工程光学-第一章

第二节 成像的基本概念与完善成像条件 二、完善成像条件 表述一：入射波面是球面波时，出射波面也是球面波。 表述二：入射是同心光束时，出射光也是同心光束。 表述三：物点及其像点之间任意两条光路的光程相等。
n0
1
n1
共轴光学系统
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Ek E nk EAk n0 A1E n1EE1 n2 E1E2 nk n0 AO 1 n1OO 1 n2O 1O2 nk Ok E nk O Ak C
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A
B
A
（x,0）
B
C
• 1、费马原理：几何光学中的一条重要原理，由此 原理可证明光在均匀介质中传播时遵从的直线传 播定律、反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜 的等光程性等。 • 2、光的可逆性原理是几何光学中的一条普遍原理， 该原理说，若光线在介质中沿某一路径传播，当 光线反向时，必沿同一路径逆向传播 。 • 3、费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径， 不论光线正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。 因而借助于费马原理可说明光的可逆性原理的正 确性。光在任意介质中从一点传播到另一点时， 沿所需时间最短的路径传播。
实物成实像
实物成虚像
实像与虚像的判断：
虚物成实像
虚物成虚像
1、实际光线相交形成的是实像,由实际光线的反向延长线相交形成的 是虚像. 2、可以用光屏承接到或记录下来的是实像,不能用光屏记录下来的 是虚像. 3、倒立的必定是实像,正立的必定是虚像. 4、像与物体如果位于透镜的异侧就是实像,像与物体如果位于透镜 的同侧就是虚像.
⑦晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的
电光效应等。
瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激
拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光……
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第一章 几何光学的基本定律与成像概念 几何光学
几何光学，把光看成一条射线，研究光在透明均 匀介质中的传播规律。 本章主要介绍：
1.几何光学的基本定律
2.成像的概念和完善成像的条件
发散光束
平行光束 平面波 球面波
6、光束：与波面对应的所有光线的集合.
第一节 几何光学的基本定律
如影子、日食、 二、几何光学的基本定律 小孔成像等 前提：宏观尺度； 1、光的直线传播定律 在各向同性均匀介质中，光是沿直线传播的 不受引力干扰 2、光的独立传播定律 从不同光源发出的光线，以不同的方向经过某点时，各 光线独立传播着，彼此互不影响。 前提：非相干条件下
A
N
I
I
B
n
P n
O N
I
Q
C
第一节 几何光学的基本定律
折射定律： 入射光线、折射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面 内。 入射角的正弦与折射角的正弦之比和入射角的大小无关，只 与两种介质的折射率有关。 A N B I I 折射定律可表示为
sin I n sin I n n sin I n sin I
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
一、光学系统与成像概念
1、光学系统的作用： 对物体成像，扩展人眼的功能。 2、完善像点： 若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍为 同心光束，该光束的中心即为该物点的完善像点。 3、完善像： 完善像点的集合。
4、物空间、像空间： 物（像）所在的空间。
Hale Waihona Puke Baidu
第二节 成像的基本概念与完善成像条件 5、共轴光学系统： 若光学系统中各个光学元件表面的曲率中心在一条直 线上，则该光学系统是共轴光学系统。 6、光轴： 光学系统中各个光学元件表面的曲率中心的连线。 光轴
大多数光学系统都是由折、反射球面或平面组成的 共轴球面光学系统。
而平面可看作是 r 的球面特例，反射则是折射在 n' n 时的特例，所以折射球面系统具有普通意义。 光学系统是由多个折射球面组成，因此首先讨论单 个折射球面折射的光路计算问题，再过渡到整个光学系 统。
第三节 光路计算与近轴光学系统 一、基本概念与符号规则
S1
一般情况下，交会处的光强度 是各光束强度的简单叠加： I=I1+I2 若1=2、相位差不随时间变 化,且振动方向不是相互垂直， 则此区内的光强分布将呈现为 相干分布。
S2
第一节 几何光学的基本定律 3、反射定律和折射定律
入射角、反射角和折射角，由光线转向法线，顺 时针方向旋转形成的角度为正，反之为负。 反射定律： 入射光线、反射光线和分界面上入射点的法线三者在同一 平面内。 入射角和反射角的绝对值相等而符号相反，即入射光线和反 射光线位于法线的两侧，即： I I
第一节 几何光学的基本定律
2、光源（发光体）：能够辐射光能的物体。如日光灯、太阳、
钠灯、激光器等。
3、光线：由发光点发出的光抽象为能够传输能量的几何线，它 代表光的传播方向。 4、波阵面（波面）：相位相同的各点在某一时刻构成的面。光
的传播就是光波波面的传播。波面的法线为光线，即波面⊥光线。 5、光波的分类：平面波、球面波（发散光波和汇聚光波）、任 意曲面波 同心光束
学的时代!
