工程光學全套課件

1工程學光2光是什么?3光學的發(fā)展歷史光學是一門有悠久歷史的學科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。人類對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體？”之類問題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學知識。它有八條關于光學的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴謹?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關系。自《墨經(jīng))開始，公元11世紀阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀初，詹森和李普希同時獨立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結果，歸結為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。5光學的發(fā)展歷史1860年前后，麥克斯韋的指出，電場和磁場的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個結論在1888年為赫茲的實驗證實。1900年，普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質相互作用時，光也是以光子為最小單位進行的。6光學的發(fā)展歷史在20世紀初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應、光壓以及光的化學作用等無可懷疑地證明了光的量子性——微粒性。1922年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應，1928年發(fā)現(xiàn)的喇曼效應，以及當時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細結構，它們都表明光學的發(fā)展是與量子物理緊密相關的。光學的發(fā)展歷史表明，現(xiàn)代物理學中的兩個最重要的基礎理論——量子力學和狹義相對論都是在關于光的研究中誕生和發(fā)展的。此后，光學開始進入了一個新的時期，以致于成為現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代科學技術前沿的重要組成部分。7

光的本性

很久以來，人們對光就進行了各種各樣的研究。光到底是什么東西呢？這個問題困擾了許多有才智之士。牛頓提出著名的光微粒說：光是由極小的高速運動微粒組成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的質量最大，紅光微粒的質量最小。到十九世紀初期，發(fā)現(xiàn)了光的干涉、繞射和偏振現(xiàn)象，這些行為只適合于光的波動理論解釋。到1863年麥克斯韋發(fā)表著名的電磁理論，揭示了光波其實是電磁波的一種，這時波動理論的最后的一個難題--傳播媒質問題也被解決了。但從十九世紀末起，卻發(fā)現(xiàn)了一系列令人困惑的新的實驗結果。這些結果共同的特點是，他們無法用麥克斯韋理論來解釋。其中最典型的是光電效應實驗。偉大的愛因斯坦于1905年提出光量子說來解釋該實驗。光一方面具有波動的性質，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性質，如光電效應等。這兩方面的綜合說明光不是單純的波，也不是單純的粒子，而是具有波粒二象性的物質。這是認識上的不斷加深而得到的結論。應該注意這也還不是最后的答案。對于光的本性，雖然經(jīng)過這么多年的探索，我們所知道的也的確是太少了。光到底是什么？是在某一時刻表現(xiàn)為粒子，而在另一時刻表現(xiàn)為波？還是完全不同于我們現(xiàn)在所知的某種物質？這些問題也是當今的科學家們在苦苦思索的問題。9

什么是光學？狹義來說，光學是關于光和視見的科學，optics(光學)這個詞，早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。而今天，常說的光學是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質相互作用的科學。光學是物理學的一個重要組成部分，也是與其他應用技術緊密相關的學科。10經(jīng)典光學的研究內(nèi)容通常把光學分成幾何光學、物理光學（波動光學）和量子光學三個大類。幾何光學是從幾個由實驗得來的基本原理出發(fā)，來研究光的傳播問題的學科。它利用光線的概念、折射、反射定律來描述光在各種媒質中傳播的途徑，它得出的結果通常總是波動光學在某些條件下的近似或極限。物理光學（波動光學）是從光的波動性出發(fā)來研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學科，所以也稱為波動光學。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質中傳插時所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。量子光學是從光子的性質出發(fā)，來研究光與物質相互作用的學科即為量子光學。它的基礎主要是量子力學和量子電動力學。11什么是應用光學?13本課程學習的內(nèi)容14上篇：幾何光學與成像理論15第一章

幾何光學基本定律與成像概念17第一章

幾何光學基本定律與成像概念第一節(jié)：幾何光學的基本定律二、幾何光學基本定律幾何光學以下面幾個基本定律為基礎：

1.光的直線傳播定律

2.光的獨立傳播定律

3.光的反射定律：

4.光的折射定律

以上四個基本定律是幾何光學研究各種光的傳播現(xiàn)象和規(guī)律以及光學系統(tǒng)成像特性的基礎！

5.光的全反射現(xiàn)象:⑴光線從光密介質射向光疏介質； ⑵入射角大于臨界角。 ⑶臨界角Im:18第一章

幾何光學基本定律與成像概念例:在水中深度為y處有一發(fā)光點Q，作QO面垂直于水面，求射出水面折射線的延長線與QO交點Q′的深度y′與入射角i的關系。oy′yQ′QMi′ix19第一章

幾何光學基本定律與成像概念第一節(jié)：幾何光學的基本定律三、光傳播的可逆定理：當光線沿著和原來相反方向傳播時，其路 徑不變。四、費馬原理：在A、B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。注意理解“光程”的概念!!五、馬呂斯定律：垂直于波面的光線束經(jīng)過任意多次折射和反射 后，出射波面仍和出射光束垂直；且入射波面和 出射波面上對應點之間的光程為定值。折、反定律，費馬原理和呂馬斯定律三者可以互相推導出來，因此，三者之中任一個可以作為幾何光學的基本定律，而其他二者可以作為推論！21第一章

幾何光學基本定律與成像概念第一節(jié)：幾何光學的基本定律作業(yè):一界面把n=1和n′=1.5的介質分開，設此界面對n介質中無限遠處的點光源發(fā)出的光線經(jīng)界面后，在n′的介質中與界面頂點相距100mm處的點為等光程，求此分界面的表達式。22第一章

幾何光學基本定律與成像概念第二節(jié)：成像的基本概念與完善成像條件一、光學系統(tǒng)與成像概念應用不同形狀的曲面和不同的透明介質做成各種光學元件，并把它們按一定的方式組合起來，使由物體發(fā)出的光線經(jīng)過這些光學元件的折射或反射，從而滿足一定的使用要求。這些光學元件的組合稱為“光學系統(tǒng)”或“光組”。組成光學系統(tǒng)的各個光學元件的表面曲率中心同在一條直線上，則稱為共軸光學系統(tǒng)，該直線叫作光軸。物點發(fā)出的球面波（同心光束）經(jīng)光學系統(tǒng)后仍為球面波（同心光束），則其中心為物點的完善像點。物體上每個點的完善成像點的集合即為物體的完善像。物所在空間稱物空間，像所在空間稱像空間。二、完善成像的條件由物點發(fā)出的通過光學系統(tǒng)到達像點的任意光路的光程相等。三、物、像的虛實

1.物和像一樣，都有實和虛兩類；

2.物和像是相對于光學系統(tǒng)而言的；

3.實物、虛象對應發(fā)散同心光束，虛物、實像對應會聚同心光束。23第一章

幾何光學基本定律與成像概念第三節(jié)：光路計算與近軸光學系統(tǒng)一、基本概念與符號規(guī)則（注意：每種參考書的符號規(guī)則不一定相同?。。?/p>

1.

基本概念：頂點，子午面，物方（像方）截距，物方（像方）孔徑角。

2.符號規(guī)則：光線的傳播方向，規(guī)定為自左到右！★線段：⑴沿光軸的線段：以頂點為起始點，線段在頂點的右側，其值為正；線 段在頂點的左側，其值為負。

⑵垂直于光軸的線段：以線段和光軸的交點為起始點，在光軸上方的線 段，其值為正；在光軸下方的線段，其值為負。

⑶和光軸成一定夾角與折射球面相交的線段:以和折射球面的交點為起 始點,線段在交點的右則,其值為正；線段在交點的左則,其值為負?！锝嵌龋孩殴饩€和光軸的夾角：以光軸為起始軸，順時針轉向光線所成的角，其 值為正；反時針轉向光線所成的角，其值為負。⑵光線和法線的夾角：以光線為起始軸，順時針轉向法線所成的角，其 值為正；反時針轉向法線所成的角，其值為負。⑶光軸和法線的夾角：以光軸為起始軸，順時針轉向法線所成的角，其 值為正；反時針轉向法線所成的角，其值為負?！镎凵涿骈g隔：由前一面的頂點到后一面的頂點，順光線傳播方向其值為正，逆 光線傳播方向，其值為負。在折射型光學系統(tǒng)中，折射面間隔恒為正。25第三節(jié)：光路計算與近軸光學系統(tǒng)二、實際光線的光路計算：

