应用光学2006(第一章)f

1、2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所1应用光学应用光学2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所2授授课教师课教师： 光电测控技术与装备研究所光电测控技术与装备研究所庄志涛庄志涛E-mail: 办公电话：办公电话：86402312/3-800办公地点：办公地点：制造楼制造楼6042022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所3研究领域 光电测试技术与仪器光电测试技术与仪器 视觉检测技术与图像处理视觉检测技术与图像处理 网络化测试技术网络化测试技术 生物医学图像技术生物医学图像技术 Op

2、tics Instrument & Automation Lab. (OIAL) http:/ 光电测试技术与仪器光电测试技术与仪器 主要研究光学与电子学相结合的测量与控制方法主要研究光学与电子学相结合的测量与控制方法及相应的装备，在激光测量技术和光纤测量技术及相应的装备，在激光测量技术和光纤测量技术等方面取得一系列成果等方面取得一系列成果 。 快速、非接触式激光测快速、非接触式激光测量系统在很多应用中具有其他测量手段不可比拟量系统在很多应用中具有其他测量手段不可比拟的优势。随着激光技术、精密机械技术和电子技的优势。随着激光技术、精密机械技术和电子技术的发展，光、机、电三者相结合的产品

3、如激光术的发展，光、机、电三者相结合的产品如激光干涉仪、激光跟踪仪，激光坐标测量机，激光测干涉仪、激光跟踪仪，激光坐标测量机，激光测距仪，全站仪等仪器在工业检测中占有举足轻重距仪，全站仪等仪器在工业检测中占有举足轻重的地位。的地位。 2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所5研究领域研究领域 视觉检测技术与图像处理视觉检测技术与图像处理 是精密测试技术领域内最具有发展潜力的新技是精密测试技术领域内最具有发展潜力的新技术，它综合运用了电子学、光电探测、图象处术，它综合运用了电子学、光电探测、图象处理和计算机技术，将机器视觉引入到工业检测理和计算机技术，将机器

4、视觉引入到工业检测中，实现对物体中，实现对物体( (产品或零件产品或零件) )三维尺寸或位置三维尺寸或位置的快速测量，具有非接触、速度快、柔性好等的快速测量，具有非接触、速度快、柔性好等突出优点，在现代制造业中有着重要的应用前突出优点，在现代制造业中有着重要的应用前景。视觉检测技术为解决在线测量问题提供了景。视觉检测技术为解决在线测量问题提供了一个理想的手段，美国国家标准局八十年代在一个理想的手段，美国国家标准局八十年代在调查的基础上曾作过预测：今后工业检测工作调查的基础上曾作过预测：今后工业检测工作的的80%80%将由视觉检测技术完成。经过十多年的将由视觉检测技术完成。经过十多年的发展，视觉

5、检测技术在国内外都获得了长足的发展，视觉检测技术在国内外都获得了长足的进步，应用领域已涵盖汽车、钢铁、微电子器进步，应用领域已涵盖汽车、钢铁、微电子器件等几乎所有的现代制造业领域件等几乎所有的现代制造业领域。 2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所6 网络化测试技术网络化测试技术 网络的最大特点就是可以实现资源共享，使现有资网络的最大特点就是可以实现资源共享，使现有资源得到充分利用，从而实现多系统、多专家的协源得到充分利用，从而实现多系统、多专家的协同测试与诊断，它解决了已有总线在仪器台数上同测试与诊断，它解决了已有总线在仪器台数上的限制，使一台机器为更

6、多的用户使用，实现测的限制，使一台机器为更多的用户使用，实现测量信息的共享，实现整个测试过程的高度自动化、量信息的共享，实现整个测试过程的高度自动化、智能化，同时减少了硬件的设置，有效降低了测智能化，同时减少了硬件的设置，有效降低了测试系统的成本。另外，网络可以不受地域的限制，试系统的成本。另外，网络可以不受地域的限制，这就决定了网络化测试系统可以实现远程测控，这就决定了网络化测试系统可以实现远程测控，使测试人员不受时间和空间的限制，随时随地获使测试人员不受时间和空间的限制，随时随地获取所需信息，同时网络化测试系统还可以实现测取所需信息，同时网络化测试系统还可以实现测试设备的远距离测试与诊断，

