］4、若光阑与相接触薄透镜系统重合时，可消除的单色像差为（畸变｝。
［填空题］5、.球差在像面上的体现形式是｛圆｝形的。
［填空题］6、在球差的级数展开形式中，常数项的值为｛0｝。
［填空题］7、复消色物镜是指在透镜的0.707hm位置处，将（二级光谱｝校正为0。
［填空题］8、在ZEMAX光学设计软件中，控制焦距的操作数为｛EFFL｝。
［填空题］9、物体位于无穷远，则对于同一光焦度薄透镜而言，阿贝常数值越大,色差越｛小｝。
［填空题］10、对目视光学系统，一般应在｛0∙707｝口径带将位置色差校正为零。
［填空题］11＞初级子午彗差与弧矢彗差的比例关系为｛3：1｝。
［填空题］12、在ZEMAX中，由RayFan图可以看出的初级垂轴像差为｛彗差｝。
［填空题］13、鼓形透镜可以看成是由两块平凸透镜和一块｛平行平板｝组成。
［填空题］14、一个完全对称式光学系统，若垂轴放大率6=T,则轴向像差为系统半部像差的｛2｝倍。
［填空题］15、在轴外像差Ay z-tanU'特性曲线中（Ay'为纵坐标轴），若一圆滑曲线关于△y，轴完全对称，则系统的细光束子午场曲为｛0｝。
［填空题］16、反射棱镜处于会聚光路中，除｛场曲｝,其它像差均存在。
［填空题］17、相对孔径是F数的｛倒数｝。
［填空题］18、细光束的子午场曲与细光束弧矢场曲的差称为细光束｛像散｝。
［填空题］19、弯月形厚透镜在校正｛场曲｝方面具有着重要应用。
［填空题］20、对于小视场大孔径光学系统，应主要考虑球差、正弦差和｛位置色差｝。
［填空题］21、一般情况下，用｛正弦｝差来表示小视场时宽光束成像的不对称性。
［填空题］1、一光学系统的畸变若为正值，则该畸变又称为｛枕｝形畸变；若为负值，则该畸变又称为｛桶｝形畸变。
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2023年光学教程第三版（姚启钧著）课后题答案下载2023年光学教程第三版（姚启钧著）课后题答案下载本教程以物理光学和应用光学为主体内容。
第1章到第3章为应用光学部分，介绍了几何光学基础知识和光在光学系统中的传播和成像特性，注意介绍了激光系统和红外系统;第4～8章为物理光学部分，讨论了光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性及光与物质的相互作用，并结合介绍了DWDM、双光子吸收、Raman放大、光学孤子等相关领域的应用和进展。
第9章则专门介绍航天光学遥感、自适应光学、红外与微光成像、瞬态光学、光学信息处理、微光学、单片光电集成等光学新技术。
光学教程第三版（姚启钧著）：内容简介绪论0.1 光学的研究内容和方法0.2 光学发展简史第1章光的干涉1.1 波动的独立性、叠加性和相干性1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样1.3 分波面双光束干涉1.4 干涉条纹的可见度光波的时间相干性和空间相干性 1.5 菲涅耳公式1.6 分振幅薄膜干涉(一)——等倾干涉1.7 分振幅薄膜干涉(二)——等厚干涉视窗与链接昆虫翅膀上的彩色1.8 迈克耳孙干涉仪1.9 法布里一珀罗干涉仪多光束干涉1.10 光的干涉应用举例牛顿环视窗与链接增透膜与高反射膜附录1.1 振动叠加的三种计算方法附录1.2 简谐波的表达式复振幅附录1.3 菲涅耳公式的推导附录1.4 额外光程差附录1.5 有关法布里一珀罗干涉仪的(1-38)式的推导附录1.6 有同一相位差的多光束叠加习题第2章光的衍射2.1 惠更斯一菲涅耳原理2.2 菲涅耳半波带菲涅耳衍射视窗与链接透镜与波带片的比较2.3 夫琅禾费单缝衍射2.4 夫琅禾费圆孔衍射2.5 平面衍射光栅视窗与链接光碟是一种反射光栅2.6 晶体对X射线的'衍射视窗与链接与X射线衍射有关的诺贝尔奖附录2.1 夫琅禾费单缝衍射公式的推导附录2.2 夫琅禾费圆孔衍射公式的推导附录2.3 平面光栅衍射公式的推导习题第3章几何光学的基本原理3.1 几个基本概念和定律费马原理3.2 光在平面界面上的反射和折射光导纤维视窗与链接光导纤维及其应用3.3 光在球面上的反射和折射3.4 光连续在几个球面界面上的折射虚物的概念 3.5 薄透镜3.6 近轴物近轴光线成像的条件3.7 共轴理想光具组的基点和基面视窗与链接集成光学简介附录3.1 图3-6中P1和JP1点坐标的计算附录3.2 棱镜最小偏向角的计算附录3.3 近轴物在球面反射时物像之间光程的计算附录3.4 空气中的厚透镜物像公式的推导习题第4章光学仪器的基本原理4.1 人的眼睛4.2 助视仪器的放大本领4.3 目镜4.4 显微镜的放大本领4.5 望远镜的放大本领视窗与链接太空实验室——哈勃太空望远镜4.6 光阑光瞳4.7 光度学概要——光能量的传播视窗与链接三原色原理4.8 物镜的聚光本领视窗与链接数码相机4.9 像差概述视窗与链接现代投影装置4.10 助视仪器的像分辨本领视窗与链接扫描隧显微镜4.11 分光仪器的色分辨本领习题第5章光的偏振5.1 自然光与偏振光5.2 线偏振光与部分偏振光视窗与链接人造偏振片与立体电影 5.3 光通过单轴晶体时的双折射现象 5.4 光在晶体中的波面5.5 光在晶体中的传播方向5.6 偏振器件5.7 椭圆偏振光和圆偏振光5.8 偏振态的实验检验5.9 偏振光的干涉5.10 场致双折射现象及其应用视窗与链接液晶的电光效应及其应用5.11 