《光学基础知识》PPT课件.ppt

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1、光的传播光的传播光的传播 光线光线光线 光源光源：任何发光的物体，如太阳，日光灯；或者被照明而漫反射光的物体。点光源点光源：可以看成几何光学上的点，只占有空间 位置而无体积和线度。光线光线：表示光能量传播方向的几何线。几何光学特点几何光学特点 研究对象的几何线度远大于照射光波的波长几何光学实验定律几何光学实验定律 1 光线只在密度均匀媒质(每一点的折射率都为常数)中沿直线、独立传播。云隙光几何光学实验定律几何光学实验定律 2 光的反射定律 反射光线与入射光线均位于入射面内；反射光线与入射光线分别在法线两侧；反射角 等于入射角几何光学实验定律几何光学实验定律 镜面反射Specular Refle

2、ction漫反射Diffuse Reflection几何光学实验定律几何光学实验定律 相控雷达阵列 Phased-array radar 几何光学实验定律几何光学实验定律 3 折射定律 折射线在入射面内，并和入射线分别在法线两侧；对于单色光，入射角与折射角的正弦之比是常数；介质折射率介质折射率 n 光通过介质时在该介质中速度减小程度的量度几何光学实验定律几何光学实验定律 折射率折射率相对折射率相对折射率绝对折射率绝对折射率 介质相对于真空的折射率光密介质光密介质 折射率较大的介质，光波在此介质 中传播速度较慢光疏介质光疏介质 折射率较小的介质，光波在此介质 中传播速度较快介质折射率和入射光的波

3、长有密切关系色散色散几何光学实验定律几何光学实验定律 介质分界面处的光束折射The bending of rays at an interface光的可逆光的可逆光的可逆性当光线沿着和原来相反的方向传播时，其路径不变费马原理费马原理 光程光程光线从m层不同折射率的介质组成的叠层中传播光程光程(Optical Path Length)费马原理费马原理 光程光程若介质的折射率 n 连续变化光程的理解光程的理解 表示为光在介质中通过真实路程Si 所需要总时间t内，在真空中所能 传播的路程OPL的长短费马原理费马原理费马原理费马原理 在两点之间光线传播的实际路径与任何其他可能路径相比，其光程为极值。在

4、两点之间光沿着所需时间为极值的路径传播。费马原理费马原理光程极小值 反射定律PMMMn1i1i1Qn2界面界面P费马原理费马原理光程恒定值 椭球内反射面光程最大值 凹球面光程最小值 凸球面F1F2费马原理费马原理 应用应用水介质费马原理费马原理 应用应用费马原理费马原理 应用应用几何光学成像几何光学成像 理想点光源理想点光源 发光点发光点理想的点光源，实际光源的一种抽象表示。特点：只有几何位置，没有大小和形状。Q实发光点实发光点Q虚发光点虚发光点几何光学成像几何光学成像 光束光束 光束光束 空间中具有一定关系的光线的集合同心光束：同心光束：一光束中各光线或其延长线相交于一点会聚光束发散光束平行

5、光束：平行光束：发光点在无限远处 几何光学成像几何光学成像 光具组光具组 光具组光具组：若干个反射面或折射面组成的光学系统平面反射镜球面反射镜双面凹透镜透镜组合几何光学成像几何光学成像 物和像物和像 如果一个以Q点为中心的同心光束经光具组的反射或者折射后转化为另一个以Q 点位中心的同心光束，那么可以说成光具组使Q成像于Q。Q：物点 ；Q：像点实像实像 出射的同心光束是会聚的像.虚像虚像 出射的同心光束是发散的像.实物实物 入射的是发散的同心光束，则发散中心称为实物.虚物虚物 入射的是会聚的同心光束，则会聚中心称为虚物.物空间物空间 入射的同心光束传播的空间像空间像空间 出射的同心光束传播的空间

6、几何光学成像几何光学成像 物和像物和像 QQ光光具具组组实物成实像实物成实像实物成虚像实物成虚像QQ光光具具组组虚物成实像虚物成实像QQ光光具具组组虚物成虚像虚物成虚像QQ光光具具组组几何光学成像几何光学成像 物和像物和像L1L2L3SS 1是透镜是透镜L1的实像，是透镜的实像，是透镜L2的虚物；的虚物；S 2是透镜是透镜L2的虚像，是凹面镜的虚像，是凹面镜L3的实物的实物;S 3是最后实像点是最后实像点.几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统理想光学系统理想光学系统(理想光具组理想光具组)保持保持同心性同心性：一个能使任何同心光束保持同心性 的光具组。共轭性：共轭性：物空间和像空

7、间的这种点点、线线、面面的一一对应的关系。物空间每个点对应像空间一个点 物空间每条直线对应像空间一条直线 物空间每个平面对应像空间一个平面等光程性：等光程性：物点到像点的各光线的光程都相等。几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统光束的同心性的破坏P(x,y)点为P(x,y)点的一个像点几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统光束的同心性的破坏光线PAP的光程A点在镜面上移动，半径 r 是常量，角度 是位置的变量。几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统光束的同心性的破坏由正弦定理，对图由正弦定理，对图中中三角形三角形D DQMC和和D DQMC：代入折射定律代入

