工程光學(xué)基礎(chǔ)-課程復(fù)習(xí)

復(fù)習(xí)課(QQ:191236961)（yuanxingqi@hpu.edu.cn)2010-2011學(xué)年其次學(xué)期工程光學(xué)1.幾何光學(xué)的基本定律2.成像的概念和完善成像的條件3.光路計算和近軸光學(xué)系統(tǒng)第一章幾何光學(xué)基本定律

與成像概念一、基本概念光線：波面：某一時刻其振動位相相同的點(diǎn)所構(gòu)成的面稱為波陣面，簡稱波面。第一節(jié)幾何光學(xué)的基本定律

光束：同心光束：通常波面可分為平面波、球面波和任意曲面波。與平面波對應(yīng)的光束成為平行光束，與球面波對應(yīng)的光束稱為同心光束。同心光束可分為會聚光束和發(fā)散光束。

折射率：光速減慢程度：二、幾何光學(xué)基本定律（1）光的直線傳播定律（2）光的獨(dú)立傳播定律（3）光的折射定律（4）光的反射定律入射角、反射角和折射角，均以銳角度量，由光線轉(zhuǎn)向法線，順時針方向旋轉(zhuǎn)形成的角度為正，反之為負(fù)。4.光路的可逆性光線的傳播是可逆的，這就是光路的可逆性。5.全反射現(xiàn)象發(fā)生全反射的條件可歸結(jié)為:（1）光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；（2）入射角大于臨界角。(1)光程(2)Fermat原理內(nèi)容7、費(fèi)馬(Fermat)原理－幾何光學(xué)的基本定律

光程均勻介質(zhì)中：L＝n×s

其中n為介質(zhì)的折射率，s為光經(jīng)過的幾何路徑。非均勻介質(zhì)中

(1)光程－費(fèi)馬原理光程為光在介質(zhì)中傳播的時間和真空中光速的乘積.光線從任一點(diǎn)A傳播到另一點(diǎn)B，是沿光程為極值的路徑傳播。數(shù)學(xué)表示：

說明:該處極值可以是極大值、微小值或常值.

(2)Fermat原理內(nèi)容－費(fèi)馬原理(1)內(nèi)容

垂直于入射波面的入射光束，經(jīng)過任意次的反射和折射后，出射光束仍然垂直于出射波面，并且在入射波面和出射波面間全部光路的光程相等。(2)數(shù)學(xué)表示

8、馬呂斯(Malus)定律Malus定律的解釋圖ABC123A’B’C’3’2’1’p1p2光學(xué)系統(tǒng)其次節(jié)成像的基本概念與完善成像條件一、完善成像的概念完善像點(diǎn)。完善像。物空間，像空間。二、光線經(jīng)過球面的折射共軸光學(xué)系統(tǒng)，該直線為光軸。三、完善成像條件入射波面為球面波時，出射波面也是球面波?；蛉肷涔馐峭墓馐鴷r，出射光也是同心光束。

等光程是完善成像的條件。四、物、像的虛實實際光線相交所形成的點(diǎn)為實物點(diǎn)或?qū)嵪顸c(diǎn)光線的延長線相交所形成的點(diǎn)為虛物點(diǎn)或虛像點(diǎn)a）實物成實像b）實物成虛像c）虛物成實像d）虛物成虛像

第三節(jié)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)

平面看成是球面半徑無窮大的特例，反射是折射在時的特例。

球心C，入射光AE，法線EC，折射光EA'

I、I'為入射角和折射角，AC為光軸，O為球面頂點(diǎn)1.光線經(jīng)球面折射時的光路計算我們用兩個量來表示一條光線：（1）A到O的距離OA，記作L，稱為截距。（2）光軸到光線的夾角，記作U，稱為孔徑角。L、U兩量唯一地確定了一條光線在子午面內(nèi)（紙內(nèi)）的位置。正負(fù)號規(guī)定：（1）線段（2）角度

2.近軸光路計算公式當(dāng)角很小時（指肯定值很小），這時間線在很靠近光軸的區(qū)域內(nèi)（此區(qū)域通常稱為近軸區(qū)），光線稱為近軸光線。此時，相應(yīng)的、、等都比較小，(為弧度值)用弧度值替換正弦值：每面折射前后的不變，稱為阿貝不變量此式表示用一個坐標(biāo)（參量）就能決定近軸光位置（像點(diǎn)位置）。第四節(jié)球面光學(xué)成像系統(tǒng)垂軸放大率律為可以用垂軸放大率的值辨別物像性質(zhì)：<0物像互為倒立，實物實像或虛物虛像,>0物像互為正立,實物虛像或虛物實像.>1,像放大；=1,物象等大.<1，像縮?。?1)物和像的虛實(2)像的放大和縮小2）軸向放大率－放大率軸向放大率