旋光效应5.12 偏振态的矩阵表述琼斯矢量和琼斯矩阵附录5.1 从沃拉斯顿棱镜出射的两束线偏振光夹角公式(5-15)的推导习题第6章光的吸收、散射和色散6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释6.2 光的吸收6.3 光的散射视窗与链接光的散射与环境污染监测6.4 光的色散6.5 色散的经典理论习题第7章光的量子性7.1 光速“米”的定义视窗与链接光频梳7.2 经典辐射定律7.3 普朗克辐射公式视窗与链接诺贝尔物理学奖7.4 光电效应7.5 爱因斯坦的量子解释视窗与链接双激光束光捕获7.6 康普顿效应7.7 德布罗意波7.8 波粒二象性附录7.1 从普朗克公式推导斯忒藩一玻耳兹曼定律附录7.2 从普朗克公式推导维恩位移定律习题第8章现代光学基础8.1 光与物质相互作用8.2 激光原理8.3 激光的特性8.4 激光器的种类视窗与链接激光产生106T强磁场8.5 非线性光学8.6 信息存储技术8.7 激光在生物学中的应用视窗与链接王淦昌与惯性的束核聚变习题主要参考书目基本物理常量表光学教程第三版（姚启钧著）：目录点击此处下载光学教程第三版（姚启钧著）课后题答案。
光学理论与实践教学设计方案
展望未来
广阔发展前 景
光学技术在科学 研究和工程领域 具有广阔的发展
前景
推动科技进 步
持续学习和实践 将推动科学技术
的发展和进步
深入应用生 活产业
未来光学技术将 更加深入应用于
生活和产业中
未来展望
随着光学技术的不断发展，未来光学将在更多领 域得到应用，包括医疗、通信、航空航天等。学 生要不断学习和实践，积累经验，为光学应用的 创新做好准备。
发射器、接收器
显微镜的应用
01 显微镜在生物学与医学中的应用
细胞观察、病理学研究
02 显微镜在材料科学中的应用
微结构分析、缺陷检测
03 显微镜在犯罪侦器的维护与保养
光学仪器的清洁方 法
使用专业清洁工具 避免使用化学清洁剂
光学仪器的常见故 障处理
检查电源连接 清洁镜头和透镜
光学理论与实践教学设计方 案
汇报人：XX
2024年X月
目录
第1章 光学理论与实践教学设计方案 第2章 光的波动特性 第3章 光的偏振特性 第4章 光学实验设计与操作 第5章 光学应用案例分析 第6章 总结与展望
● 01
第1章 光学理论与实践教学 设计方案
光学原理概述
光学是研究光的产生、 传播以及与物质相互 作用的科学。它是介 于物理学和工程技术 之间的一门重要学科。 通过光学，我们可以 探索光的波动特性、 干涉衍射现象等。在 现代科技中，光学应 用广泛，如激光技术、 光纤通信等都离不开 光学原理的支持。
光学理论与实践教学 设计方案的学习使学 生能够掌握光学的基 本原理和应用，提高 实践能力和创新思维。 未来光学技术将更加 深入应用于生活和产 业中，持续学习和实 践将推动科学技术的 发展和进步。
国科大应用光学作业答案_1-7_
1、根据费马原理证明反射定律。
答案：略2、某国产玻璃的n C=1.51389, n d=1.5163, n F=1.52195，计算其阿贝数，并查出该玻璃的牌号。
答案：V=64.06、K93、求图1-5的入射角i1。
答案：25.81︒4、已知入射光线A的三个方向余弦为cosα、cosβ、cosγ，反射光线A'的三个方向余弦为cosα'、cosβ'、cosγ'，求法线方向。
答案：cosα'-cosα、cosβ'-cosβ、cosγ'-cosγ5、有一光线o o=+A i j入射于n=1和n'=1.5的平面分界面上，平面cos60cos30的法线为o oN i j，求反射光线A'和折射光线A''。
cos30cos60=+答案：略6、有一光线以60︒的入射角入射于n=点反射和折射的光线间的夹角。
答案：90︒7、在水中深度为y处有一发光点Q，作QO面垂直于水面，求射出水面折射线的延长线与QO交点Q '的深度y'与入射角i的关系。
答案：'y=1、一个玻璃球直径为400mm，玻璃折射率为1.5。
球中有两个小气泡，一个在球心，一个在1/2半径处。
沿两气泡连线方向，在球的两侧观察这两个气泡，它们应在什么位置？如在水中观察(水的折射率为1.33)时，它们又应在什么位置？答案：空气中：80mm、200mm；400mm、200mm水中：93.99mm、200mm；320.48mm、200mm2、一个折射面r=150mm, n=1, n'=1.5，当物距l=∞, -1000mm, -100mm, 0, 100mm, 150mm, 1000mm时，横向放大率各为多少？答案：0、-3/7、3/2、1、3/4、2/3、3/133、一个玻璃球直径为60mm，玻璃折射率为1.5，一束平行光射到玻璃球上，其汇聚点在何处？答案：l'=15mm4、一玻璃棒(n=1.5)，长500mm，两端面为凸的半球面，半径分别为r1=50mm, r2= -100mm，两球心位于玻璃棒的中心轴线上。
应用光学各章知识点归纳
应用光学各章知识点归纳第一章几何光学基本定律与成像概念波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面,为光波波阵面的传播，与波面对应的法线束就是光束。
波前：某一瞬间波动所到达的位置。
光线的四个传播定律：11）直线传播定律：在各向冋性的均匀透明介质中，光沿直线传播，相关自然现象有：日月食，小孔成像等。
