光學(xué)基本知識(shí)講座

1、關(guān)于光學(xué)基本知識(shí)講座第一張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月幾何光學(xué)基本知識(shí)一.基本概念 發(fā)光點(diǎn) 光線 光束第二張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二.光線傳播的基本定律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.光的反射定律第三張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.光的直線傳播定律在各向同性的均勻介質(zhì)中，光在兩點(diǎn)之間沿直線傳播第四張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2.光的獨(dú)立傳播定律以不同途徑傳播的光，同時(shí)在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，彼此互不影響，各自獨(dú)立地傳播第五張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3.光的折射定律折射光線與入射光線在同一平面內(nèi)，折射

2、角與入射角的正弦之比與入射角的大小無關(guān)，僅由兩介質(zhì)的性質(zhì)決定,當(dāng)壓力、溫度和光的波長一定時(shí)，其比值為常數(shù)：nSin(I)=nSin(I)第六張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4.光的反射定律反射光線與入射光線和法線在同一平面內(nèi)，入射光線與反射光線分別位于法線的兩側(cè)，與法線夾角相同 I”=-I第七張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月光的全反射當(dāng)光線由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時(shí)，根據(jù)折射定律可知，因nI,當(dāng) SinIm=n/n時(shí)，這些光線不再折射到另一介質(zhì)，而按反射定律在界面上被全部反射第八張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三.物像的基本概念1.光學(xué)儀器和激光頭的光學(xué)系統(tǒng)都由一

3、系列折射面和反射面組成2.光軸：各個(gè)表面的曲率中心均在同一直線上的光學(xué)系統(tǒng)稱為共軸光學(xué)系統(tǒng)，這條直線稱為光軸第九張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月物像的基本概念3.成像：以A為頂點(diǎn)的入 射光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)一系列表面折射和反射后，變?yōu)橐訟點(diǎn)為頂點(diǎn)的出射光束，稱A為物點(diǎn)，A為像點(diǎn)，A為物點(diǎn)A的像； 物所在的空間稱為物空間 像所在的空間稱為像空間第十張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月物像基本概念4.同心光束與光程 一個(gè)發(fā)光點(diǎn)或?qū)嵨稂c(diǎn)總是發(fā)出同心光束， 它與球面波相對(duì)應(yīng) 一個(gè)像點(diǎn)如果由對(duì)應(yīng)的同心光束匯聚而成，這樣的像點(diǎn)稱為完善像點(diǎn) 要成為完善像點(diǎn)，必須使入射波面與出射波面之間光程是相等的

4、： n d=const n 介質(zhì)折射率 d 光線所經(jīng)過的實(shí)際長度第十一張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四.材料與色散光學(xué)成像要通過光學(xué)零件的折射和反射來實(shí)現(xiàn)的。1.透射材料：光學(xué)玻璃和光學(xué)塑料。材料主要特性有： 各特征譜線的折射率 各譜線的透過率 光學(xué)穩(wěn)定性 化學(xué)穩(wěn)定性 另外，還有均勻性、氣泡、條紋、劃傷、麻點(diǎn)等2.反射材料：在反射表面鍍上高反射率的薄膜 主要的反射膜材料：鋁、銀第十二張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月光的色散介質(zhì)的折射率對(duì)不同波長（顏色）的光波是不同的目視儀器用人眼觀察， 黃光（Na） D 589.3nm 青光 （H） F 486.1nm 紅光（H） C 6

5、56.3nm D對(duì)人眼最敏感 F、C位于人眼靈敏極限的兩端 由于白光是各色光混合而成，經(jīng)棱鏡折射，因不同波長的折射率不同而出現(xiàn)分光現(xiàn)象。長波的紅光在上，短波的紫光在下。這就是色散。 第十三張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月五.理想光學(xué)系統(tǒng)1.定義：理想光學(xué)系統(tǒng)就是能對(duì)任意寬空間內(nèi)的點(diǎn)，以任意寬的光束成完善像的光學(xué)系統(tǒng)，理想系統(tǒng)是能與系統(tǒng)等價(jià)的抽象模型。它主要描述為： 1）物空間的中的一點(diǎn)對(duì)應(yīng)與像空間中唯一的一點(diǎn)，這一對(duì)點(diǎn)稱為共軛點(diǎn)； 2）物空間中的一條直線對(duì)應(yīng)與像空間中唯一的一條直線，這一對(duì)直線稱為共軛線； 3）如物空間中一點(diǎn)位于直線上，其在像方空間中的共軛點(diǎn)必位于該直線的共軛線上。

