应用光学第一章

第一章
◆晶体
不可能有紫外到 红外都具有良好 的光学性质
晶体：具有晶格结构的固体。即构成晶体的 内部质子以点阵的形式在三维空间作 有规律的重复排列。例如：石英、岩 盐、萤石和其他碱金属卤化物的 块单晶体。
优点： 大部分的光学玻璃仅局限与紫外和可见 光波段，但有些晶体的透过范围看以从 紫外到红外，因此可以用来制作传播宽 波段电磁辐射的元件
实际光线沿着光程为极值的路线传播。
s ndl 极值
A b
（极大值，极小值或恒定值）
取极值的条件为：
S ndl 0
A
B
第一章
◆光的可逆性原理
内容：假定某一条光线，沿着一定的路线由Ａ
点传播到Ｂ点。如果在Ｂ点沿着出射光线按照 相反的方向投射一条光线，则此反向光线仍沿 着同一条路径，由Ｂ点传播到Ａ点。

第一章
发光点

概念：光源作为光的辐射体，当光源直径远 小于光源辐射的作用距离时，我们 称光源为发光点。 类似于
物理中 的质点

特点：把光源当作一种无尺寸无大小的几何点 注意：任何被成像的物体都有无数发光点组成
第 一章
光线
当光束的直径＜＜其辐射距离时， 称该光束为光线，其方向沿着光的传播方向。 光线：携带能量的几何线，其方向为能量传 播的方向。
共轴球面光学系统：如果各光学元件均由球面组成，所 有的球心均位于同一条直线上，这样的光学系统就叫做 共轴球面光学系统。该直线就是整个系统的对称轴线， 为光轴。
第一章

透镜——光学系统正透镜：双凸，平凸，正月牙 透 镜 负透镜：双凹，平凹，负月牙
沿轴厚度比 边缘厚度大
第一章

小孔成像。
注意：衍射现象
第一章
第一章
第一章
◆光的独立传播定理
内容： 不同的光线从不同的方向通过空间某一点时，彼 此不发生影响，对其中的某一束光线而言，犹如 没有其他光线存在时那样传播，在光线的相交点 上，其作用是相加的。 注意： 该定理只对非相干光成立，相干光源并不成立。
第一章
◆光的折射和反射定律

◆光学玻璃

由于同一玻璃对各种颜色的光具有不同的传 播速度，即不同颜色的光具有不同的折射率。 因此，光学玻璃的性质由一系列特定光谱线 的折射率来决定。具体如下表： 红
A′
766.5
颜色
黄
C
656.3
绿
d
587.6
青
F
486.1
蓝 紫
g
435.6
谱线符号
D
589.3
e
546.1
G′
434.1
h
404.7

第一章 几何光学的基本定律 和成像的概念
第 一章
第 一章
主要内容

几何光学的基本研究方法

几何光学的基本定律及原理
光学系统的类别和成像概念 光学材料


第一章
第一节 基本研究方法

作为讨论和解决问题的一种简便手段、我们将光学中的概念和 几何中的点、线、面有机的结合起来，得到了几何光学中的基 本概念。 在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把物体所发 出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的 传播方向。在此假设下，根据光线的传播规律，在研究物体被 透镜或其他光学元件成像的过程，以及光学仪器的光学系统设 计等方面都显得十分方便和实用。 基本概念 1．发光点和光源 2．光线 3．光束 4 ．光路
意义：物 简单证明：
像
A：同介质：光的直线传播定律或费马原理
B：不同介质：光的折射和反射定律
sin I1 n2 sin I 2 n1
sin I 2 n1 sin I 1 n2
第一章
◆光的全反射现象
当入射光的入射角I大于某值时，两种介质的分界面 把入射光全部反射回原介质中去，这种现象称为“全 反射”或“完全内反射”。 条件：1. 光线由光密介质1（折射率n1大）射向
第一章