22）独立传播定律：从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响，各光线独立传播。
33）反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内，入射光线和反射光线在法线的两侧，反射角等于入射角。
44）折射定律：入射光线、法线和折射光线在同一平面内；入射光线和折射光线在法线的两侧，入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率（折射）光线的方向射到媒质表面，必定会逆着原来的入射方向反射（折射）出媒质的性质。
光程：光在介质中传播的几何路程SS和介质折射率nn的乘积。
各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。
各向异性介质：单晶体（双折射现象）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，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
全反射临界角：C=arcin全反射条件：11）光线从光密介质向光疏介质入射。
22）入射角大于临界角。
共轴光学系统：光学系统中各个光学兀件表面曲率中心在一条直线上。
物点//像点：物//像光束的交点。
实物//实像点：实际光线的汇聚点。
虚物//虚像点：由光线延长线构成的成像点。
共轭：物经过光学系统后与像的对应关系。
（AA,A"的对称性）完善成像：任何一个物点发出的全部光线，通过光学系统后，仍然聚交于同一点。
每一个物之比，即inIinIn"n简称波面。
光的传播即光路可逆：光沿着原来的反射费马原理：光总是沿光程为极小，极大，或常量的路径传播。
n2ni点都对应唯一的像点。
理想成像条件：物点和像点之间所有光线为等光程。
应用光学公式
应用光学公式第一章 几何光学的基本概念和基本定律 1.折射定律：'sin 'sin n I n I=2.全反射：光线由光密介质向光疏介质：'sin Im n n=3.矢量形式：N ：沿法线的单位矢量A ：长为N 的入射光线矢量 A ’：长为n ’的折射光线矢量A ’’：反射光线折射定律：cos P n I='A A PN=+(cos ||||A NI A N ⋅=⋅)反射定律：2()P N A =-⋅''2()A A N N A =-⋅4.费马原理：光程s=nl ，光沿极大、极小、常量光程的路径传播。
第二章 球面和球面系统1.结构参数：n ，n ’，r物方参数：U(物方倾斜角)，L(物方截距)像方参数：U ’(像方倾斜角)，L ’(像方截距)夹角：光轴>光线>法线：顺正逆负2.单个折射球面基本公式sin sin sin 'sin '''sin ''sin 'L r I U r n I I n U U I I I L r r U -⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪=+-⎪⎪=+⎪⎩近轴'''''''l ri u r n i i n u u i i i l r r u -⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪=+-⎪⎪=+⎪⎩①'''n n n nl l r --=(光焦度)：主要用于成像位置计算② 1111'()()'n n Q r l r l-=-=阿贝不变量：主要用于验算 ③ '''n nn u nu h r--=，h=lu=l ’u ’，主要用于角度计算3.光焦度'n nrϕ-=：+会聚-发散'''n f r n n=-'nf r n n-=-''''n n f f f f n n ϕ⎫==-⎪⎪⎬⎪=-⎪⎭对于任何光学系统普适'f f r +=对于折射球面适用4. 靠近光轴很小垂轴平面（忽略像面弯曲）以细光线成完善像① 横向放大率：''''''y l r nl nu y l r n l n u β-====- ② 轴向放大率：2''dl n dl nαβ== ③ 角度放大率：'1''u l n u l n γβ=== ④ αγβ=⑤ 拉氏不变量：'''nyu n y u J == 5. 反射球面：n=-n ’计算焦点物像位置：112''2l l rr f f ⎧+=⎪⎪⎨⎪==⎪⎩光焦度和拉氏：2''n rJ yu y u ϕ⎧=-⎪⎨⎪==⎩ 放大率：'l lβ=-2αβ=- 1γβ=-6. 共轴球面系统11''k k n u n u β=，21'k n n αβ=，11'k n n γβ=，k k k J n y u =第三章 平面系统1. 平面镜',1l l β=-=物像虚实不一致双平面镜：2βα=2. 平行平板：1'(1)l d n∆=- d ：厚度3. 反射棱镜：结构常数dK D=，D ：通光直径，d ：光轴展开长度 4. 折射棱镜：minsin()sin22n αδα+= α：顶角m i nδ：最小偏向角 双光契：2(1)cos 2n ϕδα=-α：顶角 ϕ：两主截面夹角5. 色散555nm 人眼最灵敏，可见400-700nm ；波长短折射率大。
《应用光学》第六章习题
第六章 像差理论习 题1、 设计一个齐明透镜，第一面曲率半径mm r 951-=，物点位于第一面曲率半径中心处。
