北理应用光学课件第6章
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应用光学课件-PPT
4)若视阑为长方形或正方形,其线视场按对角线计算。
5)入射窗、出射窗、视阑之间得相互共轭关系。
大家应该也有点累了,稍作休息
大家有疑问得,可以询问与交流
10
例:有一光学系统,透镜O1、O2得口径D1=D2=50mm,焦距 f1′= f2′=150mm,两透镜间隔为300mm,并在中间置一光 孔O3,口径D3=20mm,透镜O2右侧150mm处再置一光孔O4,口 径D4=40mm,平面物体处于透镜O1左侧150mm处。求该系统 得孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗得位 置与大小。
两正薄透镜组L1与L2得焦距分别为100mm与50mm,通光口径 分别为60mm与30mm,两透镜之间得间隔为50mm,在透镜L2之 前30mm处放置直径为40mm得光阑,问 1)当物体在无穷远处时,孔径光阑为哪个？ 2)当物体在L1前方300mm处时,孔径光阑为哪个？
4、说明: 1)物体位置改变,原孔阑可能失去控制轴上点孔径角得作用,要重复上述 三个步骤确定孔阑。
工具显微镜中(β 准确)被测物得像与刻度尺相比较,可测物之长度。
物体不论处于何位 置,发出得主光线 都不随物体位置得 移动而变化;读出 刻尺面上光斑得中 心示值,即可求出 准确得象高。
三、 象方远心光路
1、 概念: 某些大地测量仪器或投影仪器中,为了消除像平面与标尺分划刻
线面不重合而引起得测量误差,在物镜得物方焦平面上加入一个光 阑作为孔径光阑,出瞳则位于像方无穷远,称为“像方远心光路”。 2、 应用:
3)物点在无限远时,各光孔像中,直径最小者即为入瞳。入瞳对应得实际 光孔即为孔径光阑。
例:有两个薄透镜L1与L2 ,焦距分别为90mm与30mm,孔径分 别为60mm与40mm,相隔50mm,在两透镜之间,离L2为 20mm处放置一直径为10mm得圆光阑,试对L1前120mm处 得轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳得位置与大小。
5)入射窗、出射窗、视阑之间得相互共轭关系。
大家应该也有点累了,稍作休息
大家有疑问得,可以询问与交流
10
例:有一光学系统,透镜O1、O2得口径D1=D2=50mm,焦距 f1′= f2′=150mm,两透镜间隔为300mm,并在中间置一光 孔O3,口径D3=20mm,透镜O2右侧150mm处再置一光孔O4,口 径D4=40mm,平面物体处于透镜O1左侧150mm处。求该系统 得孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗得位 置与大小。
两正薄透镜组L1与L2得焦距分别为100mm与50mm,通光口径 分别为60mm与30mm,两透镜之间得间隔为50mm,在透镜L2之 前30mm处放置直径为40mm得光阑,问 1)当物体在无穷远处时,孔径光阑为哪个？ 2)当物体在L1前方300mm处时,孔径光阑为哪个？
4、说明: 1)物体位置改变,原孔阑可能失去控制轴上点孔径角得作用,要重复上述 三个步骤确定孔阑。
工具显微镜中(β 准确)被测物得像与刻度尺相比较,可测物之长度。
物体不论处于何位 置,发出得主光线 都不随物体位置得 移动而变化;读出 刻尺面上光斑得中 心示值,即可求出 准确得象高。
三、 象方远心光路
1、 概念: 某些大地测量仪器或投影仪器中,为了消除像平面与标尺分划刻
线面不重合而引起得测量误差,在物镜得物方焦平面上加入一个光 阑作为孔径光阑,出瞳则位于像方无穷远,称为“像方远心光路”。 2、 应用:
3)物点在无限远时,各光孔像中,直径最小者即为入瞳。入瞳对应得实际 光孔即为孔径光阑。
例:有两个薄透镜L1与L2 ,焦距分别为90mm与30mm,孔径分 别为60mm与40mm,相隔50mm,在两透镜之间,离L2为 20mm处放置一直径为10mm得圆光阑,试对L1前120mm处 得轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳得位置与大小。
应用光学 赵存华著 I 1-21章精选ppt课件
感度称为视见函数（vision function），用 V（ ） 表示，所以
V（55n5m ）1
V（ ） 1
图1.5 视见函数
1.2.1 光线和光束
人眼睛可以感受的光称为“可见光” 相同波长（或频率）的光颜色相同，称为“单色光” 不同波长光波的混合称为“复色光” 光在透明介质中行进的速度称为“光速” 光波传播时抽象的能传递能量的几何线称为“光线” 一束光线的集合称“光束”
当光线遇到障碍物时会发生光的衍射现象，从而偏离光线的直线 传播。
衍射
双折射
梯度折射率
2.2 光的独立传播定律
在光相交的区域可能发生叠加，甚至发生干涉。不管是哪一种情 况，在光离开相交区域后，光波继续沿着既定的方向向前传播，该 光波身上找不到其他光波对其产生的任何影响，此现象称为光的独 立传播定律。
德国科学家夫琅禾费 （Joseph von Fraunhofer）在研 究太阳光光谱时，把太阳光光 谱中在可见光区域内，某些明 显的线型用英文字母命名，称 为夫琅和费波长，列于右表。
波长/nm 404.6 435.8 480.0 486.1 546.1 587.6 589.3 643.8 656.3 706.5
由折射率定义
n' 1 n 2
sin I 1 sin I ' 2
nsiInn'siIn'
2.6.3 Snell定律的讨论
讨论:
nsiInn'siIn'
1. 如果 nn' 那么 sinIsinI'
所以 I I'
结论: 折射率小的一边相对法线夹角大.
