《几何光学》课件.ppt

几何光学的四大基本定律几何光学的四大基本定律1.光的直线传播定律（局限性：衍射）光的直线传播定律（局限性：衍射）2.光的独立传播定律（局限性：干涉）光的独立传播定律（局限性：干涉）3.光的反射定律光的反射定律4.光的折射定律光的折射定律第一章第一章几何光学几何光学光的一些基本知识光的一些基本知识n光的本质是一种电磁波n可见光的波长范围：380-780nmn光波的传播速度：3108 m/sn在可见光范围内，太阳光可分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫n色度学中的三基色：R、G、B R、Y、B 几何光学的理解几何光学的理解n用几何点、线、面的方法来研究光的传播及光学系统的成象特性的一门课程。n几何光学的主要内容是研究光学系统的成像问题，系统地讨论物、像和光学系统的基本参数之间的内在关系。为什么要学几何光学？为什么要学几何光学？n光的本质是一种电磁波n几何光学是一门经典的课程n目前我所从事的光学工程（光学系统所组成的光学仪器）绝大部分是用几何光学的知识来完成的n光学仪器的设计还是采用几何光学方法进行的本章的主要内容本章的主要内容1 光线光线用几何线的方法来研究光学成象用几何线的方法来研究光学成象2 几何光学的四大定律几何光学的四大定律3 成像的基本分析方法和计算公式成像的基本分析方法和计算公式n理想光学系统近轴系统n符号规则n物像关系的作图法n牛顿公式和高斯公式n光学系统的放大率光的直线传播定律光的直线传播定律n几何光学的基础，多数精密的光学仪几何光学的基础，多数精密的光学仪器都是承认它的正确才成立的；器都是承认它的正确才成立的；n人的影子人的影子n日蚀、月蚀日蚀、月蚀n当光束当光束“挤过挤过”很小的孔时，光就开很小的孔时，光就开始始“拐弯拐弯”了了产生了衍射。产生了衍射。光的独立传播定律光的独立传播定律n两束光线在空中相遇保持独立传播；两束光线在空中相遇保持独立传播；n相遇处的光强是两束光光强的和；相遇处的光强是两束光光强的和；n这两束光是独立的，没有这两束光是独立的，没有“亲缘亲缘”关系；关系；n如果这两束光有如果这两束光有“亲缘亲缘”关系，则在相关系，则在相遇处会产生干涉。遇处会产生干涉。光的反射定律光的反射定律n反射光和入射光在同一个平面内反射光和入射光在同一个平面内n反射角与入射角相等，方向相反反射角与入射角相等，方向相反n镜面反射使得物与像的坐标镜面反射使得物与像的坐标颠倒颠倒：奇数次反射成镜像；偶数次反射成物像。奇数次反射成镜像；偶数次反射成物像。反射棱镜反射棱镜n棱镜是一种典型的反射零件棱镜是一种典型的反射零件n在光学工程中用得很多，其作用主要是在光学工程中用得很多，其作用主要是折转光路、转像、倒像、分光和扫描等。折转光路、转像、倒像、分光和扫描等。n反射棱镜的种类：简单棱镜、屋脊棱镜、反射棱镜的种类：简单棱镜、屋脊棱镜、立方角棱镜和复合棱镜等。立方角棱镜和复合棱镜等。平面反射镜与棱镜n棱镜的各个固定角度稳定，而反射镜与反射镜之间的角度容易变化；n棱镜反射面形成全反射，没有光能损失，而反射镜面损失较大；n反射镜镀层容易损坏，而棱镜的镀层容易保护；n棱镜容易安装与固定。一次反射棱镜一次反射棱镜 直角棱镜直角棱镜 等腰棱镜等腰棱镜 道威棱镜道威棱镜像的旋转像的旋转:当绕光轴旋转当绕光轴旋转 时，反射像同方向旋转时，反射像同方向旋转22消旋仪消旋仪双反射镜跟踪经纬仪的消旋补偿双反射镜跟踪经纬仪的消旋补偿112 电电 影影 经经纬纬仪仪（小毒蛇）（小毒蛇）应用应用实例实例周视瞄准仪周视瞄准仪周视瞄准镜周视瞄准镜 结构图结构图采用差动齿轮系实采用差动齿轮系实现直角棱镜与道威现直角棱镜与道威棱镜同轴旋转，两棱镜同轴旋转，两者速比为者速比为1 1：2 2，转，转动过程中速比不变动过程中速比不变需要解决需要解决2个问题个问题1.