湖南科技大學(xué)光學(xué)工程課件緒論+第一章

1、1工程光學(xué)工程光學(xué)主講：主講：賈春霞賈春霞湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院2014年年2月月23日日12光信息1-2班No. 1No. 12 光學(xué)學(xué)科古老而又年輕，其悠久的歷史幾光學(xué)學(xué)科古老而又年輕，其悠久的歷史幾乎和人類文明史本身一樣久遠；近半個世紀(jì)以乎和人類文明史本身一樣久遠；近半個世紀(jì)以來，特別是激光的出現(xiàn)，使得它又以令人炫目來，特別是激光的出現(xiàn)，使得它又以令人炫目的發(fā)展速度、奇跡般層出不窮的研究成果以及的發(fā)展速度、奇跡般層出不窮的研究成果以及所蘊含的巨大潛力和希望，使自己躋身于現(xiàn)代所蘊含的巨大潛力和希望，使自己躋身于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的最前沿科學(xué)技術(shù)的最前沿3一、

2、光學(xué)的一、光學(xué)的研究研究范疇范疇二、二、光學(xué)的光學(xué)的發(fā)展歷史發(fā)展歷史4一、光學(xué)的一、光學(xué)的研究研究范疇范疇光光電磁波電磁波：一種重要的自然現(xiàn)象，眼睛接受物體發(fā)射、反射或散射的光使得我們能看到世界中的景象光學(xué)：光學(xué)：研究光的本性、傳播、與物質(zhì)相互作用電磁波譜56分分 類類幾何光學(xué)幾何光學(xué)：光線光線概念、概念、幾何光學(xué)三定律幾何光學(xué)三定律為基礎(chǔ)為基礎(chǔ)反射、折射及成像等光學(xué)儀器設(shè)計及評價 (應(yīng)用光學(xué))連續(xù)連續(xù)波波，以，以經(jīng)典電磁理論經(jīng)典電磁理論為基礎(chǔ)為基礎(chǔ)( /a 0，過渡到幾何光學(xué))20世紀(jì)下半葉，變化巨大，日新月異發(fā)展。世紀(jì)下半葉，變化巨大，日新月異發(fā)展。物理光學(xué)物理光學(xué)波動光學(xué)波動光學(xué)量子光學(xué)

3、量子光學(xué)：干涉干涉衍射衍射偏振偏振(本性、傳播)(本性、與物質(zhì)作用)光子光子概念為基礎(chǔ)概念為基礎(chǔ)；(發(fā)射、吸收、激光、光與物質(zhì)作用)7蓬勃發(fā)展的光學(xué)蓬勃發(fā)展的光學(xué) 激光光學(xué)激光光學(xué)：激光物理、激光技術(shù)、激光應(yīng)用 全息光學(xué)全息光學(xué)：光學(xué)全息與信息處理 傅立葉光學(xué)傅立葉光學(xué)：光學(xué)傅立葉分析、傅立葉變換 晶體光學(xué)晶體光學(xué)：光波在晶體中的傳播及晶體的電光效應(yīng) 集成光學(xué)集成光學(xué)：集成光路理論及制造 激光光譜學(xué)激光光譜學(xué)：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及分子運動規(guī)律的分析 非線性光學(xué)非線性光學(xué)：強光與物質(zhì)相互作用瞬態(tài)光學(xué)、光通信、光信息存儲、光子醫(yī)學(xué)8二、光學(xué)的發(fā)展歷史二、光學(xué)的發(fā)展歷史1.1.幾何光學(xué)幾何光學(xué)墨翟墨翟及其

4、弟子墨經(jīng)墨經(jīng)：前4世紀(jì)（春秋戰(zhàn)國）， 記載了光的直線傳播、平面鏡、凹面和凸面鏡等八條幾何光學(xué)現(xiàn)象；并把物、像位置及大小與所用鏡面的曲率相聯(lián)系歐幾里得歐幾里得（前三世紀(jì)）：反射定律阿基米德阿基米德：鏡子燒壞船艦的傳說沈括沈括夢溪筆談：11世紀(jì)，光的直線傳播、球面鏡、月相16211621年，Snell（折射）定律16571657年，費馬（Fermat）原理9從墨翟開始兩千多年的漫長歲月構(gòu)成了光學(xué)發(fā)展的從墨翟開始兩千多年的漫長歲月構(gòu)成了光學(xué)發(fā)展的緩慢萌芽時期。緩慢萌芽時期。1515世紀(jì)末和世紀(jì)末和1616世紀(jì)初是光學(xué)發(fā)展史世紀(jì)初是光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點：凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡、暗箱上的轉(zhuǎn)折點：凹面

