工程光学完整课件 PPT

重点：几何光学基本定律来自百度文库
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。
三、折射和反射定律
光的折射和反射定律研究光传播到两 种均匀介质的分界面时的定律。
则： sinIsinI'
即折射光线较入射光线偏离法线，下 面我们来看看全反射现象的发生
θC
n1
n2
Incident beam Reflected beam Refringent beam
s in 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
对应于sinI' 1的入射角 I 被称为临界角
天体
遥远的距离
观察者
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。
光束
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
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。
va vb
对上式变换
nabvvab
Cna Cnb
nb na
两种介质的相对折射率等于两介质的绝 对折射率之比
（二）反射定律
入射光线
（1）反射光线在由 入射光线和法线所决定 的平面内
（2）入射角 I和反射角 I’’的绝对值相同，可 表示为
I" I
法线
N
I I” O
反射光线
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
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
下面我们来分别认识它们吧！
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。
• 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。
好累！太不方便 了！
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！
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。
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。 实际做法：从光束中取出一个适当的截面，再 求出其上几条光线的光路，即可解决成像问题。 这种截面称为光束截面。
运 动 员 脚 下 的 秘 密
光学的研究目的
通过本门课程的学习，使大家了解在光电 测量仪器设计中所需的一些基本概念、基本设 计术语、基本设计方法等等。
光学的研究内容 采用光的直线传播概念，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。
第一章
几何光学的基本原理
本章内容
§1.1 几何光学的基本定律 §1.2 成像的基本概念与完善成像条件 §1.3 光路计算与近轴光学系统 §1.4 球面光学成像系统
出射光线
即
sin I sin I '
nab
n ab :介质 b 对介质 a 的相对折射率，
如果介质 a 为真空，则介质 b 对真空的折
射率也称为绝对折射率，用 n b 表示
也可表述为：
nb
c vb
C：在真空中光速， v b ：在介质 b 中光速
两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示
n ab
※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。
（一）折射定律
I：入射角 I’：折射角
入射光线
法线
I
O
na
nb
I’ Q
N
出射光线
入射光线
法线
I O
（1）折射光线位于由入射光线和法线 所决定的平面内，折射光线和入射光
na 线分居法线两侧。
nb
I’ Q
（2）入射角的正弦和折射角的正弦 之比与两角度的大小无关，仅决定于
n 介质的性质，为一恒量 ab
N
记为 I m ,可知
sin
Im
n' n
重点：全反射的两个条件
（1）光密到光疏介质； （2）入射角大于临界角；
下面我们来看看全反射的应用：
（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代替平面反射 镜。
（2）制造光导纤维。
五、光路的可逆原理
光的直线传播定律、独立传播定律、折射 和反射定律是几何光学的基本定律，是研 究光线传播和成像问题的基础。
工程光学
本课程的基本情 况
专业基础课
总学时：64 其中：理论学时：48 实验学时：16
教材及参考书
教 材： 《工程光学》 郁道银 谈恒英 机械工业出版社 参考书：《应用光学》 胡玉禧 安连生 中国科技大学出版社
《应用光学》 王文生 华中科技大学出版社
考核方式
闭卷考试 总评成绩比例：卷面70% 实验20% 平时10%
§1.1 几何光学的基本定律
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。
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！
从本质上讲，光是电磁波，它是按照波 动理论进行传播。
绪论
光学的发展史 光学的分类 本课程在测控领域的应用
课题引入：生活中，大自然中有关光的现象无处不在
彩 虹
日晕
提问环节
光学的分类
几何光学 物理光学 量子光学 现代光学
工程光学在测控领域的应用
精密仪器设计及制造
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
潜望镜
红外雷达和平 视显示器
下面大家来做一道练习题：
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 深度与入射角i的关系。
（注：水相对空气的折射率为 n = 4 / 3 ）
四、光的全反射
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。
由公式 nsinIn 'sinI' 可知，若： nn