光學(xué)基本的知識講座

1、關(guān)于光學(xué)基本知識講座第1頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四幾何光學(xué)基本知識一.基本概念 發(fā)光點 光線 光束第2頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四二.光線傳播的基本定律1.光的直線傳播定律2.光的獨立傳播定律3.光的折射定律4.光的反射定律第3頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四1.光的直線傳播定律在各向同性的均勻介質(zhì)中，光在兩點之間沿直線傳播第4頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四2.光的獨立傳播定律以不同途徑傳播的光，同時在空間某點相遇時，彼此互不影響，各自獨立地傳播第5頁，共45頁，2022年，5月20日，

2、9點34分，星期四3.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，其比值為常數(shù)：nSin(I)=nSin(I)第6頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四4.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7頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四光的全反射當(dāng)光線由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時，根據(jù)折射定律可知，因nI,當(dāng) SinIm=n/n時，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

3、8頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四三.物像的基本概念1.光學(xué)儀器和激光頭的光學(xué)系統(tǒng)都由一系列折射面和反射面組成2.光軸：各個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9頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四物像的基本概念3.成像：以A為頂點的入 射光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)一系列表面折射和反射后，變?yōu)橐訟點為頂點的出射光束，稱A為物點，A為像點，A為物點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10頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四物像基本概念4.同心光束與光程 一個發(fā)光點或?qū)嵨稂c總是發(fā)出同心光

4、束， 它與球面波相對應(yīng) 一個像點如果由對應(yīng)的同心光束匯聚而成，這樣的像點稱為完善像點 要成為完善像點，必須使入射波面與出射波面之間光程是相等的： n d=const n 介質(zhì)折射率 d 光線所經(jīng)過的實際長度第11頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四四.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12頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34

5、分，星期四光的色散介質(zhì)的折射率對不同波長（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 656.3nm D對人眼最敏感 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13頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四五.理想光學(xué)系統(tǒng)1.定義：理想光學(xué)系統(tǒng)就是能對任意寬空間內(nèi)的點，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)等價的抽象模型。它主要描述為： 1）物空間的中的一點對應(yīng)與像空間中唯一

6、的一點，這一對點稱為共軛點； 2）物空間中的一條直線對應(yīng)與像空間中唯一的一條直線，這一對直線稱為共軛線； 3）如物空間中一點位于直線上，其在像方空間中的共軛點必位于該直線的共軛線上。 此假設(shè)1841年由高斯建立，故稱為高斯光學(xué)。第14頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四2.理想光學(xué)系統(tǒng)的基點、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，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點在物方的共軛點必是光線AE1、和FO1的交點，它位于左方無窮的光軸上，故F即為無窮遠(yuǎn)軸上點的像，稱

7、為光學(xué)系統(tǒng)的像方焦點。第15頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四理想光學(xué)系統(tǒng)的基點、焦距如以相反方向作一平行于光軸的光線，可得到一個與光軸的焦點F,稱為光學(xué)系統(tǒng)的物方焦點。第16頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四理想光學(xué)系統(tǒng)的基點、焦距像方焦平面：過像方焦點F的垂 軸平面物方焦平面：過物方焦點F的垂 軸平面像方主點：像方主面與光軸的交 點物方主點：物方主面與光軸的交 點像方焦距：像方主點到像方焦點 的距離物方焦距：物方主點到物方焦點 的距離第17頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四3.物像位置、放大率物像位置：可相對于焦 點或主點來

8、定義如圖所示， 以焦點來定義的物像公式是： xx=ff 以主點來定義的物像公式是： 1/l-1/l=1/f第18頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四物像位置、放大率根據(jù)上面的成像關(guān)系式，可以導(dǎo)出物像 之間放大倍率的計算公式 1）橫向放大率： =l/l 2) 軸向放大率： =(n/n) 3) 角放大率： =n/n/ 第19頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四4.光學(xué)系統(tǒng)的圖解求像 光學(xué)系統(tǒng)的位置確定后，對于任何位置的點、線、面可以方便地用作圖法求出其像方共軛的點、線、面。 圖解方法的原理是應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)基點和基面的性質(zhì)，主要是： 1.平行于光軸的光線，經(jīng)系統(tǒng)

9、后通過像方焦點； 2.通過物方焦點的光線，經(jīng)系統(tǒng)后平行于光軸； 3.光線與主面的交點，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20頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四5.透鏡透鏡：由兩個折射面所限定的透明體，它 是構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)最基本的元件。 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，對光束起會聚作用 2.凹透鏡：中心厚度小于邊緣厚度，f 0,具有正 光 焦度， 對光束起會聚作用2.凹透鏡：中心厚度小于邊緣厚度， f 0,具有負(fù)光焦度， 對光束起發(fā)散作用第22頁，共45頁，2022年，5月20

