仪器光学系统设计及成像系统PPT优秀课件
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29
透镜成像原理
正透镜：正透镜中心比边缘厚，光束中心部分走的慢，边
缘走的快。
P
P’
A
成实像
O O’
Q
Q’
A’
30
负透镜: 负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，光束 中心部分走得快，边缘走得慢。
A
A’
成虚像
31
名词概念
像：出射光线的交点
实像点：出射光线的实际交点
虚像点：出射光线延长线的交点
6
第一节 光波与光线
一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待， 光波波长
λ
7
光的本质是电磁波 光的传播实际上是波动的传播
物理光学： 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象
几何光学： 研究光宏观的传播规律和传播现象
8
可见光：波长在400-760nm范围 红外波段：波长比可见光长 紫外波段：波长比可见光短
仪器光学系统设计
1
课程基本内容
第一章 几何光学基本 原理 第二章 仪器光学设计 基本理论
第三章 典型成像仪器光学系统设计
第四章 非成像仪器光学系统设计
第五章 仪器光学系统装调理论及方法 2
第一章 几何光学基本原理
3
应用光学讲稿
参考书籍
• 《工程光学》-郁道银、谈恒英（工科经典） • 《应用光学与光学设计基础》-迟泽英（内容全面） • 《几何光学》-张以谟（使用广泛） • 《应用光学》-王文生（光学设计详细） • 《光学原理》-马科斯.波恩（德）；埃米尔.沃尔夫
B
21
应用 光路可逆：
求焦点 光学设计中，逆向计算：目镜，显微物镜等
焦距仪原理？
22
5、费马原理
费马原理：光从一点A传播到另一点B，无论经过多
少介质，走过什么样的路径，其光程是稳定的。（具有 稳定值或极值）
广义多元微分为零 将四条基本定律进行统一概括 光程：几何路径与折射率的乘积 理解：揭示的是光传播的稳定性，即光程具有极 值，光程是极大、极小还是其他定值可以通过变 微分公式算出
反射定律 3、 折射定律
15
A
AO: 入射光线 OB: 反射光线 OC: 折射光线 NN: 过投射点所做的分界面法线 I1: 入射光线和分界面法线的夹角
，入射角 R1: 反射光线和分界面法线的夹 角， 反射角 I2: 折射光线和分界面法线的夹角
，折射角
N B
I1
R1
O I2
C N
16
全反射现象 现象
（美）（经典，全面详细）
4
光学要解决的问题
光的内在？ · 光的本性问题
波动 学说
物理光学
源自文库
经典物理学
量子物理学 · 量子光学
光子 学说
光的外在？ 光的传播规律 几何光学
光线概念
5
第一节 光波与光线
研究光的意义: 90%信息由视觉获得,光波是视觉的载体 光是什么？弹性粒子－弹性波－电磁波－波粒二象性 1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子 1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波 1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波 1905年：爱因斯坦提出光子假设 20世纪：人们认为光具有波粒二象性
光线是光学系统简化设计的重要前提，是成像光学系统设计 的理论基础
12
第二节 几何光线基本定律
一、光的传播现象的分类
灯泡
空气
玻璃
13
光的传播可以分类为： 1、光在同一种介质中的传播； 2、光在两种介质分界面上的传播。
14
二、几何光学基本定律 1、光线在同一种均匀透明介质中时：
成分均匀
透光
直线传播定律· 2、光线在两种均匀介质分界面上传播时，
空气
I2
O1
O2
水
I1 R
1
A
O3
O4
I0
17
发生全反射的条件
必要条件： n1>n2 由光密介质进入光疏介质
充分条件： I1>I0 入射角大于全反射角
sin I0
n2 n1
1870年，英国科学家丁达尔全反射实验
18
全反射的应用
用棱镜代替反射镜：减少光能损失
19
4、独立传播定律
不同光源发出的光在空间某点相遇，彼此 不发生影响，各自独立传播
理解：独立传播定律与干涉现象区别
不认识的人（不共源，性质差异大）-相遇-各自回家-独立传 播定律 认识的熟人（同源；性质差异小（相位/振幅））-相遇-聊一 会-相互影响-干涉现象
20
光路可逆
光路可逆 1、现象
A
门上猫眼？ 狙击手最怕看到什么？
原因：光直线传播定律 （光线基本原理）
物象共轭原理 （光学系统基本原理）
对称轴线
27
✓ 成像基本概念 透镜类型 正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜
会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转
负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜
发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转
28
透镜作用－－－成像
A
A’
A’点称为物体A通过透镜所成的像点。而把A称为物点 A′为实际光线的相交点，如果在A′处放一屏幕，则可以 在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。 A和A′称为共轭点。 A’与A互为物像关系，在几何光学 中称为“共轭”。
23
6、马吕斯定律
马吕斯定律：光线束在各向同性均匀介质中传 播时，始终保持与波面的正交性，并且入射波 面与出射波面各对应点之间的光程为定值
理解：马吕斯定律定义了光线传播方向，同时从波前角度阐 释了光线传播过程中光程的特征
24
第三节 光学系统类别和成像的概念
各种各样的光学仪器 显微镜:观察细小的物体 望远镜:观察远距离的物体
• 物：入射光线的交点
• 实物点：实际入射光线的交点
• 虚物点：入射光线延长线的交点
9
可见光：400-760nm 单色光：同一种波长 复色光：由不同波长的光波混合而成
频率和光速，波长的关系
c
在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变
10
几何光学的研究对象和光线概念
几何光学研究对象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象
特点 不考虑光的本性，把光认为是光线
11
光线是能够传输能量的几何线，具有方向 光波的传播问题就变成了几何的问题所以称之为 几何光学 当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、 衍射时，再采用物理光学的原理
各种光学零件——反射镜、透镜和棱镜
25
✓ 光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求
26
✓光学系统分类
按有无对称轴分： 共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统：没有对称轴线
按介质分界面形状分： 球面系统：系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：系统中包含有非球面 共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一条
透镜成像原理
正透镜：正透镜中心比边缘厚，光束中心部分走的慢，边
缘走的快。
P
P’
A
成实像
O O’
Q
Q’
A’
30
负透镜: 负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，光束 中心部分走得快，边缘走得慢。
A
A’
成虚像
31
名词概念
像：出射光线的交点
实像点：出射光线的实际交点
虚像点：出射光线延长线的交点
6
第一节 光波与光线
一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待， 光波波长
λ
7
光的本质是电磁波 光的传播实际上是波动的传播
物理光学： 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象
几何光学： 研究光宏观的传播规律和传播现象
8
可见光：波长在400-760nm范围 红外波段：波长比可见光长 紫外波段：波长比可见光短
仪器光学系统设计
1
课程基本内容
第一章 几何光学基本 原理 第二章 仪器光学设计 基本理论
第三章 典型成像仪器光学系统设计
第四章 非成像仪器光学系统设计
第五章 仪器光学系统装调理论及方法 2
第一章 几何光学基本原理
3
应用光学讲稿
参考书籍
• 《工程光学》-郁道银、谈恒英（工科经典） • 《应用光学与光学设计基础》-迟泽英（内容全面） • 《几何光学》-张以谟（使用广泛） • 《应用光学》-王文生（光学设计详细） • 《光学原理》-马科斯.波恩（德）；埃米尔.沃尔夫
B
21
应用 光路可逆：
求焦点 光学设计中，逆向计算：目镜，显微物镜等
焦距仪原理？
22
5、费马原理
费马原理：光从一点A传播到另一点B，无论经过多
少介质，走过什么样的路径，其光程是稳定的。（具有 稳定值或极值）
广义多元微分为零 将四条基本定律进行统一概括 光程：几何路径与折射率的乘积 理解：揭示的是光传播的稳定性，即光程具有极 值，光程是极大、极小还是其他定值可以通过变 微分公式算出
反射定律 3、 折射定律
15
A
AO: 入射光线 OB: 反射光线 OC: 折射光线 NN: 过投射点所做的分界面法线 I1: 入射光线和分界面法线的夹角
，入射角 R1: 反射光线和分界面法线的夹 角， 反射角 I2: 折射光线和分界面法线的夹角
，折射角
N B
I1
R1
O I2
C N
16
全反射现象 现象
（美）（经典，全面详细）
4
光学要解决的问题
光的内在？ · 光的本性问题
波动 学说
物理光学
源自文库
经典物理学
量子物理学 · 量子光学
光子 学说
光的外在？ 光的传播规律 几何光学
光线概念
5