第二个球面满足齐明条件，透镜厚度mm d 5=，折射率5.1=n ，该透镜位于空气中。
求：1） 该透镜第二面的曲率半径；2）该齐明透镜的垂轴放大率。
解：1）由题意知：物点到第二面距离：mm d L L 10059512-=--=-=，又5.1=n ，10=n 由齐明透镜的特征：mm n nL L 150)100(5.1022-=-⨯== 第二面的曲率半径：mm n n nL r 605.2150022-=-=+=2）5.121===n βββ，该齐明透镜的垂轴放大倍率为1.5。
2、已知614.1,2,201==-=n mm d mm L ，设计负透镜（齐明），物在第一面的球心，求1r ，2r ，'2L 。
解：由题意，mm L 201-=，又物在第一面的球心处。
mm L r 2011-==∴。
又mm d L L 2212-=-=，mm n nL r 584.13614.11)22(614.1122-=+-⨯=+=∴ 同时得：mm nL L 584.35)22(614.11'22-=-⨯==3、已知某一光学系统，只包含初级球差和二阶高级球差，且边缘光球差0'=m L δ，0.707带球差015.0'-=z L δ，回答：1）写出此系统的剩余球差表达式（关于相对高度mh h ），并计算0.5带，0.85带球差；2）求出边缘光线的初级球差和高级球差；3）最大剩余球差出现在哪一带上？数值为多少？解：1）对于一般系统，我们只考虑初级和二阶高级球差的影响。
即：4221)()('mm h h A h h A L +=δ。
又此系统对边缘光校正了球差，即1=m h h 时，0'=m L δ，021=+∴A A ——① 又在0.707带，即707.0=mh h 时，有015.0)707.0()707.0(4221-=+A A ——② 由①②式得到：⎩⎨⎧=-=06.006.021A A ， 所以剩余球差的表达式为42)(06.0))(06.0('mm h h h h L +-=δ。
应用光学课件完整版
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
反射定律可表示为 I I ''
4. 光的折射定律
折射定律可归结为：入射光线、折射光线和投射点
的法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角正弦
之比与入射角大小无关，而与两介质性质有关。对一定 波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一
常数，等于折射光线所在介质的折射率与入射光线所在
介质折射率之比。
0 i arcsin n12 n2 2 n0
n0 ＝1
n0 sin i n1 cos ic n12 n22
5. 费马原理（光程极值原理）
1）光程— 光在介质中经过的几何路程l与该介质折射率n的乘积。
s=n • l
均匀介质
m层均匀介质
连续变化的非均匀介质
s=n • l=c • t
m
s
波面可分为：平面波、球面波、任意曲面波。 波面法线方向即为光传播方向。
光源
光线
波面
5. 光束— 与波面对应的法线集合。
同心光束— 波面为球面，聚于一点。 发散光束— 光线在前进方向上无相交趋势。 会聚光束— 光线在前进方向上有相交趋势。
平行光束— 波面为平面。 象散光束— 波面为曲面，不聚于一点。
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
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。
精品课件-物理光学与应用光学_第三版(石顺祥)-第6章
6.1 光与介质相互作用的经典理论 6.2 光的吸收 6.3 光的色散
6.4 光的散射 例题
1
第 6 章 光的吸收、色散和散射
6.1 光与介质相互作用的经典理论
1.
洛仑兹的电子论假定：组成介质的原子或分子内的带电粒子 (电子、 离子)被准弹性力保持在它们的平衡位置附近，并且具有 一定的固有振动频率。在入射光的作用下，介质发生极化， 带电 粒子依入射光频率作强迫振动。由于带正电荷的原子核质量比电 子大许多倍，可视正电荷中心不动，而负电荷相对于正电荷作振 动，正、负电荷电量的绝对值相同，构成了一个电偶极子， 其电 偶极矩为
I=I0e-Kl
(6.2-2)
其中，I0是l=0处的光强。这个关系式就是著名的朗伯定律或吸收 定律。实验证明，这个定律是相当精确的，并且也符合金属介质
的吸收规律。
13
第 6 章 光的吸收、色散和散射
图 6 - 2 介质对光的吸收
14
第 6 章 光的吸收、色散和散射
由(6.2-2)式可见，吸收系数K愈大，光波被吸收得愈强烈，当 l=1/K时，光强减少为原来的1/e。若引入消光系数η描述光强 的衰减，则吸收系数K与消光系数η有如下关系：
21Biblioteka 第 6 章 光的吸收、色散和散射
图 6-3 钠蒸气的几个二重吸收光谱
22
第 6 章 光的吸收、色散和散射
图 6-4 室温下YAG晶体的吸收光谱
23