关于实像、虚像的几点说明
1. 实像、虚像均可用人眼来观察， 因为的确有实际的光线进入了人眼。 2.虚像无法用屏幕接收，也不能使底片曝光。
网上问题：
虚像不可以在底片上成像，为什么可以用照相机照出水中的倒影？
第一章
物空间：物所在的空间， 像空间：像所在的空间， 物空间分为实物空间和虚物空间， 像空间分为实像空间和虚像空间。 根据定义：光学系统第一个曲面以前的空间称为“实物空间”， 而第一个曲面以后的空间为“虚物空间”，系统最后一个曲面 以后的空间为“实像空间”，最后一个曲面以前的空间为“虚像 空间”，整个物空间和像空间都是可以无限扩展的，因而不 能按照空间位置来划分物空间和像空间。 物象空间的介质折射率计算方法： 物空间介质的折射率按实际入射光线所在的介质折射率 来计算，像空间的介质折射率，按实际出射光线所在空 间的介质折射率来计算。
内容：当一束光射到两种透明介质的分界面
时，光将发生折射和反射，其继续传播
的规律遵循反射定律和折射定律。
Ａ
na Ｐ nb Ｂ
I
Ｏ
I〞
Ｑ I′ Ｃ
第 一章
折射定理： 1）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面 内，折射光线和入射光学分居法线两侧。 2）入射角的正弦和折射角的正弦之比为一恒量nab， 与两角度的大小无关，仅取决于两种介质的性质， 即：
虚
第一章
像：光学系统中出射光线会聚点的集合或 出射光线延长线会聚点的集合，称为物对 该系统所成的像。 实 虚 像：实际出射光线相交所成的像（实像点： 实际出射光线的交点） 。 像：由出射光线（反射或折射光线）的反 向延长线相交而成的像（虚像点：实 际出射光线延长线的交点） 。
共 轭：物像之间的一一对应关系在光学上称 为共轭。
产生荧光。
◆光学玻璃

由硅，磷，硼，铅，钾，钠，钡，砷，铝等的氧化物 按一定的配方在高温条件下形成岩溶液体，经过冷却 而得到的无定形体。其中多用硅酸盐玻璃(SiO2)和硼 酸盐玻璃（B2O3）。 玻璃除了具有固体的机械性能和光学性能外，还具有 一下物理性能： 1.各向同性 2.没有熔点，仅有一个软化的温度范围 3.具有较高的内能
nb sinI ＝ n ＝ nab sinI′ a
介质b相对于介 质a的折射率
反射定理： 1）反射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内， 反射光线和入射光学分居法线两侧。 2）反射角和入射角的绝对值相同，可表示为：
Ｉ〞＝－Ｉ
n=-n’时折射 定律的特例
沿任一折射线方向观察
n2
n1
S
S
第一章
◆费马原理
波长(nm)
对应元素
K
H
Na He Hg H
Hg H
Hg
第一章
◆常用光学参数：
1. 基本折射率 nD nF nC ２．平均色散 nD 1 v ３．阿贝常数 nF nC ４．相对色散 ５．部分色散 ６．谱线C、F、h、g、e、A’及红外波长 863.0nm及紫外波长365.0nm的折射率

第一章
第二节 基本定律



光的直线传播定律 几何光学 光的独立传播定律 基本定律 光的折射和反射定律 费马原理 光的可逆性原理 光的全反射现象 介质折射率和光速的关系
第一章
◆光的直线传播定理
内容：在各向同性的均匀透明介质中，光线沿
直线传播。
举例：日食，月食，影子（半影和本影），
第一章

几点说明：
1.物像空间的折射率仅取决与实际的入射光线 和出射光线的位置，而与物像的位置和虚实 无关。 2.在图示表示中，实际光线用带箭头的实线表 示，实际光线的延长线用带箭头的虚线表示。 3.实物用实线绘出虚物用虚线绘出。 4.辅助线用点划线绘出。
思考：某物通过一透镜成像在该透镜内部，透镜材料 为玻璃，透镜两侧均为空气，试问物所成的像空间介 质是玻璃还是空气？
北京理工大学出版社
应用光学的研究任务
应用光学又称几何光学，是光学学科中以光 线为基础，研究光的传播规律和成像规律的 一个重要的实用性学科分支。 注意：实际上光线的概念与光的波动性相违 背，因为无论从能量的观点，还是从光的衍 现象来看，这种几何光线都是不可能存在的。 所以，几何光学只是波动光学的近似，是当 的波长很小时的极限情况。作此近似后，几 何光学就可以不涉及光的物理本性，而能以 便的方法解决光学仪器中的光学技术问题。
典型光学系统 应用光学
光电子技术系· 周花
使用教材
《应用光学》安连生 编著 北京理工大学出版社
参考教材
· 1、《工程光学》李湘宁 主编 科学出版社 · 2、《计量光学》许世文 主编 哈尔滨工业大学出版社 · 3 、《应用光学》张以谟 主编 电子工业出版社 · 4 、《工程光学基础》徐家骅 主编 机械工业出版社 · 5 、《应用光学概念题解与自测》李林 黄一帆 编著
第一章
光束

