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(jì)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(jī)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(gè)重要的實(shí)用性學(xué)科分支。注意注意：實(shí)際上光線的概念與光的波動(dòng)性相違背，因?yàn)闊o論從能量的觀點(diǎn)，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(dòng)光學(xué)的近似，是當(dāng)?shù)牟ㄩL很小時(shí)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(dāng)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(gè)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(xì)則閉卷考試，考試成績占70%，平時(shí)占30%。平時(shí)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(shí)成績按一百分計(jì)，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(shí)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(diǎn)、線、面有機(jī)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(diǎn)看作是幾何點(diǎn)，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(jì)等方面都顯得十分方便和實(shí)用。基本概念 1發(fā)光點(diǎn)和光源2光線3光束 4 光路發(fā)光點(diǎn)概

4、念：光源作為光的輻射體，當(dāng)光源直徑遠(yuǎn) 小于光源輻射的作用距離時(shí)，我們 稱光源為發(fā)光點(diǎn)。特點(diǎn)：把光源當(dāng)作一種無尺寸無大小的幾何點(diǎn)注意：任何被成像的物體都有無數(shù)發(fā)光點(diǎn)組成類似于類似于物理中物理中的質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)當(dāng)光束的直徑其輻射距離時(shí)，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?yàn)槟芰總鞑サ姆较?。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(diǎn)或 會(huì)聚到一點(diǎn)。 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(diǎn) 也不嚴(yán)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(gè)。在實(shí)際應(yīng)用中我通常取一個(gè)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(dú)立傳播定律光的折射和反射定律費(fèi)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(dú)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(diǎn)時(shí)，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(shí)那樣傳播，在光線的相交點(diǎn)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(fèi)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(dāng)入射光的入射角I大于某值時(shí)，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(gè)系統(tǒng)的對稱軸線，為光軸。透鏡負(fù)透鏡：雙凹，平凹，負(fù)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(gè)基本概念頂 點(diǎn)：光軸與透鏡面的交點(diǎn)。 像空間：像所在的空間。 物像物：光學(xué)系統(tǒng)中入射光線會(huì)聚點(diǎn)的集合或入射光線延長線會(huì)聚點(diǎn)的集合，成為該系統(tǒng)的物。實(shí) 物：能實(shí)際發(fā)出光線的物體（實(shí)物點(diǎn)： 實(shí)際入射光線的出發(fā)點(diǎn)） 。虛 物：不是由實(shí)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(diǎn)： 實(shí)際入射光線延長線的交點(diǎn)） 。 實(shí) 像：實(shí)際出射光線相交所成的像（實(shí)像點(diǎn)： 實(shí)際出射光線的交點(diǎn)） 。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(diǎn)：實(shí) 際出射光線延長線的交點(diǎn)）

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(huì)聚點(diǎn)的集合或出射光線延長線會(huì)聚點(diǎn)的集合，稱為物對該系統(tǒng)所成的像。1. 實(shí)像、虛像均可用人眼來觀察， 因?yàn)榈拇_有實(shí)際的光線進(jìn)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(jī)照出水中的倒影？ 關(guān)于實(shí)像、虛像的幾點(diǎn)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(shí)物空間和虛物空間，像空間分為實(shí)像空間和虛像空間。根據(jù)定義：光學(xué)系統(tǒng)第一個(gè)曲面以前的空間稱為“實(shí)物空間”，而第一個(gè)曲面以后的空間為“虛物空間”，系統(tǒng)最后一個(gè)曲面以后的空間為“實(shí)像空間”，最后一個(gè)曲

10、面以前的空間為“虛像空間”，整個(gè)物空間和像空間都是可以無限擴(kuò)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(jì)算方法：物空間介質(zhì)的折射率按實(shí)際入射光線所在的介質(zhì)折射率來計(jì)算，像空間的介質(zhì)折射率，按實(shí)際出射光線所在空間的介質(zhì)折射率來計(jì)算。v幾點(diǎn)說明： 1.物像空間的折射率僅取決與實(shí)際的入射光線和出射光線的位置，而與物像的位置和虛實(shí)無關(guān)。2.在圖示表示中，實(shí)際光線用帶箭頭的實(shí)線表示，實(shí)際光線的延長線用帶箭頭的虛線表示。3.實(shí)物用實(shí)線繪出虛物用虛線繪出。4.輔助線用點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)。理想光學(xué)系統(tǒng)：在物、像空間滿足“點(diǎn)對應(yīng)點(diǎn)，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(diǎn)，其對應(yīng)的像點(diǎn)也一定位于光軸上。位于過光軸的某一截面內(nèi)的物點(diǎn)，其對應(yīng)的像點(diǎn)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(gè)過光軸的截面來代表一個(gè)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(gè)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(diǎn)的位置，其它一切物點(diǎn)的共軛像點(diǎn)都可以根據(jù)已知的共軛面和共軛點(diǎn)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(shí)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(jī)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(diǎn)，僅有一個(gè)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(lán)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(diǎn)： 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(diǎn)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(diǎn)： 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(jī)玻璃特點(diǎn)：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(diǎn)：與PMMA相