2. 假定: 入射角很小
nIn'I'
如果光波在某种透明介质中的电容率（capacitivity）为ε，磁导率 （magnetoconductivity）为μ，该介质中的光速为
V（55n5m ）1
V（ ） 1
图1.5 视见函数
1.2.1 光线和光束
人眼睛可以感受的光称为“可见光” 相同波长（或频率）的光颜色相同，称为“单色光” 不同波长光波的混合称为“复色光” 光在透明介质中行进的速度称为“光速” 光波传播时抽象的能传递能量的几何线称为“光线” 一束光线的集合称“光束”
当光线遇到障碍物时会发生光的衍射现象，从而偏离光线的直线 传播。
衍射
双折射
梯度折射率
2.2 光的独立传播定律
在光相交的区域可能发生叠加，甚至发生干涉。不管是哪一种情 况，在光离开相交区域后，光波继续沿着既定的方向向前传播，该 光波身上找不到其他光波对其产生的任何影响，此现象称为光的独 立传播定律。
德国科学家夫琅禾费 （Joseph von Fraunhofer）在研 究太阳光光谱时，把太阳光光 谱中在可见光区域内，某些明 显的线型用英文字母命名，称 为夫琅和费波长，列于右表。
波长/nm 404.6 435.8 480.0 486.1 546.1 587.6 589.3 643.8 656.3 706.5
由折射率定义
n' 1 n 2
sin I 1 sin I ' 2
nsiInn'siIn'
2.6.3 Snell定律的讨论
讨论:
nsiInn'siIn'
1. 如果 nn' 那么 sinIsinI'
所以 I I'
结论: 折射率小的一边相对法线夹角大.
2. 假定: 入射角很小
nIn'I'
如果光波在某种透明介质中的电容率（capacitivity）为ε，磁导率 （magnetoconductivity）为μ，该介质中的光速为
物理光学与应用光学第二版课件第六章PPT课件
由此，朗伯定律可表示为
K 4
(6.2-3)
4 l
I I0e
(6.2-4)
各 种 介 质 的 吸 收 系 数 差 别 很 大 ， 对 于 可 见 光 ， 金 属 的 K≈106cm-1 ， 玻 璃 的
K≈10-2cm-1，而一个大气压下空气的K≈10-5cm-1。这就表明，非常薄的金属片就
吸收元素
O O H Na Na He Fe
符号
E1 F G G
H K
波长/nm 吸收元素
518.362
Mg
486.133
H
430.791
Fe
430.774
Ca
466.273
Ca
396.849
Ca
393.368
Ca
第26页/共82页
6.3 光 的 色 散
介质中的光速(或折射率)随光波波长变化的现象叫光的色散现象。在理论上，光 的色散可以通过介质折射率的频率特性描述。
n~，则n有 i
n~2 (n i)2 (n2 2 ) i2n
将(6.1-13)式与(6.1-12)式进行比较，可得
(6.1-13)
n2
2n
2 1 Ne2 0m
Ne2
0m (02
02 2 (02 2 )2
2 )2 2 2
2
2
(6.1-14)
第6页/共82页
第27页/共82页
的分光作用，使得通过P1的每一条谱线都向下移动。若两个棱镜的材料相同，它 们对于任一给定的波长谱线产生相同的偏向。 因棱镜分光作用对长波长光的偏向 较小，使红光一端a1下移最小，紫光一端b1下移最大，结果整个光谱a1b1仍为一直 线，但已与ab成倾斜角。如果两个棱镜的材料不同，则连续光谱a1b1将构成一条 弯曲的彩色光带。
应用光学 ppt课件
当光线遇到障碍物时会发生光的衍射现象，从而偏离光线的直线 传播。
衍射
双折射
梯度折射率
2.2 光的独立传播定律
在光相交的区域可能发生叠加，甚至发生干涉。不管是哪一种情 况，在光离开相交区域后，光波继续沿着既定的方向向前传播，该 光波身上找不到其他光波对其产生的任何影响，此现象称为光的独 立传播定律。
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。
色光 红 橙 黄 绿
范围/nm 640-760 600-640 550-600 480-550
色光 蓝 靛 紫
范围/nm 450-480 430-450 380-430
1.1.3 可见光
可见光（Visible light）是波 长大约在380～760nm之间的波 段范围，由于人眼对此波段的 光线敏感，可以引起视网膜的 感光，传递到大脑后，经过大 脑处理后可以分辨出光线的颜 色及与光线相关的物体。
则光的折射定律（Snell law， refraction law of light）可以表示为
1.折射光线也在入射面内； 2.入射角和折射角正弦之比为一个常数，与入射角大小无关。
sin I sin I ' n12
其中为 n12 比例常数
2.4 光的折射定律
海市蜃楼的形成
2.5 光路可逆
光的反射定律和折射定律一个直接的应用就是光路可逆。光在空 间传播时，在光学系统中行进，无外乎有三种情况：
衍射
双折射
梯度折射率
2.2 光的独立传播定律
在光相交的区域可能发生叠加，甚至发生干涉。不管是哪一种情 况，在光离开相交区域后，光波继续沿着既定的方向向前传播，该 光波身上找不到其他光波对其产生的任何影响，此现象称为光的独 立传播定律。
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。
色光 红 橙 黄 绿
范围/nm 640-760 600-640 550-600 480-550
色光 蓝 靛 紫
范围/nm 450-480 430-450 380-430
1.1.3 可见光
可见光（Visible light）是波 长大约在380～760nm之间的波 段范围，由于人眼对此波段的 光线敏感，可以引起视网膜的 感光，传递到大脑后，经过大 脑处理后可以分辨出光线的颜 色及与光线相关的物体。
则光的折射定律（Snell law， refraction law of light）可以表示为
1.折射光线也在入射面内； 2.入射角和折射角正弦之比为一个常数，与入射角大小无关。
sin I sin I ' n12
其中为 n12 比例常数
2.4 光的折射定律
海市蜃楼的形成
2.5 光路可逆
光的反射定律和折射定律一个直接的应用就是光路可逆。光在空 间传播时，在光学系统中行进，无外乎有三种情况：
应用光学课件第六章.