成像的坐标与原物一致成像的坐标与原物一致2.像旋转的补偿像旋转的补偿道威棱镜的作用道威棱镜的作用（道威棱镜只能在平行光路中应用）（道威棱镜只能在平行光路中应用）周视瞄准镜的用途n大方位观察搜索目标，采用光学方法使望远镜视准轴在水平面内扫描，以实现全方位观察周视。n该系统可以用到潜望镜、坦克瞄准镜、炮台镜、双反射镜式光电经纬仪中。二次反射棱镜二次反射棱镜a，半五角棱镜 b，30直角棱镜 c，五角棱镜 d，直角棱镜 e，斜方棱镜二次反射棱镜的特性二次反射棱镜的特性 n出射光线与入射光线的夹角取决于两反出射光线与入射光线的夹角取决于两反射面的夹角，是两反射面夹角的射面的夹角，是两反射面夹角的2倍；倍；n不存在镜像（偶次反射）不存在镜像（偶次反射）n装调方便；装调方便；n转向角与入射角的倾斜不敏感。转向角与入射角的倾斜不敏感。三次反射棱镜三次反射棱镜 斯密特棱镜：1,奇次反射成镜像2,折叠光路，使得仪器紧凑屋脊棱镜：屋脊棱镜：1）增加一个反射面 2）屋脊角加工精度要求很高立方角锥棱镜：立方角锥棱镜：，正立方体斜切一角所成正立方体斜切一角所成，切面为底面，呈等腰三角形，切面为底面，呈等腰三角形，底面为入射面和出射面，底面为入射面和出射面立方角锥棱镜的外型：立方角锥棱镜的外型：立方角棱镜的特点与用途立方角棱镜的特点与用途n特点是出射光与入射光平行特点是出射光与入射光平行n用于激光测距仪中当合作目标用于激光测距仪中当合作目标n在靶场中用于飞行目标表面的合作目标在靶场中用于飞行目标表面的合作目标n自准直经纬仪中用于校准棱镜自准直经纬仪中用于校准棱镜n月球表面的反射镜阵列月球表面的反射镜阵列校准棱镜校准棱镜用于自准直经纬仪的调试中用于自准直经纬仪的调试中二次反射直角棱镜二次反射直角棱镜在导弹瞄准系统中的应用在导弹瞄准系统中的应用 HM Hf HNLNLM二次反射直角棱镜的工作原理二次反射直角棱镜的工作原理JAZZ0YY0X0X从井下发射从井下发射“民兵民兵”导弹时的瞄准布导弹时的瞄准布设设1控制反射镜；控制反射镜；2环形轨道；环形轨道；3瞄准经纬仪瞄准经纬仪俄罗斯“白杨”导弹阿波罗月球反射器阿波罗月球反射器（宇航员正在安放）（宇航员正在安放）阿波罗月球反射器阿波罗月球反射器（宇航员正在安放）（宇航员正在安放）阿波罗月球反射器阿波罗月球反射器（安放在月球表面上）（安放在月球表面上）阿波罗月球反射器阿波罗月球反射器（安放在月球表面上）（安放在月球表面上）“月球月球”号登月车号登月车（俄罗斯）（俄罗斯）月球表面月球表面反射器反射器分光棱镜分光棱镜 分色棱镜:a 面反蓝透红绿膜 b 面反红透绿膜转向棱镜转向棱镜 1,出入光轴 2,平行完全倒像 3,折叠光路a)a)普罗普罗棱镜棱镜 b)b)普罗普罗棱镜棱镜 c)c)别汉棱镜别汉棱镜 反射棱镜展开以后相当于平行平板反射棱镜展开以后相当于平行平板棱镜的公差棱镜的公差n角度偏差：角度偏差：影响成像质量（展开不是平行平板）、影响成像质量（展开不是平行平板）、读数精度等，一般可以在装配时摆动棱镜自行补偿。读数精度等，一般可以在装配时摆动棱镜自行补偿。n面形误差：面形误差：1.透射面误差（相当于设计时未考虑到的一个透镜面）透射面误差（相当于设计时未考虑到的一个透镜面）2.