第 6 章 光的吸收、色散和散射 对一种材料吸收光谱的测量，是了解该材料特性的重要手段。 例如，地球大气对可见光、紫外光是透明的，但对红外光的某些 波段有吸收，而对另外一些波段比较透明。透明的波段称为“大 气窗口”，如图 6-5 所示， 波段从1μm到15 μm有七个“窗 口”。充分地研究大气的光学性质与“窗口”的关系，有助于红 外导航、跟踪等工作的进行。又如，太阳内部发射连续光谱， 由于太阳四周大气中的不同元素吸收不同波长的辐射，因而在连 续光谱的背景上呈现出一条条黑的吸收线， 如图 6-6 所示。夫 朗和费首先发现，并以字母标志了这些主要的吸收线，它们的波 长及太阳大气中存在的相应吸收元素， 如表 6-2 所示。
应用光学
《应用光学》课程编号：******课程名称：应用光学学分：4 学时:64 (其中实验学时：8)先修课程：大学物理一、目的与任务应用光学是电子科学与技术（光电子方向）、光信息科学与技术和测控技术与仪器等专业的技术基础课。
它主要是要让学生学习几何光学、典型光学仪器原理、光度学等的基础理论和方法。
本课程的主要任务是学习几何光学的基本理论及其应用，学习近轴光学、光度学、平面镜棱镜系统的理论与计算方法，学习典型光学仪器的基本原理，培养学生设计光电仪器的初步设计能力。
二、教学内容及学时分配理论教学部分（56学时）第一章:几何光学基本原理(4学时)1.光波和光线2.几何光学基本定律3.折射率和光速4.光路可逆和全反射5.光学系统类别和成像的概念6.理想像和理想光学系统第二章:共轴球面系统的物像关系(14学时)1.共轴球面系统中的光路计算公式2.符号规则3.球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式4.近轴光学的基本公式和它的实际意义5.共轴理想光学系统的基点——主平面和焦点6.单个折射球面的主平面和焦点7.共轴球面系统主平面和焦点位置的计算8.用作图法求光学系统的理想像9.理想光学系统的物像关系式10.光学系统的放大率11.物像空间不变式12.物方焦距和像方焦距的关系13.节平面和节点14.无限物体理想像高的计算公式15.理想光学系统的组合16.理想光学系统中的光路计算公式17.单透镜的主面和焦点位置的计算公式第三章:眼睛的目视光学系统(7学时)1.人眼的光学特性2.放大镜和显微镜的工作原理3.望远镜的工作原理4.眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节5.空间深度感觉和双眼立体视觉6.双眼观察仪器第四章:平面镜棱镜系统(9学时)1.平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用2.平面镜的成像性质3.平面镜的旋转及其应用4.棱镜和棱镜的展开5.屋脊面和屋脊棱镜6.平行玻璃板的成像性质和棱镜的外形尺寸计算7.确定平面镜棱镜系统成像方向的方法8.共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合第五章:光学系统中成像光束的选择(5学时)1.光阑及其作用2.望远系统中成像光束的选择3.显微镜中的光束限制和远心光路4.场镜的特性及其应用5.空间物体成像的清晰深度——景深第六章:辐射度学和光度学基础(10学时)1.立体角的意义和它在光度学中的应用2.辐射度学中的基本量3.人眼的视见函数4.光度学中的基本量5.光照度公式和发光强度的余弦定律6.全扩散表面的光亮度7.光学系统中光束的光亮度8.像平面的光照度9.照相物镜像平面的光照度和光圈数10.人眼的主观光亮度11.通过望远镜观察时的主观光亮度12.光学系统中光能损失的计算13.投影仪的作用及其类别15.投影系统中的光能计算第七章:光学系统成像质量评价(7学时)1.介质的色散和光学系统的色差2.轴上像点的单色像差——球差3.轴外像点的单色像差4.几何像点的曲线表示5.用波像差评价光学系统的成像质量6.理想光学系统的分辨率7.各类光学系统分辨率的表示方法8.光学传递函数9.用光学传递函数评价系统的像质实验教学部分 (8学时)（1）光线成像实验（2学时）（2）目视光学仪器原理实验（2学时）（3）光具座演示几何像差实验（2学时）（4）计算机演示波像差和光学传递函数实验（2学时）三、考核与成绩评定考核：本课程为中英文双语教学，采用全英文命题，统一阅卷，教研组集体复查,严把质量关。
第六章辐射度学与光度学基础C_应用光学
应用光学讲稿 §6-1 立体角的意义和它在光度学中的应用 二、立体角的应用
u
A
r
假定有一光学系统，对轴上点A成像，孔径角为u，问这个圆 锥角对应的立体角多大？
根据立体角的定义： Ω＝
s r2
以A为球心，r为半径作一球面，求出圆锥在球面上的面积S， 除以半径r的平方，即为该圆锥对应的立体角。
应用光学讲稿 §6-1 立体角的意义和它在光度学中的应用
2、灯泡通过聚光镜后在 -u
150mm
2.5m
照明范围内的平均发光强度，
以及灯泡的功率和位置。 15m
思路：像方照度
像方接收的总光通量
像方立体角
像方孔径角
物方立体角 像方发光强度
灯泡发
光强度
总光通量
灯泡功率、位置
应用光学讲稿 §6-4 光度学中的基本量
解：像方接收总光通量 E S 50 (1.25)2 246lm
假定圆锥面的半顶为 ，在球面上取一个 d 对应的环带，
环带宽度为 rd，环带半径为r sin ，所以环带长度为 2r sin
，环带总面积为
ds rd 2 r sin 2 r2 sin d
它对应的立体角为
d
dS r2
2
sin d
2 d cos
将上式积分得
0 2 d cos 2 (1 cos )
应用光学讲稿
§6-3 人眼的视见函数
辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光（波长400～ 760nm）范围内，可以产生亮暗感觉；
可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同
，对波长 =555nm的 绿光最为敏感。
光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义
《应用光学》课件
超材料与光操控技术在隐身衣、光镊、 光操控机器人等领域具有广泛的应用前 景，如实现物体隐身、微纳粒子的精确
操控等。
目前，超材料与光操控技术的研究重点 在于设计新型超材料、优化光操控效果 、提高操控精度等方面，同时也在探索
其在生物医学、能源等领域的应用。
量子光学与量子信息
量子光学是研究光的量子性质和光与物质相互作用的一门 学科，而量子信息则是利用量子力学原理进行信息处理和 传输的一门技术。
应用光学
目录
CONTENTS
• 应用光学概述 • 光学基础知识 • 光学仪器 • 光学系统设计与优化 • 现代光学技术 • 应用光学前沿研究
01 应用光学概述
应用光学的基本概念
应用光学的基本原理包括光的干涉、衍射、折射、反 射、偏振等，以及光学材料、光学元件和光学系统的 基本知识。
应用光学是研究如何将光学原理和技术应用于实际生 活和工业生产中的一门学科。它涉及到光的产生、传 播、变换、检测和应用，以及光学系统设计、光学仪 器制造和光学信息处理等领域。
光学系统优化算法
优化目标
明确优化的目标，如减小系统像差、提高成像质量或增加光学信 息量等。
优化方法
掌握常用的光学系统优化算法，如梯度优化、遗传算法、粒子群 算法等。
算法实现
具备使用编程语言实现优化算法的能力，如Python、C等。
光学系统性能评估
性能指标
结果分析
ห้องสมุดไป่ตู้
了解光学系统性能的评价指标，如分 辨率、对比度、信噪比等。
光学陀螺仪
利用光的干涉效应感知旋转角度变化，广泛应用于导航、航空、航 天等领域。
全息显示技术
3D全息投影
利用全息技术将三维图像投影到空中，无需佩戴 眼镜或头盔即可观看。
应用光学习题
应用光学习题.第一章 : 几何光学基本原理 ( 理论学时： 4 学时 )•讨论题：几何光学和物理光学有什么区别？它们研究什么内容？•思考题：汽车驾驶室两侧和马路转弯处安装的反光镜为什么要做成凸面，而不做成平面？•一束光由玻璃（ n=1.5 ）进入水（ n=1.33 ），若以45 ° 角入射，试求折射角。
•证明光线通过二表面平行的玻璃板时，出射光线与入射光线永远平行。
•为了从坦克内部观察外界目标，需要在坦克壁上开一个孔。
假定坦克壁厚为 200mm ，孔宽为 120mm ，在孔内部安装一块折射率为 n=1.5163 的玻璃，厚度与装甲厚度相同，问在允许观察者眼睛左右移动的条件下，能看到外界多大的角度范围？•一个等边三角棱镜，若入射光线和出射光线对棱镜对称，出射光线对入射光线的偏转角为40 °，求该棱镜材料的折射率。
•构成透镜的两表面的球心相互重合的透镜称为同心透镜，同心透镜对光束起发散作用还是会聚作用？•共轴理想光学系统具有哪些成像性质？第二章 : 共轴球面系统的物像关系 ( 理论学时： 10 学时，实验学时： 2 学时 )•讨论题：对于一个共轴理想光学系统，如果物平面倾斜于光轴，问其像的几何形状是否与物相似？为什么？•思考题：符合规则有什么用处？为什么应用光学要定义符合规则？•有一放映机，使用一个凹面反光镜进行聚光照明，光源经过反光镜以后成像在投影物平面上。
光源高为10mm ，投影物高为 40mm ，要求光源像高等于物高，反光镜离投影物平面距离为 600mm ，求该反光镜的曲率半径等于多少？•试用作图法求位于凹的反光镜前的物体所成的像。
物体分别位于球心之外，球心和焦点之间，焦点和球面顶点之间三个不同的位置。
•试用作图法对位于空气中的正透镜（）分别对下列物距：求像平面位置。
•试用作图法对位于空气中的负透镜（）分别对下列物距：求像平面位置。
•已知照相物镜的焦距毫米，被摄景物位于距离米处，试求照相底片应放在离物镜的像方焦面多远的地方？•设一物体对正透镜成像，其垂轴放大率等于－ 1 ，试求物平面与像平面的位置，并用作图法验证。
(154)第六章单选题II级应用光学
［单选题］1 .在进行目镜光学系统设计时，应：（B ）A.正追光线B.倒追光线C.从中间向两侧进行光线追迹D.从两侧向中间进行光线追迹［单选题］2 .显微镜常采用的一种照明方式是，将光源通过聚光镜成像在物平面上，称之为：（D ）A.反射式照明B.透射式照明C.科勒照明D.临界照明［单选题］3 .下列软件中不属于光学设计软件的是：（C ）A.ZEMAX 软件B.OSLO 软件C.Lensview 软件D.CODEV 软件［单选题］4 .下列像差中需要校正二级光谱的是：（B ）A.低倍显微物镜B.长焦距平行光管物镜C.望远物镜D.照相物镜［单选题］5 .厚透镜的场曲公式为：（C ）s11=J 2j 4（---）A. 「Jr 1r 2S11.=J 2-（---）B. n 七 r ιS iv =J 2-（---）C. 11r 1 r 2S I V=Td-3 D. 「-I r 2 r 1［单选题］6 .在ZEMAX 软件中，点列图的图标缩写为：（八）A.SptB.MTFC.wavD.fie［单选题］7 .