4 单个折射球面的无球差点
一般情况下，单个折射球面成像存在球差，但存在三个无球 差点，物体位于这三个点时，不产生球差。
经过推导，单个折射球面的球差分布系数可以写为：
1 2
S一
niLsinU (sin I sin I)(sin I sinU ) 2cos 1 (I U ) cos 1 (I U ) cos 1 (I I)
-U1
P
光线有不同的球差，因此必
P2
须计算不同孔径的光线。 ➢计算的起始数据为：
-Lz1 -L1
h1=Kh·h；U1=0； s➢in轴I1外=h点1/r1轴外点不同视场不同孔径的光线的起始数据：
U1 Kw w
L1
Lz1
Kh h tgU1
➢孔径取点系数Kh=0.25(0.3), 0.5, 0.707, 0.85, 1.0;
A、计算公式
sin I L r sinU r
sin I n sin I/n
U U I I
L r r sin I / sinU
➢过渡公式：
ni1 ni U i1 U i Yi1 Yi Li1 Li di
B、计算的起始数据
U1=0
P1
1) 物体在无穷远时
h
➢轴上点 轴上点不同孔径的
Di
Bt
Bs
Ui
A
P1
hi i
hi+1
o
P2
xi
xi+1
B
Di
ti1 ti-Di , s i1 si-Di
Di
hi -hi 1 s in U i
di-xi xi1 cosU i
hi ri sin U zi I zi
ri-xi 2 hi2 ri2
应用光学0407-6
dx x dx x
f f 对高斯公式， 1 l l
微分得到：
dl l 2 f 2 dl l f l 2 2 l n n
2
nl n nl n n 2 n
若 n n ，则
四、光学系统的光焦度 由
f n f n
f f 1 )，则有 改写高斯公式( l l
n n n n l l f f
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ定义：
n n f f
为光学系统的光焦度。 表示系统对光束的会聚本领。 讨论：若 0 ，光焦度为正，光组对光束有会聚作用，会聚光组 若 0 ，光焦度为负，光组对光束有发散作用，发散光组 相应地， 越大，会聚作用越大 越负，发散作用越强 对照定义式，说明 f 越小，其折光本领越强（︱ ︳大） 光焦度的单位：折光度（屈光度）
由图分析，相对于主点而确定的焦点位置可由下两式确定：
lF xF f1 lF xF f 2
将牛顿量公式中的 xF 和 xF 代入并化简到：
f1 ) f lF f 2(1 2 ) 注意：二式分别相对于 H1 和 H 2 两点。 lF f1 (1
y y
牛顿公式对应： 高斯公式对应：
f x x f l l
而对具有 k 个光组的光学系统的垂轴放大率表示为：
yk 1 2 k y1
二、轴向放大率 定义式：
dx dl dx dl
对牛顿公式，由 xx ff 直接微分得到：
在像平面 F物 上加上一个正透镜就可以达到此目的，而不会影响系统
的光学特性。因为它和物镜所成的像重合，即物镜所成的像正好位于 它的主平面上，通过它以后所成的像和原来像的大小相等。这样一种 和像平面重合，或者和像平面很靠近的透镜称为“场镜”。 场镜在连续成像的组合系统中经常被采用。
应用光学6
三、角放大率
N -u A F h H H’ F’ u’ A’
角放大率定义：
tgu tgu
由图： ltgu
l tgu h
tgu l n 1 = tgu l n
与物像位置有关
四、三种放大率之间的关系
n 2 n
n 1 n
1 = 10 f 100mm f f
xx f 2 x 100mm f x y y 40mm x f y
2 1
1
例题—物像关系
例 一理想光学系统基点关系及物体的相对位置 如图所示，试求物体像的位置和大小。
1cm
F H H’
100cm
50cm
光学系统的光焦度
n n f f
空气中： Φ则称为光学系统的光焦度。
1 1 f f
意义：表示光学系统对光束会聚（或发散） 的本领。f ’或 f 越小，Ф越大。
得到以主点为原点的物像位置公式—高斯公式 看能不能找到的 f f 关系，把公式进行简化
物方焦距和像方焦距的关系
由直角三角形AMH 和A’M’H’得：
B y A Q M -u F h H R R' M' F'u' H' -y' B' A' Q'
h ( x f ) tgu ( x f ) tg u
x'
物像位置也可相对主点的位置来确定， 相应位置公式 推导如下：
x l f
代入牛顿公式并整理：
x l f
l f l f l l
二、高斯公式
《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
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
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
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