說明：對于折射球面，a>0，則dl和dl’同號，物像運(yùn)動方向相同。軸向放大率與垂軸放大率不等。F’OFAA’-ll’CC’dl’dl3)角放大律

ABB'A'我們定義角放大率為和是一對共軛角.在上圖折射系統(tǒng)中,A和A

是一對共軛物像點(diǎn),(1-4-3)上式稱為拉格郎日不變式，J為拉赫不變量。垂軸放大率與軸向放大率、角放大率的關(guān)系是其次章抱負(fù)光學(xué)系統(tǒng)基點(diǎn)、基面、主點(diǎn)、主面（焦點(diǎn)、焦平面）及其特點(diǎn)。F’-ll’-x-fFx’f’二、角放大率

定義：象方孔徑角u’的正切與物方孔徑角u的正切之比

又

放大率之間的關(guān)系

§2.5抱負(fù)光學(xué)系統(tǒng)的組合反向棱鏡的等效作用與展開：掌握方法折射棱鏡中光楔的偏向角公式（課P53）及其測微應(yīng)用第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制光闌定義、作用、分類?？讖焦怅@、入瞳、出瞳、視場光闌、入射窗、出射窗定義。一般照相系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。漸暈概念。光瞳連接原則。出瞳距。景深概念及影響因素。第五章光度學(xué)和色度學(xué)基礎(chǔ)各輻射量、光學(xué)量含義。光譜光效率函數(shù)定義。顏色分類及三個表觀特征。兩種顏色匹配方法三原色、三刺激值概念。第七章典型光學(xué)系統(tǒng)眼睛視場及清楚觀察范圍。眼睛的校正。攝影系統(tǒng)的組成。影響攝影物鏡的因素。影響物鏡景深的因素。投影系統(tǒng)的作用實質(zhì)。投影系統(tǒng)中照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類。激光的優(yōu)點(diǎn)。激光高斯光束名義截面定義。表征掃描光學(xué)系統(tǒng)掃描特性的三個參數(shù)。光學(xué)掃描系統(tǒng)的三種形式。光纖的兩種分類。第九章光的電磁理論基礎(chǔ)

第一節(jié)光的電磁性質(zhì)（2）：Maxwell方程積分形式高斯定理：渦旋定理：法拉第定理：后兩個公式反映了磁場和電場之間的相互作用。第九章光的電磁理論基礎(chǔ)

第一節(jié)光的電磁性質(zhì)（4）：電磁場的波動性第九章光的電磁理論基礎(chǔ)

第一節(jié)光的電磁性質(zhì)（5）：平面電磁波及其性質(zhì)（三）平面電磁波的性質(zhì)1、橫波特性：電矢量和磁矢量的方向均垂直波的傳播方向。2、E、B、k互成右手螺旋系。3、E和B同相第九章光的電磁理論基礎(chǔ)

第五節(jié)光波的疊加（1）：一、波的疊加原理波的疊加原理：幾個波在相遇點(diǎn)產(chǎn)生的合振動是各個波在該點(diǎn)產(chǎn)生振動的矢量和。（p213)注意幾個概念：1、疊加結(jié)果為光波振幅的矢量和，而不是光強(qiáng)的和。2、光波傳播的獨(dú)立性：兩個光波相遇后又分開，每個光波仍然保持原有的特性（頻率、波長、振動方向、傳播方向等）。3、疊加的合矢量仍然滿意波動方程的通解:式（9－20）。一個實際的光場是很多個簡諧波疊加的結(jié)果。第九章光的電磁理論基礎(chǔ)

第五節(jié)光波的疊加（4）：二、兩個頻率相同、振動方向相同的單色光波的疊加（三）對疊加的結(jié)果分析的主要對象：合成的光強(qiáng)，第九章光的電磁理論基礎(chǔ)

第五節(jié)光波的疊加（5）：三、駐波兩個頻率相同、振動方向相同而傳播方向相反的單色光波的疊加將形成駐波。垂直入射的光波和它的反射光波之間將形成駐波。第九章光的電磁理論基礎(chǔ)

第五節(jié)光波的疊加（10）：群速度和相速度1、相速度：等位相面?zhèn)鞑サ乃俣葄或t2、群速度：等振幅面?zhèn)鞑サ乃俣葄或t第九章光的電磁理論基礎(chǔ)

