光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)課件

光的傳播光的傳播

–光線–光線光源：任何發(fā)光的物體，如太陽(yáng)，日光燈；或者被照明而漫反射光的物體。點(diǎn)光源：可以看成幾何光學(xué)上的點(diǎn)，只占有空間位置而無(wú)體積和線度。光線：表示光能量傳播方向的幾何線。幾何光學(xué)特點(diǎn)研究對(duì)象的幾何線度遠(yuǎn)大于照射光波的波長(zhǎng)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)定律1光線只在密度均勻媒質(zhì)(每一點(diǎn)的折射率都為常數(shù))中沿直線、獨(dú)立傳播。云隙光幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)定律

鏡面反射SpecularReflection漫反射DiffuseReflection幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)定律相控雷達(dá)陣列Phased-arrayradar幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)定律3折射定律折射線在入射面內(nèi)，并和入射線分別在法線兩側(cè)；對(duì)于單色光，入射角與折射角的正弦之比是常數(shù)；介質(zhì)折射率

n

光通過(guò)介質(zhì)時(shí)在該介質(zhì)中速度減小程度的量度幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)定律介質(zhì)分界面處的光束折射Thebendingofraysataninterface光的可逆光的可逆性當(dāng)光線沿著和原來(lái)相反的方向傳播時(shí)，其路徑不變費(fèi)馬原理光程光線從m層不同折射率的介質(zhì)組成的疊層中傳播光程(OpticalPathLength)費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理—在兩點(diǎn)之間光線傳播的實(shí)際路徑與任何其他可能路徑相比，其光程為極值。在兩點(diǎn)之間光沿著所需時(shí)間為極值的路徑傳播。費(fèi)馬原理光程極小值—反射定律PMM'M''n1i1'i1Qn2界面P'費(fèi)馬原理光程恒定值—橢球內(nèi)反射面光程最大值—凹球面光程最小值—凸球面F1F2費(fèi)馬原理應(yīng)用費(fèi)馬原理應(yīng)用幾何光學(xué)成像理想點(diǎn)光源發(fā)光點(diǎn)—理想的點(diǎn)光源，實(shí)際光源的一種抽象表示。特點(diǎn)：只有幾何位置，沒有大小和形狀。

Q實(shí)發(fā)光點(diǎn)Q虛發(fā)光點(diǎn)幾何光學(xué)成像光具組光具組：若干個(gè)反射面或折射面組成的光學(xué)系統(tǒng)平面反射鏡

球面反射鏡雙面凹透鏡透鏡組合幾何光學(xué)成像物和像如果一個(gè)以Q點(diǎn)為中心的同心光束經(jīng)光具組的反射或者折射后轉(zhuǎn)化為另一個(gè)以Q'點(diǎn)位中心的同心光束，那么可以說(shuō)成光具組使Q成像于Q'。Q：物點(diǎn)；Q'：像點(diǎn)實(shí)像—出射的同心光束是會(huì)聚的像.虛像—出射的同心光束是發(fā)散的像.實(shí)物—入射的是發(fā)散的同心光束，則發(fā)散中心稱為實(shí)物.虛物—入射的是會(huì)聚的同心光束，則會(huì)聚中心稱為虛物.物空間—入射的同心光束傳播的空間像空間—出射的同心光束傳播的空間幾何光學(xué)成像物和像QQ'光具組實(shí)物成實(shí)像實(shí)物成虛像QQ'光具組虛物成實(shí)像QQ'光具組虛物成虛像QQ'光具組幾何光學(xué)成像理想光學(xué)系統(tǒng)理想光學(xué)系統(tǒng)(理想光具組)保持同心性：一個(gè)能使任何同心光束保持同心性

的光具組。共軛性：物空間和像空間的這種點(diǎn)點(diǎn)、線線、面面的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。物空間每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)像空間一個(gè)點(diǎn)物空間每條直線對(duì)應(yīng)像空間一條直線物空間每個(gè)平面對(duì)應(yīng)像空間一個(gè)平面等光程性：物點(diǎn)到像點(diǎn)的各光線的光程都相等。幾何光學(xué)成像理想光學(xué)系統(tǒng)光束的同心性的破壞P‘(x‘,y')點(diǎn)為P(x,y)點(diǎn)的一個(gè)像點(diǎn)幾何光學(xué)成像理想光學(xué)系統(tǒng)光束的同心性的破壞光線PAP‘的光程A點(diǎn)在鏡面上移動(dòng)，半徑r是常量，角度φ

是位置的變量。幾何光學(xué)成像理想光學(xué)系統(tǒng)理想光學(xué)系統(tǒng)(理想光具組)保持同心性：一個(gè)能使任何同心光束保持同心性