应用光学课件
O1 O2
I2
θ
M β
N B
θ
应用： 应用：测距机中用双平面镜代替单个平面镜 角镜， 角镜，棱镜
应用光学讲稿
§4 - 4
棱镜和棱镜的展开
一、用棱镜代替平面镜的优缺点
棱镜： 棱镜：利用光线在介质内部的反射来改变光线方向的光学零件 优点：光能损失少 优点： 坚固耐久， 坚固耐久，不易损坏 易于安装固定 缺点： 缺点：体积重量较大 对材料要求高 受环境影响较大
y P o z 物像大小相等， 物像大小相等，形状不同 物空间右手坐标对应像空间左手坐标 x x’ z’
y’ o’
分别迎着z 坐标面时， 分别迎着 、 z ’看xy、x’y’坐标面时，当x按逆时针方向转到 看 坐标面时 按逆时针方向转到 y，x’按顺时针方向转到 ；物像这种对应关系称为“镜像” 按顺时针方向转到y’ 物像这种对应关系称为“镜像” ， 按顺时针方向转到
应用光学讲稿
三、对棱镜的要求 1、棱镜展开后应该是一块平行玻璃板 、 2、如果棱镜位于会聚光束中，光轴必须和棱 、如果棱镜位于会聚光束中， 镜的入射及出射表面相垂直。 镜的入射及出射表面相垂直。
应用光学讲稿
四、典型棱镜展开举例
B 1、直角棱镜 、 在平行光路中使用
在平行光路中只需满平第一个条件： 展开开后成平行玻璃板即 AB//AC′ 则∠ ABC = ∠ A′CB Q ∠ A′CB 是∠ ACB 折过过去的，二者相等 ∴ ∠ ABC = ∠ ACB 只要两要两角相等就能 AB//AC′，不一定 为45°， ∠ A 也不一定为直角。
应用光学讲稿
结论： 结论：
A
物像位置相对平面镜对称， 物像位置相对平面镜对称，物像 大小相等 实物成虚像，虚物成实像。 实物成虚像，虚物成实像。 D 单个平面镜对物点能成理想像， 单个平面镜对物点能成理想像， O O’
应用光学教学课件完整
※从上述定律可以得到光线传播的一 个重要原理—光路的可逆性原理。利 用这一原理，可以由物求像，也可以 由像求物。
• 图1-9
※光学系统 的作用之一是对物体成像，因此必须搞 清物像的基本概念和它们的关系。
※物体通过光学系统（光组）成像，光学系统(各 种光学仪器)由一系列光学零件 组成。。
※光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，
全反射现象
当
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。
光 由
由公式 n sin I n' sin I ' 可知
光
密
sin I sin I '
介 质
射
即折射光线较入射光线偏离法线
向
光
疏
sin I ' 不可能大于1，此时入射光线将不能射入
另一介质。
按照反射定律在介面上全部被反射回原介质
原点
+
-
原点
※ 原点规定：
（1）曲率半径 r ,以球面顶点O为原点，球
心C在右为正，在左为负。
E
A
C
O +r
E
A
C
-r O
（2）物方截距L 和像方截距L’ 也以顶点O为原点，到光线
与光轴交点，向右为正，向左为负。
E
A
A’
O
C
-L
+L’
E
A
A’
O
C
-L’
-L
（3）球面间隔 d 以前一个球面的顶点为原点， 向右为正，向左为负。
（在折射系统中总为正，在反射和折反系统中才有为负的情况）
O1
O2
+d
O1
O2
• 图1-9
※光学系统 的作用之一是对物体成像，因此必须搞 清物像的基本概念和它们的关系。
※物体通过光学系统（光组）成像，光学系统(各 种光学仪器)由一系列光学零件 组成。。
※光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，
全反射现象
当
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。
光 由
由公式 n sin I n' sin I ' 可知
光
密
sin I sin I '
介 质
射
即折射光线较入射光线偏离法线
向
光
疏
sin I ' 不可能大于1，此时入射光线将不能射入
另一介质。
按照反射定律在介面上全部被反射回原介质
原点
+
-
原点
※ 原点规定：
（1）曲率半径 r ,以球面顶点O为原点，球
心C在右为正，在左为负。
E
A
C
O +r
E
A
C
-r O
（2）物方截距L 和像方截距L’ 也以顶点O为原点，到光线
与光轴交点，向右为正，向左为负。
E
A
A’
O
C
-L
+L’
E
A
A’
O
C
-L’
-L
（3）球面间隔 d 以前一个球面的顶点为原点， 向右为正，向左为负。
（在折射系统中总为正，在反射和折反系统中才有为负的情况）
O1
O2
+d
O1
O2
应用光学 赵存华著 I 1-21章精选ppt课件
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直线传播的，沿直线向前传播的速度称 为光速，通常用英文字母v表示
1.1.2 电磁波谱
400～760nm
380～760nm 390～780nm
