应用光学2010(第一章).ppt

应用光学应用光学2022/12/191南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院考试成绩组成：考试成绩组成：期末考期末考试试卷面成卷面成绩绩:70%:70%平平时时成成绩绩 :10%10%实验实验成成绩绩：20%20%注意：注意：缺勤一次扣缺勤一次扣5 5分，分，三次三次和三次和三次以上缺勤者以上缺勤者，不准不准参参加期末考加期末考试试平平时时成成绩绩包括出勤、作包括出勤、作业业和和课课堂提堂提问问等等2022/12/192南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院本本门课门课程的主要程的主要参参考考教教材材1、应用光学 安连生 主编 北京理工大学出版社出版社2、应用光学概念题解与自测李林 主编 北京理工大学出版社出版社2022/12/193南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院光光-Light-Light，是我是我们们最熟悉的最熟悉的现现象之一，象之一，没没有光，人有光，人类类就无法就无法生存生存。万物生长靠太阳！万物生长靠太阳！地球上的主要能源都是直接或间接来地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！自太阳能！2022/12/194南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院生活中，大自然中有关光的现象无处不在生活中，大自然中有关光的现象无处不在佛光2022/12/195南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院彩虹2022/12/196南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院海市蜃楼2022/12/197南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院日晕2022/12/198南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院2022/12/199南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院几何光学发展最为迅速，荷几何光学发展最为迅速，荷兰数学家兰数学家斯涅尔斯涅尔发现的准确发现的准确的折射定律对于的折射定律对于光学仪器的光学仪器的设计和改进具有重要意义设计和改进具有重要意义！为研究整个光学系统提供了为研究整个光学系统提供了计算的可能。计算的可能。2022/12/1910南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院光学开始进入了一个新的时期，以致于光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。重要组成部分。二十世纪六十年代，激光问世。二十世纪六十年代，激光问世。从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许许多多新兴的光学学科，如：许多多新兴的光学学科，如：傅立叶光学傅立叶光学薄膜光学薄膜光学集成光学集成光学纤维光学纤维光学全息光学全息光学红外与微光技术红外与微光技术等等等等2022/12/1911南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院光光学学的的应应用用领领域越域越来来越广泛越广泛工业工业：显微镜、汽车车身的检测、机器人视觉、材料金相结构：显微镜、汽车车身的检测、机器人视觉、材料金相结构 等等等等车车身身模模型型数数字字化化系系统统2022/12/1912南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院农业农业：收割、除草、叶面：收割、除草、叶面与与果果实实的的检检测测叶面积仪叶面积仪2022/12/1913南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院军军事：望事：望远镜远镜、夜、夜视仪视仪、导弹导弹制制导导、激光、激光测测距、无人距、无人驾驶侦驾驶侦探机、平探机、平视显视显示器等等示器等等红外侦察红外侦察2022/12/1914南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院激光制激光制导导2022/12/1915南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院潜望潜望镜镜2022/12/1916南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院红红外雷外雷达达和和平平视显视显示器示器2022/12/1917南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院医学医学：CTCT、胃胃镜镜、虹膜、虹膜检测检测、生物、生物检测检测通信：光缆通讯通信：光缆通讯航天：资源勘探、星际探索航天：资源勘探、星际探索 哈勃号太空望远镜是被送入哈勃号太空望远镜是被送入轨道的口径最大的望远镜。总长轨道的口径最大的望远镜。总长12.8米，镜筒直径米，镜筒直径4.28米，主镜直米，主镜直径径2.4米，连外壳孔径则为米，连外壳孔径则为3米，全米，全重重11.5吨吨日用：扫描仪、光碟、照相机日用：扫描仪、光碟、照相机2022/12/1918南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院哈勃太空望哈勃太空望远镜远镜2022/12/1919南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院“哈勃哈勃”太太空望空望远镜远镜拍拍摄摄的的狮狮子座子座“NGC NGC 3370”3370”螺旋螺旋星系的照星系的照片片2022/12/1920南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院哈勃望哈勃望远远镜镜20022002年年5 5月到月到1212月拍月拍摄摄到到的太空神的太空神秘秘发发光星光星体体图图片片2022/12/1921南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院人人们还们还在不在不断研断研究光的究光的应应用用领领域域宇宇宙宙1号号太太阳阳帆帆宇宙1号的太阳帆面积为530.93平方米，由光压获得的推力为255克。