光束：即光线束， 为光线的集合， 是物理光学中波面的法线束。 分类：同心光束：所有光线发自一点或 会聚到一点。 平行光束：所有光线之间相互平行。 像散光束：所有光线即不相交一点 也不严格平行。
第一章
平面波面
平行光束
球面波面
同心光束
像散光束
像散光束
第一章
光路

概念：顾名思义，就是光的传播路径。 光路方向：规定光线传播方向从左到右为 正的光路反之为逆向光路。 注意：由于光线有无数条，所以光路也有 无数个。在实际应用中我通常取一个界面， 研究其中的几条光线的光路来解决成像问题。
光学系统的几个基本概念
轴：光学系统的对称轴。
点：光轴与透镜面的交点。
光
顶
物空间：物所在的空间。
像空间：像所在的空间。 物
像
第一章
物：光学系统中入射光线会聚点的集合或入射 光线延长线会聚点的集合，成为该系统的物。 实 物：能实际发出光线的物体（实物点： 实际入射光线的出发点） 。 物：不是由实际入射光线，而是由入射光 线的延长线相交而成的物体（虚物点： 实际入射光线延长线的交点） 。
可见，在应用光学中并不把光当做电磁 波，而是经过抽象和简化，称为“光线” 即“携带能量的几何线”。从而将应用 光学中光的传输变成了一个几何问题， 故称“几何光学”；而其主要的任务是 研究光的应用，故又称“应用光学”。
考评细则
闭卷考试，考试成绩占70%，平时占30%。 平时成绩由作业、到课率、回答问题、及 最终的考试成绩共同决定。 平时成绩按一百分计，少交一次作业扣10 分；旷课一次扣10分。 注意： 若考试成绩低于50分，平时成绩≤ 50分。
第一章
◆光学材料选材要点：
1.成像质量（消像差）的要求 ２.使用环境（室内／室外，水下，放射， 特殊温度要求，腐蚀，荧光等） ３.降低成本（尽量选择常用的、易购买的）
第一章
◆光学玻璃分类
对光学设计者而言， 主要关心玻璃在特 定波长的折射率
冕牌光学玻璃（K）：低折射率、低色散
火石光学玻璃（F） ：高折射率、高色散 稀土光学玻璃：高折射率、低色散 氟钛光学玻璃：低折射率、高色散
光疏介质2（折射率n2小）； 2.入射角大于临界角； 临界角可由下式求出：
应用：
n2 sin I 0 , 其中n1 n2 n1
（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。 （3）测介质的折射率
第一章
第四节

光学系统的类别和成像概念

光学系统：根据需要改变光线传播方向以满足使用要 求的光学元件组合。 光学元件：由球面、平面或非球面包围一定折射率的 介质组成。 共轴球面系统 光学系统的分类 共轴系统 光学系统 共轴非球面系统 非共轴系统 共轴球面系统 球面系统 光学系统 共轴非球面系统 非球面系统
第一章
第六节 光学材料
◆分类：
光学玻璃、晶体、光学塑料等。
第一章
◆为得到良好的成像质量，光学材料 应该满足如下要求：
1. 高度的光学均匀性；
2. 最大的透明度，以减少光能的吸收损失；
3. 良好的物理性能和化学稳定性； 4. 内部尽可能无杂质、气泡和条纹； 对某些特殊场合，要求在激发光照射时不
第一章
第五节

理想像和理想光学系统
理想像：又称完善像是指由同一物点发出的 所有光线，通过光学系统后仍然相交与唯一 的像点。
理想光学系统：在物、像空间满足“点对应 点，直线对应直线，平面对应平面关系的光 学系统。

第一章
共轴理想光学系统的成像性质
①位于光轴上的物点，其对应的像点也一定位于光轴上。 ②位于过光轴的某一截面内的物点，其对应的像点也一 定位于此平面内。 ③位过光轴的任意截面内的成像性质都是相同的，因此 用一个过光轴的截面来代表一个共轴系统。 ④垂直于光轴的物平面的共轭像面也一定垂直于光轴。 ⑤位于垂直光轴的同一平面内的物所成的像，其几何形 状与物完全相似。 ⑥一个共轴理想光学系统，如果已知两对共轭面的位置 和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率一级轴上两 对共轭点的位置，其它一切物点的共轭像点都可以根据 已知的共轭面和共轭点求出。