1nm 10 3 μm 10 6 mm 10 9 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。
德国科学家夫琅禾费 （Joseph von Fraunhofer）在研 究太阳光光谱时，把太阳光光 谱中在可见光区域内，某些明 显的线型用英文字母命名，称 为夫琅和费波长，列于右表。
波长/nm 404.6 435.8 480.0 486.1 546.1 587.6 589.3 643.8 656.3 706.5
普通高校“十三五”规划教材
应用光学
课件制作：袁俊茹、陈帅
教材
✓使用教材：
赵存华、丁超亮，应用光学，电子工业出版社，2017
✓参考书：
1.张以谟，应用光学（第三版），电子工业出版社，2011 2.李林，应用光学（第四版），北京理工大学出版社，2010 3.顾培森等，应用光学例题与习题集，机械工业出版社，2009 4.安连生，应用光学（第三版 ），北京理工大学出版社，2002
《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。
北师大版物理第六章 3、生活中的透镜
镜头_______（填：近点或远点） 2、照相机 （1）远处的物体通过照相机的镜头成______、______的____像。 （2）为了使底片上的像大点，物体要______照相机，同时镜头和底 片的距离（暗箱）______一些。（填：远离或靠近） 3、放大镜 （1）放大镜所成的像是_______、________的_____像. （2）为了让课本的字再放大点，放大镜应____________（填：远离 或靠近）课本的字。但不能超过一倍的焦距 4、显微镜和望远镜 （1）显微镜镜筒的两端各有一组透镜,每组透镜的作用都相当于一 个______,靠近眼睛的凸透镜叫做______,靠近被观察物体的凸透镜 叫做______.显微镜的放大倍数等于物镜放大倍数与目镜放大倍数的 乘积 （2）望远镜也有____组镜头。它能使很远的物体成像在眼前
B、 小明往前移动,并使镜
头往外伸 3、某同学拿着一个凸透镜正对着太阳光,用一张白纸在透镜的另一 侧来回移动,得到一个最小最亮的光斑,测得此时光斑到透镜光心的 距离为6cm,该同学用此透镜观察较小的文字时,看到了正立较大的 字,则较小文字到透镜的距离( A、 等于12cm 大于12cm ) C、 小于6cm D、
导 学 流 程
预习演练
在“探究凸透镜成像”的实验中,点燃的蜡烛分别放在a、b、c、 d、e五个位置，如图所示，其中蜡烛放在 处所得到的实像最 小，放在 处所得到的实像与烛焰大小相同，放在 处所 得到的实像比烛焰大，放在 处能看到放大的虚像
知识要点
1、幻灯机和投影仪 （1）物体通过幻灯片或投影仪的镜头成_______、_______的_____ 像。 （2）为了使屏幕上的像大点，幻灯片离镜头_______，同时屏幕离
课时作业
1、在一张透明的塑料薄膜上滴一滴小水珠,双手拿着塑料薄膜靠近 报纸,透过小水珠看到报纸上的文字是( )
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-u’
应用光学讲稿
150mm
2.5m
15m
应用光学讲稿 • • • • • 五. 光亮度 光亮度表示发光面在不同位置和不同方向上的发光特性 微小面元ds在AO方向上的投影 N dФ dsn=ds.cosα 光亮度 α dΩ 0 I I I L A dsn ds. cos ds
d L ds. cos .d
d e Ie d
N
α dΩ
dФe
0
• 单位是瓦/球面度,
W/sr
A
ds
应用光学讲稿
• 三. 辐出射度，辐照度 • 在A点处取微小面积ds，
• 假定在ds辐射出的辐射通量为dФ e，
A
dФe
ds
• 则辐出射度为
d e Me ds
• 如果是被辐射，则为辐照度
d e Ee dsA NhomakorabeadФe应用光学讲稿 6－2 辐射度学中的基本量 • • • • • 一.辐射通量 单位时间内整个辐射体所辐射的总能量,用符号 e 表示 功率 辐射通量就是辐射功率，单位：瓦特，W 大部分辐射体辐射都有一定的波长范围，通常用辐射通量 的光谱密集度曲线 e 表示辐射通量按波长分布的特性
• 设在
波长范围内辐射功率 d e lim 0 d
应用光学讲稿
6－5 光照度公式和发光强度余弦定律
• • • • • • •
一.光照度公式 I A 假定点光源照明微小平面ds， l ds离开光源距离为l，表面法 线方向与照明方向成 ，若 光源在此方向上发光强度为I，求光源在ds上的光照度。 已知：I, l, ds, α 求：E d ds n ds. cos E d I d
一、立体角的意义和单位
平面上的角：
B 0 r A
弧度
AB AOB 弧度 r
应用光学讲稿 空间上的角：立体角 s
o
Ω
一个任意形状的封闭锥面所包含的空间成为立体角 Ω＝
s r2
＝4π
若在以r为半径的球面上截得的面积s= r2，则此立体角为1球面度。