如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力即为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在200多天内飞抵火星2022/12/1922南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院应该应该指出的是，人指出的是，人们对们对光光的的认识还远认识还远未完未完结结，对对光光的本性、的本性、传传播播规规律以及光律以及光与与物物质质相互作用的相互作用的研研究究还还在不在不断继续断继续。2022/12/1923南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院世博之光英国馆英国馆最大的亮点是由6万根蕴含植物种子的透明亚克力杆组成的巨型“种子圣殿”这些触须状的“种子”顶端都带有一个细小的彩色光源，可以组合成多种图案和颜色。所有的触须将会随风轻微摇动，使展馆表面形成各种可变幻的光泽和色彩。“种子圣殿”周围的设计也寓义深远，它就像一张打开的包装纸，将包裹在其中的“种子圣殿”送给中国，作为一份象征两国友谊的礼物。2022/12/1924南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院世博之光光学生物传感器光学生物传感器 中科院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室研制的光学生物传感器是通过检测生物分子之间微观特异性反应所产生的光学信号来检测微量目标被检物的一种光学仪器，具有灵敏、特异、稳定及适合于现场快速检测等优点。用于奥运会和世博会的安保检查2022/12/1925南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院世博之光光谱仪 光纳科技研制食品安全检光纳科技研制食品安全检测仪测仪高精度便携式拉曼光谱仪为世博会提供食品安全检测和服务 该光谱仪可透过透明的玻璃或其他透明材质的容器直接（不打开瓶盖）将激光照射到容器内的液体上并将散射光有效地传输回光谱仪中。在几秒钟内对散射光谱进行分析并决定被测容器内是否含有可疑化学物质，比如爆炸物或易燃液体等。2022/12/1926南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院几何（几何（应应用）光用）光学学的的研研究究内内容容采用光的直线传播概念，研究光采用光的直线传播概念，研究光传播的基本规律和光通过光学系传播的基本规律和光通过光学系统成像的原理和应用统成像的原理和应用通过本门课程的学习，使大家了解在光电测通过本门课程的学习，使大家了解在光电测量仪器设计中所需的一些基本概念、基本设量仪器设计中所需的一些基本概念、基本设计术语、基本设计方法等等。计术语、基本设计方法等等。几何（几何（应应用）光用）光学学的的研研究目的究目的2022/12/1927南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院光切显微镜2022/12/1928南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院第一章第一章 几何光学的基本原理几何光学的基本原理2022/12/1929南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院 在工农业、科学技术以及人类生活的各个领域，在工农业、科学技术以及人类生活的各个领域，使用着种类繁多的的光学仪器，如望远镜，显微镜，使用着种类繁多的的光学仪器，如望远镜，显微镜，投影仪等。投影仪等。光学系统：千差万别光学系统：千差万别 但是其基本功能是共同的：传输光能或对所研究但是其基本功能是共同的：传输光能或对所研究的的目标成像目标成像目标成像目标成像。研究光的传播和光学成像的规律对研究光的传播和光学成像的规律对于设计光学仪器具有本质的意义！于设计光学仪器具有本质的意义！1-1 光波和光线光波和光线2022/12/1930南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院从从本本质质上上讲讲，光是，光是电电磁波，磁波，它它是按照波是按照波动动理理论进论进行行传传播。播。但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系统是的传播规律或成像问题时将会造成计算统是的传播规律或成像问题时将会造成计算和处理上的很大困难，在实际解决问题时也和处理上的很大困难，在实际解决问题时也不方便。不方便。好累！太不方便了！2022/12/1931南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院按照近代物理按照近代物理学学的的观观点，光具有波粒二象性，点，光具有波粒二象性，那那么么如果只考如果只考虑虑光的粒子性，光的粒子性，把光源把光源发发出的光出的光抽象成一抽象成一条条条条光光线线，然后按此，然后按此来研来研究光究光学学系系统统成像。成像。问题变得简单问题变得简单而且实用而且实用！2022/12/1932南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院几何光几何光学学：以光以光线为线为基基础础，用几何的方法，用几何的方法来研来研究光在介究光在介质质中的中的传传播播规规律及光律及光学学系系统统的成像特的成像特性。性。点：光源、焦点、物点、像点点：光源、焦点、物点、像点线线：光：光线线、法、法线线、光、光轴轴面：物面、像面、反射面、折射面面：物面、像面、反射面、折射面由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子性的研究方法只是一种对真实情况的近似性的研究方法只是一种对真实情况的近似处理方法。