除球心和顶点外，第三对无球差点的物方截距为：（八）T n+n' L= --------- rA.nτn+n,1.= ------- rB.n,τn-n,1.= ------- rC.nτn-n'1.= ------- rD.n，［单选题］8.在ZEMAX软件中进行显微物镜镜设计，输入视场数据时，应选择：（B）A.Angle（Deg）B.ObjectHeightC.ParaxialImageHeightD.RealImageHeight［单选题］9.在ZEMAX软件中表示传递函数的缩写图标是：（D）A.FieB.OptC.SptD.Mtf［单选题］10.双高斯物镜是一种对称式物镜结构形式，其光阑前透镜形式为：（C）A.两片单透镜B.两片双胶合C.一片单透镜+一个双胶合D.一个双胶合+一个单透镜［单选题］11.在ZEMAX软件中设计望远物镜镜时，输入孔径数据可选择：（B）A.ObjectSpaceNAB.EntrancePupilDiameterC.ObjectConeAngleD.Angle（Deg）［单选题］12.在ZEMAX软件中表示自动优化的是下列的哪个缩写图标：（B）A.FieB.OptC.SptD.Mtf［单选题］13.对于小像差光学系统，正弦差允限为：（D）A.SC≤±0.25B.SC r≤±0.00025C.SC≤±0.025SC,≤±0.0025d［单选题］14.球差曲线与坐标轴所围面积（考虑正负）越小，贝h（B）A.波像差越大B.波像差越小C.与波像差大小无关D.无法判断［单选题］15.光阑与相接触的薄透镜重合时，能够自动校正：（八）A.畸变B.场曲C.球差D.二级光谱［单选题］16.属于小视场大孔径光学系统的是：（C）A.照相物镜B.目镜C.显微物镜D.摄影物镜［单选题］17.在利用ZEMAX软件优化光学系统时，下列说法正确的是：（八）A.应首选表面半径作为变量B.应首选透镜厚度作为变量C.应首选透镜材料作为变量D.应首选空气间隔作为变量［单选题］18.下列说法正确的是：（八）A.在光学系统的齐明点处，轴上点无球差也无正弦差。
(153)第六章单选题III级应用光学
［单选题］1.普通的正透镜产生的场曲值为：（八）A.正值B.负值C.零D.无法判断［单选题］2.当入瞳在单个折射球面(r>0)的球心右侧时，产生子午彗差是：（八）A.正值B.负值C.零D.无法判断2.假定物位于有限距离处，大小为-y,当入瞳在单正透镜的左侧时•，产生的畸变是：(B)A.正值B.负值C.零D.无法判断［单选题］3.对于密接双薄透镜系统，要消除二级光谱，两透镜介质应满足：(B)A.相对色散相同，阿贝常数相差较小B.相对色散相同，阿贝常数相差较大C.相对色散相差较大，阿贝常数相同D.相对色散相差较小，阿贝常数相同［单选题］4.弯月形厚透镜的介质折射率为1.5,若要自身消除色差，口与「2的差值应满足:(B)A.π-Γ2=O.76dB.π-Γ2=O.56dC.n-Γ2=O.38dD.π-Γ2=0.47d［单选题］5.介质材料ZF2的阿贝常数为32.17,n=16727,则％一%=(C)A.0.902B.0.0902C.0.0209D.0.209［单选题］6.在球差曲线图中，如果F光、C光、D光曲线相交于0.707带，说明该物镜:(C)A.为无球差物镜B.为消色差物镜C.为复消色物镜D.为无场曲物镜［单选题］7.Kg玻璃和ZF6玻璃属于：（八）A.冕牌玻璃和火石玻璃氏火石玻璃和冕牌玻璃C.均属火石玻璃D.均属冕牌玻璃［单选题］8.像散存在时，子午光束和弧矢光束的像点不位于（B）上的同一点。
A、辅轴B、主光线C、近轴光D、光轴［单选题］9.当边缘带球差为。
时，最大剩余球差的值是边缘带高级球差的（八）倍。
A、-1/4B、1/2C、-1/4D、1/4［单选题］10.不是齐明点产生条件的是：（C）A、sinI=sinU,B、sinI=sinΓC、sinU=sinU,D、sinU=sinΓ［单选题］11、在利用MTF曲线观察像质时，不被包含在内的像差为：（C）A、球差B、彗差C、畸变D、色差［单选题］12、在利用ZEMAX软件进行焦距缩放时，下列参数保持不变的是：（D）A、系统像质B、焦距大小C、入瞳大小D、相对孔径［单选题］13、一条平行于光轴的入射光线入射到凹面反射镜上，经反射后其反射光线（B）经过凹面反射镜的焦点。
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在这种情况下，dΦ=IdΩ。dΩ为ds面对点光源S所张的
立体角，由图6－3可知：
•所 以
•根据式（6－15），得到ds面上的光照度为
•（6-16）
6.2.2 面光源在与之距离为r
如图6－4所示，dss代表面光源的元发光面积，它在与 其距离为r、面积为ds的平面上形成的光照度为E，则
•（－17）
对于折射光束，有
•根据能量守恒定律，有 •即 •由图6－6可知
•（6－20）
•（6－21） •（6－22）
将折射定律nsini=n′sini′两边分别对i和i′微分，
•
•(6-23)
即 •（6－24）
• 式（6－24）表明，折射光束的亮度与界面的反射比
ρ及界面两边介质的折射率n和n′有关。
• 在界面反射损失可以忽略，即ρ=0的情况下，式（6
•于是得
• 上式表明，光能在同一均匀介质的元光管中传递时， 如果不考虑光能损失，在沿传播方向的任意截面上，光通量 和光亮度不变。