由計算關系式可知：單個折射球面對軸上物點成像是不完善的，這種現(xiàn)象的存在稱為“像差”。三、近軸光線的光路計算

1.幾個概念:近軸光線、近軸區(qū)、高斯像、高斯像面、共軛點、阿貝不變量。

2.近軸光路計算和物像位置關系式：第一章

幾何光學基本定律與成像概念26第一章

幾何光學基本定律與成像概念第四節(jié)：球面光學成像系統(tǒng)一、單個折射面成像:(1)、垂軸放大率：像的大小與物體的大小之比。27第一章

幾何光學基本定律與成像概念第四節(jié)：球面光學成像系統(tǒng)一、單個折射面成像:(2)、軸向放大率：它表示光軸上一對共軛點沿軸向移動量之

間的關系。29第一章

幾何光學基本定律與成像概念第四節(jié)：球面光學成像系統(tǒng)二、球面反射鏡成像:1）物像位置公式：

2）成像放大率：

3）拉赫不變式：30第一章

幾何光學基本定律與成像概念第四節(jié)：球面光學成像系統(tǒng)三、共軸球面系統(tǒng):1）過渡公式：

2）成像放大率：

3）拉赫不變式：31第一章

幾何光學基本定律與成像概念例題1:

已知一共軸光學系統(tǒng)由兩個折射球面組成(稱為透鏡)，它們曲率半徑分別為r1=95.06mm，r2=-66.68mm，兩個折射球面的間隔(厚度)d1=8mm，兩折射球面(透鏡玻璃)間的折射率為1.5163，系統(tǒng)位于空氣中。

求由L1=-150mm的物點發(fā)出的物方孔徑角U1=-2°的入射光線經(jīng)過系統(tǒng)后的折射光線的位置，即求L2和U2。32第一章

幾何光學基本定律與成像概念例題2:一個半導體砷化鎵發(fā)光二極管，它的發(fā)光區(qū)為直徑d=3mm的圓盤，發(fā)光面上覆蓋一折射率n=3.4的半球形介質。試問：要使發(fā)光盤區(qū)域內(nèi)的全部光線在球面上都不發(fā)生全反射，介質半球的半徑R至少應多大？33第一章

幾何光學基本定律與成像概念第一章課程作業(yè):1.用費馬原理證明光的折射定律。

2.第一章習題：

2.4.9.13.15.19.(

22選做)

34第二章

理想光學系統(tǒng)35第二章

理想光學系統(tǒng)第一節(jié):理想光學系統(tǒng)與共線成像理論1.理想光學系統(tǒng):如果把光學系統(tǒng)在近軸區(qū)成完善像的理論推廣到任意大的空間,以任意大的光束成像都是完善像,這樣光學系統(tǒng)定義為理想光學系統(tǒng),也稱高斯光學系統(tǒng)。2.幾個概念：共軛、共線成像（共線變換或共線光學）、基點、基面。3.共線成像理論的幾何定義歸納為：（1）物空間每一點對應于像空間一點，且只有一點，這兩個對應點稱為物、像空間的共軛點。（2）物空間每一條線對應于像空間一條線，這一對相應的線稱為物、像兩空間的共軛線。（3）如果物空間的任意一點位于直線上，那么在像空間內(nèi)的共軛點也必在該直線的共軛線上。同樣，以上定義可以推廣到：物空間中的每一同心光束在像空間均有一共軛的同心光束與之對應；物空間中任意平面對應像空間中有一共軛平面。36第二節(jié)：理想光學系統(tǒng)的基點與基面像、物方焦點、焦平面、主點、主平面和焦點的定義和確定！

注意：物方焦點和像方焦點不是一對共軛點！而物方主面和像方主 面是一對共軛面！第二章

理想光學系統(tǒng)37第二節(jié)：理想光學系統(tǒng)的基點與基面

注意：物方焦點和像方焦點、物方主面和像方主面的位置關系！第二章

理想光學系統(tǒng)-f′f38第二章

理想光學系統(tǒng)第三節(jié):理想光學系統(tǒng)的物像關系1.圖解法求像:根據(jù)理想光學系統(tǒng)主點(面)、焦點和節(jié)點（面）的性質，已知物空間任意位置的點、線和面，用作圖方法求其共軛點、線和面的位置，稱為圖解法求像。2.用圖解法求像的方法：（1）平行于光軸的入射光線，射向理想光學系統(tǒng)的物方主面，利用在共軛主面β=+1的性質，經(jīng)過系統(tǒng)后出射光線必通過像方焦點。（2）過物方焦點的光線，射向理想光學系統(tǒng)的物方主面，利用在共軛主面β=+1的性質，經(jīng)過系統(tǒng)后出射光線必平行于光軸。（3）軸外入射的平行光束(斜平行光束)經(jīng)系統(tǒng)后必交于像方焦平面上的一點。（4）來自物方焦平面上的任意點發(fā)出的光束經(jīng)系統(tǒng)后，必成傾斜于光軸的平行光束。（5）經(jīng)過系統(tǒng)節(jié)點的入射光線，出射光線方向不變。（6）共軛光線在物、像方主面上的投射高度不變。39第二章

理想光學系統(tǒng)節(jié)點在照相光學系統(tǒng)中的應用用于拍攝大型團體照片的周視照相機原理圖40第三節(jié):理想光學系統(tǒng)的物像關系3.解析法求像：

第二章

理想光學系統(tǒng)41第二章

理想光學系統(tǒng)第三節(jié):理想光學系統(tǒng)的物像關系3.解析法求像：（1）以焦點為原點的牛頓公式：（2）以主點為原點的高斯公式：

42第二章

理想光學系統(tǒng)第三節(jié):理想光學系統(tǒng)的物像關系4.由多個光組構成的理想光學系統(tǒng)的成像：（1）圖解法中只要將上一個成像系統(tǒng)的像看作下一個成像系統(tǒng)的物逐個利用基點和基面的性質進行作圖求解。（2）解析法中則利用光路追跡過度公式，注意物像的相對性和光學間隔的標定方法，逐個利用物像解析公式進行求解。5.理想光學系統(tǒng)兩焦距之間的關系：43第二章

理想光學系統(tǒng)第四節(jié):理想光學系統(tǒng)的放大率及其相互間的關系（1）垂軸放大率：（2）軸向放大率：（3）角放大率：（4）三者的關系：44第二章

理想光學系統(tǒng)第四節(jié):理想光學系統(tǒng)的放大率及其相互間的關系（5）光學系統(tǒng)的節(jié)點和節(jié)面：系統(tǒng)角放大率為+1×的一對共軛點為系統(tǒng)的節(jié)點，通過節(jié)點垂直于光軸的平面為節(jié)面。當物、像空間的介質相同時，主點就是節(jié)點，主面即為節(jié)面。因此，過主點的入射光線經(jīng)理想光學系統(tǒng)后出射方向不變。

※第五節(jié):光學系統(tǒng)的光焦度、折光度和光束的會聚度（1）折合線段：線段與該線段所在介質折射率的比值為折合線段。（2）光焦度：折合焦距的倒數(shù)稱為光學系統(tǒng)的光焦度。（3）屈光度：規(guī)定在空氣中，象方焦距值為+1米的光焦度作為光學系統(tǒng)光焦度的單位，稱為屈光度（D）。（4）會聚度：共軛點折合距離的倒數(shù)稱為光束的會聚度。45第二章

理想光學系統(tǒng)例：有兩共軸光組位于空氣中，光組Ⅰ為正光組，光組Ⅱ為負光組（假定每個光組的兩主面重合），且焦距絕對值均為10cm，彼此的間隔為5cm。今在光組Ⅰ左側20cm處，有一高度為2cm的物體AB，問經(jīng)光組Ⅰ和Ⅱ后所成的像距光組Ⅰ多遠，大小如何？成像性質如何？用兩種公式系計算相互校核，并將計算結果用圖標注出來。46第二章

理想光學系統(tǒng)第五節(jié):理想光學系統(tǒng)的組合

1.兩個光組的組合光組Ⅰ光組Ⅱ47第二章

理想光學系統(tǒng)1.兩個光組的組合（1）組合焦距：（2）組合焦點位置：（3）組合主面位置：48第二章

理想光學系統(tǒng)2.多光組組合計算:(1)正切計算法:由圖可知，對于由k個光組組成的系統(tǒng)有：49第二章

理想光學系統(tǒng)2.多光組組合計算:(2)截距計算法:

將上式組合焦距變換為：因為代入上式，可得：

利用這一組公式只對每個光組連續(xù)應用高斯公式，依次求出每個光組得物距和像距，便可得出組合光學系統(tǒng)得焦距。這種方法稱為截距計算法。50第二章

理想光學系統(tǒng)例:已知位于空氣中的兩個光組,均為薄光組，其有關數(shù)據(jù)如下：f1′=-f1=40，f2′=-f2=30，d=20。要求：（1）分別按牛頓公式和高斯公式系求其組合系統(tǒng)的象方與物方基點位置與焦距值，并將計算結果標于圖中。（2）若給定物體AB其位置=-44，試用牛頓公式系按組合系統(tǒng)一次求象與按分光組逐次求象兩種方法計算象面位置與橫向放大率，校核兩種計算結果是否一致。51第六節(jié)：透鏡一.折射球面的情況

1）單個折射球面的基點和基面對單個球面來講，它的主面就是過球面頂點所作的折射球面的切平面??！第二章

理想光學系統(tǒng)52第六節(jié)：透鏡

2)單個折射球面的焦距、光焦度和偏角公式（1）焦距公式：（2）單個折射球面的光焦度：（3）偏角公式：第二章

理想光學系統(tǒng)

偏角公式是說明入射光線及其相對應的出射光線和焦距之間的關系！！53第二章

理想光學系統(tǒng)

第六節(jié)：透鏡

二.球面反射鏡的情況（1）球面反射鏡的基點和基面：和單個折射球面一樣,它的 主點、主面在頂點處。

（2）焦距公式：球面反射鏡的物方焦距和像方焦距是相等的，其值為球 面曲率半徑的一半，即球面反射鏡的焦點位于球心C和球面 頂點O之間的中點。54第六節(jié)：透鏡三.單透鏡的情況第二章

理想光學系統(tǒng)55第六節(jié)：透鏡三.單透鏡的情況

(1)焦距和光焦度公式:

(2)主面位置:第二章

理想光學系統(tǒng)56第六節(jié)：透鏡三.單透鏡的情況

(3)兩主面的距離:(4)幾種典型透鏡的基點和基面:

透鏡中光焦度為正者稱為正透鏡,光焦度為負者稱為負透鏡。按形狀不同，正透鏡又分為雙凸、平凸和月凸（正彎月鏡）三種類型。負透鏡又分為雙凹、平凹和月凹（負彎月鏡）三種類型。正透鏡的中心厚度大于邊緣厚度，而負透鏡的邊緣厚度大于中心厚度。

（見書中P35表2-1）第二章

理想光學系統(tǒng)57第六節(jié)：透鏡三.單透鏡的情況

(5)薄透鏡:把忽略厚度的透鏡，稱為“薄透鏡”。

☆常用表示符號：正透鏡負透鏡☆薄透鏡的相關公式：（d=0）(同學自己推導?。?

☆薄透鏡的物像關系式：（透鏡位于空氣中?。┑诙?/p>

理想光學系統(tǒng)58第二章

理想光學系統(tǒng)

本章作業(yè)：

P36習題：1、2、3、4、6、7、9、10、14

（15選做）59平面光學元件的作用：實現(xiàn)折疊光路、縮小儀器的形體、完成轉像，連續(xù)改變光軸方向、擴大觀察范圍，以及實現(xiàn)分光、測微補償?shù)?。平面光學元件的分類：在共軸球面系統(tǒng)中一般分為平面折射元件和平面反射元件。常用的平面折射元件有平行平板玻璃、折射棱鏡、光楔等；常用的平面反射元件有平面鏡和各種反射棱鏡。第三章

平面與平面系統(tǒng)60第三章

平面與平面系統(tǒng)第一節(jié)：平面鏡成像及特性

1.平面反射鏡的成像（1）物點的成像規(guī)律：61第三章

平面與平面系統(tǒng)第一節(jié)：平面鏡成像及特性

1.平面反射鏡的成像（2）非一致像、一致像和完全一致像：當物為左手坐標系，而像變?yōu)橛沂肿鴺讼担ɑ蚍粗?，這樣的像稱為“非一致像”，也叫做“鏡像”。當物用左手坐標系表示，通過光學元件后所成的像仍為左手坐標系，則稱這樣的像為

“一致像”。如果物和像的上下、前后、左右三個方向的坐標都完全一致，則稱這樣的像為“完全一致像”。因此，物體經(jīng)偶數(shù)個反射鏡成像后成“一致像”，經(jīng)奇數(shù)個反射鏡成像后成“非一致像”。（3）平面反射鏡是唯一能成完善像的最簡單的光學元件。62第三章

平面與平面系統(tǒng)第一節(jié)：平面鏡成像及特性

1.平面反射鏡的成像

★平面反射鏡經(jīng)一次反射后的成像性質歸納如下:(Ⅰ)點經(jīng)過平面反射鏡反射后所成的像仍為一個點，即成完善像。(Ⅱ)物體與其像以平面反射鏡為對稱，即成非一致像。(Ⅲ)實物成虛像，虛物成實像。63第三章

平面與平面系統(tǒng)第一節(jié)：平面鏡成像及特性

2.平面反射鏡的轉動64第三章

平面與平面系統(tǒng)第一節(jié)：平面鏡成像及特性

3.雙平面反射鏡的成像(角鏡成像)(1)采用角鏡這樣的光學元件,可以使光線改變方向。光線的方向改變可以根據(jù)實際需要通過選擇適當?shù)摩两莵韺崿F(xiàn)。（2）入射光線經(jīng)過角鏡后方向的改變，只與角鏡的頂角α有關。如果保持角鏡的頂角α不變，在入射光線方向不變的情況下，如果角鏡繞垂直于圖平面的軸旋轉，它的出射光線方向始終不會改變。65第三章

平面與平面系統(tǒng)第二節(jié)：平行平板及特性

1.平行平板的成像特性66第三章

平面與平面系統(tǒng)第二節(jié)：平行平板及特性

1.平行平板的成像特性（1）光線經(jīng)過平面平行玻璃板折射后，出射光線的方向與入射光線平行，同時出射光線在入射光線的右側。（2）近軸光線經(jīng)過平面平行玻璃板，當平板的厚度確定后，折射光線與光軸交點的位移量為一常數(shù)，它不隨入射光線的入射角而變化。（3）對任意光線來講經(jīng)平面平行玻璃板折射后，折射光線與光軸交點的位移量隨入射光線的入射角的變化而變化。67第三章

平面與平面系統(tǒng)第二節(jié)：平行平板及特性

2.平行平板的“等效空氣層”概念

注意：該公式只是對近軸光線而言，否則進行修正！！68第三章

平面與平面系統(tǒng)第三節(jié)：反射棱鏡

1.反射棱鏡的作用與類型（1）作用：a.改變光軸方向或使光軸平移。

b.棱鏡轉像。

c.擴大觀察范圍或實現(xiàn)掃描.（2）類型：a.按照反射棱鏡的構成方式，可將其分為普通棱鏡 和復合棱鏡。凡由一塊玻璃制成的棱鏡，不管其 反射次數(shù)和光軸折線的形狀，均稱其為普通棱 鏡；由兩個或兩個以上普通棱鏡組合而成的棱 鏡，成為復合棱鏡。

b.按照反射棱鏡成像的情況劃分，可分為平面棱鏡 和空間棱鏡。至少存在一個共軛光軸平面的反射 棱鏡稱為平面棱鏡；不存在共軛光軸平面的反射 棱鏡稱為空間棱鏡。69第三章

平面與平面系統(tǒng)第三節(jié)：反射棱鏡

2.反射棱鏡的基本定義與轉像方向判斷（1）基本定義：工作面，棱線，主截面，光軸截面。（2）轉像方向判斷：

Ⅰ.具有單一光軸截面的反射棱鏡系統(tǒng)

a）確定主截面和光軸截面后，首先根據(jù)具體的棱鏡具體的棱鏡系統(tǒng)確定光軸的方向。

b）其次選定垂直于光軸截面的坐標分量的方向。無的方向。無論經(jīng)過多少次平面鏡反射，垂直于主截垂直于主截面的坐標分量的方向均不改變。

c）最后，確定棱鏡系統(tǒng)光軸截面內(nèi)的像坐標軸方向。坐標軸方向。根據(jù)系統(tǒng)的總反射次數(shù)，按“奇次成鏡像，偶次成一致像”的原則，結合左、右手坐標系進行判斷。70第三章