学好光学 ,有助于进一步深入学习电动力学、光电
子技术、激光原理及应用等相关课程，同时也进一
步加深对微观和宏观世界的联系与规律的认识。
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光学的发展：经典光学 经典光学：
现代光学
1、几何光学
光的传播、反射、折射、成像等。 2、物理光学 ①波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。 ②量子光学：光的吸收、散射、色散、光
A
B
n
dl
A
B
第一节 几何光学的基本定律
费马原理： 光线从一点传播到另一点，其间无论进行了多少次反 射或折射，其光程为极值（极大、极小、常量）。光是 沿着光程为极值的方向传播的。 由极值条件得费马原理的数学表示：
费马原理可解释：在均匀介质中，光沿直线传播。 在非均匀介质中，光不再沿直线传播，此时折射率n 为空间位置的函数，其光程应为极值。 费马原理是描述光线传播的基本定律，利用费马原 理可以导出光的直线传播定律和反射、折射定律。
工程光学
杨静 yangjingwdx@126.com
物理与机电工程学院
课程安排：
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验
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第二节 成像的基本概念与完善成像条件
三、物、像的虚实
实际光线：光的反射现象中指的是反射 光线,在光的折射中指的是折射光线
实物（像）：由实际光线相交会聚而形成的物（像）。
虚物（像）：由光线的延长线相交形成的物（像） 。
请注意下图中的实物、实像、虚物、虚像以及物空间、像空间
实物成实像
实物成虚像
虚物成实像
2.证明：光线相继经过几个平行分界面的多层媒质时，出 射光线的方向只与两边的折射率有关，与中间各层媒质 无关。
3.在水中深度为y处有一发光点Q，作QO垂直于水面，求 射出水面折射光线的延长线与QO交点Q’的深度y’与入 射角 的关系。 4.设光导纤维玻璃芯和外包层的折射率分别为n1和n2 （n1>n2），垂直端面外的媒质的折射率为n0。试证明： 能使光线在纤芯发生全反射的入射光束的最大孔径角 满足 n0 sin I1 称为纤维的数值孔径。 2 2 。其中，
第一节 几何光学的基本定律 四、马吕斯定律
马吕斯定律描述了光经过多次反射折射后，光束与波面、光 线与光程的关系. 马吕斯定律：（1）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（2）入射波面与出射波面 对应点之间的光程均为定值。
折反射定律、费马原理和马吕斯定律三者中任意一个均可视为几 何光学的三个基本定律之一，而把另两个作为其基本定律的推论。
A
I
Im
Q
n n
第一节 几何光学的基本定律 由折射定律可求出临界角Im
由： n sin I
n sin I
全反射条件： ①光线从光密介质进入光疏介质； ②入射角大于临界角。 应用：反射棱镜、光纤等。
I
。 sin I m n sin I / n n sin 90 / n n / n
n
P n
Q
N
I
反射是折射在
时的特例 折射率：n=c/v 。 折射率是用来描述介质中光速减慢程度的物理量。
C
n n
真空的折射率为1，介质相对于真空的折射率为绝对折射率。
第一节 几何光学的基本定律
4、全反射现象 当光线射至透明介质的光滑分界面而发生折射时，必然 会伴随着部分光线的反射。在一定条件下，该界 面可以将全部入射光线反射回原介质而无折射光通过， 这就是光的全反射现象。 光密介质： 分界面两边折射率较高 n 的介质 P n 光疏介质： 分界面两边折射率较低 的介质
虚物成虚像
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
实物成实像
实物成虚像
虚物成实像
虚物成虚像
虚像只能人眼观察不能记录。 反向延长线并不是实际光线，只是人脑对进入人眼的光线的一种经 验性的逆向推理，实际并不存在，所以在成像位置上放上光屏，光 屏上并不会有光线照射到，因此虚像不能为光屏接收。