反射面误差（双倍影响）反射面误差（双倍影响）n屋脊角误差产生色差和双像；屋脊角误差产生色差和双像；屋脊面形误差对成像屋脊面形误差对成像质量具有质量具有4倍影响。倍影响。n棱镜的塔差：棱镜的塔差：棱镜的棱边与反射面的不平行度，展棱镜的棱边与反射面的不平行度，展开后不是平行平板。开后不是平行平板。光的折射定律光的折射定律折射率：折射率：描述光在介质中传播速度快慢的一个物理量描述光在介质中传播速度快慢的一个物理量全反射：全反射：1，从光密到光疏，从光密到光疏 2，入射角大于临界角，入射角大于临界角全反射现象的应用全反射现象的应用全反射棱镜全反射棱镜 光纤光纤光纤的基本工作原理光纤的基本工作原理n根据全反射原理，使光线限制在纤芯中传播。nn1n2，n当入射角0（入射临界角）时，进入纤芯的光线会在芯、包层界面全反射向前传播；n入射角0时，大部分光线进入包层、空气散失掉。图图1 子午光线在阶跃光纤中的传播子午光线在阶跃光纤中的传播n1n0受光角n22a2b光纤光学特性参量：光纤光学特性参量：n1相对折射率差相对折射率差：表征纤芯和包层折射率差异程度的参量（n1n2）/n1n2数数值值孔孔径径NA：表征光线在光纤中耦合的难易程度的参量，即光纤接收入射光能力的参量n3规一化频率或波导参数规一化频率或波导参数VV2aNA/反映了光波传播与波长及波导结构之间的关系，V值越大所能传播的模式越多。V2.4048时，光纤为单模光纤，只传导基模HE11模式。模式的概念：模式的概念：n光波是一种电磁波，光在光纤中传播就是交变的电场和磁场在光纤中向前传播。电磁场的各种不同分布形式叫做“模式”，或简称为“模”。n由于光纤的直径（特别是单模光纤）小到可以和光波由于光纤的直径（特别是单模光纤）小到可以和光波长相比，光的波动特性就很明显。只有具有确定空间、长相比，光的波动特性就很明显。只有具有确定空间、时间分布的电磁场模式才能在光纤中存在。传输模式时间分布的电磁场模式才能在光纤中存在。传输模式与光纤参数、入射光频率和涂敷层性质有关，它是麦与光纤参数、入射光频率和涂敷层性质有关，它是麦克斯韦（克斯韦（Maxwell）方程的满足光纤边界条件的特解。方程的满足光纤边界条件的特解。单模光纤和多模光纤：单模光纤和多模光纤：n对于一定的光纤结构和光波长，在光纤中能够传播的模式数目是有限的。可以传播的模数为，nMV/(/2)2/2n其中V是规一化频率。当0 V2.4048时，只有HE11模能够传播。通常将HE11模称为主模或基模。n由于V与光波长有关，则当光纤结构与特性一定后，对于某个波长的光来说是单模工作的光纤，对于另外的比其波长还要短的光来说就有可能传播多个传输模，而成为多模光纤了。n在多模光纤中传输的各个不同模式沿轴向的传播速度不同，传输模的阶次越高，传输速度越慢。光纤的基本结构光纤的基本结构 由纤芯、包层和涂敷层构成，是一多层介质结构的对称圆柱体涂敷层纤芯包层图图2 单根光纤结构简图单根光纤结构简图光纤结构参量光纤结构参量n1 纤芯直径纤芯直径2a；n2 外径：外径：研究光纤弯曲损耗及评价光纤机械强度时的重要参量；n3 芯径非圆率、外径非圆率：芯径非圆率、外径非圆率：纤芯外周及包层外周与圆柱的差别程度，用以评价接续损耗；n4 偏心率：偏心率：纤芯与包层外圆圆心的偏离程度，用以评价接续损耗。光纤的应用光纤的应用n光纤传感：光纤传感：光纤自身是一个敏感元件，光纤对外界参数有一定的效应，因此可以利用这些效应实现对外界被测参数的“传”和“感”。