平面與平面系統(tǒng)第三節(jié)：反射棱鏡

2.反射棱鏡的基本定義與轉像方向判斷

Ⅱ.具有兩個相互垂直的光軸截面的反射棱鏡系統(tǒng)

a）確定主截面和光軸截面后，根據(jù)反射定律確定具體的棱鏡系統(tǒng)光軸的方向。

b）然后，將棱鏡系統(tǒng)劃分為幾個單一光軸截面的反射棱鏡，根據(jù)

“反射棱鏡只能改變其光軸截面內(nèi)的物坐標方向，而不改變垂直于其光軸截面的物坐標方向”的原則進行坐標方向的確定。

c）最后，根據(jù)系統(tǒng)的總反射次數(shù)，按“奇次成鏡像，偶次成一致像”的原則，結合左、右手坐標系進行判斷。71第三章

平面與平面系統(tǒng)第三節(jié)：反射棱鏡

2.反射棱鏡的基本定義與轉像方向判斷

Ⅲ.具有屋脊反射面的反射棱鏡系統(tǒng)

a）確定主截面和光軸截面后，根據(jù)反射定律確定具體的棱鏡系統(tǒng)光軸的方向。

b）若系統(tǒng)中存在屋脊面，則每一對屋脊反射面對垂直于光軸截面的坐標分量倒轉180°。

c）最后，根據(jù)系統(tǒng)的總反射次數(shù)（屋脊反射面算兩次反射），按“奇次成鏡像，偶次成一致像”的原則，結合左、右手坐標系進行判斷。72第三章

平面與平面系統(tǒng)第三節(jié)：反射棱鏡

3.反射棱鏡的等效作用與展開

★等效作用：在光學系統(tǒng)中用棱鏡代替反射鏡，相當于在光學系統(tǒng)中多加了一塊玻璃板。

★棱鏡的展開：在棱鏡的光軸截面內(nèi)，以棱鏡的反射面為鏡面，依次做出棱鏡的反射像，就可以得到一個作用與棱鏡相同的等效的平面平行玻璃板。

4.反射棱鏡結構設計必須滿足的要求

★為了保持共軸系統(tǒng)的成像性質，棱鏡展開成玻璃板后，入射面和出射面必須平行。

★如果棱鏡位于在會聚或發(fā)散光路中，則光軸必須和棱鏡的入射表面以及出射表面垂直。73第三章

平面與平面系統(tǒng)例：一望遠物鏡，通光口徑D=40mm，對無限遠物體成像，視場角2ω=4°。若要求在系統(tǒng)中加入一五棱鏡使光軸折轉90°，棱鏡的出射面在物鏡焦面前a=20mm處，棱鏡的折射率n=1.5163，求棱鏡的尺寸。74第三章

平面與平面系統(tǒng)第四節(jié)：折射棱鏡與光楔★依靠折射作用使光線偏折的棱鏡稱為折射棱鏡；由于一束白光經(jīng)折射棱鏡后，可被分解為各種顏色的連續(xù)光譜，故又稱其為色散棱鏡（分光棱鏡）。因此，折射棱鏡具有兩個基本性質，即偏向性與色散性。

折射棱主截面工作面折射棱角75第三章

平面與平面系統(tǒng)第四節(jié)：折射棱鏡與光楔

1.折射棱鏡的偏角★折射棱鏡的主要作用之一，是使通過它的光線的進行方向相對于原來的方向發(fā)生偏折。折射光線偏離入射光線方向的角度即為偏向角δ是其主要特征量。偏向角δ由入射光線方向按銳角轉至出射光線方向，順時針為正，逆時針為負。偏角公式（顯式）：偏角公式（隱式）：

最小偏向角：

76第三章

平面與平面系統(tǒng)第四節(jié)：折射棱鏡與光楔

2.楔鏡(光楔)及其作用★兩個折射面夾角(α)很小的折射棱鏡稱為楔鏡,也稱光楔。其外觀很像平行平板玻璃，楔鏡的折射棱角又稱楔角。當光線入射角很小時，即I1→0，則偏角公式：表明當光束垂直或近于垂直射到光楔上時（一般當I1＜3°時可以采用），所產(chǎn)生的偏向角δ只取決于楔角α和折射率n大小，而于I1無關?！镄ㄧR（光楔）的作用，可用于微小角度和微小位移的測量。通常稱之為光學測微器或光學補償器。77第三章

平面與平面系統(tǒng)第四節(jié)：折射棱鏡與光楔

3.棱鏡色散★折射棱鏡更主要的用途是作為色散元件。利用棱鏡作為色散系統(tǒng)的光譜儀器，稱為棱鏡光譜儀。由偏角公式可以看出，偏向角δ是玻璃折射率的函數(shù)，折射率越大，則偏角越大；而折射率n是波長的函數(shù)，因此，δ是波長的λ的函數(shù)。這樣，這樣，具有同一入射角的一束復合色光（如白光），通過折射棱鏡后，其中不同波長的色光將具有不同的偏向角，因而在空間上被分解為由各種色光組成的連續(xù)光譜，這種現(xiàn)象即為棱鏡的色散，故此，折射棱鏡又稱分光棱鏡。78第三章

平面與平面系統(tǒng)第五節(jié)：光學材料用于制作光學元件的光學材料包括光學玻璃（分無色、有色和變色）、光學晶體和光學塑料。對光學材料的基本要求為：折射材料對工作波段有良好的透射率，反射元件對工作波段有很高的反射率。1.透射材料的光學特性（1）光學玻璃：絕大多數(shù)光學元件是由無色光學玻璃制成的。一般光學玻璃只能通過波段為0.35～2.5μm的色光，超過這個范圍的光將被材料強烈吸收。無色玻璃可分為兩大類，即冕牌玻璃（以字母K表示）和火石玻璃（以字母F表示）。冕牌玻璃一般以低折射率、低色散為特征，而火石玻璃則以高折射率、高色散為特征。79第三章

平面與平面系統(tǒng)第五節(jié)：光學材料1.透射材料的光學特性（2）光學晶體：光學晶體主要應用在紫外和紅外光譜區(qū)。用于紫外光譜區(qū)域的有熔融石英、氟華鈣和氟化鋰等少數(shù)幾種晶體。用于紅外光譜區(qū)的材料稍多些。如鍺能很好地透過波長為２～15μm和40～60μm的輻射波，氟華鈣在180nm～10μm波段內(nèi)是透明的。（3）光學塑料：光學塑料一般用于制作要求不高的光學元件。例如，放大鏡、一般透鏡、取景器和菲涅爾透鏡等。最通用的光學塑料有甲基丙烯酸甲脂（nD=1.49166，vD=57.37），丙烯腈-苯乙烯共聚物（nD=1.56735，vD=34.87

），聚苯乙烯（nD=1.59027，vD=30.92）。80第三章

平面與平面系統(tǒng)第五節(jié)：光學材料1.透射材料的光學特性（4）透射材料的折射特性：一般以夫瑯和費特征譜線的折射率表示。因為F光和C光接近人眼靈敏光譜區(qū)的兩端，而D（或d、e）光比較接近人眼的最靈敏波長（555nm），所以D（或d、e）光的折射率nD稱為基本（平均）折射率，nF-nC

為平均色散，vD=(nD-1)/nF-nC

為基本（平均）色散系數(shù)（阿貝數(shù)）。2.反射材料的光學特性制作反射光學元件一般是在拋光玻璃表面鍍金屬反射膜，反射光學材料的主要特性是對各種波長的反射率。最常用的高反射材料應是銀和鋁。金屬銀在波長大于555μm時反射率平均為95%；金屬鋁在可見光區(qū)的反射率為88～92%。81第三章