6、此假設(shè)1841年由高斯建立，故稱為高斯光學(xué)。第十四張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2.理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)、焦距平行于光軸的入射光線AE,經(jīng)系統(tǒng)后，沿GF方向射出，交于像方F點(diǎn)，沿光軸入射的光線經(jīng)系統(tǒng)后仍沿光軸出射。由于像方的出射光線GF和OkF分別與物方的入射光線AE1和FO1共軛，故像方F點(diǎn)在物方的共軛點(diǎn)必是光線AE1、和FO1的交點(diǎn)，它位于左方無窮的光軸上，故F即為無窮遠(yuǎn)軸上點(diǎn)的像，稱為光學(xué)系統(tǒng)的像方焦點(diǎn)。第十五張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)、焦距如以相反方向作一平行于光軸的光線，可得到一個(gè)與光軸的焦點(diǎn)F,稱為光學(xué)系統(tǒng)的物方焦點(diǎn)。第十六張，PPT共四

7、十五頁，創(chuàng)作于2022年6月理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)、焦距像方焦平面：過像方焦點(diǎn)F的垂 軸平面物方焦平面：過物方焦點(diǎn)F的垂 軸平面像方主點(diǎn)：像方主面與光軸的交 點(diǎn)物方主點(diǎn)：物方主面與光軸的交 點(diǎn)像方焦距：像方主點(diǎn)到像方焦點(diǎn) 的距離物方焦距：物方主點(diǎn)到物方焦點(diǎn) 的距離第十七張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3.物像位置、放大率物像位置：可相對(duì)于焦 點(diǎn)或主點(diǎn)來定義如圖所示， 以焦點(diǎn)來定義的物像公式是： xx=ff 以主點(diǎn)來定義的物像公式是： 1/l-1/l=1/f第十八張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月物像位置、放大率根據(jù)上面的成像關(guān)系式，可以導(dǎo)出物像 之間放大倍率的計(jì)算公式 1）橫向放

8、大率： =l/l 2) 軸向放大率： =(n/n) 3) 角放大率： =n/n/ 第十九張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4.光學(xué)系統(tǒng)的圖解求像 光學(xué)系統(tǒng)的位置確定后，對(duì)于任何位置的點(diǎn)、線、面可以方便地用作圖法求出其像方共軛的點(diǎn)、線、面。 圖解方法的原理是應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)基點(diǎn)和基面的性質(zhì)，主要是： 1.平行于光軸的光線，經(jīng)系統(tǒng)后通過像方焦點(diǎn)； 2.通過物方焦點(diǎn)的光線，經(jīng)系統(tǒng)后平行于光軸； 3.光線與主面的交點(diǎn)，其高度相同； 4.傾斜于光軸的平行光束，經(jīng)系統(tǒng)后匯交于像方焦面。 等等 第二十張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5.透鏡透鏡：由兩個(gè)折射面所限定的透明體，它 是構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)最

9、基本的元件。 透鏡根據(jù)其不同的光學(xué)特性可分為： 1.凸透鏡：中心厚度大于邊緣厚度，f 0,具有正 光焦度，對(duì)光束起會(huì)聚作用 2.凹透鏡：中心厚度小于邊緣厚度，f 0,具有正 光 焦度， 對(duì)光束起會(huì)聚作用2.凹透鏡：中心厚度小于邊緣厚度， f 0,具有負(fù)光焦度， 對(duì)光束起發(fā)散作用第二十二張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月6.光學(xué)系統(tǒng)中光束的限制 任何光學(xué)系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)一定的放大倍率和物像距要求外，還要求有一定的成像范圍和以一定孔徑角的光束來成像。 1.孔徑光闌：限制成像光束的立體角典型的孔徑光闌，如照相機(jī)的光圈，它常用相對(duì)孔徑或數(shù)值孔徑來表述； 2.視場光闌：限制物平面或物空間能被系統(tǒng)成

