最新第一章：几何光学基本原理教学讲义PPT课件

Applied Optics
光学的应用
工业
通信
农业
日用
医学
军事
天文
通信：光缆通讯
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日用：扫描仪、照相 机
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光的本质
光的本质的认知过程
1666年 牛顿
微粒说 弹性粒子
1678年 惠更斯 波动说 以太弹性波
1801年 托马斯·杨 双缝实验
光学系统：千差万别 但是其基本功能是共同的：传输光能或对所研究的 目标成像。
研究光的传播和光学成像的规律对于设计 光学仪器具有本质的意义！
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❖ 从本质上讲，光是电磁波，它是按照波动理论进 行传播。
• 但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系 统是的传播规律或成像问题时将会造成计算 和处理上的很大困难，在实际解决问题时也 不方便。
1、作为粒子看待 2、涉及具体的光学系统
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课程内容
▪第一章 ▪第二章 ▪第三章 ▪第四章 ▪第五章 ▪第六章
几何光学基本原理 共轴球面系统的物像关系
平面镜棱镜系统 光学系统的光束限制 光学系统成像质量评价
目视光学系统
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参考书目 1、安连生，《应用光学》，北京理工大学出版社 2、郁道银，《工程光学》，机械工业出版社 3、胡玉禧，《应用光学》，中国科技大学出版社
❖ 同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波 ❖ 平行光束：光线彼此平行，是平面波
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❖ 像散光束：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。
在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元 件中的传播途径，这个途径称为光路
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第一章 几何光学基本原理
❖光波和光线 ❖几何光学基本定律 ❖光路可逆和全反射 ❖光学系统类别和成像的概念 ❖理想像和理想光学系统
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（1）折射光线位于由入射光线和
入射光线 法线
法线所决定的平面(入射面）内， 折射光线和入射光线分居法线两侧。
I
O
na （2）入射角的正弦和折射角的正 nb 弦之比与两角度的大小无关
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1-2 几何光学基本定律
一、光的直线传播定律 在各向同性的均匀透明介质中，光线沿直线传播。 二、光的独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼此互 不影响。在光线的相会点上，光的强度是各光束的 简单叠加，离开交会点后，各个光束按原方向传播。 光的独立传播定律意义：考虑某一光线的传播时， 可不考虑其他光线的影响。
两束满足相干条件的光称为相干光，这两束光在相遇区域：①振动方向 相同；②振动频率相同；③相位相同或相位差保持恒定
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三、折射和反射定律
光的折射和反射定律研究光传播到两种均匀介质的
I：入射角 I’：折射角
O
na
nb
I’ Q
N 出射光线
第一章：几何光学基本 原理
光学的应用领域越来越广泛
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光学的应用
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工业：显微镜、汽车 车身的检测、机器人 视觉、材料金相结构 等等
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医学：CT、胃镜、虹 膜检测、生物检测
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第一章
几何光学基本原理
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第一章 几何光学基本原理
❖光波和光线 ❖几何光学基本定律 ❖光路可逆和全反射 ❖光学系统类别和成像的概念 ❖理想像和理想光学系统
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1-1 光波和光线
在工农业、科学技术以及人类生活的各个领域，使 用着种类繁多的的光学仪器，如望远镜，显微镜， 投影仪等。
现在 波粒二象性
1905年 爱因斯坦 光子假设
1873年 麦克斯韦 电磁场理论
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光的本质
光具有波粒二象性。一般看作电磁波
可见光波长： 400~760nm
物理光学 波动性 几何光学 粒子性
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应用光学研究内容
❖研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的 原理和应用。 ❖“应用”包含两层意思：
天体
遥远的距离
观察者
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任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1、本身发光。 2、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成 像规律来推断整个物体的成像。
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二、光线 ❖ 发光点向四周辐射光能量，在几何光学中将发光
点发出的光抽象为带有能量的线，它代表光的传 播方向。
太不方便了！
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❖ 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性， 那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光 抽象成一条条光线，然后按此来研究光学系统 成像。
问题变得简单 而且实用！
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几何光学：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。
❖ 点：光源、焦点、物点、像点 ❖ 线：光线、法线、光轴 ❖ 面：物面、像面、反射面、折射面
由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子 性的研究方法只是一种对真实情况的近似 处理方法。必要时要辅以波动光学理论。
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一. 发光点
几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当 光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也 可认为是一个点。
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1-2 几何光学基本定律
二、光的独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼此互 不影响。在光线的相会点上，光的强度是各光束的 简单叠加，离开交会点后，各个光束按原方向传播。 光的独立传播定律意义：考虑某一光线的传播时， 可不考虑其他光线的影响。 条件：两束光为非相干光
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三、波面和光束（无线多条光线的集合） 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光向 四周传播，形成以发光点为球心的球面波。
某一时刻相位相同的点 构成的面，或某一时刻 光波所到达的位置称为 波面 波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方 向，波面上的法线束称为光束
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