7、提高测试效率。正试设备的远距离测试与诊断，提高测试效率。正是网络化测试系统的这些优点，使得网络化测试是网络化测试系统的这些优点，使得网络化测试技术倍受关注。技术倍受关注。 研究领域研究领域2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所7 生物医学图像技术生物医学图像技术 生物医学图像在生命科学研究、医学诊断、临生物医学图像在生命科学研究、医学诊断、临床治疗等方面起着重要的作用。生物医学图像床治疗等方面起着重要的作用。生物医学图像技术主要研究生物医学成像和图像处理方面的技术主要研究生物医学成像和图像处理方面的基本原理方法和发展趋势。针对国内外的先进基本原理方法和发

8、展趋势。针对国内外的先进技术，尤其是在射频超声等医学信号、信息提技术，尤其是在射频超声等医学信号、信息提取方法方面开展深入的研究。取方法方面开展深入的研究。 研究领域研究领域2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所8师资力量师资力量 光电测控技术与装备研究所经过多年发展，光电测控技术与装备研究所经过多年发展，现有现有400400平方米实验室，在编人员平方米实验室，在编人员1010人，教授四人，教授四名名( (浦昭邦浦昭邦, ,袁怡宝袁怡宝, ,刘宛予刘宛予, ,张琢张琢), ), 副教授二名副教授二名( (刘刘国栋国栋, ,庄志涛庄志涛), ), 在读博士

9、助教在读博士助教3 3人（刘炳国，任淑人（刘炳国，任淑燕，胡涛），高级技师燕，胡涛），高级技师1 1人（王文涛），陈凤东人（王文涛），陈凤东（博士，留校工作，计算机学院）（博士，留校工作，计算机学院）. . 光电测控技术与装备研究室科研方向隶属光电测控技术与装备研究室科研方向隶属于自动化测试与控制一级学科，自建所以来，于自动化测试与控制一级学科，自建所以来，培养博士生培养博士生2828人、硕士生人、硕士生4848余人余人 。现承担博士。现承担博士研究生学位课一门、硕士生学位课多门。研究生学位课一门、硕士生学位课多门。2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所

10、9激光焦点法多功能测量系统激光焦点法多功能测量系统柱面镜四象限光电二极管L1O2L2L3O1zABlLDL4/4 片偏振分光棱镜 splitter线圈磁铁分光棱镜被测面A信号处理电路数据采集卡恒流源驱动电路zyx2341光杠杆23412022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所10万万工工显显视视觉觉测测量量仪仪器器2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所112022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所12考试成绩组成：考试成绩组成：期末考试试卷面成绩绩: 70%平时时成绩绩 : 30%作

11、业业成绩绩： 10%实验实验成绩绩： 10%出勤成绩绩： 10%注意： 缺勤一次扣缺勤一次扣5分，分，三次和三次和三次以上缺勤者或或缺席一次和一次以上一次和一次以上实验实验的，的，不准参参加期末考试试2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所13本门课门课程的主要参参考教教材 1、工程光学基础 徐家骅 主编 机械工业出版社 2、工程光学李湘宁 主编 科学出版社 3、计量光学许世文 主编 哈尔滨工业大学出版社2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所14光-Light，是我们们最熟悉的现现象之一，没没有光，人类类就无法生存。

12、地球上的主要能源都是直接或间接来地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！自太阳能！2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所15生活中，大自然中有关光的现象无处不在生活中，大自然中有关光的现象无处不在佛光2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所16彩虹2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所17海市蜃楼2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所18日晕2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所192022-3-

13、19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所20几何光学发展最为迅速，荷几何光学发展最为迅速，荷兰数学家兰数学家斯涅尔斯涅尔发现的准确发现的准确的折射定律对于的折射定律对于光学仪器的光学仪器的设计和改进具有重要意义设计和改进具有重要意义！为研究整个光学系统提供了为研究整个光学系统提供了计算的可能。计算的可能。2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所21光学开始进入了一个新的时期，以致于成光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。组成部分。二十世纪六十年代，激光问