平面與平面系統(tǒng)本章作業(yè)：

P50習題：1、2、4、6、7、1012（選做）

請注意作業(yè)的書寫格式與工整！82第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第1節(jié)：光學系統(tǒng)中的光闌及其作用★實際光學系統(tǒng)只能對物空間的一定區(qū)域成比較滿意的像，而且該區(qū)域內(nèi)每一點的成像光束都限制在一定的立體角內(nèi)。光學系統(tǒng)中所有對成像光束起到限制作用的光學元件的邊框，以及一些特設的、其中心位于光軸上的開孔屏（又稱為“通光孔徑”），統(tǒng)稱為“光闌”。光闌通光孔一般為圓形，光闌平面垂直于光軸。光闌光闌光闌光闌83第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第1節(jié)：光學系統(tǒng)中的光闌及其作用★實際光學系統(tǒng)中通過設置光闌，對光束加以限制，它對光學系統(tǒng)的幾何和物理性質將產(chǎn)生重大影響。表現(xiàn)為：（1）影響光學系統(tǒng)（不考慮衍射效應）的幾何像差，即影響自光學系統(tǒng)出射的光束結構。（2）也將影響由于光的波動性所決定的衍射性質，這種衍射性質即使在沒有像差時也將使點的像發(fā)生畸變。（3）由于光闌決定光束截面，因而決定了能通過光學系統(tǒng)的光能量，也就決定了光學系統(tǒng)在屏、接受元件(如:底片,CCD等)或人眼的網(wǎng)膜上所產(chǎn)生的照度。（4）還將影響與入射光束孔徑有關的成像空間深度（即景深），以及分辨本領。84第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第1節(jié)：光學系統(tǒng)中的光闌及其作用★實際光學系統(tǒng)中的光闌，按其作用可分為以下幾種：（1）孔徑光闌：它是限制軸上物點成像光束立體角、并有選擇軸外物點成像光束位置作用的光闌；也稱“有效光闌”。如果在過光軸的平面上來看，這種光闌就是決定軸上點發(fā)出的平面光束的孔徑角。（2）視場光闌：它是決定物平面或物空間中成像范圍的光闌。（3）漸暈光闌：影響軸外物點成像光束能量的光闌。（4）消雜光光闌：這種光闌不限制通過光學系統(tǒng)的成像光束，只限制那些從非成像物體射來的光、光學系統(tǒng)各折射面反射的光和儀器內(nèi)壁反射的光等，這些光稱為雜光。

孔徑光闌和視場光闌是光學系統(tǒng)中的主要光闌。任何光學系統(tǒng)都有這兩種光闌！！85第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第2節(jié)：光學系統(tǒng)的孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳★實際光學系統(tǒng)只能允許一定大小的光束通過，在系統(tǒng)的數(shù)個光闌中必有一個實際光闌（可能是光學元件的邊框，也可能是特設的光闌）是限制和決定系統(tǒng)的有效光束大小的，即決定從軸上物點到達共軛像點的光線數(shù)目，它就是孔徑光闌（有效光闌）?？讖焦怅@通過它前方的光學系統(tǒng)所成的像（即孔徑光闌在整個系統(tǒng)物空間的像），稱為“入射光瞳”?？讖焦怅@通過它后方的光學系統(tǒng)所成的像（即孔徑光闌在整個系統(tǒng)像空間的像），稱為“出射光瞳”。孔徑光闌、入射光瞳、出射光瞳三者相互共軛。入瞳孔徑光闌出瞳86第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第2節(jié)：光學系統(tǒng)的孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳★在實際光學系統(tǒng)中孔徑光闌未知的情況下尋求孔徑光闌的步驟可歸納如下：首先將光學系統(tǒng)所有光學元件和開孔屏的內(nèi)孔，經(jīng)其前方的光學系統(tǒng)成像到整個系統(tǒng)物空間，然后比較這些像的邊緣對軸上物點張角的大小，其中張角最小者，即為入射光瞳；與入射光瞳共軛的實際光闌即為孔徑光闌?？讖焦怅@入瞳87第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第2節(jié)：光學系統(tǒng)的孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳用類似方法將光學系統(tǒng)所有光學元件和開孔屏的內(nèi)孔，經(jīng)其后方的光學系統(tǒng)成像到整個系統(tǒng)像空間，然后比較這些像的邊緣對軸上像點張角的大小，其中張角最小者，即為出射光瞳；與出射光瞳共軛的實際光闌即為孔徑光闌?？讖焦怅@出瞳88第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第3節(jié)：光學系統(tǒng)的視場光闌、入射窗和出射窗

★當眼睛位于O點，通過墻壁平面上的矩形窗孔abcd我們觀察室外的物平面N時，所能看到的物面范圍為ABCD。則稱ABCD為視場窗孔，abcd為被窗孔ABCD所限定的視場范圍。視場范圍物平面89第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第3節(jié)：光學系統(tǒng)的視場光闌、入射窗和出射窗

★從物方（或像方）確定視場光闌的方法和步驟：首先將光學系統(tǒng)中的所有光闌（包括透鏡邊框）經(jīng)其前方（或后方）光學系統(tǒng)成像在整個系統(tǒng)的物空間（或像空間）；然后，從系統(tǒng)的入瞳中心（或出瞳中心）分別向物空間（或像空間）所有的光闌的邊緣作連線，其中張角最小的稱為“入射窗”（或“出射窗”），與其共軛的實際光闌即為視場光闌。對同一光學系統(tǒng)，入射窗、視場光闌、出射光闌三者共軛。光學系統(tǒng)入瞳出瞳出射窗像面物面入射窗90第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第4節(jié)：光學系統(tǒng)的漸暈概念

★在大多數(shù)的情況下，軸外點發(fā)出并充滿入瞳的光束，會被某些透鏡邊框或某些光闌所遮擋，使軸外物點的成像光束小于軸上點的成像光束，造成像面邊緣的光照度有所下降。這種軸外點光束被部分地攔掉的現(xiàn)象稱為光學系統(tǒng)的軸外點光束的漸暈?？讖焦怅@出瞳入瞳91第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第4節(jié)：光學系統(tǒng)的漸暈概念

★由入瞳和入射窗共同限制所產(chǎn)生的漸暈：物面物面入射窗入瞳92第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第5節(jié)：遠心光路（焦闌光路）

★在測量儀器中，有兩類常用的系統(tǒng)，是利用將孔徑光闌置于物鏡的像方焦面或物方焦面上，以實現(xiàn)對物體長度或距離的精確測量，這就是應用在工具顯微鏡等計量儀器中的物方遠心光路和應用于視距法測距儀器中的像方遠心光路。以上兩類系統(tǒng)統(tǒng)稱“遠心光路”，又稱“焦闌光路”。（1）物方遠心光路孔徑光闌物鏡分劃板(刻尺)93第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第5節(jié)：遠心光路（焦闌光路）（2）像方遠心光路孔徑光闌

(入瞳)物鏡分劃板(刻尺)標尺★在遠心光路中，由于孔徑光闌與物鏡不重合，因此在相同孔徑下，物鏡的口徑要增大??！94第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第6節(jié)：場鏡的作用★在實際工作中，有時為了減小光學元件（一般為目鏡）的通光直徑，同時又不改變儀器的光學特性，常常采取在物鏡和目鏡的共同焦面處放置一個正透鏡的辦法來解決。我們一般就把放置在物鏡和目鏡共同焦面上的正透鏡稱為場鏡。目鏡物鏡（孔徑光闌）出瞳出瞳場鏡開普勒式望遠系統(tǒng)95第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第7節(jié)：幾種典型光學系統(tǒng)中的光束限制的分析

1.照相系統(tǒng)和光闌

2.望遠鏡系統(tǒng)和光闌

3.顯微鏡系統(tǒng)和光闌

★光學系統(tǒng)中光闌的設置，通?？紤]的幾個原則：（1）限制成像范圍的視場光闌，在大多數(shù)光學儀器中，均與系統(tǒng)的實像平面重合（或者接近實像平面），以保證入射窗與物平面重合，使系統(tǒng)有一清晰的視場邊界。（2）限制成像光束口徑的孔徑光闌，不僅限制軸上點成像光束的口徑，而且影響軸外點成像光束的口徑。對某些類型的光學系統(tǒng)，孔徑光闌的位置應滿足其特定的要求。（3）在一些較復雜的系統(tǒng)中，為了減少儀器的徑向尺寸以及改善軸外點的成像質量，攔掉那些像質不好的光線，常加入第二窗，使軸外光束產(chǎn)生一定的漸暈。應指出：光學系統(tǒng)的孔徑光闌只是對一定位置的物體而言的，如果物體位置發(fā)生變化，原來限制光束的孔徑光闌可能會失去限制光束的作用，光束會被其他光孔所限制！為什么？96第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第8節(jié)：光學系統(tǒng)的景深