第五節(jié)光波的疊加（10）：群速度和相速度在真空中傳播時，波速相同，相速度和群速度相等。在色散介質(zhì)中傳播時，不同頻率的光波傳播速度不同，合成波形在傳播過程中會不斷地變化，相速度和群速度便不同了。第十章光的干涉§10－1光波的干涉條件§10－2楊氏干涉實驗§10－4平板的雙光束干涉§10－5典型的雙光束干涉系統(tǒng)及其應(yīng)用§10－6平行平板的多光束干涉及其應(yīng)用§10－3干涉條紋的可見度§10－1光波的干涉條件：二、干涉條件干涉條件：§10－2楊氏干涉實驗:一、干涉圖樣的計算3、干涉條紋的意義用光程差表示：結(jié)論：1、干涉條紋代表著光程差的等值線。2、相鄰兩個干涉明(或暗)條紋之間其光程差變化量為一個波長l，相位差變化2p。在同一條紋上的任意一點(diǎn)到兩個光源的光程差是恒定的。§10－2楊氏干涉實驗:一、干涉圖樣的計算5、干涉條紋間隔與波長x0白條紋白條紋白光條紋紅黃綠紫§10－3干涉條紋的可見度可見度定義K表征了干涉場中某處干涉條紋亮暗反差的程度。二、平行平板干涉（等傾干涉）2.平板干涉裝置注意：采納擴(kuò)展光源，條紋域在無窮遠(yuǎn)。條紋成象在透鏡的焦平面上?！?0－4平板的雙光束干涉n'n二、楔形平板干涉（等厚干涉）§10－4、平板的雙光束干涉§10－5典型的雙光束干涉系統(tǒng)及其應(yīng)用（課P241）一、典型干涉系統(tǒng)1、斐索干涉儀基本特點(diǎn)：（1）屬于等厚干涉（2）干涉光束，一個來自標(biāo)準(zhǔn)反射面，一個來自被測面。重點(diǎn)掌握：（1）光程差與厚度的關(guān)系。（2）厚度變化與條紋彎曲方向的關(guān)系。（3）干涉面間距變化與條紋移動的關(guān)系?！?0－5典型的雙光束干涉系統(tǒng)及其應(yīng)用一、典型干涉系統(tǒng)2、邁克爾遜干涉儀（1）特點(diǎn)：M1和M2垂直時是等傾干涉，否則為等厚干涉。掌握：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，（2）M1或M2垂直于光線移動時對條紋的影響?！?0－5典型的雙光束干涉系統(tǒng)及其應(yīng)用一、典型干涉系統(tǒng)2、邁克爾遜干涉儀（2）DS§11－4光學(xué)成像系統(tǒng)的衍射和分辨本領(lǐng)第十一章光的衍射§11－1光的標(biāo)量衍射理論§11－2典型孔徑的夫瑯和費(fèi)衍射光的衍射現(xiàn)象：光波在空間傳播遇到障礙時，其傳播方向會偏離直線傳播，彎入到障礙物的幾何陰影中，并呈現(xiàn)光強(qiáng)的不均勻分布的現(xiàn)象。是光的波動性的主要標(biāo)志之一。衍射現(xiàn)象的分析：（1）菲涅耳衍射：距離衍射屏近處的衍射。（2）夫瑯和費(fèi)衍射：距離衍射屏遠(yuǎn)處的衍射。第十一章光的衍射光的衍射一、惠更斯－菲涅耳原理1、惠更斯原理：（1）波陣面的形成，（2）波面的傳播方向。2、惠更斯－菲涅耳原理波陣面外任一點(diǎn)光振動應(yīng)該是波面上全部子波相干疊加的結(jié)果。圖13-4點(diǎn)光源S對P點(diǎn)的作用圖13-3光波通過圓孔的惠更斯作圖法§11－1.光波的標(biāo)量衍射理論六.巴俾里（Babinet)原理設(shè)有兩個互補(bǔ)屏：E1＋E2＝無屏產(chǎn)生的衍射：除中心點(diǎn)P＝0，則光強(qiáng)：所以外形大小一樣的屏和孔產(chǎn)生的衍射圖樣是一樣的，一個外形相等的狹縫和細(xì)絲的衍射圖形也是一樣?！?1－2、典型孔徑的夫瑯合費(fèi)衍射二、成像系統(tǒng)的分辨率1、瑞利判據(jù)。10.81當(dāng)一個象點(diǎn)的衍射光斑主極大和另一個像點(diǎn)的衍射的第一微小值重合時，兩個像點(diǎn)剛好被分開?！?1－4光學(xué)成像系統(tǒng)的衍射和分辨本領(lǐng)（了解）第十二章光的偏振§12－1偏振光概述§12－2晶體的雙折射§12－3晶體偏振器件§12-4偏振的矩陣表示光波表達(dá)式與光波的三個特性：頻率、傳播方向、振動方向。角頻率：w，傳播方向，電矢量的振動方向。一.偏振光與自然光偏振：橫波，即它的振動方向總是垂直于傳播方向。§12－1偏振光概述由反射與折射產(chǎn)生偏振光由二向色性產(chǎn)生偏振光由雙折射產(chǎn)生偏振光二、獲得偏振光的方法反射光的偏振化程度與入射角有關(guān)。1812年，布儒斯特由實驗證明：若光從折射率為n1的介質(zhì)射向折射率為n2的介質(zhì)，當(dāng)入射角滿意時，反射光中就只有垂直于入射面的光振動，而沒有平行于入射面的光振動，這時反射光為線偏振光，而折射光仍為部分偏振光。這就是Brewster定律。其中i0叫做起偏角或布儒斯特角。布儒斯特定律note：

i0

—稱為布儒斯特角或起偏角折射光仍為部分偏振光

入射角為i0

，

反射光線垂直折射光線

證明：n2n1布儒斯特角不同于全反射的臨界角

當(dāng)且僅當(dāng)時，反射光才是線偏振光。且n1>n2或n1<n2都可以。

而全反射:入射角i

i臨都是全反射。由于故只有n1>n2