14、世。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，如：许多多新兴的光学学科，如：傅立叶光学傅立叶光学薄膜光学薄膜光学集成光学集成光学纤维光学纤维光学全息光学全息光学红外与微光技术红外与微光技术等等等等2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所22光学学的应应用领领域越来来越广泛工业工业：显微镜、汽车车身的检测、机器人视觉、材料金相结构：显微镜、汽车车身的检测、机器人视觉、材料金相结构 等等等等车车身身模模型型数数字字化化系系统统2022-3-19哈工大光电测控技术

15、与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所23农业农业：收割、除草、叶面与与果实实的检检测测叶面积仪叶面积仪2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所24军军事：望远镜远镜、夜视仪视仪、导弹导弹制导导、激光测测距、无人驾驶侦驾驶侦探机、平视显视显示器等等红外侦察红外侦察2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所25激光制导导2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所26潜望镜镜2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所27红红外雷达达和平视显视显示器2

16、022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所28医学医学：CT、胃镜镜、虹膜检测检测、生物检测检测通信：光缆通讯通信：光缆通讯航天：资源勘探、星际探索航天：资源勘探、星际探索 哈勃号太空望远镜是被送入哈勃号太空望远镜是被送入轨道的口径最大的望远镜。总长轨道的口径最大的望远镜。总长12.8米，镜筒直径米，镜筒直径4.28米，主镜直米，主镜直径径2.4米，连外壳孔径则为米，连外壳孔径则为3米，米，全重全重11.5吨吨日用：扫描仪、光碟、照相机日用：扫描仪、光碟、照相机2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所29哈勃太空望远镜远镜

17、2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所30“哈勃”太空望远镜远镜拍摄摄的狮狮子座“NGC 3370”螺旋星系的照片2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所31哈勃望远镜远镜2002年5月到12月拍摄摄到的太空神秘发发光星体图图片2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所32人们还们还在不断研断研究光的应应用领领域宇宇宙宙1号号太太阳阳帆帆宇宙1号的太阳帆面积为530.93平方米，由光压获得的推力为255克。如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力即

18、为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在200多天内飞抵火星2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所33应该应该指出的是，人们对们对光的认识还远认识还远未完结结，对对光的本性、传传播规规律以及光与与物质质相互作用的研研究还还在不断继续断继续。2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所34几何（应应用）光学学的研研究内内容采用光的直线传播概念，研究光采用光的直线传播概念，研究光传播的基本规律和光通过光学系传播的基本规律和光通过光学系统成像的原理和应用统成像的原理和应用几何（应应用）光学学的研研究目的

19、2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所352022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所362022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所37光切显微镜2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所382022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所392022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所402022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所41第一章第一章 几

20、何光学的基本原理几何光学的基本原理2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所42 在工农业、科学技术以及人类生活的各个领域，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，使用着种类繁多的的光学仪器，如望远镜，显微镜，投影仪等。投影仪等。 光学系统：千差万别光学系统：千差万别 但是其基本功能是共同的：传输光能或对所研究但是其基本功能是共同的：传输光能或对所研究的的。研究光的传播和光学成像的规律对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！于设计光学仪器具有本质的意义！1-1 光波和光线光波和光线2022

21、-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所43 从从本质质上讲讲，光是电电磁波，它它是按照波动动理论进论进行传传播。 但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系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和处理上的很大困难，在实际解决问题时也不方便。不方便。好累！太不方便了！2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所44 按照近代物理学学的观观点，光具有波粒二象性，那么么如果只考虑虑光的粒子性，把光源发发出的光抽象成一条条条条光

22、线线，然后按此来研来研究光学学系统统成像。问题变得简单问题变得简单而且实用而且实用！2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所45几何光学学：以光线为线为基础础，用几何的方法来研来研究光在介质质中的传传播规规律及光学学系统统的成像特性。 点：光源、焦点、物点、像点 线线：光线线、法线线、光轴轴 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。处理方法。必要时要辅以波动光学理论。2022-3-19哈工