s 整个空间球面面积为4π r2,对应立体角为Ω ＝ 2 r
P
K e 15 100 119 .36cd 4 4
x
令OP x, 则l x 2 1, cos
x l
x x2 1
l
I ( x / x 2 1) 代入E公式得E x2 1
dE 要使B点光照度最大，令 0 dx 整理化简后得 2 x 2 0 1 x 0.7071 m 将x代入l表示式得l x 2 1 1.225m 此时，E Emax 45.94lx
宽＝r d
u
长＝2 r sin
ds 2 r 2 sin d s 2 r sin d 2 r cos
2 2 0 2 2 u 0
2 r (cosu cos 0) 2 r (1 cosu ) 2 2 u 2 2 u 2 r 2 sin 4 r sin 2 2 s 2 u 2 4 sin r 2 2 如果u角较小，则＝u
应用光学讲稿 举例： 人眼同时观察距离相同的两个辐射体A和B，假定辐射强度相同，
A辐射波长为600nm, B辐射波长为500nm。
V(600)=0.631 V(500)=0.323
A对人眼产生的视觉强度是B对人眼产生视觉强度的0.631/0.323
倍，近似2倍。 若要使A和B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A的辐射强度 只需要辐射体B强度的一半。
应用光学讲稿 • 含义：按人眼视觉强弱来度量的辐射强度
d e I C.V ( ). d I C.V ( ).I e
• 单位：坎，坎德拉, cd。如果发光体发光的波长为555nm，
1 Ie (W / sr ) 683
并且在指定方向上的辐射强度为
，
则发光体在该方向上的发光强度为1坎 • 坎德拉是光度学中的基本量 • 常数C，将V(λ )=1, Ie=1/683, I=1cd代入 • C=683(cd.sr)/W • I=683.V(λ ).Ie
待测光源
l2 I 2 2 I1 l1
2
ds
ds
应用光学讲稿 计算举例：桌面OB上方有一盏100W钨丝充气灯泡P，光源在各方 向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面多 高时，B点（OB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？
由E
I
I cos , 将I , cos , l表示出来即可。 2 l
• 所以
Ie Le dsn
d e Le dsn d
• 单位：瓦特/（球面度.平方米），W/(sr.m2)
应用光学讲稿
6-3 人眼的视见函数
• 亮暗的产生 • 视觉强弱与波长 • 视见函数V(λ )
I e (555) V ( ) I e ( )
• 人眼对λ ＝555nm的视觉敏感度最大， V(λ )=1 • V(λ ) ≤ 1
应用光学讲稿
• 6-4
• 一. 光通量 • 人眼接收的辐射通量为
光度学中的基本量
A
dΩ
Ie dФe
• •
dФ e＝Ie.dΩ dФ ＝C.V(λ ). dФ e
• 视觉强弱与辐射通量和视见函数成正比
• 二. 发光强度 • 在人眼观察方向上，人眼接收的光通量dФ 与瞳孔 所张的立体角dΩ 之比，即发光强度 d I d
应用光学讲稿
• 上式也可以写成
• 总的辐射功率
e e d
0
e e d
0
• 二. 辐射强度 • 辐射体在不同的方向上的辐射特性不同 • 在给定的方向上取立体角dΏ，在dΏ范围内的辐射通量为 dФ e，将dФ e和dΏ的比值定义为在这个方向上的辐射强度
ds
• 单位：瓦特/平方米, W/m2
应用光学讲稿
• 四. 辐亮度 • 在A点周围取微面ds，在
• AO方向取微小立体角dΏ
N α dΩ
dФe
0
• 设在AO方向上的投影面积为dsn A ds • dsn=ds.cosα • 设在AO方向上的辐射强度为Ie，则辐亮度为
d e • 因为 I e d
O
1m
B
应用光学讲稿
• 二. 发光强度余弦定律 • 绝大多数发光体均匀发光，在各个方向上的亮度一样
I I0 L ds. cos ds I I 0 cos
• • • • 余弦定律也叫朗伯定律 余弦发光体，朗伯发光体 余弦定律的应用： 求发光微面发出的光通量
ds
I
I
应用光学讲稿 应用：求发光微面发出的光通量 已知：发光微面ds，光亮度为L，求它在半顶角为u的圆锥内所 辐射的总光通量。
e 0
应用光学讲稿
• • • • •
光视效能表示辐射体消耗1W的功率所发出的流明数 K越大，意味着光源的发光效率越高 例如 钨丝灯： k=8~9.2 流明/瓦 日光灯： k=27~41 流明/瓦
• 问题：为什么用手摸日光灯，不烫手 而摸白炽灯却烫手？ • 钨丝灯： k=8~9.2 流明/瓦 • 日光灯： k=27~41 流明/瓦 • 据报道，全国约有15亿只白炽灯
应用光学讲稿
• 光视效能
d k ( )d
0 0
e
k ( ) e d
0
• 其中k(λ):光谱光视效能 • Фeλ光谱密集度
e
d
e 0
k e