第一节 光波与光线
研究光的意义: 90%信息由视觉获得,光波是视觉的载体 光是什么？弹性粒子－弹性波－电磁波－波粒二象性 1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子 1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波 1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波 1905年：爱因斯坦提出光子假设 20世纪：人们认为光具有波粒二象性
光线是光学系统简化设计的重要前提，是成像光学系统设计 的理论基础
12
第二节 几何光线基本定律
一、光的传播现象的分类
灯泡
空气
玻璃
13
光的传播可以分类为： 1、光在同一种介质中的传播； 2、光在两种介质分界面上的传播。
14
二、几何光学基本定律 1、光线在同一种均匀透明介质中时：
成分均匀
透光
直线传播定律· 2、光线在两种均匀介质分界面上传播时，
空气
I2
O1
O2
水
I1 R
1
A
O3
O4
I0
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发生全反射的条件
必要条件： n1>n2 由光密介质进入光疏介质
充分条件： I1>I0 入射角大于全反射角
sin I0
n2 n1
1870年，英国科学家丁达尔全反射实验
18
全反射的应用
用棱镜代替反射镜：减少光能损失
19
4、独立传播定律
不同光源发出的光在空间某点相遇，彼此 不发生影响，各自独立传播
理解：独立传播定律与干涉现象区别
不认识的人（不共源，性质差异大）-相遇-各自回家-独立传 播定律 认识的熟人（同源；性质差异小（相位/振幅））-相遇-聊一 会-相互影响-干涉现象
20
光路可逆
光路可逆 1、现象
A
门上猫眼？ 狙击手最怕看到什么？
原因：光直线传播定律 （光线基本原理）
物象共轭原理 （光学系统基本原理）
对称轴线
27
✓ 成像基本概念 透镜类型 正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜
会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转
负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜
发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转
28
透镜作用－－－成像
A
A’
A’点称为物体A通过透镜所成的像点。而把A称为物点 A′为实际光线的相交点，如果在A′处放一屏幕，则可以 在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。 A和A′称为共轭点。 A’与A互为物像关系，在几何光学 中称为“共轭”。
23
6、马吕斯定律
马吕斯定律：光线束在各向同性均匀介质中传 播时，始终保持与波面的正交性，并且入射波 面与出射波面各对应点之间的光程为定值
理解：马吕斯定律定义了光线传播方向，同时从波前角度阐 释了光线传播过程中光程的特征
24
第三节 光学系统类别和成像的概念
各种各样的光学仪器 显微镜:观察细小的物体 望远镜:观察远距离的物体
• 物：入射光线的交点
• 实物点：实际入射光线的交点
• 虚物点：入射光线延长线的交点
9
可见光：400-760nm 单色光：同一种波长 复色光：由不同波长的光波混合而成
频率和光速，波长的关系
c
在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变
10
几何光学的研究对象和光线概念
几何光学研究对象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象
特点 不考虑光的本性，把光认为是光线
11
光线是能够传输能量的几何线，具有方向 光波的传播问题就变成了几何的问题所以称之为 几何光学 当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、 衍射时，再采用物理光学的原理
各种光学零件——反射镜、透镜和棱镜
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✓ 光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求
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✓光学系统分类
按有无对称轴分： 共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统：没有对称轴线
按介质分界面形状分： 球面系统：系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：系统中包含有非球面 共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一条