5、鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡、暗箱和幻燈等光學(xué)元件相繼出現(xiàn)，望遠鏡的誕生促進了和幻燈等光學(xué)元件相繼出現(xiàn)，望遠鏡的誕生促進了天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)的研究提供了強有力的工具。到的研究提供了強有力的工具。到1717世紀(jì)中葉，奠定世紀(jì)中葉，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。102.2.波動光學(xué)波動光學(xué) 17世紀(jì)中葉開始，牛頓和惠更斯等人把光的研究引向全新的發(fā)展道路。17世紀(jì)：格里馬耳、胡克、惠更斯論光18世紀(jì)：牛頓思想占統(tǒng)治地位，1704年，光學(xué)牛頓牛頓根據(jù)光的直線傳播直線傳播性質(zhì)，提出了光是微粒流微粒流的理論?；莞够莞狗磳獾奈⒘?/p>

6、說，從聲和聲和光的某些現(xiàn)象的相似性光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認為光是在“以太以太”中傳播的波波。111919世紀(jì)初世紀(jì)初2020世紀(jì)初世紀(jì)初波動光學(xué)時期波動光學(xué)時期T. YoungA. J. Fresnel J. C. Maxwell1801年楊氏最先用干涉原理解釋了白光照射下薄膜顏色的由來并做了著名的“楊氏雙縫干涉實驗楊氏雙縫干涉實驗”，并第一次成功測定了光波長。1815年菲涅耳利用楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，形成了惠更斯惠更斯菲菲涅耳原理涅耳原理。1865年麥克斯韋以對稱和諧的方程組形式集電磁波理論電磁波理論之大成后，波動說看來已達到盡善盡美的境界.兩朵烏云：熱輻射、邁克爾遜兩朵烏云：熱

7、輻射、邁克爾遜莫雷實驗（以太）莫雷實驗（以太）123.3.量子光學(xué)量子光學(xué)(19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)研究深入到光的發(fā)生、光與物質(zhì)相互作用的微觀機制)普朗克量子假說(1900)愛因斯坦光子假說(1905)德布羅意(1924)物質(zhì)波物質(zhì)波概念由電子通過金屬箔衍射證實物質(zhì)本性波粒二象性光的干涉、衍射和偏振等光學(xué)現(xiàn)象光的波動性光的波動性黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等光的量子性光的量子性(粒子性粒子性)134.4.現(xiàn)代光學(xué)飛速發(fā)展：現(xiàn)代光學(xué)飛速發(fā)展：20世紀(jì)中 1948 全息術(shù)全息術(shù)三件大事：三件大事：14 1955 光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)4-f 空間濾波系統(tǒng)假彩色編碼處理后的照片假彩色編碼處理

8、后的照片太平洋上空臺風(fēng)中心的云太平洋上空臺風(fēng)中心的云15 1960 激光器激光器He-Ne激光器多組互動激光射線實驗16纖維光學(xué)及光通信纖維光學(xué)及光通信17集成光學(xué)與光計算機集成光學(xué)與光計算機18美軍激光武器試驗19（激光）慣性約束聚變（激光）慣性約束聚變激光粒子加速器激光粒子加速器2020上篇上篇 幾何光學(xué)（第幾何光學(xué)（第1-7章）章）下篇下篇 波動光學(xué)（第波動光學(xué)（第11-15章）章）工程光學(xué)內(nèi)容工程光學(xué)內(nèi)容21 工程光學(xué)工程光學(xué)A 考試大綱：考試大綱：命題范圍，第十二周考試； 考試以閉卷形式進行，占考試以閉卷形式進行，占80%，平時作業(yè)和課堂考勤占，平時作業(yè)和課堂考勤占20%。最后總成績