10、日，9點34分，星期四6.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)成像的范圍。第23頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四光學(xué)基本知識第二部分 像差知識第24頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四像差知識介紹像差：由光線傳播定律決定，從光路實 際計算表明， 任意組合的光學(xué)系統(tǒng)只能對近軸物點以細(xì)光束 成像。隨著視場和孔徑的增大，成像光束的

11、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： 對單色光：球差、彗差、象散、場曲、畸變 對多色光：位置色差、倍率色差 第25頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四1.球差 由軸上一點發(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的高度而異，原來的同心光束將不復(fù)為同心光束。不同傾角的光線交光軸于不同的位置上，相對于理想像點位置有不同的偏離。這就是單色光成像缺陷之一球差，它是軸上點像差。 L=L-l第26頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四2.彗差定義兩個平面1。子午平面：入射光線和光軸組成的平面

12、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，分別對應(yīng)于子午平面和弧矢平面內(nèi)不同光線對的成像缺陷。第27頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四子午彗差子午彗差： 軸外點B發(fā)出三條子午光線Ba、Bp、Bb，它們在球面上的入射點相對于輔軸有不同的高度，使原本對稱于主光線的上下光線經(jīng)球面折射以后失去了對稱性，交點Bt相對于主光線有一偏離量Kt，它的大小反映了子午光束失對稱的程度，稱為子午彗差。 Kt=1/2 (ya-yb)-yp第28頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四弧矢彗差弧矢彗差： 類似地，對于弧矢平面上具有相同

13、孔徑的一對弧矢光線，由于它們對稱于子午平面，經(jīng)球面折射后交于輔軸上，這一對光線交點Bs,同樣偏離主光線，其偏離量用Ks表示，稱為弧矢彗差。第29頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四3.像散和場曲像散： 隨著視場的增大，遠(yuǎn)離光軸的物點，即使是主光線周圍的細(xì)光束成像也會明顯地失去對稱性，在不同方向上有不同的曲率，其曲率隨方向而漸變，分別形成子午像點和弧矢像點。 兩個像點之間的距離就用來描述像散的大小。 xts=xt-xs場曲： 即使子午像點和弧矢像點重合，但像面仍然彎曲，這就是場曲。第30頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四4.畸變 理想光學(xué)系統(tǒng)，一對共軛面

14、上的放大率是常數(shù)。 實際光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)視場變大時，像的放大率隨視場而變，使像相對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31頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四5.色差色差： 由于同一介質(zhì)對不同顏色的光有不同的折射率，所以在成像時，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.倍率色差第32頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四位置色差表述軸上點用不同色光成像時，其像點的位置差異。 由于色差的存在，光軸上一點即使以細(xì)光束成像也得不到清晰的像。它的值用下

15、式描述： lch=lF-lC 第33頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四倍率色差 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34頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四6.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)形成一個新的球面波，但實際上，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，這個變了形實際波面與相對于理想波面的偏離，就是波像差。第35頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34

16、分，星期四7.像質(zhì)評價 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時必須校正像差，如何評判設(shè)計質(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，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.點列圖：計算大量光線，在像面上形成彌散圖形，即點列圖。點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)的評判依據(jù)，激光頭物鏡的設(shè)計中常以此為評價標(biāo)準(zhǔn)； 4.光學(xué)傳遞函數(shù)：把物的亮度分布函數(shù)展開為傅里葉級數(shù)或傅里葉積分，光學(xué)系統(tǒng)的特性就表現(xiàn)為它對各種頻率正弦波的傳遞和反應(yīng)能力，于是出現(xiàn)了較全面評價光學(xué)系統(tǒng)的新的評價

17、手段-光學(xué)傳遞函數(shù)。在照相物鏡設(shè)計中已得到普遍采用。第36頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四光學(xué)基本知識第三部分 波動光學(xué)第37頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四概述 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，必定具有波動的基本特征光的干涉和衍射。 第38頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四一.光的干涉 當(dāng)兩列光波在空間傳播時，滿足一定條件情況下，在兩列光波的交疊區(qū)，某些地方振動始終加強(qiáng)，而某些地方振動始終減弱，這就是光的干涉。 兩

18、列波相遇時，必須滿足下述條件才能發(fā)生干涉： 1.頻率相同； 2.振動方向相同； 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39頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四二.光的衍射 波在傳播過程中，當(dāng)遇到障礙物就會偏離直線傳播的現(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40頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四三.光柵光柵： 實質(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41頁，共45頁，2022年，5月20日，9點34分，星期四第四部分 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：激光束經(jīng)光柵分光，又經(jīng)反射