1.光學系統(tǒng)的空間像

★名詞理解:平面上的空間像、彌散斑、景像平面、對準平面、主光線、透視失真、景像畸變。

應該指出，平面物體的成像與物空間所成的平面像兩者是有區(qū)別的。對于前者，物、像平面之間滿足嚴格的共軛關系，在理想成像的條件下，像面上所有點均為清晰的點像；對于后者，像平面上除了映出與其共軛的物平面的像之外，同時還映出了位于共軛物平面前后的空間的像。但是，這些非共軛點在像平面上所成的像，不再是點像，而是一些相應光束的截面—彌散斑！97第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第8節(jié)：光學系統(tǒng)的景深

2.光學系統(tǒng)的景深

★景深：我們稱能在像面上獲得清晰像（物點所成的彌散圓斑不能被接收器所分辨）的物空間深度為“景深”。能成清晰像的最遠平面稱為“遠景”，能成清晰像的最近平面稱為“近景”。景深是遠景和近景之和。（參見書上圖4-26）空間點在景像平面上形成的彌散斑大小與哪些因素有關？上式表明，景像平面上的彌散斑大小，除與入瞳直徑（2a）及共軛面處的橫向放大率β有關外，尚與空間點及對準平面至入瞳的距離p1、p2和p有關！98第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第8節(jié)：光學系統(tǒng)的景深

2.光學系統(tǒng)的景深

★不同系統(tǒng)所允許的彌散斑大小不同。以照相物鏡為典型系統(tǒng)，討論其景深與各有關量之間的關系。

對準平面入瞳出瞳景像平面眼睛99第四章

光學系統(tǒng)中的光束限制第8節(jié)：光學系統(tǒng)的景深

2.光學系統(tǒng)的景深由于ε值很小，上式可以近似表示為：

★討論可知，景深與入瞳到物體的距離的平方成正比；與極限角ε成正比；此外，尚與入瞳的直徑2a成反比。因此，在攝影時，如果景深不夠，可以適當增大距離或減小光圈，來獲得較大的景深。

100第四章

理想光學系統(tǒng)

本章作業(yè)：

P73習題1、2、3

另：設物鏡入瞳直徑2a=15mm、取ε=1′=0.00029，按Δ1=∞和p=∞兩種情況計算其景深；然后再按對準平面p=10m，計算其景深。101第五章

光能與光度學★光學系統(tǒng)實質上是輻射能傳輸系統(tǒng)，輻射能傳輸問題包括兩方面：一是輻射能傳播方向問題，一是輻射能傳輸數(shù)量大小問題。研究電磁波輻射能的測試、計量和計算的學科稱為“輻射量度學”，研究波長在380～780nm可見光范圍內(nèi)輻射能的測試、計量和計算的學科稱為“光度學”。“光度學”是輻射量度學的一部分或特例。應該指出，光度學并不是幾何光學的一部分，只是因為在許多實際情況下，幾何光學的模型可以作為研究光度學的基礎，所以，在這里簡單地對光度學進行學習。102第五章

光能與光度學第一節(jié):輻射量和光學量及其單位一.立體角的概念與計算任意一個封閉錐面所包含的空間部分為錐面頂點處的“立體角”,用Ω表示。立體角是以錐頂為球心，作一任意半徑r的球面，錐面在球面上所截出的球面部分為S，則S與r2的比值即為此立體角的大小。度量單位稱為“立體弧度”，即“球面度”（sr）。圍繞球心的整個空間的立體角應為：103第五章

光能與光度學第一節(jié):輻射量和光學量及其單位一.立體角的概念與計算由于在光學系統(tǒng)中通常均用平面角U來表示孔徑角，若孔徑角為U，則其對應的立體角的大小為：當U角很小時，立體角應為：假定距O點l處有一微面dS,dS的法線N與OZ的夾角為

a,那么微面dS對O點所張立體角為：104第五章

光能與光度學第一節(jié):輻射量和光學量及其單位二.輻射量（書P74）輻射能Qe、輻射通量Φe

、輻射出度Me

、輻照度Ee、輻射強度Ie、輻射亮度Le。三.光學量（書P75）光能Qv、光通量Φv

、光出射度Mv、光照度Ev、發(fā)光強度Iv、光亮度Lv。

輻射通量只表示光源元面積在單位時間內(nèi)傳送出的客觀能量的多少，但沒有反映出這些能量所能引起的人們的主觀感覺—視覺的強度。實際上，不同波長光的數(shù)量不相等的輻射通量可能引起相等的視覺強度，而相等的輻射通量的不同波長的光，卻不能引起相等的視覺強度，因為人的眼睛對不同波長的光有不同的感光靈敏度！105第五章

光能與光度學第一節(jié):輻射量和光學量及其單位四.輻射量與光學量間的關系1.光譜光效率函數(shù)(視見函數(shù))

人眼對各種不同波長的光有不同的靈敏度,并且不同人的眼睛，對各種波長光的靈敏度也常常是有差別的；接收器對不同波長電磁輻射的反應程度稱為“光譜響應度”或“光譜靈敏度”。在可見光譜范圍內(nèi)，表征“平均”眼對各種波長光的相對靈敏度的函數(shù)為“光譜光效率函數(shù)(視見函數(shù))”。明視覺視見函數(shù)暗視覺視見函數(shù)106第五章

光能與光度學第一節(jié):輻射量和光學量及其單位四.輻射量與光學量間的關系

2.兩量間的對應關系光度學研究對可見光的能量的計算，它使用的參量稱為光度量。以人的視覺習慣為基礎建立。輻射度學適用于整個電磁波譜的能量計算。主要用于X光、紫外光、紅外光以及其他非可見的電磁輻射。光度學是輻射度學的一部分或特例。這兩套參量的名稱、符號、定義式彼此對應，基本都相同，只是單位不同。為了區(qū)別這兩種量，規(guī)定用下標e和v表示。符號意義見書中P77頁107第五章

光能與光度學第一節(jié):輻射量和光學量及其單位四.輻射量與光學量間的關系

2.兩量間的對應關系名稱符號定義單位輻射能光量QeQv

以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量。光通量對時間的積分。焦[耳](J)流[明]秒(lm·s)輻射通量光通量ΦeΦv

以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率。發(fā)光強度為Ιv的光源，在立體角元dΩ內(nèi)的輻通量，dΦv=Ιv·dΩ。瓦[特](W)流[明](lm)輻射出度光出射度ΜeΜv

離開表面一點處面元的輻通量除以該面元面積。離開表面一點處面元的光通量除以該面元面積。瓦每平方米(W·m-2)流[明]每平方米(lm·m-2)輻射照度光照度ΕeΕv

照射到表面一點處面元上的輻通量除以該面元的面積。照射到表面一點處面元上的光通量除以該面元的面積。瓦每平方米(W·m-2)勒[克斯](lx)輻射強度發(fā)光強度ΙeΙv

在給定方向上的立體角元內(nèi)，離開點輻射源或輻射源面元的輻射功率除以該立體角元。光度量中的基本量，單位為坎德拉cd。cd的意義為：頻率為540×1012Hz的單色輻射在給定方向上的輻射強度Ιe=1/683W·sr-1時，規(guī)定為1cd。瓦每球面度(W·sr-1)坎[德拉](cd)輻射亮度光亮度LeLv

表面一點處的面元在給定方向上的輻射強度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積。表面一點處的面元在給定方向上的發(fā)光強度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積。瓦每球面度平方米(W·sr-1·m-2)

坎[德拉]每平方米(cd·m-2)

曝光量H

光照度對時間的積分。勒[克斯]秒(lx·s)搞什么呀!這么多單位,煩死啦!沒有辦法,還是要記呀!108第五章

光能與光度學第二節(jié):光學傳播中光學量的變化規(guī)律(P67)一.點光源在與之距離r處的表面上形成的照度：

二.面光源在與之距離r處的表面上形成的照度：三.單一介質元光管內(nèi)光亮度的傳遞光束在同一均勻透明介質中傳播時,如果不考慮光能損失，則在同一傳播方向上的任意截面上，所通過的光通量不變且光亮度相等。四.光束經(jīng)界面反射和折射后的亮度（1）反射光束亮度等于入射光束亮度乘以反射系數(shù)：（2）折射光束的亮度不僅與入射光束的亮度以及界面兩邊介質的折射率比值的平方成正比，還與界面的反射系數(shù)有關：109第五章