9、由平時成績 +考試成績的總和確定。 課程考核課程考核閉卷考試閉卷考試l 教材及主要參考書教材及主要參考書郁道銀主編，郁道銀主編，工程光學(xué)工程光學(xué)（第（第3 3版），機械工業(yè)出版社，版），機械工業(yè)出版社，20102010年；年；趙凱華，鐘錫華編，光學(xué)（上、下冊），北京大學(xué)出版社，趙凱華，鐘錫華編，光學(xué)（上、下冊），北京大學(xué)出版社，20082008；張以謨主編，張以謨主編，應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué)，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，20102010；楊葭蓀等譯，楊葭蓀等譯，光學(xué)原理光學(xué)原理（第（第7 7版），電子工業(yè)出版社，版），電子工業(yè)出版社，20082008年。年。2122怎樣學(xué)好工程光學(xué)怎樣學(xué)好工程光

10、學(xué)1. 正確認識工程光學(xué)的作用正確認識工程光學(xué)的作用2. 重視課堂學(xué)習(xí)重視課堂學(xué)習(xí)3. 認真做作業(yè)認真做作業(yè)老師老師電話：電話：1301732355123第一篇第一篇 幾何光學(xué)幾何光學(xué)24研究光的反射、折射及成像等研究光的反射、折射及成像等光學(xué)儀器設(shè)計及評價光學(xué)儀器設(shè)計及評價光源光源光線光線波面波面光束光束25第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念第二章第二章 理想光學(xué)系統(tǒng)理想光學(xué)系統(tǒng)第三章第三章 平面和平面系統(tǒng)平面和平面系統(tǒng)第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)的光闌與光束限制光學(xué)系統(tǒng)的光闌與光束限制第六章第六章 光線的光路計算與像差光線的光路計算與像差第七章第七章 典型光學(xué)系統(tǒng)

11、典型光學(xué)系統(tǒng)幾何光學(xué)幾何光學(xué)25261.0 概述概述1.1 幾何光學(xué)基本定律和原理幾何光學(xué)基本定律和原理1.2 成像的基本概念與完善成像成像的基本概念與完善成像 1.3 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)1.4 球面光學(xué)系統(tǒng)成像球面光學(xué)系統(tǒng)成像271.0 概述概述電磁波譜一、光的本質(zhì)一、光的本質(zhì)單色光單色光：同一波長的光引起眼睛的感覺是同一個顏色，稱之為單色光；復(fù)色光復(fù)色光：由不同波長光混合成的光稱為復(fù)色光；白光白光是由各種波長光混合在一起而成的一種復(fù)色光。28 光源：輻射光能的物體，或稱為發(fā)光體。光源：輻射光能的物體，或稱為發(fā)光體。 點光源點光源（抽象）：當(dāng)光源的大小與輻射光能的作

12、（抽象）：當(dāng)光源的大小與輻射光能的作用距離相比可以忽略時，可認為是點光源。用距離相比可以忽略時，可認為是點光源。 如人在地球上觀察體積超過太陽的恒星仍認如人在地球上觀察體積超過太陽的恒星仍認為是一個發(fā)光點。為是一個發(fā)光點。 無論是本身發(fā)光或是被照明的物體無論是本身發(fā)光或是被照明的物體(反射反射)在研究在研究光的傳播時統(tǒng)稱為發(fā)光體。在討論光的傳播時，光的傳播時統(tǒng)稱為發(fā)光體。在討論光的傳播時，常用發(fā)光體上某些特定的幾何點來代表這個發(fā)光常用發(fā)光體上某些特定的幾何點來代表這個發(fā)光體。在幾何光學(xué)中認為這些特定點為發(fā)光點，或體。在幾何光學(xué)中認為這些特定點為發(fā)光點，或稱為點光源。稱為點光源。二、光源二、光源

13、29 在幾何光學(xué)中，不把光看做電磁波，而看作為在幾何光學(xué)中，不把光看做電磁波，而看作為光能光能量傳播方向的幾何線量傳播方向的幾何線，這種幾何線稱為光線。，這種幾何線稱為光線。 在各向同性介質(zhì)中，光沿著波面法線方向傳播，所在各向同性介質(zhì)中，光沿著波面法線方向傳播，所以可以認為光波波面法線就是幾何光學(xué)中的光線。以可以認為光波波面法線就是幾何光學(xué)中的光線。四、光線四、光線 光波光波電磁波，光源電磁波，光源波源，光的傳播正是這波源，光的傳播正是這種電磁波的傳播。光波向周圍傳播，在某一瞬時，種電磁波的傳播。光波向周圍傳播，在某一瞬時，其相位相同的各點所構(gòu)成的曲面稱為波面。波面可其相位相同的各點所構(gòu)成的曲

