應(yīng)用光學(xué)第一章

1、 典型光學(xué)系統(tǒng)典型光學(xué)系統(tǒng)光電子技術(shù)系周花 應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué)參考教材參考教材 1、工程光學(xué)李湘寧 主編 科學(xué)出版社 2、計量光學(xué)許世文 主編 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 3 、應(yīng)用光學(xué)張以謨 主編 電子工業(yè)出版社 4 、工程光學(xué)基礎(chǔ)徐家驊 主編 機械工業(yè)出版社 5 、應(yīng)用光學(xué)概念題解與自測李林 黃一帆 編著 北京理工大學(xué)出版社使用教材使用教材應(yīng)用光學(xué)安連生 編著 北京理工大學(xué)出版社應(yīng)用光學(xué)的研究任務(wù) 應(yīng)用光學(xué)又稱幾何光學(xué)，是光學(xué)學(xué)科中以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播規(guī)律和成像規(guī)律的一個重要的實用性學(xué)科分支。注意注意：實際上光線的概念與光的波動性相違背，因為無論從能量的觀點，還是從光的衍現(xiàn)象來看，這種幾何光

2、線都是不可能存在的。所以，幾何光學(xué)只是波動光學(xué)的近似，是當?shù)牟ㄩL很小時的極限情況。作此近似后，幾何光學(xué)就可以不涉及光的物理本性，而能以便的方法解決光學(xué)儀器中的光學(xué)技術(shù)問題。 可見，在應(yīng)用光學(xué)中并不把光當做電磁波，而是經(jīng)過抽象和簡化，稱為“光線光線”即“攜帶能量的幾何線”。從而將應(yīng)用光學(xué)中光的傳輸變成了一個幾何問題，故稱“幾何光學(xué)”；而其主要的任務(wù)是研究光的應(yīng)用，故又稱“應(yīng)用光學(xué)”?？荚u細則閉卷考試，考試成績占70%，平時占30%。平時成績由作業(yè)、到課率、回答問題、及最終的考試成績共同決定。平時成績按一百分計，少交一次作業(yè)扣10分；曠課一次扣10分。注意： 若考試成績低于50分，平時成績 50分

3、。 第一章第一章 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律 和成像的概念和成像的概念主要內(nèi)容幾何光學(xué)的基本研究方法幾何光學(xué)的基本定律及原理光學(xué)系統(tǒng)的類別和成像概念光學(xué)材料第一節(jié)基本研究方法作為討論和解決問題的一種簡便手段、我們將光學(xué)中的概念和幾何中的點、線、面有機的結(jié)合起來，得到了幾何光學(xué)中的基本概念。在幾何光學(xué)中，把組成物體的物點看作是幾何點，把物體所發(fā)出的光束看作是無數(shù)幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向。在此假設(shè)下，根據(jù)光線的傳播規(guī)律，在研究物體被透鏡或其他光學(xué)元件成像的過程，以及光學(xué)儀器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計等方面都顯得十分方便和實用?；靖拍?1發(fā)光點和光源2光線3光束 4 光路發(fā)光點概

4、念：光源作為光的輻射體，當光源直徑遠 小于光源輻射的作用距離時，我們 稱光源為發(fā)光點。特點：把光源當作一種無尺寸無大小的幾何點注意：任何被成像的物體都有無數(shù)發(fā)光點組成類似于類似于物理中物理中的質(zhì)點的質(zhì)點當光束的直徑其輻射距離時，稱該光束為光線，其方向沿著光的傳播方向。光線光線：攜帶能量的幾何線，其方向為能量傳播的方向。光線光束光束：即光線束， 為光線的集合， 是物理光學(xué)中波面的法線束。分類：同心光束：所有光線發(fā)自一點或 會聚到一點。 平行光束：所有光線之間相互平行。 像散光束：所有光線即不相交一點 也不嚴格平行。平面波面平行光束球面波面同心光束像散光束像散光束光路概念：顧名思義，就是光的傳播路

5、徑。光路方向：規(guī)定光線傳播方向從左到右為 正的光路反之為逆向光路。注意：由于光線有無數(shù)條，所以光路也有 無數(shù)個。在實際應(yīng)用中我通常取一個界面， 研究其中的幾條光線的光路來解決成像問題。第二節(jié)基本定律光的直線傳播定律光的獨立傳播定律光的折射和反射定律費馬原理光的可逆性原理光的全反射現(xiàn)象介質(zhì)折射率和光速的關(guān)系幾何光學(xué)基本定律 光的直線傳播定理光的獨立傳播定理內(nèi)容：不同的光線從不同的方向通過空間某一點時，彼此不發(fā)生影響，對其中的某一束光線而言，猶如沒有其他光線存在時那樣傳播，在光線的相交點上，其作用是相加的。注意：該定理只對非相干光成立，相干光源并不成立。光的折射和反射定律nanbIIInab介質(zhì)介