10、像的范圍。第二十三張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月光學(xué)基本知識(shí)第二部分 像差知識(shí)第二十四張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月像差知識(shí)介紹像差：由光線傳播定律決定，從光路實(shí) 際計(jì)算表明， 任意組合的光學(xué)系統(tǒng)只能對(duì)近軸物點(diǎn)以細(xì)光束 成像。隨著視場和孔徑的增大，成像光束的同 心性將遭到破壞，產(chǎn)生各種成像缺陷。這種成 像缺陷就是像差。像差分類： 對(duì)單色光：球差、彗差、象散、場曲、畸變 對(duì)多色光：位置色差、倍率色差 第二十五張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.球差 由軸上一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)球面折射后所得的截距L,隨入射光線與光軸夾角U或入射光線在球面上的入射點(diǎn)的高度而異，原來的同

11、心光束將不復(fù)為同心光束。不同傾角的光線交光軸于不同的位置上，相對(duì)于理想像點(diǎn)位置有不同的偏離。這就是單色光成像缺陷之一球差，它是軸上點(diǎn)像差。 L=L-l第二十六張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2.彗差定義兩個(gè)平面1。子午平面：入射光線和光軸組成的平面2?；∈钙矫妫和ㄟ^入射光線并垂直于子午平面的平面 為方便起見，彗差分為子午彗差和弧矢彗差，分別對(duì)應(yīng)于子午平面和弧矢平面內(nèi)不同光線對(duì)的成像缺陷。第二十七張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月子午彗差子午彗差： 軸外點(diǎn)B發(fā)出三條子午光線Ba、Bp、Bb，它們在球面上的入射點(diǎn)相對(duì)于輔軸有不同的高度，使原本對(duì)稱于主光線的上下光線經(jīng)球面折射以后失

12、去了對(duì)稱性，交點(diǎn)Bt相對(duì)于主光線有一偏離量Kt，它的大小反映了子午光束失對(duì)稱的程度，稱為子午彗差。 Kt=1/2 (ya-yb)-yp第二十八張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月弧矢彗差弧矢彗差： 類似地，對(duì)于弧矢平面上具有相同孔徑的一對(duì)弧矢光線，由于它們對(duì)稱于子午平面，經(jīng)球面折射后交于輔軸上，這一對(duì)光線交點(diǎn)Bs,同樣偏離主光線，其偏離量用Ks表示，稱為弧矢彗差。第二十九張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3.像散和場曲像散： 隨著視場的增大，遠(yuǎn)離光軸的物點(diǎn)，即使是主光線周圍的細(xì)光束成像也會(huì)明顯地失去對(duì)稱性，在不同方向上有不同的曲率，其曲率隨方向而漸變，分別形成子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)。

13、 兩個(gè)像點(diǎn)之間的距離就用來描述像散的大小。 xts=xt-xs場曲： 即使子午像點(diǎn)和弧矢像點(diǎn)重合，但像面仍然彎曲，這就是場曲。第三十張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4.畸變 理想光學(xué)系統(tǒng)，一對(duì)共軛面上的放大率是常數(shù)。 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)視場變大時(shí)，像的放大率隨視場而變，使像相對(duì)于物體失去了相似性，這種使像變形的成像缺陷稱為畸變。 y/y0 =(yp-y0)/y0 100%無畸變枕形桶形第三十一張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5.色差色差： 由于同一介質(zhì)對(duì)不同顏色的光有不同的折射率，所以在成像時(shí)，不同顏色的光成像在不同的位置，且具有不同的放大倍率。色差分類： 1.位置色差 2.