k ( ) d
e 0
d
-u’
-u
2、灯泡通过聚光镜后在
照明范围内的平均发光强度， 以及灯泡的功率和位置。
150mm
2.5m
15m
思路：像方照度 物像方孔径角 灯泡发光强度
像方接收的总光通量 像方立体角 物方立体角 像方发光强度 总光通量 灯泡功率、位置
解：像方接收总光通量 E S 50 (1.25) 2 246lm 1.25 0.075 0.0783 15 -u 2 u' 立体角为' 4 sin 0.0195sr 2 由理想光学系统光路计 算公式：n' tgu'ntgu hn' / f ' 像方光锥角tg (u ' ) tgu 0.578 u 0.845sr 2 照明空间平均发光强度 ' I 1.26 104 cd ' 立体角为 4 sin 2 假定忽略聚光镜光能损 失，灯泡发光强度为 292cd I 若各向均匀发光，灯泡 发出的总光通量为 总 4I 3670 lm 采用钨丝灯照明时，功 e 245 率 W K h 灯泡位置l 130m m tgu
解：微小立体角内光通 量为d Id 半顶角为u的圆锥对应的立体角为 ＝ d
0
ds
u
L
I I 0 cos , I 0 L ds, I L ds cos
d 2d cos 将I与d代入公式，得 ＝ Id 2 Lds cosd cos Lds sin 2 u
e I E
应用光学讲稿
照度公式的应用：测量待测光源的发光强度
E d I . cos ds l2
•
E1
I1. cos 2 l1
E2
I 2 . cos 2 l2
E1 E2
I1. cos I 2 . cos 2 2 l1 l2
标准光源
I1 P1
P2 I2
应用光学讲稿
应用光学讲稿
150mm
2.5m
15m
应用光学讲稿 • • • • • 五. 光亮度 光亮度表示发光面在不同位置和不同方向上的发光特性 微小面元ds在AO方向上的投影 N dФ dsn=ds.cosα 光亮度 α dΩ 0 I I I L A dsn ds. cos ds
d L ds. cos .d
d e Ie d
N
α dΩ
dФe
0
• 单位是瓦/球面度,
W/sr
A
ds
应用光学讲稿
• 三. 辐出射度，辐照度 • 在A点处取微小面积ds，
• 假定在ds辐射出的辐射通量为dФ e，
A
dФe
ds
• 则辐出射度为
d e Me ds
• 如果是被辐射，则为辐照度
d e Ee dsA NhomakorabeadФe应用光学讲稿 6－2 辐射度学中的基本量 • • • • • 一.辐射通量 单位时间内整个辐射体所辐射的总能量,用符号 e 表示 功率 辐射通量就是辐射功率，单位：瓦特，W 大部分辐射体辐射都有一定的波长范围，通常用辐射通量 的光谱密集度曲线 e 表示辐射通量按波长分布的特性
• 设在
波长范围内辐射功率 d e lim 0 d
应用光学讲稿
6－5 光照度公式和发光强度余弦定律
• • • • • • •
一.光照度公式 I A 假定点光源照明微小平面ds， l ds离开光源距离为l，表面法 线方向与照明方向成 ，若 光源在此方向上发光强度为I，求光源在ds上的光照度。 已知：I, l, ds, α 求：E d ds n ds. cos E d I d
一、立体角的意义和单位
平面上的角：
B 0 r A
弧度
AB AOB 弧度 r
应用光学讲稿 空间上的角：立体角 s
o
Ω
一个任意形状的封闭锥面所包含的空间成为立体角 Ω＝
s r2
＝4π
若在以r为半径的球面上截得的面积s= r2，则此立体角为1球面度。
s 整个空间球面面积为4π r2,对应立体角为Ω ＝ 2 r
P
K e 15 100 119 .36cd 4 4
x
令OP x, 则l x 2 1, cos
x l
x x2 1
l
I ( x / x 2 1) 代入E公式得E x2 1
dE 要使B点光照度最大，令 0 dx 整理化简后得 2 x 2 0 1 x 0.7071 m 将x代入l表示式得l x 2 1 1.225m 此时，E Emax 45.94lx
宽＝r d
u
长＝2 r sin
ds 2 r 2 sin d s 2 r sin d 2 r cos
2 2 0 2 2 u 0
2 r (cosu cos 0) 2 r (1 cosu ) 2 2 u 2 2 u 2 r 2 sin 4 r sin 2 2 s 2 u 2 4 sin r 2 2 如果u角较小，则＝u
应用光学讲稿 举例： 人眼同时观察距离相同的两个辐射体A和B，假定辐射强度相同，
A辐射波长为600nm, B辐射波长为500nm。
V(600)=0.631 V(500)=0.323
A对人眼产生的视觉强度是B对人眼产生视觉强度的0.631/0.323
倍，近似2倍。 若要使A和B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A的辐射强度 只需要辐射体B强度的一半。
应用光学讲稿 • 含义：按人眼视觉强弱来度量的辐射强度
d e I C.V ( ). d I C.V ( ).I e