14、面稱為波面。波面可分為平面波，球面波或任意曲面波。分為平面波，球面波或任意曲面波。三、波面三、波面30 與波面對應(yīng)的與波面對應(yīng)的法線（光線）法線（光線）的集合，稱為的集合，稱為光束光束，對應(yīng)于，對應(yīng)于波面為球面的波面為球面的光束稱為光束稱為同心同心光束光束。五、光束五、光束 球面光波對應(yīng)的同心光束按光的傳播方向不同又分球面光波對應(yīng)的同心光束按光的傳播方向不同又分為為會聚光束會聚光束和和發(fā)散光束發(fā)散光束。會聚光束所有光線實際通過。會聚光束所有光線實際通過一個點。一個點。 與平面波相對應(yīng)的是平行光束，是同心光束的一種與平面波相對應(yīng)的是平行光束，是同心光束的一種特殊形式。（特殊形式。（平行光束相交于

15、無窮遠！平行光束相交于無窮遠?。┎úㄇ扒安ú婷婀夤饩€線 平面波平面波31一、幾何光學(xué)的基本定律一、幾何光學(xué)的基本定律2、光的獨立傳播定律、光的獨立傳播定律 來自不同方向的光線在介質(zhì)中相遇后，各保持來自不同方向的光線在介質(zhì)中相遇后，各保持原來的傳播方向繼續(xù)傳播。（局限：干涉）原來的傳播方向繼續(xù)傳播。（局限：干涉）1.1 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律1、光的直線傳播定律、光的直線傳播定律 光線在均勻介質(zhì)中按直線傳播。（局限：衍射）光線在均勻介質(zhì)中按直線傳播。（局限：衍射）323、光的反射和折射定律、光的反射和折射定律兩種介質(zhì)兩種介質(zhì)nncBAII-I”l 光在兩種各向同性、均勻介質(zhì)分界面

16、光在兩種各向同性、均勻介質(zhì)分界面上要發(fā)生上要發(fā)生反射和折射反射和折射。即一部分光能量。即一部分光能量反射回原介質(zhì)，另一部分光能量折射入反射回原介質(zhì)，另一部分光能量折射入另一介質(zhì)另一介質(zhì)。l折射率：一定波長的單色光在真折射率：一定波長的單色光在真空中的傳播速度與它在給定介質(zhì)空中的傳播速度與它在給定介質(zhì)中的傳播速度之比中的傳播速度之比,n = c/vn = c/v 相對折射率相對折射率：當(dāng)光線從第一介質(zhì)進入第二介質(zhì)時，第二介質(zhì)：當(dāng)光線從第一介質(zhì)進入第二介質(zhì)時，第二介質(zhì)折射率相對于第一介質(zhì)折射率之比稱為相對折射率。折射率相對于第一介質(zhì)折射率之比稱為相對折射率。 通常所講的介質(zhì)的折射率是介質(zhì)相對于空氣

17、的折射率。通常所講的介質(zhì)的折射率是介質(zhì)相對于空氣的折射率。n大大 光密媒質(zhì)光密媒質(zhì)n小小 光疏媒質(zhì)光疏媒質(zhì)相對相對而言而言33折射定律：折射定律：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)；折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)； 折射角的正弦與入射角的正弦之比與入射角的大折射角的正弦與入射角的正弦之比與入射角的大小無關(guān)，僅取決于兩種介質(zhì)的性質(zhì)。小無關(guān)，僅取決于兩種介質(zhì)的性質(zhì)。nncBAII-I”反射定律：反射定律： 反射光線位于入射光線反射光線位于入射光線和法線所決定的平面；和法線所決定的平面；反射光線和入射光線位反射光線和入射光線位于法線兩側(cè)，且反射角于法線兩側(cè)，且反射角與入射角絕對值相等