14、倍率色差第三十二張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月位置色差表述軸上點(diǎn)用不同色光成像時(shí)，其像點(diǎn)的位置差異。 由于色差的存在，光軸上一點(diǎn)即使以細(xì)光束成像也得不到清晰的像。它的值用下式描述： lch=lF-lC 第三十三張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月倍率色差 不同色光有不同的折射率，各色光焦距不等，所以對(duì)同一物體成像大小也不等，這就產(chǎn)生了倍率色差，其值用下式表征： ych=yF-yC第三十四張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月6.波像差 上面所提到的像差均以光線為討論基礎(chǔ)的，統(tǒng)稱為幾何像差。 光是電磁波，光線是波面的法線。如光學(xué)系統(tǒng)是理想的，經(jīng)系統(tǒng)形成一個(gè)新的球面波，但實(shí)際

15、上，由于光學(xué)系統(tǒng)存在成像缺陷，不可避免地使波面變了形，這個(gè)變了形實(shí)際波面與相對(duì)于理想波面的偏離，就是波像差。第三十五張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月7.像質(zhì)評(píng)價(jià) 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須校正像差，如何評(píng)判設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞就要用適當(dāng)?shù)姆椒▉磉M(jìn)行。 目前最常用的方法有： 1.瑞利判斷：實(shí)際波面與參考球面之間的最大偏離量，即波像差小于1/4波長時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)是滿意的。此法常用于小像差系統(tǒng)，如顯微鏡物鏡； 2.點(diǎn)列圖：計(jì)算大量光線，在像面上形成彌散圖形，即點(diǎn)列圖。點(diǎn)的分布代表了能量的分布?？捎糜诜治稣障裎镧R； 3.波像差：以波像差作為像質(zhì)的評(píng)判依據(jù)，激光頭物鏡的設(shè)計(jì)中常以此為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)； 4.光學(xué)傳遞函

16、數(shù)：把物的亮度分布函數(shù)展開為傅里葉級(jí)數(shù)或傅里葉積分，光學(xué)系統(tǒng)的特性就表現(xiàn)為它對(duì)各種頻率正弦波的傳遞和反應(yīng)能力，于是出現(xiàn)了較全面評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的新的評(píng)價(jià)手段-光學(xué)傳遞函數(shù)。在照相物鏡設(shè)計(jì)中已得到普遍采用。第三十六張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月光學(xué)基本知識(shí)第三部分 波動(dòng)光學(xué)第三十七張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月概述 光通常指人眼所感受到的一定波段的電磁波，即所謂的可見光。其波長范圍在390760nm之間，廣義地說，光還包括紅外線和紫外線。 光既然是電磁波，必定具有波動(dòng)的基本特征光的干涉和衍射。 第三十八張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一.光的干涉 當(dāng)兩列光波在空間傳

17、播時(shí)，滿足一定條件情況下，在兩列光波的交疊區(qū)，某些地方振動(dòng)始終加強(qiáng)，而某些地方振動(dòng)始終減弱，這就是光的干涉。 兩列波相遇時(shí)，必須滿足下述條件才能發(fā)生干涉： 1.頻率相同； 2.振動(dòng)方向相同； 3.具有恒定的相位差。右圖稱為牛頓環(huán)，是光干涉的典型例子。第三十九張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二.光的衍射 波在傳播過程中，當(dāng)遇到障礙物就會(huì)偏離直線傳播的現(xiàn)象，猶如聲音可以繞過大墻，無線電波能夠跨越高山。光在一定條件下也偏離直線，這就是光的衍射。 右圖為單縫衍射的光強(qiáng)分布。第四十張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三.光柵光柵： 實(shí)質(zhì)上就是在空間具有周期性結(jié)構(gòu)的衍射屏。 在透明的平行平板上刻有大量相互平行等寬的刻痕，每毫米幾十條到上千條。第四十一張，PPT共四十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第四部分 激光頭的光學(xué)原理1.原理： 按功能，光路可分成兩部分： 1）入射光路：激光束