光能與光度學例:某儀器用6伏15瓦鎢絲燈泡，知其發(fā)光效率為15lm/w，該燈泡與一聚光鏡聯(lián)用，若視燈泡為各向同性均勻發(fā)光的點光源，它對聚光鏡所張的孔徑角u≈sinU=0.25，求燈泡發(fā)出的總光通量、發(fā)光強度及能進入聚光鏡的光通量。110第五章

光能與光度學第二節(jié):光學傳播中光學量的變化規(guī)律(P67)五.余弦輻射體與發(fā)光強度的余弦定律：嚴格地講,一般的發(fā)光面在空間不同方向的亮度值是不相等的,即亮度是空間方位角的復雜函數(shù)。但是對大多數(shù)均勻發(fā)光的物體，其在各個方向的亮度近似一致，即亮度不隨方向而改變，可視為一常數(shù)。此時，發(fā)光表面上各點沿不同方向的發(fā)光強度遵循簡單的余弦規(guī)律，即I=IN·cos，我們稱這樣的面光源為“余弦輻射體”，又稱“朗伯輻射體”。入射光入射光發(fā)光面雙向朗伯輻射體全擴散表面-近似朗伯輻射體111第五章

光能與光度學第二節(jié):光學傳播中光學量的變化規(guī)律(P67)五.余弦輻射體與發(fā)光強度的余弦定律：余弦輻射體向平面孔徑角為U的立體角范圍內(nèi)發(fā)出的總光通量為：（空間任意方位元立體角的普遍公式）告訴你，完全鏡面反射不具有余弦輻射性質！！112第五章

光能與光度學第三節(jié):成像系統(tǒng)像面的光照度一.軸上像點的光照度公式

二.軸外像點的光照度公式如果考慮到實際光學系統(tǒng)的漸暈現(xiàn)象，則有：三.光通過光學系統(tǒng)時的能量損失四.光學系統(tǒng)的總透射比113第五章

光能與光度學

本章作業(yè)：

P103習題1、2、4

114第六章

光線的光路計算及像差理論

在幾何光學中，我們從理想光學系統(tǒng)的觀點討論了光學系統(tǒng)的成像原理。但是，實際光學系統(tǒng)只在近軸區(qū)才具有理想光學系統(tǒng)的性質，即只有當孔徑和視場很小的情況下才能成完善像，而這樣的光學系統(tǒng)實際應用意義不大。第一節(jié):概述

★通過前面的學習，我們了解到：除平面反射鏡外，其他的光學系統(tǒng)都不能成完善像，即系統(tǒng)存在像差。像差是指實際光學系統(tǒng)的成像與理想光學系統(tǒng)成像之間的差異。實踐和理論都可證明要完全消除像差也是不能的。但是從另一方面看，由于人眼和其他光接收器本身都具有一定的缺陷，所以也就沒有必要把光學系統(tǒng)的像差完全消除。實際上，只要把影響像質的幾個主要像差減小到某種容限范圍內(nèi),即接收器不能察覺時，就可認為光學系統(tǒng)得到了滿意的成像效果。115第六章

光線的光路計算及像差理論第一節(jié):概述

一.基本概念（1）像差：實際像與理想像之間的差異。（2）產(chǎn)生像差的原因：成像光路表達公式中忽略級數(shù)展開式中的高次項。（3）子午面：物點（或主光線，即通過孔徑中心的光線）所在并包含光軸 的平面。對于軸對稱系統(tǒng)的軸上物點，它有無限多個子午 面。對于一給定的軸外物點，僅有一個子物面。（4）弧矢面：包含主光線并且垂直于子午面的平面。子午光線弧矢光線物點透鏡光軸子午平面弧矢平面主光線116第六章

光線的光路計算及像差理論第一節(jié):概述

一.基本概念（5）像差分類：基于幾何光學，利用實際光線的空間坐標參量相對理想坐 標參量的偏離作為像差的度量，稱為“幾何像差”或“光線 像差”。它們能反映實際成像光線束的空間結構特性。 基于波動光學，利用實際波面相對標準參考波面的偏離作 為度量的像差，稱為“波像差”。它可反映實際光學系統(tǒng)的 相位變換特性。幾何像差和波像差兩者具有內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)成像的條件和特性，把像差分為兩大類：一是用單色 光成像時系統(tǒng)產(chǎn)生的像差，稱為單色像差，可用幾何像差和 波像差表示，其中單色幾何像差又包括球差、慧差、像散、 場曲和畸變。二是用復色光成像時，由于介質的色散性而引 起的不同色光之間成像的差別，稱為色像差。色像差可表示 為幾何色差和波色差，其中幾何色差又包括位置色差和倍率 色差。117第六章

光線的光路計算及像差理論第一節(jié):概述

二.像差計算的譜線選擇一般來說，光學系統(tǒng)校正像差的譜線選擇，主要決定于使用條件和光能接收器的特性。也就是說，光學系統(tǒng)要校正單色像差的波長和校正色差的波長主要取決于光接收器的光譜響應性能，但往往也要受光源和光學材料的限制。所以，設計時應使接收器、光源和 光學材料三者的性能匹配好，即盡可能使接收器響應最 靈敏的譜線是光源輻射最強的譜線，也就是光學材料透 過率最好的譜線。校正像差時譜線選擇的原則是：在光學系統(tǒng)工作的 波段范圍內(nèi)，光學系統(tǒng)對接收器的光譜響應靈敏度曲線 與光源輻射光譜強度分布曲線之乘積最大值所對應的波 長校正單色像差，對該波段內(nèi)靠近兩端的二種波長校正 色差。118第二節(jié):光線的光路計算

光線光路計算是幾何光學研究光學系統(tǒng)成像的基本方法，也是進行光學設計的基本問題之一。在光路計算中，根據(jù)任務的不同可分為：（A）子午光線光路計算。它又包括近軸光路計算和非近軸光路計算；（B）軸外點細光束的子午焦點和弧矢焦點的計算；（C）空間光線的計算。對于第一種光路計算任何光學系統(tǒng)設計時都要進行。一.子午面內(nèi)的光線光路計算二.沿軸外點主光線細光束的光路計算三.計算舉例第六章

光線的光路計算及像差理論119第三節(jié):軸上點球差一.球差的定義和表示方法

★由光軸上某一物點發(fā)出的單色光束，經(jīng)光學系統(tǒng)后，若不同孔徑角的各光線交光軸于不同位置，從而使軸上像點被一彌散光斑所代替，則稱光學系統(tǒng)對該物點成像所存在的這種缺陷為球差。

★通常表示球差可采用兩種方法：

A.用孔徑光線與光軸的交點偏離高斯像點（理想像點）的距離表示，稱為軸向球差（簡稱球差），即：

B.用孔徑光線與高斯像面的交點偏離光軸的距離表示，稱為垂軸球差。它和軸向球差的關系為：

★球差是光線投射高度h和孔徑角U的函數(shù)，故可以為它們的級數(shù)展開式：第六章

光線的光路計算及像差理論120第三節(jié):軸上點球差一.球差的定義和表示方法★光學系統(tǒng)的球差分布公式（克爾伯公式）：★單個折射球面的球差分布系數(shù)：第六章

光線的光路計算及像差理論球差是光學系統(tǒng)軸上物點唯一的單色像差！121第六章

光線的光路計算及像差理論第三節(jié):軸上點球差二.球差的校正★單正透鏡產(chǎn)生負球差，單負透鏡產(chǎn)生正球差。

★光學系統(tǒng)邊緣帶的球差校正為零時，在孔徑0.707處的球差有最大值。★由單個折射球面的球差分布系數(shù)公式可知，單個折射球面存在三個不暈點。即

光學系統(tǒng)的像差理論和像差校正有一套系統(tǒng)化的理論和計算公式，該知識更深入的討論不是本課程的重點，如需深入了解請參閱相關參考書！122第六章

光線的光路計算及像差理論第四節(jié):正弦差和彗差★軸外物點發(fā)出以主光線為對稱軸的同心單色寬光束，當通過系統(tǒng)以后，不同孔徑的光線對，其交點不再位于主光線上。這種失去對稱的成像光束，不能交于同一點。因而在理想像平面上形成一彗星形的光斑，這種光學系統(tǒng)成像缺陷稱為彗差。

