应用光学 第一章

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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1-4 光学系统类别和成像的概念
※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， 称为光轴。这种系统被称为“共轴系统” 光轴
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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、张以谟，《应用光学》，电子工业出版社 3、石顺祥，《物理光学与应用光学》， 西安电子科技大学出版社 4、胡玉禧，《应用光学》，中国科技大学出版社 5、赵凯华，《光学》，北京大学出版社
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光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
农业：收割、除草、 叶面与果实的检测
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光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
军事：望远镜、夜视 仪、导弹制导、激光 测距、无人驾驶侦探 机、平视显示器等等
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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 分界面时的定律。 入射光线
法线
（一）折射定律 I：入射角 I’：折射角
I O Q 出射光线 na nb
I’
N
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入射光线 I
法线
（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 入射光线分居法线两侧。 （2）入射角的正弦和折射角的正 na 弦之比与两角度的大小无关，仅决 nb 定于介质的性质，为一恒量nab
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
天文：资源勘探、星 际探索
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光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
医学：CT、胃镜、虹 膜检测、生物检测
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光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
通信：光缆通讯
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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。
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。
进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连续发生 全发射，直至另一端出射。
n'
na
i0
n
i '0
B
i'0
π
2
A
S 当
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π
2
i'0 大于临界角时，就发生全发射。
Applied Optics
n'
na
i0
n
i '0
B
i '0
π
2
A
S n 根据折射定律，又有： a sin i0 = n sin i'0
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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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。
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三、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
光轴
顶点
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常见光学零件 1、反射镜
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2、透镜 （1）正透镜：中心比边缘厚度大，起会聚作用 （2）负透镜：中心比边缘厚度小，起发散作用
正透镜 （会聚透镜）
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负透镜 （发散透镜）
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正透镜
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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。 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！
即折射光线较入射光线偏离法线
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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
对应于 sin I ' = 1 的入射角 I 被称为临界角 n' 记为 I m ,可知 sin I m = n
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（二）反射定律 （1）反射光线在由入 射光线和法线所决定的 平面内
入射光 线
法线 N I I” O
反射光线
（2）入射角 I和反射角I’’ 的绝对值相同，可表示为
I " = I
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
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第一章 几何光学基本原理
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纤维光学 集成光学 红外与微光技术
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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： 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 几何光学基本原理 共轴球面系统的物像关系 眼睛和目视光学系统 平面镜棱镜系统 光学系统中成像光束的选择
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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 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
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； 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。
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光导纤维号称现代信息系统的神经
由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包层组成
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这意味着光信号越容易耦合入光纤！
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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。 ※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。
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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。 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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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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1-2 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。
现在 波粒二象性
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1873年 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 几何光学
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波动性 粒子性
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光的研究
二十世纪六十年代，激光问世。 从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了 许许多多新兴的光学学科。 傅立叶光学 全息光学 薄膜光学
nab =
a
vb
对上式变换
va C na nb nab = = = vb C nb na
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两种介质的相对折射率等于两介质的绝对折射率之比
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sin I 将上式代入 sin I ' = nab 并设
na = n, nb = n′
有：
n sin I = n' sin I '
真空折射率为1，在标准压力下，20摄氏度时空气 折射率为1.00028， 通常认为空气的折射率也为1， 把其他介质相对于空气的折射率作为该介质的绝对 折射率。 提示：但是在设计高精度的太空中的光学仪器 时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。
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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1-3 光路可逆和全反射
全反射现象 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 n sin I = n' sin I ' 可知
sin I < sin I '
Q 出射光线
O
I’
N
即
sin I = n ab sin I '
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nab: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nb 表 示。
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也可表述为：
c nb = vb
c：在真空中光速，vb：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 v
1 i0 = arcsin( n 2 n' 2 ) 可以得到： na 当入射角 i < i0 时，可以全反射传送，
当 i > i0 时，光线将会透过内壁进入包层
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定义
na sin i0 为光纤的数值孔径
i0越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是光纤 能够传送的光能越多。
课程要求 上课时间：周二 3、4节 地点：A340 单周周四 5、6节 地点：A244 答疑安排：周二下午 三号实验楼206办公室 考核方式：闭卷考试 计分方式：平时成绩 30% 考勤+作业 期末成绩 70% 卷面成绩 课程要求：缺勤一次扣5分，三次和三次以上缺勤者不 缺勤一次扣5
准参加期末考试
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应用光学
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研究光的意义
自然界中的光学现象
佛光
2
彩虹
日晕
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光学的应用领域越来越广泛 工业 通信 日用 医学 天文
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农业
军事
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
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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Applied Optics
光轴与透镜面的交点称为：顶点
顶点
顶点 顶点 具有对称轴（光轴）的系统成为共轴光学系统。 没有对称轴的系统称为非共轴光学系统。
顶点
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由两个球面构成的透镜中，通过两球面球心的直 线为光轴。
光轴
顶点
49 Applied Optics
若有一个面为平面，则光轴通过球面的球心与平 面垂直。
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
日用：扫描仪、光碟、 照相机
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光的本质
光的本质的认知过程 1666年 年 牛顿 微粒说 弹性粒子 1678年 年 惠更斯 波动说 以太弹性波 1905年 年 爱因斯坦 光子假设 1801年 年 托马斯杨 托马斯 杨 双缝实验