n光纤通信：光纤通信：损耗低，目前石英光纤的损耗已降至0.2dB/km以下；带宽宽，光纤传输的是光，频率特别高，因而光纤具有极宽的频 带，是理想的信息传输介质。这两个特性决定了光纤在通信中广泛应用。光纤通信对光纤的要求主要是损耗、色散值。n其他应用其他应用：传光、传像光纤传感器的优点：光纤传感器的优点：n灵敏度高、频带宽；n是无源器件，对被测介质影响小；n抗电磁干扰、电绝缘，耐腐蚀，可用于恶劣环境；n重量轻、体积小，外形灵活可变；n测量对象广泛，可以制成传感不同物理量的传感器；n便于多点复用，便于成网，实现分布式测量。光纤通信的优点：光纤通信的优点：n传输频带极宽，通信容量大；n衰减小，传输距离远；n串扰小，信号传输质量高；n光纤抗电磁干扰，保密性好；n光纤尺寸小，重量 轻，便于运输和铺设；n由石英拉制而成，原材料丰富，节约大量金属。光纤传感器光纤传感器n光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量因外界因素的作用可直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。光纤光纤出射光波出射光波外界因素：温度、压力、电磁场、位移等振振幅幅、相相位位、偏偏振振态态、耦合效率等耦合效率等入射光波入射光波 光纤传感原理示意图光纤传感器分类光纤传感器分类n按光纤中的光被调制的原理分有：光强度调制型、光相位调制型、光偏振态调制型、光频率调制型（Doppler）、光波长调制型(Bragg grating)。n按测量参量分有：光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤流量传感器、光纤压力传感器、光纤速度传感器、光纤磁场传感器、光纤电流传感器、光纤电压传感器等。光纤温度传感器光纤温度传感器 n根据普朗克黑体辐射定律，理想黑体辐射的光谱能量为：M（，T）C1 5/（e C2/T1）式中：M（，T）是光谱辐射亮度；C1、C2是辐射常数；为光谱辐射波长；T为辐射温度实现非接触式测量；响应速度快，1ms左右；精度高、重复性好；可进行高温测量（5000C25000C）M（，T）900K800K700K600K500K黑体光谱亮度同波长与温度关系示意图4 光纤传感器 GXW系列光纤温度传感器外形图系列光纤温度传感器外形图我所的光纤发展史我所的光纤发展史n60年代龚祖同老所长带领开始光纤技术的研究，国内年代龚祖同老所长带领开始光纤技术的研究，国内首家。首家。n70年代，西安光机所拉制出我国第一根玻璃光纤。n光学学会光学纤维专业委员会挂靠我所光学学会光学纤维专业委员会挂靠我所n以变折射率光纤器件、光纤传感器为主打产品的飞秒公司是我所第一个上规模产业化的企业光通信给光纤技术带来了巨大光通信给光纤技术带来了巨大发展空间发展空间n光纤通信正以惊人速度向更高级阶段发展，全光网络是发展方向。n要实现全光网络则必须实现波分复用技术（特别是密集波分复用DWDM）和全光节点技术，构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、光探测器及光纤外，还需要众多无源或有源的光学器件。n光纤网络中所需各种光学器件有：光发射/接收器、光波分复用/解复用器、波长转换器、光分插复用器、光纤滤波器、光纤放大器以及高速通信系统中的色散补偿器等。光通信中的典型器件光通信中的典型器件n实现上述器件功能，需要研究更基本的器件单元，通过这些单元的组合设计来实现较高一级的功能。