的光具組。共軛性：物空間和像空間的這種點(diǎn)點(diǎn)、線線、面面的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。物空間每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)像空間一個(gè)點(diǎn)物空間每條直線對(duì)應(yīng)像空間一條直線物空間每個(gè)平面對(duì)應(yīng)像空間一個(gè)平面等光程性：物點(diǎn)到像點(diǎn)的各光線的光程都相等。幾何光學(xué)成像平面鏡

光導(dǎo)纖維棱鏡球面折射球面反射鏡薄透鏡幾何光學(xué)成像平面反射成像平面反射鏡：在平基片上鍍一層金屬如銀、鋁、鉻等作為反光物質(zhì)作為平面反射鏡實(shí)物S虛像S’虛物S

實(shí)像S’幾何光學(xué)成像平面反射成像鏡像反演XYZx‘y’z‘物體:左手坐標(biāo)系XYZ像：右手坐標(biāo)系x'y'z'幾何光學(xué)成像平面折射成像像散光束，不能成像平面折射近似成像

幾何光學(xué)成像全反射

a1a2c1b2a1'b1'c1'n1n2<n1i1icb1全反射(全內(nèi)反射)條件：光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)全反射的臨界角，此時(shí)折射角為90°臨界角是產(chǎn)生全反射現(xiàn)象的最小入射角。幾何光學(xué)成像全反射幾何光學(xué)成像全反射

(全)外反射NASA的卡西尼號(hào)探測(cè)器首次捕捉到土星最大衛(wèi)星泰坦星上的一個(gè)液態(tài)（甲烷）湖反射陽(yáng)光的圖像。拍攝距離為泰坦星20萬(wàn)公里處。幾何光學(xué)成像光導(dǎo)纖維幾何光學(xué)成像光導(dǎo)纖維光纖數(shù)值孔徑N.A.(NumericalAperture)=CoreCladding幾何光學(xué)成像棱鏡回反棱鏡五脊棱鏡直角棱鏡色散棱鏡幾何光學(xué)成像色散(折射)棱鏡三棱鏡(DispersingPsism)工作面底面折射棱棱鏡頂角--兩工作面間夾角主截面----垂直于折射棱平面幾何光學(xué)成像色散(折射)棱鏡d/(Deg)dmini1(Deg)n=1.5a=60odmin色散棱鏡的偏向角隨入射角的變化幾何光學(xué)成像色散(折射)棱鏡對(duì)于給定材料和頂角的三棱鏡，存在最小偏向角（滿足的條件：時(shí)，棱鏡內(nèi)折射光線平行于底面通過(guò)，偏向角最小）重要應(yīng)用：測(cè)量棱鏡的折射率幾何光學(xué)成像色散(折射)棱鏡AbbePrism阿貝棱鏡Pellin–BrocaPrism

貝林-布洛卡稜鏡幾何光學(xué)成像反射(轉(zhuǎn)向)棱鏡全內(nèi)反射原理改變光束方向幾何光學(xué)成像反射(轉(zhuǎn)向)棱鏡Right-anglePrism直角全反射棱鏡幾何光學(xué)成像反射(轉(zhuǎn)向)棱鏡PorroPrism普羅棱鏡幾何光學(xué)成像反射(轉(zhuǎn)向)棱鏡PentaPrism五棱鏡幾何光學(xué)成像反射(轉(zhuǎn)向)棱鏡DovePrism達(dá)夫棱鏡幾何光學(xué)成像單球面折射成像球面曲率中心C球面頂點(diǎn)O或者V主光軸SOC幾何光學(xué)成像單球面折射成像球面折射及薄透鏡的符號(hào)規(guī)則+物位于頂點(diǎn)O的左邊

+物方焦距的左邊

+像位于頂點(diǎn)O的右邊

+像方焦距的右邊

R

+如果曲率中心C頂點(diǎn)O的右邊

+光軸的上方角度

+以光軸或球面法線為基準(zhǔn)，考察光線或線段與基準(zhǔn)線構(gòu)成的銳角。若銳角由光線或線段相對(duì)基準(zhǔn)線逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)形成O----Object，物。i----Image,像。幾何光學(xué)成像單球面折射成像入射折射光線與主光軸夾角的小角度近似，保證了同心性。即傍軸近似條件下得出單球面折射成像公式：球面系統(tǒng)光焦度幾何光學(xué)成像單球面折射成像球面系統(tǒng)光焦度單位：屈光度D(diopter)