6、質(zhì)b相對于介相對于介質(zhì)質(zhì)a的折射率的折射率SSn2n1沿任一折射線方向觀察沿任一折射線方向觀察 費馬原理極值bAndlsBAndlS0（極大值，極小值或恒定值） 光的可逆性原理1221sinsinnnII2112sinsinnnII光的全反射現(xiàn)象v條件：1. 光線由光密介質(zhì)1（折射率n1大）射向 光疏介質(zhì)2（折射率n2?。?； 2.入射角大于臨界角；臨界角可由下式求出：v應(yīng)用：21120,sinnnnnI其中當入射光的入射角I大于某值時，兩種介質(zhì)的分界面把入射光全部反射回原介質(zhì)中去，這種現(xiàn)象稱為“全反射”或“完全內(nèi)反射”。（1）制成各種全反射棱鏡，用于折轉(zhuǎn)光路，代替平面反射鏡。）制成各種全反射棱

7、鏡，用于折轉(zhuǎn)光路，代替平面反射鏡。（2）制造光導(dǎo)纖維。）制造光導(dǎo)纖維。（3）測介質(zhì)的折射率）測介質(zhì)的折射率第四節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的類別和成像概念光學(xué)系統(tǒng)：根據(jù)需要改變光線傳播方向以滿足使用要求的光學(xué)元件組合。 光學(xué)元件：由球面、平面或非球面包圍一定折射率的介質(zhì)組成。光學(xué)系統(tǒng)的分類光學(xué)系統(tǒng)非共軸系統(tǒng)共軸系統(tǒng)共軸非球面系統(tǒng)共軸球面系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)非球面系統(tǒng)球面系統(tǒng)共軸非球面系統(tǒng)共軸球面系統(tǒng)共軸球面光學(xué)系統(tǒng)：如果各光學(xué)元件均由球面組成，所有的球心均位于同一條直線上，這樣的光學(xué)系統(tǒng)就叫做共軸球面光學(xué)系統(tǒng)。該直線就是整個系統(tǒng)的對稱軸線，為光軸。透鏡負透鏡：雙凹，平凹，負月牙正透鏡：雙凸，平凸，正月牙透鏡光學(xué)系統(tǒng)的基

8、本元件沿軸厚度比沿軸厚度比邊緣厚度大邊緣厚度大物空間：物所在的空間。 光 軸：光學(xué)系統(tǒng)的對稱軸。光學(xué)系統(tǒng)的幾個基本概念頂 點：光軸與透鏡面的交點。 像空間：像所在的空間。 物像物：光學(xué)系統(tǒng)中入射光線會聚點的集合或入射光線延長線會聚點的集合，成為該系統(tǒng)的物。實 物：能實際發(fā)出光線的物體（實物點： 實際入射光線的出發(fā)點） 。虛 物：不是由實際入射光線，而是由入射光 線的延長線相交而成的物體（虛物點： 實際入射光線延長線的交點） 。 實 像：實際出射光線相交所成的像（實像點： 實際出射光線的交點） 。虛 像：由出射光線（反射或折射光線）的反 向延長線相交而成的像（虛像點：實 際出射光線延長線的交點）

9、 。 共 軛：物像之間的一一對應(yīng)關(guān)系在光學(xué)上稱 為共軛。 像：光學(xué)系統(tǒng)中出射光線會聚點的集合或出射光線延長線會聚點的集合，稱為物對該系統(tǒng)所成的像。1. 實像、虛像均可用人眼來觀察， 因為的確有實際的光線進入了人眼。2.虛像無法用屏幕接收，也不能使底片曝光。網(wǎng)上問題：虛像不可以在底片上成像，為什么可以用照相機照出水中的倒影？ 關(guān)于實像、虛像的幾點說明物空間：物所在的空間，像空間：像所在的空間，物空間分為實物空間和虛物空間，像空間分為實像空間和虛像空間。根據(jù)定義：光學(xué)系統(tǒng)第一個曲面以前的空間稱為“實物空間”，而第一個曲面以后的空間為“虛物空間”，系統(tǒng)最后一個曲面以后的空間為“實像空間”，最后一個曲

10、面以前的空間為“虛像空間”，整個物空間和像空間都是可以無限擴展的，因而不能按照空間位置來劃分物空間和像空間。物象空間的介質(zhì)折射率計算方法：物空間介質(zhì)的折射率按實際入射光線所在的介質(zhì)折射率來計算，像空間的介質(zhì)折射率，按實際出射光線所在空間的介質(zhì)折射率來計算。v幾點說明： 1.物像空間的折射率僅取決與實際的入射光線和出射光線的位置，而與物像的位置和虛實無關(guān)。2.在圖示表示中，實際光線用帶箭頭的實線表示，實際光線的延長線用帶箭頭的虛線表示。3.實物用實線繪出虛物用虛線繪出。4.輔助線用點劃線繪出。 思考：某物通過一透鏡成像在該透鏡內(nèi)部，透鏡材料為玻璃，透鏡兩側(cè)均為空氣，試問物所成的像空間介質(zhì)是玻璃還