n典型器件：典型器件：n 光纤Bragg光栅n 光纤面板n 自聚焦透镜n 微小透镜阵列光纤光栅光纤光栅nFBG是在光纤纤芯内折射率周期调制的光学元件，利用光纤材料的光敏感性在纤芯内形成空间相位光栅。nFBG是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，在光纤通信、光纤传感领域都有广阔应用前景。n纤 芯Bragg 光 栅ZZ1Z2 均匀Bragg光栅结构原理示意图B输入宽谱光反射光透射光光纤光栅光纤光栅的工作原理的工作原理n宽宽带带光光通通过过光光纤纤光光栅栅时时，将将反反射射回回一一窄窄带带信信号号，窄窄带带信信号号的的波波长长与与纤纤芯芯折射率和光栅常数有关。折射率和光栅常数有关。nB2n式中：B 为Bragg中心反射波长，n为纤芯的有效折射率，光栅常数。n光纤光栅作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤光器或反射镜，反射的窄脉冲宽度达到纳米量级，正符合密集波分复用的要求。由公式知，n与的改变均会引起反射光波长的改变。因而能导致n与改变的物理量，均可以用FBG作为传感元件如应力、温度和压力等。n灵敏度和线性度也非常好。光纤光栅光纤光栅的用途的用途n采用FBG作为腔反馈和模式选择的单频光纤激光器或混合集成式耦合腔半导体激光器，都可将光激射限制在特定波长或者特定梳状波长，这样就可有效用于密集波分复用（DWDM）通信系统。n由FBG的选频作用能制作出性能优异的光纤带通或带阻滤波器、高质量多功能全光纤激光器与光纤放大器等各种全光纤集成器件。nFBG能十分有效地压窄由于色散而展宽的光脉冲，从而降低系统误码率，因而是很有发展潜力的色散补偿器光纤光栅光纤光栅传感器传感器 n光纤光栅传感器不仅可靠性高、抗电磁干扰、抗腐蚀性能好，还具有测量精度高、动态范围大、线性度好等优良特性。n由于光纤光栅将被测信息转化为其响应波长的移动，即波长编码，传感得到的信息直接由波长变化表示，与光源能量、光纤连接及耦合时所带来的衰减无关，即不受光源功率波动和系统损耗的影响。n光纤光栅传感网络可以实现多点实时监测。n由于光纤光栅自身的小巧结构它还可以制成光纤灵巧结构（Smart Structure）传感器。如美国将67个FBG传感头埋于桥梁各个梁中，用于实时监测桥梁各处的受力应变n通过设计各种机敏结构，光纤光栅可以实现对应力、应变、温度、流量、位移、微振动、磁场、电场、电流等多种物理量的测量。光纤光纤传像元件传像元件由光纤制成的大面阵、无源成像器件n将光学图像从一端传递给另一端。它是由大量光纤排列压制在一起，经切、磨、抛等工艺制成可传递二维图像的光学元件。n1 光纤面板：可将二维图像1:1进行传递。每根光纤传输图像的一个象素，用足够多、足够细的光纤获得理想的图像传输。在医疗、工业、军事上都有很大用途。n2 传像束：采用10m外径光纤，象素光纤需24万根。n3 光纤光锥：一头大、一头小，可将输入图像放大或缩小。用来将面板输出图像耦合到CCD等成像器件上n4 光纤扭像器：可将输入图像扭转180度（倒像）。可将反像变为正像，有利于人眼的观察习惯。