表示球面使入射光束會(huì)聚表示球面使入射光束發(fā)散表征球面曲折光線的本領(lǐng)幾何光學(xué)成像單球面折射成像F'On2n1

像方焦點(diǎn)F'FOn2n1物方焦點(diǎn)F物方焦距:像點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)的物距像方焦距：實(shí)物點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處的特殊像距折射球面內(nèi)外的兩個(gè)焦距是不相等的；兩個(gè)焦點(diǎn)總是位于折射面的兩側(cè)。幾何光學(xué)成像單球面折射成像高斯公式高斯物象公式是光學(xué)系統(tǒng)傍軸成像的普遍公式QfQ'f'ROMCn'nF'Fxx'牛頓公式焦物距焦像距幾何光學(xué)成像單球面折射成像 傍軸小平面物體的傍軸光線成像只有當(dāng)物體處在傍軸區(qū)并用細(xì)光束（傍軸光線）成像時(shí)，才能獲得點(diǎn)成點(diǎn)像，直線成直線像，平面成平面像。幾何光學(xué)成像單球面折射成像橫向放大率(垂軸放大率)：像高與物高的比值橫向放大像正立物像一實(shí)一虛橫向縮小像倒立物像虛實(shí)相同幾何光學(xué)成像單球面折射成像角放大率在傍軸近似的條件下，表示折射球面改變同心光束張角大小能力橫向放大率與角放大率關(guān)系

拉格朗日-亥姆霍茲恒等式

傍軸區(qū)域成像的物空間、像空間各共軛量之間關(guān)系幾何光學(xué)成像單球面反射成像反射定律：傍軸區(qū)域內(nèi)折射定律反射--從折射率n的介質(zhì)到折射率為-n的介質(zhì)的特殊折射傍軸區(qū)域球面反射的成像公式物方焦點(diǎn)與像方焦點(diǎn)重合，焦距等于球面曲率半徑的一半，焦點(diǎn)位于球心與球面頂點(diǎn)連線的中點(diǎn)。反射成像公式不涉及介質(zhì)折射率，是理想的無(wú)色差成像系統(tǒng)。幾何光學(xué)成像單球面反射成像球面反射符號(hào)規(guī)則+物位于頂點(diǎn)O的左邊

+物方焦距的左邊

+像位于頂點(diǎn)O的左邊

+像方焦距的左邊

R

+如果曲率中心C頂點(diǎn)O的右邊

+光軸的上方角度

+以光軸或球面法線為基準(zhǔn)，考察光線或線段與基準(zhǔn)線構(gòu)成的銳角。若銳角由光線或線段相對(duì)基準(zhǔn)線逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)形成O----Object，物。i----Image,像。幾何光學(xué)成像共軸球面組傍軸成像d23PQynO1S1s1n'n''n'''P'P''P'''O2O3S2S3Q'Q'''Q''y'''-y''-y's3's2s1's2's3d12共軸球面系統(tǒng)—所有球面的中心都在一條直線上(主光軸)共軸球面組物像關(guān)系像的橫向放大率共軸球面組成像的橫向放大率等于各個(gè)球面逐次成像的橫向放大率之乘積幾何光學(xué)成像薄透鏡成像透鏡：兩個(gè)折射面包圍一種透明介質(zhì)組成的光學(xué)元件。非球面透鏡—菲涅爾透鏡，自聚焦透鏡，傅里葉透鏡等球面透鏡—兩個(gè)折射面均為球面薄透鏡：如果透鏡的厚度(球面透鏡的兩個(gè)球面頂點(diǎn)間的軸向距離)與其和成像性質(zhì)相關(guān)的距離(比如物距、像距、焦距、曲率半徑)相比小得多，從而可以略去不計(jì)。兩個(gè)球面的頂點(diǎn)近似認(rèn)為是與其中心即薄透鏡的光心重合凸透鏡—中央較邊緣厚凹透鏡—邊緣較中央厚會(huì)聚透鏡發(fā)散透鏡幾何光學(xué)成像薄透鏡成像Bio-convexPlanar-convexMeniscusconvexBi-concavePlanar-concaveMeniscusconcave球面薄透鏡Sphericalthinlenses幾何光學(xué)成像薄透鏡成像r1QQ'(Q2')Q1'(Q2)C1C2O1O2nLnn'ds2'-r2s1s1'-s2幾何光學(xué)成像薄透鏡成像兩個(gè)球面的頂點(diǎn)趨于重合QQ1'C1C2OnLnn'ss'r1-r2薄透鏡物像關(guān)系橫向放大率薄透鏡的光焦度幾何光學(xué)成像薄透鏡成像LFnn'F'Ln'n