[工程光学][第01章A].ppt

1、工程光学,路海 ,4, Sep 2013 He Nan Normal University,课程安排,学分: 4.0 总学时: 72.0 讲授学时: 72.0 课程类别: 必修 授课方式: 现场讲授 考核方式: 考试 上课班号: 001 周次: 1-18 节次: 三7-8节四1-2节 地点: 田家炳楼 90% in final exam ！,概述,光学是研究光的本性、光的传播、光与物质的相互作用以及光的实际应用的科学。,光主要以波动的形式存在。光的本质是电磁波。,光学系统的主要作用是传输光能和对研究的目标成像。,几何光学撇开了光的波动本性，采用一种简便和实用的几何学的方法来研究光的传播和光经光

2、学系统的成像规律。,第一章几何光学的基本定律与成像概念,第一节 几何光学的基本定律 第二节 光学系统的物像概念,第一节 几何光学的基本定律,一、几何光学的点、线、面 二、几何光学的基本定律 三、费马原理,一、几何光学的点、线、面,点：光源、物体、像都看成是点的集合。 线：光波的传播抽象成几何线一样的光线，相当于波面的法线，代表了光的传播方向。 光波由一束光线表示，平面波对应于平行光束，球面波对应于同心光束。 如图,平行光束与同心光束,同心光束,球形波面,平面波面,平行光束,各类光束及对应的波面,二、几何光学的基本定律,几何光学的基本定律决定了光线在一般情况下的传播方式，也是我们研究光学系统成像

3、规律以及进行光学系统设计的理论依据。 几何光学的基本定律有三大定律：,1光的直线传播定律,各向同性的均匀介质中，光沿着直线传播。 用光的直线传播定律可以解释日蚀、月蚀等自然现象，也可以解释光照射物体时为什么会出现影子等类似问题，小孔成像就是利用了光的直线传播定律。,光的直线传播图例,2 光的独立传播定律,当两束或多束光在空间相遇时，各光线的传播不会受其它光线的影响。 例如：光束相交处的光强是一种简单的叠加，探照灯。,3光的折射定律和反射定律,当一束光线由折射率为n的介质射向折射率为n的介质时，在分界面上，一部分光线将被反射，另一部分光线将被折射，反射光线和折射光线的传播方向将遵循反射定律和折射

4、定律。,光线经界面后的传播,A,反射定律,入射光线、入射点界面的法线、反射光线三者共面，入射光线与反射光线分居于法线的两侧，且入射角与反射角绝对值相等。,入射光线、入射点界面的法线、折射光线三者共面，入射角I与折射角I之间满足下列关系式 反射定律看作是折射定律中的一个特例。,折射定律,推论,光路的可逆性,用射出去的光路在一定条件下可以决定射回的光路。 利用光路的可逆性可以由物求像，也可以由像求物。,光路的可逆性,全反射现象,全反射：折射光线因大于等於折射光线因大于等于90而消失，所有的光线反射到原介质中的现象。 在一定的条件下,光线发生全反射 光线由光密介质射向光疏介质； 入射角大于临界角。二

5、者缺一不可。,折射率较高的介质,折射率较低的介质,折射角等于90度时的入射角,全反射现象,TEXT,TEXT,TEXT,全反射现象,全反射的应用举例,（1）全反射棱镜,全反射的应用举例,（2）光纤的全反射传光,全反射光纤,三、费马原理,费马原理与几何光学的基本定律一样，也是描述光线传播规律的基本理论。 它以光程的观点描述光传播的规律，涵盖了光的直线传播和光的折、反射规律，具有更普遍的意义。 根据物理学，光在介质中走过的几何路程与该介质折射率的乘积定义为光程。设介质的折射率为n，光在介质中走过的几何路程为l，则光程s表示为,费马原理,费马原理指出，光从一点传播到另一点沿的是极值光程路径。即光沿光

6、程为极大值、或极小值、或常量值的路径传播，其数学表示为光程的一阶变分为0： 至于光程走的是极大值还是极小值，这要取决于折射表面的曲率及两点之间的位置，大多数情况下是极小值。费马原理可以用来证明光的直线传播定律和光的折、反射定律。,第二节 光学系统的物像概念,一、物方光线和像方光线 二、物和像 三、物空间和像空间 四、物像的相对性,一、物方光线和像方光线,光学系统由若干不同介质组成，对光线实现所需的传播。 光线未通过系统前称为物方光线。物方光线连接着物体。 光线通过系统后称为像方光线，像方光线连接着物体的像。 为分析和处理问题方便，常将光线沿传播直线向任意方向延长，延长后的光线性质不变。,二、物

7、和像,物：物方光线的相交点称为物； 像：像方光线的相交点称为像； 实物：物方光线实际相交的点为实物点； 实像：像方光线实际相交的点为实像点； 虚物：物方光线延长后相交点为虚物点； 虚像：像方光线延长后相交的点为虚像点,（a）实物成实像 (b) 实物成虚像 (c) 虚物成实像 (d) 虚物成虚像,虚物和虚像,物方光线延长线交点,像方光线反像延长线交点,B,A,三、物空间和像空间,物空间：即物体所在的空间；实物所在的空间为实物空间，虚物所在空间为虚物空间，无论实物空间还是虚物空间都使用实物空间介质的折射率。 像空间：即像所在的空间；实像所在的空间为实像空间，虚像所在空间为虚像空间，无论实像空间还是虚像空间都使用实像空间介质的折射率。,物像概念小结,光线未通过系统（界面）前称为物方光线，物方光线连接着物体（实物或虚物），物体所在空间为物方空间，物方空间使用系统前方介质折射率 光线通过系统（界面）后称为像方光线，像方光线连接着物体的像（实像或虚像），像所在空间为像方空间，像方空间使用系统后方介质折射率,四、物像的相对性,物和像都是相对于某一成像系统而言的，如果物体连续经过几个成像系统，则前一个系统所成的像即成为下