23、大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所46一一. . 发光点发光点 几何上的点是既既无大小，又无体积积的抽象概概念。当当光源的大小与与其作用距离相比可以忽略不计时计时，也可认为认为是一个个点。天体天体遥远的距离遥远的距离观察者观察者2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所47 任何被成像的物体，任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成是由无数个发光点组成1、本身发光。、本身发光。2、反射光。、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的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。成像规律来推断整个物体的成像。2

24、022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所48二、光线二、光线 发发光点向四周辐辐射光能量，在几何光学学中将发将发光点发发出的光抽象为为带带有能量的线线，它它代表光的传传播方向。2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所49三、光束三、光束 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的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光向四周传播，形成以发光点为球心的。 某一时刻相某一时刻相位相同的点构成位相同的点构成的面称为的面称为 波面上某一点的法线就是这一点上光的传播波面上某一点的法线就是这一点上光的传

25、播方向，波面上的法线束称为方向，波面上的法线束称为2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所50发发自一点或会会聚于一点，为为球面波：光线彼此平行，是平面波光线彼此平行，是平面波2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所51：光线既线既不平行，又不相交，波面为为曲面。 在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光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，这个途径称为学元件中的传播途径，这个途径称为从光束中取出一个适当的截面，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，即可解决成再求出其上几条光线

26、的光路，即可解决成像问题。这种截面称为像问题。这种截面称为光束截面光束截面2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所52 一、光的直线传播定律一、光的直线传播定律 在在中，光线沿直线传播。中，光线沿直线传播。二、光的独立传播定律二、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，不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，。在光线的相会点上，光的强度是各光。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，各个光束束的简单叠加，离开交会点后，各个光束。2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所53三、折射和反射

27、定律三、折射和反射定律 光的折射和反射定律研研究光传传播到两两种种均匀匀介质质的分界面 时时的定律。（一）折射定律（一）折射定律na出射光线出射光线入射光线入射光线法线法线IIONQnbI：入射角入射角I：折射角折射角2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所54（1）折射光线位于由入射光线和法线）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光所决定的平面内，折射光线和入射光线分居法线两侧。线分居法线两侧。（2）入射角的正弦和折射角的正弦）入射角的正弦和折射角的正弦之比与两角度的大小无关，仅决定于之比与两角度的大小无关，仅决定于介质的性质，为一

28、恒量介质的性质，为一恒量nab即nab:介质介质 b 对介质对介质 a 的相对折射率的相对折射率，如果介质如果介质 a 为真空，则介质为真空，则介质 b 对真空的折对真空的折射率也称为绝对折射率，用射率也称为绝对折射率，用 表示表示nbabsin Insin Ina出射光线出射光线入射光线入射光线法线法线IIONQnb2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所55也可表述为：也可表述为：bbvcn C：在真空中光速在真空中光速， ：在介质 b 中光速vb两个介质的两个介质的可以用光在该介质中的速度表示可以用光在该介质中的速度表示baabvvn对上式变换对上式

29、变换 abbabaabnnnCnCvvn2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所56将将上式代入 并设并设nnb, nna有：nsinIn sinI 真空折射率为真空折射率为1，在标准压力下，在标准压力下，20摄氏度时空气折射摄氏度时空气折射率为率为1.00028，提示：提示：但是在设计高精度的太空中的光学仪器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。时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。absinInsinI2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所57 （2）入射角）入射角 I和反射角和

30、反射角I的绝对值相同，可表示为的绝对值相同，可表示为 （二）反射定律II （1）反射光线在由）反射光线在由入射光线和法线所决定入射光线和法线所决定的平面内的平面内反射光线反射光线入射光线入射光线法线法线INI”O符号相反说明符号相反说明和和分居法线两侧。分居法线两侧。2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所58全反射现象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。生反射和折射现象。nsinIn sinI可知可知sinIsinI即折射光线较入射光线偏离法线即折射光线较入射光线偏离法线由公式由公式当当光光由由射射向向时时, 质质2022-3-19哈工大光电测控技术与装备研究所哈工大光电测控技术与装备研究所59 不可能大于不可能大于1，此时入射光线将不能射入，此时入射光线将不能射入另一介质。另一介质。sinI按照反射定律在介面上全部被反射回原介质按照反射定律在介面上全部被反射回原介质对应于对应于 的入射角的入射角 被称为被