n5，密码器几何光学几何光学 第三节第三节 成像的基本分析方法和计算公式成像的基本分析方法和计算公式n符号规则符号规则n理想光学系统理想光学系统近轴系统近轴系统n物像关系的作图法物像关系的作图法n牛顿公式和高斯公式牛顿公式和高斯公式n光学系统的放大率光学系统的放大率 几何光学的符号规则：几何光学的符号规则：1 1，截距、孔径角、孔径高度，物高和像高，截距、孔径角、孔径高度，物高和像高2 2，符号的规定，符号的规定 几何光学的符号规则：几何光学的符号规则：n光线自左向右光线自左向右n以顶点为起始点，与光线传播方向一致以顶点为起始点，与光线传播方向一致为正，反之为负为正，反之为负n垂轴线段，上为正，下为负垂轴线段，上为正，下为负n夹角：顺时针为正，逆时针为本负夹角：顺时针为正，逆时针为本负n焦距：以焦点为起始，顺光线为正，逆焦距：以焦点为起始，顺光线为正，逆光线为负光线为负单个折射球面成不完善像截距是入射角和孔径角的函数截距是入射角和孔径角的函数 近轴系统近轴系统孔径角U很小，相应的U，I，I 也很小，它们的正弦可以用弧度表示(用小写表示近轴系统)物象关系的作图物象关系的作图n物像关系是几何光学的基本内容；物像关系是几何光学的基本内容；n用几何作图的方法来理解光学成像；用几何作图的方法来理解光学成像；n在制定光学系统方案时，经常用几何作在制定光学系统方案时，经常用几何作图法进行成像关系的分析；图法进行成像关系的分析；n给定光学系统的焦距和物体的位置、大给定光学系统的焦距和物体的位置、大小、方向，求像的的位置、大小和方向；小、方向，求像的的位置、大小和方向；反过来也一样。反过来也一样。物像关系的作图法物像关系的作图法1：通过焦点通过焦点平行光轴，平行光轴平行光轴，平行光轴通过焦点通过焦点物像关系的作图法物像关系的作图法2：焦面上一点焦面上一点平行光束，平行光束，平行光束平行光束焦面上一点。焦面上一点。物像关系的作图法物像关系的作图法3：通过主点的光线方向不变通过主点的光线方向不变HH物像关系的作图法物像关系的作图法4：共轭光在主面上同位置共轭光在主面上同位置HH牛顿牛顿 公式公式高斯公式高斯公式Abbe不变量：单个折射面，物方与像方的（n/r）-（n/l）具有不变量形式根据上式可以导出以下单个折射面物像成像关系式：根据上式可以导出以下单个折射面物像成像关系式：单个折射面的成像公式单个折射面的成像公式计算题计算题1：玻璃棒一头磨成玻璃棒一头磨成R10的半球的半球，求求A点点D 的的像像A计算题2：已知透镜的参数和物体的位置，求像的位置已知透镜的参数和物体的位置，求像的位置计算过程：利用公式利用公式，成像光学系统中的放大率成像光学系统中的放大率1.垂直放大率n0，正像；0，倒像。n 1，放大；1，缩小n在摄影、显微等系统中很有用。H成像光学系统中的放大率成像光学系统中的放大率2，轴向放大率：，轴向放大率：在计算光学系统的轴向移动（调节）量时很有用在计算光学系统的轴向移动（调节）量时很有用成像光学系统中的放大率成像光学系统中的放大率n角放大率角放大率：光学系统把光束变宽或变细光学系统把光束变宽或变细的能力的能力有一照相物镜，焦距，求照远的人体需要调焦多少？请分别用高斯公式和牛顿公式计算.计算题的符号理想光学系统的组合理想光学系统的组合 在一个光轴上的多个光学系统可以组合成一个新的、等效的光学系统，便于分析问题。这个光学系统具有新的焦距，新这个光学系统具有新的焦距，新的焦点位置，新的主点位置。的焦点位置，新的主点位置。两光学系统的组合H、H为组合后的新的光学系统的主点位置，F、F 为组合后的新的光学系统的焦点位置其光路同样符合几何作图原则组合焦距组合焦距通过牛顿公式可以推导出两组光学系统组合的焦距组合系统的主点位置多光组的组合多光组的组合n追迹一条高度为h1的平行于光轴的光线，计算出出射光线与光轴的夹角（孔径角）Uk，则可求出多光组的组合焦距作图作图1作图作图1作图作图1，2作图3，4作图作图2作图作图3作图4Thats All for today