• 单位：坎，坎德拉, cd。如果发光体发光的波长为555nm，
1 Ie (W / sr ) 683
并且在指定方向上的辐射强度为
，
则发光体在该方向上的发光强度为1坎 • 坎德拉是光度学中的基本量 • 常数C，将V(λ )=1, Ie=1/683, I=1cd代入 • C=683(cd.sr)/W • I=683.V(λ ).Ie
待测光源
l2 I 2 2 I1 l1
2
ds
ds
应用光学讲稿 计算举例：桌面OB上方有一盏100W钨丝充气灯泡P，光源在各方 向均匀发光，灯泡可在垂直桌面方向上下移动，问灯泡离桌面多 高时，B点（OB=1m）处的光照度最大，该光照度等于多少？
由E
I
I cos , 将I , cos , l表示出来即可。 2 l
• 所以
Ie Le dsn
d e Le dsn d
• 单位：瓦特/（球面度.平方米），W/(sr.m2)
应用光学讲稿
6-3 人眼的视见函数
• 亮暗的产生 • 视觉强弱与波长 • 视见函数V(λ )
I e (555) V ( ) I e ( )
• 人眼对λ ＝555nm的视觉敏感度最大， V(λ )=1 • V(λ ) ≤ 1
应用光学讲稿
• 6-4
• 一. 光通量 • 人眼接收的辐射通量为
光度学中的基本量
A
dΩ
Ie dФe
• •
dФ e＝Ie.dΩ dФ ＝C.V(λ ). dФ e
• 视觉强弱与辐射通量和视见函数成正比
• 二. 发光强度 • 在人眼观察方向上，人眼接收的光通量dФ 与瞳孔 所张的立体角dΩ 之比，即发光强度 d I d
应用光学讲稿
• 上式也可以写成
• 总的辐射功率
e e d
0
e e d
0
• 二. 辐射强度 • 辐射体在不同的方向上的辐射特性不同 • 在给定的方向上取立体角dΏ，在dΏ范围内的辐射通量为 dФ e，将dФ e和dΏ的比值定义为在这个方向上的辐射强度
ds
• 单位：瓦特/平方米, W/m2
应用光学讲稿
• 四. 辐亮度 • 在A点周围取微面ds，在
• AO方向取微小立体角dΏ
N α dΩ
dФe
0
• 设在AO方向上的投影面积为dsn A ds • dsn=ds.cosα • 设在AO方向上的辐射强度为Ie，则辐亮度为
d e • 因为 I e d
O
1m
B
应用光学讲稿
• 二. 发光强度余弦定律 • 绝大多数发光体均匀发光，在各个方向上的亮度一样
I I0 L ds. cos ds I I 0 cos
• • • • 余弦定律也叫朗伯定律 余弦发光体，朗伯发光体 余弦定律的应用： 求发光微面发出的光通量
ds
I
I
应用光学讲稿 应用：求发光微面发出的光通量 已知：发光微面ds，光亮度为L，求它在半顶角为u的圆锥内所 辐射的总光通量。
e 0
应用光学讲稿
• • • • •
光视效能表示辐射体消耗1W的功率所发出的流明数 K越大，意味着光源的发光效率越高 例如 钨丝灯： k=8~9.2 流明/瓦 日光灯： k=27~41 流明/瓦
• 问题：为什么用手摸日光灯，不烫手 而摸白炽灯却烫手？ • 钨丝灯： k=8~9.2 流明/瓦 • 日光灯： k=27~41 流明/瓦 • 据报道，全国约有15亿只白炽灯
应用光学讲稿
• 光视效能
d k ( )d
0 0
e
k ( ) e d
0
• 其中k(λ):光谱光视效能 • Фeλ光谱密集度
e
d
e 0
k e
k ( ) d
e 0
d
-u’
-u
2、灯泡通过聚光镜后在
照明范围内的平均发光强度， 以及灯泡的功率和位置。
150mm
2.5m
15m
思路：像方照度 物像方孔径角 灯泡发光强度
像方接收的总光通量 像方立体角 物方立体角 像方发光强度 总光通量 灯泡功率、位置
解：像方接收总光通量 E S 50 (1.25) 2 246lm 1.25 0.075 0.0783 15 -u 2 u' 立体角为' 4 sin 0.0195sr 2 由理想光学系统光路计 算公式：n' tgu'ntgu hn' / f ' 像方光锥角tg (u ' ) tgu 0.578 u 0.845sr 2 照明空间平均发光强度 ' I 1.26 104 cd ' 立体角为 4 sin 2 假定忽略聚光镜光能损 失，灯泡发光强度为 292cd I 若各向均匀发光，灯泡 发出的总光通量为 总 4I 3670 lm 采用钨丝灯照明时，功 e 245 率 W K h 灯泡位置l 130m m tgu
解：微小立体角内光通 量为d Id 半顶角为u的圆锥对应的立体角为 ＝ d
0
ds
u
L
I I 0 cos , I 0 L ds, I L ds cos
d 2d cos 将I与d代入公式，得 ＝ Id 2 Lds cosd cos Lds sin 2 u
e I E
应用光学讲稿
照度公式的应用：测量待测光源的发光强度
E d I . cos ds l2
•
E1
I1. cos 2 l1
E2
I 2 . cos 2 l2
E1 E2
I1. cos I 2 . cos 2 2 l1 l2
标准光源
I1 P1
P2 I2
应用光学讲稿