★正弦差和彗差沒有本質的區(qū)別，正弦差適用于小視場光學系統(tǒng)，彗差可用于任何視場的光學系統(tǒng)?！镎覘l件：★不暈點也不產(chǎn)生正弦差。123第六章

光線的光路計算及像差理論第五節(jié):像散和場曲★當光學系統(tǒng)對非近軸的物點以元光束成像時，若像點被分離著的子午焦線和弧矢焦線所代替，則稱系統(tǒng)對給定物點的成像存在像散。★在消像散的光學系統(tǒng)中，若成清晰像的最佳像面仍不為平面，則稱該系統(tǒng)存在像場彎曲，即場曲。★像散和場曲是兩個不同的概念，兩者既有聯(lián)系，又有區(qū)別。像散的存在，必然引起像面彎曲；但即便像散校正為零，實際像面也不是平面，存在場曲。場曲的形成像散的光束結構124第六章

光線的光路計算及像差理論第六節(jié):畸變★以上像差的共同特點，是像點被彌散斑所代替，破壞了成像的清晰程度。然而，還有另一種像差，它不影響成像的清晰程度，而僅影響像與物的幾何相似性，或者說僅影響像的幾何形狀，這種像差稱為畸變。產(chǎn)生畸變的原因，可以認為是由于光學系統(tǒng)對共軛面上不同高度的物體有不同的垂軸放大率所致，即β不是常數(shù)，而是物高的函數(shù)（或視場角的函數(shù)）。第七節(jié):色差（P121）★各種波長光線之間成像位置和成像大小的差異稱為色差。第八節(jié):波像差（P127）★瑞利判劇認為，當光學系統(tǒng)的最大波像差小于1/4波長時，其系統(tǒng)成像是完善的。

125第六章

光線的光路計算及像差理論

本章作業(yè)：

借閱相關參考書，較深入了解像差理論知識！

126第七章

典型光學系統(tǒng)

絕大多數(shù)光學系統(tǒng)的作用都是成像，按照成像接收器的情況可將其區(qū)分為：如果系統(tǒng)后面直接用眼睛來觀察，即眼睛作為系統(tǒng)的光能接收器，則稱其為“目視光學系統(tǒng)”，如放大鏡、顯微鏡和各類望遠系統(tǒng)；另外一類系統(tǒng)則是以感光底片、屏幕等作為光能接收器，如各類攝影系統(tǒng)、投影系統(tǒng)以及放映系統(tǒng)。雖然現(xiàn)代光學儀器的理論基礎是多方面的，但光學仍是其中的根本。借助于幾何光學，可近似描寫光學儀器的主要性能，對于一般的應用，這種近似描述已足夠準確，因而在這種意義上來說，光學儀器的基礎理論主要是幾何光學。127第七章

典型光學系統(tǒng)第一節(jié):眼睛及其光學系統(tǒng)一.眼睛的結構—成像光學系統(tǒng)128第七章

典型光學系統(tǒng)第一節(jié):眼睛及其光學系統(tǒng)光軸與視軸：光軸是光學上的對稱軸；視軸是眼球光學系統(tǒng)的節(jié)點與黃斑中心凹的連線。兩者交角約為5°。對眼睛的光學系統(tǒng)重要的是視軸而不是光軸。眼睛的光學系統(tǒng)猶如照相機：其角膜與水晶體的組合相當于照相機的物鏡（不同的是，它具有調節(jié)能力）；其虹膜和瞳孔相當于照相機的可變光闌；視網(wǎng)膜相當于照相機的感光底片；脈絡膜相當于照相機的暗匣。成像時，來自物體的光線，經(jīng)過角膜和水晶體折射后，成像在視網(wǎng)膜上，使視覺細胞受到刺激，視網(wǎng)膜將光信號轉變?yōu)槿梭w電脈沖，并借助于視神經(jīng)系統(tǒng)傳至大腦的信息處理系統(tǒng)，產(chǎn)生視覺。視網(wǎng)膜上所成的像為倒像，但由于神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結果，人的感覺仍為正立的。5°脈絡膜129第七章

典型光學系統(tǒng)第一節(jié):眼睛及其光學系統(tǒng)二.眼睛的調節(jié)及校正（1）眼睛的調節(jié)與屈光異常由物體發(fā)出的光線，經(jīng)角膜和水晶體的折射而成像在視網(wǎng)膜上的過程，稱為“眼屈光”。為看清任意距離的物體眼睛自動調焦的過程稱為屈光狀態(tài)的“調節(jié)”。按屈光情況可將眼睛分為兩類：若遠點在無限遠處（即R=0）稱為“正常眼”；若不合此條件（即R≠0），則稱“屈光異?！被颉胺钦Ｑ邸薄Ｑ劬Φ倪@類缺陷常見有兩種：球面屈光異常（近視和遠視）與散光。近視眼遠視眼散光眼130第七章

典型光學系統(tǒng)第一節(jié):眼睛及其光學系統(tǒng)三.眼睛的適應特性（輻射接收器）眼睛之所以具有視覺，即能看見物體并區(qū)別其細節(jié)，是由于具有不同亮度及色度的物體成像視網(wǎng)膜上所引起的光刺激不同所致。視網(wǎng)膜由視桿細胞（約1億多）和視錐細胞（約7百萬）構成。視桿細胞對光亮度的反應非常靈敏（10-3lx）,但它不能辨別顏色；視錐細胞在明視條件下可檢測亮度和顏色信息，弱照明時，視覺主要由視桿細胞起作用。眼睛自動變化，以適應周圍光亮度變化的這種能力和過程稱為“適應”。“適應”有“亮適應”和“暗適應”。告訴你，眼睛能在最大亮度與最小亮度的比值高達1012這樣大的亮度變化范圍內(nèi)工作！厲害吧！131第七章

典型光學系統(tǒng)第一節(jié):眼睛及其光學系統(tǒng)四.眼睛的分辨率、對準精度和景深眼睛觀察空間物體時，物體對人眼構成一定的張角。定義眼睛剛好能分辨開物空間兩點對眼睛物方節(jié)點張角的最小值為“最小分辨角—ε”。其倒數(shù)定義為視角敏銳度。眼睛對線條的變形，如在某點發(fā)生曲折或錯開時，則具有更高的敏銳度（可達10″）。敏銳度提高的原因是由于一直線的像刺激著同一列視神經(jīng)細胞，另一直線的像又刺激著它旁邊的另一列視神經(jīng)細胞，因而眼睛能敏銳地感覺它們之間的位移。當眼睛調焦在某一對準平面時，眼睛不必調節(jié)就能同時看清對準平面前后某一距離地物體，稱為眼睛地景深。132第七章

典型光學系統(tǒng)第一節(jié):眼睛及其光學系統(tǒng)四.雙目立體視覺眼睛除了能感覺區(qū)分物體的大小、形狀、亮暗及表面顏色外，還能估計區(qū)分物體的遠近，即具有空間深度的感覺或叫立體視覺。立體視覺的形成必須建立在“合像”的基礎上，這是與單眼視覺的重要區(qū)別。所謂“合像”是指雙眼視覺具有將空間一個物體（點）在兩眼視網(wǎng)膜上生成的兩個像，在我們的視覺印象中匯合為一個像的能力。

雙眼之所以具有在大范圍內(nèi)估計物體距離、比較其遠近的空間深度感覺，主要是由于它能根據(jù)物體對雙眼構成的“視差角”大小，來靈敏地判斷物體距離的遠近。我們稱雙眼的這種視覺特性為“體視效應”或“立體感”。所謂“視差角”，系指物點對眼睛基線—連接兩眼節(jié)點的連線的張角。133第七章

典型光學系統(tǒng)第二節(jié):放大鏡放大鏡的視角放大率（簡稱放大率）應為：物體經(jīng)放大鏡所成像對眼睛構成的視角正切與眼睛在正常觀察距離直接觀察物體的視角正切之比。即134第七章

典型光學系統(tǒng)第三節(jié):顯微鏡系統(tǒng)顯微鏡是將