18、，與入射角絕對值相等，符號相反。符號相反。IsinnIsinnII n= - n上式也稱為斯涅爾（Snell）定律344、光的全反射：、光的全反射：光線從光密介質(zhì)射向光光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；疏介質(zhì)； 入射角大于入射角大于臨界角臨界角 。nnnsinnnIsinnIsinom 90nnAmInnmI全反射有比一般全反射有比一般反射更優(yōu)越的性反射更優(yōu)越的性能，它能，它幾乎無能幾乎無能量的損失。量的損失。35應(yīng)用：應(yīng)用：全反射棱鏡、分劃板照明、光導(dǎo)纖維等全反射棱鏡、分劃板照明、光導(dǎo)纖維等用于用于改變光傳播方向并改變光傳播方向并使像上下左右轉(zhuǎn)變。使像上下左右轉(zhuǎn)變。36 由反射和折射定律不難看出，

19、光線的傳播是可逆的，由反射和折射定律不難看出，光線的傳播是可逆的，即光逆向傳播時，將沿正向傳播的反方向傳播。即光逆向傳播時，將沿正向傳播的反方向傳播。5 5、光路的可逆性、光路的可逆性IsinnIsinnII 37二、費馬原理二、費馬原理 從光程的角度來描述光的傳播規(guī)律。從光程的角度來描述光的傳播規(guī)律。（一）光程（一）光程在均勻介質(zhì)中在均勻介質(zhì)中, ,光程光程s（或記為（或記為 l ）為光在介質(zhì)中通過）為光在介質(zhì)中通過的幾何路程的幾何路程 l 與該介質(zhì)的折射率與該介質(zhì)的折射率 n 的乘積：的乘積： slnl cslnc snltsctcc1. 直接用直接用真空真空中的光速來計算光在不同介質(zhì)中通

20、過一中的光速來計算光在不同介質(zhì)中通過一定幾何路程所需要的時間。定幾何路程所需要的時間。sltcNo. 2No. 238 分層均勻介質(zhì)分層均勻介質(zhì): :111 , kki ii iiissnltnlccdBAsn l 連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì): :2. 光程光程可理解為光在介質(zhì)中通過真實路程所需時間內(nèi)可理解為光在介質(zhì)中通過真實路程所需時間內(nèi), ,在真空中所能傳播的路程。在真空中所能傳播的路程。ABndl39（二）費馬原理表述與討論（二）費馬原理表述與討論0 BAndls AB空間中兩點間的實際光線路空間中兩點間的實際光線路徑是所經(jīng)歷光程平穩(wěn)的路徑徑是所經(jīng)歷光程平穩(wěn)的路徑平穩(wěn)：平穩(wěn)：當(dāng)光線以任何方式對該路

21、徑有無限小的偏離時，當(dāng)光線以任何方式對該路徑有無限小的偏離時，相應(yīng)的光程的一階改變量為零。如果有改變只能是二階相應(yīng)的光程的一階改變量為零。如果有改變只能是二階或二階以上的無限小量?；蚨A以上的無限小量。換言之：換言之：在在A、B兩點間光線傳播的實際路徑，與任何兩點間光線傳播的實際路徑，與任何其他可能路徑相比其光程為極值，極值為極大或極小或其他可能路徑相比其光程為極值，極值為極大或極小或恒定值。即光線的實際路徑上光程變分為零：恒定值。即光線的實際路徑上光程變分為零：兩點之間光沿著所需時間為極值的路徑傳播兩點之間光沿著所需時間為極值的路徑傳播40橢圓面反射橢圓面反射實際光程在不同情況下相應(yīng)于極大值

22、、極小值和拐點實際光程在不同情況下相應(yīng)于極大值、極小值和拐點41l一般地，選光程為一般地，選光程為極值極值的路徑（如直的路徑（如直線傳播線傳播- -最短）最短）l理想光具組（如薄理想光具組（如薄透鏡）成像透鏡）成像物物像之間等光程像之間等光程變分：變分：對一般一元或多元函數(shù)，當(dāng)自變量發(fā)生變化時，對一般一元或多元函數(shù)，當(dāng)自變量發(fā)生變化時，函數(shù)的一階或高階改變量可以表示為函數(shù)的一階或高階函數(shù)的一階或高階改變量可以表示為函數(shù)的一階或高階微分。但光程與一般的空間坐標(biāo)函數(shù)不同，對給定點微分。但光程與一般的空間坐標(biāo)函數(shù)不同，對給定點AB，每一可能的光線路徑均為空間坐標(biāo)函數(shù)，而光程一，每一可能的光線路徑均為空間坐標(biāo)函數(shù)，而光程一般隨不同路徑而變化，即它可以稱為函數(shù)的函數(shù)，這時般隨不同路徑而變化，即它可