必要时要辅以波动光学理论。处理方法。必要时要辅以波动光学理论。2022/12/1933南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院一一.发光点发光点 几何上的点是几何上的点是既既无大小，又无体无大小，又无体积积的抽象的抽象概概念。念。当当光源的大小光源的大小与与其作用距离相比可以忽略不其作用距离相比可以忽略不计时计时，也可也可认为认为是一是一个个点。点。天体天体遥远的距离遥远的距离观察者观察者2022/12/1934南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院 任何被成像的物体，任何被成像的物体，是由无数个发光点组成是由无数个发光点组成1、本身发光。、本身发光。2、反射光。、反射光。因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成像规律来推断整个物体的成像。像规律来推断整个物体的成像。2022/12/1935南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院二、光线二、光线发发光点向四周光点向四周辐辐射光能量，在几何光射光能量，在几何光学学中中将发将发光点光点发发出的光抽象出的光抽象为为带带有能量的有能量的线线，它它代表光的代表光的传传播方向。播方向。2022/12/1936南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院三、光束三、光束 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光向四周传播，形成以发光点为球心的光向四周传播，形成以发光点为球心的球面波球面波球面波球面波。某一时刻相某一时刻相位相同的点构成位相同的点构成的面称为的面称为波面波面波面波面 波面上某一点的法线就是这一点上光的传播波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方向，波面上的法线束称为方向，波面上的法线束称为光束光束光束光束2022/12/1937南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院同心光束：同心光束：发发自一点或自一点或会会聚于一点，聚于一点，为为球面波球面波平行光束平行光束：光线彼此平行，是平面波光线彼此平行，是平面波2022/12/1938南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院像散光束像散光束：光光线既线既不平行，又不相交，波面不平行，又不相交，波面为为曲面。曲面。在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元件中的传播途径，这个途径称为学元件中的传播途径，这个途径称为光路光路光路光路实际做法：实际做法：实际做法：实际做法：从光束中取出一个适当的截面，从光束中取出一个适当的截面，再求出其上几条光线的光路，即可解决成再求出其上几条光线的光路，即可解决成像问题。这种截面称为像问题。这种截面称为光束截面光束截面2022/12/1939南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院1-2 几何光学基本定律几何光学基本定律(1-2,1-3)一、光的直线传播定律一、光的直线传播定律 在在各向同性的均匀透明介质各向同性的均匀透明介质各向同性的均匀透明介质各向同性的均匀透明介质中，光线沿直线传播。中，光线沿直线传播。二、光的独立传播定律二、光的独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼彼彼彼此互不影响此互不影响此互不影响此互不影响。在光线的相会点上，光的强度是各光。在光线的相会点上，光的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后，各个光束束的简单叠加，离开交会点后，各个光束按原方向按原方向按原方向按原方向传播传播传播传播。2022/12/1940南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院三、折射和反射定律三、折射和反射定律 光的折射和反射定律光的折射和反射定律研研究光究光传传播到播到两两种种均均匀匀介介质质的分界面的分界面 时时的定律。的定律。（一）折射定律（一）折射定律na出射光线出射光线入射光线入射光线法线法线IIONQnbI：入射角入射角I：折射角折射角2022/12/1941南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院（1）折射光线位于由入射光线和法线）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光所决定的平面内，折射光线和入射光线分居法线两侧。线分居法线两侧。（2）入射角的正弦和折射角的正弦）入射角的正弦和折射角的正弦之比与两角度的大小无关，仅决定于之比与两角度的大小无关，仅决定于介质的性质，为一恒量介质的性质，为一恒量nab即nab:介质介质 b 对介质对介质 a 的相对折射率的相对折射率，如果介质如果介质 a 为真空，则介质为真空，则介质 b 对真空的折对真空的折射率也称为绝对折射率，用射率也称为绝对折射率，用 表示表示nbna出射光线出射光线入射光线入射光线法线法线IIONQnb2022/12/1942南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院也可表述为：也可表述为：C：在真空中光速在真空中光速，：在介质 b 中光速vb两个介质的两个介质的相对折射率相对折射率相对折射率相对折射率可以用光在该介质中的速度表示可以用光在该介质中的速度表示对上式变换对上式变换 两种介质的两种介质的相对折射率相对折射率等于两介质的等于两介质的绝对折绝对折射率射率之比之比2022/12/1943南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院将将上式代入上式代入 并设并设有：真空折射率为真空折射率为1，在标准压力下，在标准压力下，20摄氏度时空气折射摄氏度时空气折射率为率为1.00028，通常认为空气的折射率也为通常认为空气的折射率也为通常认为空气的折射率也为通常认为空气的折射率也为1 1，把其他介质相对于空气，把其他介质相对于空气，把其他介质相对于空气，把其他介质相对于空气的折射率作为该介质的绝对折射率。