11、是空氣？第五節(jié)理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)理想像：又稱完善像是指由同一物點發(fā)出的所有光線，通過光學(xué)系統(tǒng)后仍然相交與唯一的像點。理想光學(xué)系統(tǒng)：在物、像空間滿足“點對應(yīng)點，直線對應(yīng)直線，平面對應(yīng)平面關(guān)系的光學(xué)系統(tǒng)。共軸理想光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)位于光軸上的物點，其對應(yīng)的像點也一定位于光軸上。位于過光軸的某一截面內(nèi)的物點，其對應(yīng)的像點也一定位于此平面內(nèi)。位過光軸的任意截面內(nèi)的成像性質(zhì)都是相同的，因此用一個過光軸的截面來代表一個共軸系統(tǒng)。 垂直于光軸的物平面的共軛像面也一定垂直于光軸。位于垂直光軸的同一平面內(nèi)的物所成的像，其幾何形狀與物完全相似。一個共軸理想光學(xué)系統(tǒng)，如果已知兩對共軛面的位置和放大率，或者一對共軛

12、面的位置和放大率一級軸上兩對共軛點的位置，其它一切物點的共軛像點都可以根據(jù)已知的共軛面和共軛點求出。第六節(jié)光學(xué)材料為得到良好的成像質(zhì)量，光學(xué)材料 應(yīng)該滿足如下要求：1.高度的光學(xué)均勻性；2.最大的透明度，以減少光能的吸收損失；3.良好的物理性能和化學(xué)穩(wěn)定性；4.內(nèi)部盡可能無雜質(zhì)、氣泡和條紋；對某些特殊場合，要求在激發(fā)光照射時不 產(chǎn)生熒光。光學(xué)玻璃由硅，磷，硼，鉛，鉀，鈉，鋇，砷，鋁等的氧化物按一定的配方在高溫條件下形成巖溶液體，經(jīng)過冷卻而得到的無定形體。其中多用硅酸鹽玻璃(SiO2)和硼酸鹽玻璃（B2O3）。玻璃除了具有固體的機械性能和光學(xué)性能外，還具有一下物理性能： 1.各向同性 2.沒有熔

13、點，僅有一個軟化的溫度范圍 3.具有較高的內(nèi)能光學(xué)玻璃由于同一玻璃對各種顏色的光具有不同的傳播速度，即不同顏色的光具有不同的折射率。因此，光學(xué)玻璃的性質(zhì)由一系列特定光譜線的折射率來決定。具體如下表：顏色紅黃綠青藍紫譜線符號ACDdeFgGh波長(nm)766.5656.3589.3587.6546.1486.1435.6434.1404.7對應(yīng)元素KHNaHe Hg HHg HHg常用光學(xué)參數(shù)： 1.基本折射率平均色散阿貝常數(shù) 相對色散部分色散譜線C、F、h、g、e、A及紅外波長 863.0nm及紫外波長365.0nm的折射率CFDnnnv1CFnnDn光學(xué)材料選材要點： 1.成像質(zhì)量（消像差

14、）的要求.使用環(huán)境（室內(nèi)室外，水下，放射， 特殊溫度要求，腐蝕，熒光等）.降低成本（盡量選擇常用的、易購買的）光學(xué)玻璃分類冕牌光學(xué)玻璃（K）：低折射率、低色散火石光學(xué)玻璃（F） ：高折射率、高色散稀土光學(xué)玻璃：高折射率、低色散氟鈦光學(xué)玻璃：低折射率、高色散晶體 晶體：具有晶格結(jié)構(gòu)的固體。即構(gòu)成晶體的 內(nèi)部質(zhì)子以點陣的形式在三維空間作 有規(guī)律的重復(fù)排列。例如：石英、巖 鹽、螢石和其他堿金屬鹵化物的 塊單晶體。優(yōu)點： 大部分的光學(xué)玻璃僅局限與紫外和可見 光波段，但有些晶體的透過范圍看以從 紫外到紅外，因此可以用來制作傳播寬 波段電磁輻射的元件晶體的分類及用途紫外晶體：氟化鋰（i）、溴化鉀（r ）、 石英（i）紅外晶體：硅（i）、巖鹽（acl）、三硫化二砷玻璃激光晶體：寶石、氟化鈣、釔鋁石榴石偏振晶體：方解石（CaCO3）、石英、硝酸鈉非線性晶體：聲光、電光、變頻復(fù)消色差晶體：光子晶體：光學(xué)塑料（1.47/.60） 常用的光學(xué)塑料：1.PMMA：化學(xué)名：聚甲基丙烯酸甲酯 產(chǎn)品名：亞克力、亞加力(英文acrylic)，俗稱有機玻璃特點：所有塑料中透明度最高 透射率：可見光：91%94% 紫外光:73 % 折射率：1.492 2.PC： 化學(xué)名：聚碳酸酯（Polycarbonate）特點：與PMMA相