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
n0 sin I1 n1 n2
第一节 几何光学的基本定律 三、费马原理
光程：光线在介质中传播的几何距离l与介质折射率n 的乘积。 s nl
光程等于光在真空中相同时间内传播的距离。
若介质折射率是空间坐标的函数n=n(x,y,z)，则从A点 到B点光线可能为一空间曲线，其光程方程为
s ndl
I Im
I
第一节 几何光学的基本定律
5、光路的可逆性 光源S1发射的光线经B点折射向C.若在C点置一光源,由 折射定律知，光线必由C点入射经B点折射而射向A，即 光线是可逆的.
S1 A
N I I
B I S2 N C D
n
P n
Q
习题
1.顶角a很小的棱镜称为光楔。证明光楔使垂直入射的 光线产生偏向角 =（n-1）a ，其中n是光楔的折射率。
设在空间存在如下一个折射球面OE：
C：球面中心（曲率中心） r ：折射球面的曲率半径 O：光轴与球面的交点称
3.光路计算和近轴光学系统
4.球面光学成像系统
第一节 几何光学的基本定律
一、关于光的基本概念 1、光波 （1）光是一种电磁波,其在空间的传播和在界面的行为遵从电 磁波的一般规律。 （2）可见光波长λ为400nm—760nm。对于不同波长的光，人 们感受到的颜色不同。 （3）光在真空中的传播速度c为：30万公里/秒，在介质中的 传播速度小于c，且随波长的不同而不同。 （4）单色光：具有单一波长的光。 复色光：不同波长的单色光混合而成的光。(如日光)
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
实物成实像
实物成虚像
虚物成实像
虚物成虚像
虚物不能人为设定，它是前一光学系统的实像被当前系统所截而得。 实物、虚像对应发散同心光束， 虚物、实像对应会聚同心光束。 因此，几个光学系统组合时，前一系统形成的虚像应看成是当前系 统的实物。
第三节 光路计算与近轴光学系统
的本性等。
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现代光学：
①激光光学：激光物理、激光技术、激光应 用等。 ②非线性光学：光学介质与激光相互作用的 新现象和新效应，实现全光处理技术。 ③激光光谱学：物质微观结构及分子运动规 律的分析等。
④集成光学：集成光路理论及制造等。
⑤傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变
换等。
⑥全息光学：光学全息与信息处理等。
独立完成作业、实验报告
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课下多讨论、多提问
• 超过70%的信息来源于光
这门课学了有什么用？
同一位置不同景深的效果
• I:\花千骨 04_.avi
阳光照进教室： 光是波？ 还是粒子？
光控路灯
光电池在动力方面的应用
太阳能赛车
太阳能 硅光电池板
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引言
光学是物理学中最古老的一门基础学科，又是当 前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的 生命力和不可估量的发展前途。21世纪是光信息科
本课程的教学内容 上篇—几何光学与光学设计
工程光学
下篇—物理光学
工程光学课程特点
• 内容新：中学学的不多 • 概念多
–多记忆 –多理解物理含义
• 公式多（约200个）
–几何知识 –理解&记忆
• 多做习题，加深理解
如何学好光学课程
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课前预习，参与课堂教学 按时听课 （缺课>1/3=0）
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及时复习，保证教学内容的衔接