的折射率作为该介质的绝对折射率。的折射率作为该介质的绝对折射率。的折射率作为该介质的绝对折射率。提示：提示：但是在设计高精度的太空中的光学仪器但是在设计高精度的太空中的光学仪器时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。2022/12/1944南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院（2）入射角）入射角 I和反射角和反射角I的绝对值相同，可表示为的绝对值相同，可表示为 （二）反射定律（二）反射定律 （1）反射光线在由入）反射光线在由入射光线和法线所决定的射光线和法线所决定的平面内平面内反射光线反射光线入射光线入射光线法线法线INI”O符号相反说明符号相反说明入射光线入射光线入射光线入射光线和和反射光线反射光线反射光线反射光线分居法线两侧。分居法线两侧。2022/12/1945南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院全反射现象全反射现象一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发生反射和折射现象。生反射和折射现象。可知可知即折射光线较入射光线偏离法线即折射光线较入射光线偏离法线由公式由公式当当光光由由光光光光密密密密介介介介质质质质射射向向光光光光疏疏疏疏介介介介质质质质时时,1-3 光路可逆和全反射光路可逆和全反射(1-4,11-1,11-2)(1-4,11-1,11-2)2022/12/1946南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院 不可能大于不可能大于1，此时入射光线将不能射入，此时入射光线将不能射入另一介质。另一介质。按照反射定律在介面上全部被反射回原介质按照反射定律在介面上全部被反射回原介质对应于对应于 的入射角的入射角 被称为被称为临界角临界角记为记为,可知可知2022/12/1947南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院全反射的两个条件：全反射的两个条件：（1）光密到光疏介质；）光密到光疏介质；（2）入射角大于临界角；）入射角大于临界角；全反射的应用：全反射的应用：（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代替平面反射镜。替平面反射镜。（2）制造光导纤维。）制造光导纤维。2022/12/1948南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院光光导纤维号称现导纤维号称现代信息系代信息系统统的神的神经经由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包层组成层组成2022/12/1949南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连续发生全发射，直至另一端出射。上连续发生全发射，直至另一端出射。SBA当当大于临界角时，就发生全发射。大于临界角时，就发生全发射。2022/12/1950南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院根据折射定律，又有：根据折射定律，又有：SBA可以得到：可以得到：当入射角当入射角时，可以全反射传送，时，可以全反射传送，当当时，光线将会透过内壁进入包层时，光线将会透过内壁进入包层由由得得2022/12/1951南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院定定义义 为为光光纤纤的的数值数值孔孔径径 越大，可以进入光纤的光能就越多，也就越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是光纤能够传送的光能越多。是光纤能够传送的光能越多。这意味着光信号越容易耦合入光纤。这意味着光信号越容易耦合入光纤。2022/12/1952南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院思考：思考：1 1、游泳者由水底仰望水面是否为、游泳者由水底仰望水面是否为全亮？全亮？2 2、有时看到窗户玻璃上映射的太、有时看到窗户玻璃上映射的太阳光特别耀眼，这是否因为窗玻阳光特别耀眼，这是否因为窗玻璃表面发生了全反射？璃表面发生了全反射？2022/12/1953南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院光的光的直直线传线传播定律播定律、独独立立传传播定播定律律、折射和反射定律折射和反射定律、费马费马原理原理是几何光是几何光学学的基本定律，是的基本定律，是研研究究光光线传线传播和成像播和成像问题问题的基的基础础。从上述定律可以得到光线传播的一从上述定律可以得到光线传播的一个重要原理个重要原理光路的可逆性原理光路的可逆性原理。利。利用这一原理，可以由物求像，也可以用这一原理，可以由物求像，也可以由像求物。由像求物。2022/12/1954南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院马吕斯定律：与某一曲面垂直的一束光线，经过任意次折反射马吕斯定律：与某一曲面垂直的一束光线，经过任意次折反射后，必定与另一曲面垂直，而且位在这两个曲面之间的所后，必定与另一曲面垂直，而且位在这两个曲面之间的所有光线光程相等有光线光程相等费马原理：实际光线沿着光程为极值的路线传播，即沿着光程费马原理：实际光线沿着光程为极值的路线传播，即沿着光程为极大、极小或常量的路径传播为极大、极小或常量的路径传播1-3 1-3 马吕马吕斯定律和斯定律和费马费马原理原理马吕斯定律费马原理折反射基本定律2022/12/1955南京工程学院自动化学院南京工程学院自动化学院