6.2.4 一束光投射到两种透明介质的界面时，会形成反射和透
射两路光束，两光束的方向可分别由反射定律和折射定律确 定，如图6－6所示。 •假定，入射光束的入射角为i， •立体角为Ω，在界面上的投 •射面积为ds，光束亮度为L， •则入射光的光通量为:
应用光学第6章
2.辐(射能)通量Φe
单位时间内发射、传输或接收的辐射能称为辐通量，通
常用Φe表示。若在dt时间内发射、传输或接收的辐射能为 dQe，则相应的辐通量Φe为
•（6－1）
•辐通量与功率有相同的单位，即瓦特（W）。
3.辐(射)出(射)度Me 辐射源单位发射面积发出的辐通量，称为辐射源的辐出 度，通常用Me表示。假定辐射源的微面积ds发出的辐通量 为dΦe，则辐出度Me为
用辐射量度量的可见光辐射，而输出为用光学量表示的光感 受。所以，光学量和辐射量之间的关系取决于人眼的视觉特 性。实验表明，具有相同辐通量而波长不同的可见光分别作 用于人眼，人眼所感受到的各种可见光的明亮程度将有所 不同，这表明人的视觉对不同波长的光有不同的灵敏度。人 眼对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数，称为“视见函 数”，也称为“光谱光视效率”
发光强度是光学基本量，是国际单位制中七个基本量之 一。从发光强度的单位坎德拉可以导出光通量的单位流明： 发光强度为1cd的匀强点光源，在单位立体角内发出的光通 量为1lm。
•（6－9） •（6－10）
表6－1 常见发光表面的光亮度值
6.1.3 1. 从本质上来说，人眼就是一种可见光探测器，其输入为
图6－4 面光源在与之距离为r处的表面上形成的照度
6.2.3 如图6－5所示，我们定义由光源表面上的微面积ds1和
光照表面上的微面积ds2确定的光管为元光管，在元光管中 ，由ds1上各点发出的射向ds2的光束，不会超出光管的范围 。
图6-5 光在元光管内的传播
•由图6-5，光束通过微面积的光通量为 •同样，光束通过时的光通量为
•（6－18）
同理，对于反射光束和折 射光束，其光通量可用下 式表示 :
图6－6 光束投射到介质界面时的反射和折射
•对于反射光束，根据反射定律有i1 =i， •dΩ1 =dΩ，则
•式(6－19)表明，反射光束的亮度等于入射光束 •（6－19） •亮度与界面反射比之积。透明介质的界面反射
•比ρ很小，故反射光束的亮度很低。
实验表明，观察场明暗不同时，光谱光视效率亦稍有不 同。国际照明委员会（CIE）根据多组试验结果，分别于 1924年和1951年确定并正式推荐两种光谱光视效率：明视觉 光谱光视效率V(λ)和暗视觉光谱光视效率V′(λ)。图6－2 给出了V(λ)和V′(λ)的函数曲线，图中的函数值已归一化 。可以看到，V(λ)和V′(λ)两者峰值所对应波长有所不同 ，V(λ)的峰值在λ=555nm处，而V′(λ)的峰值在 λ=507nm处。
图6－1 辐亮度定义中各个量的示意图
•（6－6） •光出射度的单位为流明每平方米（lm/m2）。
•（6－7） •光照度的单位名称是勒克斯（lx）。1 lx=1lm/m2。
•（6－8）
• 式（6－8）表明，点光源的发光强度等于点光源在 单位立体角内发出的光通量。
发光强度的单位为坎德拉（cd）。坎德拉的定义为：一 个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，若在给定方向 上的辐射强度为1/683（W/sr），则光源在该方向上的发光 强度为1cd
图6－2 V(λ)和V′(λ)的函数曲线
6.2 光传播过程中光学量的变化规律
•6.2.1 点光源在与之距离为r • 如图6－3所示，设点光源S的发光强度为I，在距光源r 处有一元面积为ds的平面，其法线与r方向成θ角。根据照度 的定义，点光源S在ds面上形成的照度为
•（6－15）
图6－3 点光源在与之距离为r处的表面上形成的照度
为了表征具有有限尺寸辐射源辐通量的空间分布，采用
“辐亮度”这样一个辐射量。元面积为ds的辐射面，在和表 面法线N成θ角的方向，在元立体角dΩ内发出的辐通量为 dΦe，则辐亮度Le为
•（6－5）
•图6－1
6.1.2 1.光通量Φv 标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量称为光通量，通
常以Φv表示。光通量的单位为流明（lm）。
•（6－2）
•辐出度的单位为瓦特每平方米（W/m2）。
•（6－3） •辐照度和辐出度有相同的单位，即为瓦特每平方米（W/m2）。
5.辐[射]强度Ie 点辐射源向各方向发出辐射，在某一方向，在元立方角 内发出的辐通量为，则辐强度为
•（6－4）
•辐射强度的单位为瓦特每球面度（W/sr）。
6.辐(射)亮度Le
－24）可写成
•（6－25）
•式（6－25）表明，光束经理想折射后，光亮度将产生变 化，但 的值保持不变。
图6－7 余弦辐射体发光强度的空间分布
余弦辐射体在和法线成任意角度方向的光亮度，根据 式（6-10），可表示为
•由此可见，余弦辐射体在各个方向上的光亮度相同。 • 余弦辐射体可能是自发光面，如绝对黑体等，也可能 是投射体或反射体。受光照射经透射（反射）形成的余弦辐 射体，称为漫透射体（漫反射体）。乳白玻璃是漫透射体， 其经光照射后透射光强度的分布如图6－8（a）所示；硫酸 钡涂层表面是典型的漫反射面，其反射光强度分布如图6－8 （b）所示。