8、折射定律nsin i=nsin i，得像距，得像距s的一般计算公式：的一般计算公式：MQssrOCnnuuhQiHi几何光学成像几何光学成像 理想光学系统理想光学系统理想光学系统理想光学系统(理想光具组理想光具组)保持保持同心性同心性：一个能使任何同心光束保持同心性 的光具组。共轭性：共轭性：物空间和像空间的这种点点、线线、面面的一一对应的关系。物空间每个点对应像空间一个点 物空间每条直线对应像空间一条直线 物空间每个平面对应像空间一个平面等光程性：等光程性：物点到像点的各光线的光程都相等。几何光学成像几何光学成像 平面镜 光导纤维 棱镜 球面折射 球面反射镜 薄透镜几何光学成像几何光学成像

9、平面反射成像平面反射成像 平面反射镜平面反射镜：在平基片上镀一层金属如银、铝、铬等作为反光物质作为平面反射镜实物S 虚像S虚物S 实像S几何光学成像几何光学成像 平面反射成像平面反射成像 镜像反演XYZxyz物体:左手坐标系XYZ像：右手坐标系xyz几何光学成像几何光学成像 平面折射成像平面折射成像像散光束，不能成像平面折射近似成像 几何光学成像几何光学成像 全反射全反射 a1a2c1b2a1b1c1n1n2n1i1icb1全反射全反射(全内反射全内反射)条件：光线从光密介质进入光疏介质全反射的临界角 ，此时折射角为90临界角是产生全反射现象的最小入射角。几何光学成像几何光学成像 全反射全反射

10、 几何光学成像几何光学成像 全反射全反射 (全全)外反射外反射NASA的卡西尼号探测器首次捕捉到土星最大卫星泰坦星上的一个液态（甲烷）湖反射阳光的图像。拍摄距离为泰坦星20万公里处。几何光学成像几何光学成像 光导纤维光导纤维几何光学成像几何光学成像 光导纤维光导纤维光纤数值孔径N.A.(NumericalAperture)=CoreCladding几何光学成像几何光学成像 棱镜棱镜 回反棱镜回反棱镜五脊棱镜五脊棱镜直角棱镜直角棱镜色散棱镜色散棱镜几何光学成像几何光学成像 色散色散(折射折射)棱镜棱镜 三棱镜(Dispersing Psism)工作面 底面 折射棱 棱镜顶角-两工作面间夹角 主截

11、面-垂直于折射棱平面几何光学成像几何光学成像 色散色散(折射折射)棱镜棱镜d/(Deg)dmini1(Deg)n=1.5a=60odmin色散色散棱镜棱镜的的偏向角偏向角随入射角的变化随入射角的变化几何光学成像几何光学成像 色散色散(折射折射)棱镜棱镜对于给定材料和顶角的三棱镜，存在最小偏向角（满足的条件：时，棱镜内折射光线 平行于底面通过，偏向角最小）重要应用：测量棱镜的折射率几何光学成像几何光学成像 色散色散(折射折射)棱镜棱镜Abbe Prism 阿贝棱镜PellinBroca Prism 貝林-布洛卡稜鏡几何光学成像几何光学成像 反射反射(转向转向)棱镜棱镜全内反射原理改变光束方向几何

12、光学成像几何光学成像 反射反射(转向转向)棱镜棱镜Right-angle Prism直角全反射棱镜几何光学成像几何光学成像 反射反射(转向转向)棱镜棱镜Porro Prism普罗棱镜几何光学成像几何光学成像 反射反射(转向转向)棱镜棱镜Penta Prism五棱镜几何光学成像几何光学成像 反射反射(转向转向)棱镜棱镜Dove Prism达夫棱镜几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像 球面曲率中心C球面顶点O或者V主光轴SOC几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像 球面折射及薄透镜的符号规则 +物位于顶点O的左边 +物方焦距 的左边 +像位于顶点O的右边 +像方焦

13、距 的右边 R +如果曲率中心C顶点O的右边 +光轴的上方 角度 +以光轴或球面法线为基准，考察光线或线段与基准线构成的锐角。若锐角由光线或线段相对基准线逆时针偏转形成O-Object，物。i-Image,像。几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像 入射折射光线与主光轴夹角的小角度 近似 ，保证了同心性。即傍轴近似 条件下得出单球面折射成像公式：球面系统光焦度球面系统光焦度几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像球面系统光焦度 单位：屈光度 D(diopter)表示球面使入射光束会聚 表示球面使入射光束发散表征球面曲折光线的本领几何光学成像几何光学成像 单球面折射

14、成像单球面折射成像 FOn2n1 像方焦点像方焦点FFFOn2n1物方焦点物方焦点F F物方焦距:像点在无穷远时的物距像方焦距：实物点在无穷远处的特殊像距折射球面内外的两个焦距是不相等的；两个焦点总是位于折射面的两侧。几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像高斯公式高斯物象公式是光学系统傍轴成像的普遍公式QfQf ROMCnnFFxx牛顿公式焦物距 焦像距几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像傍轴小平面物体的傍轴光线成像只有当物体处在傍轴区并用细光束（傍轴光线）成像时，才能获得点成点像，直线成直线像，平面成平面像。几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射

15、成像横向放大率(垂轴放大率)：像高与物高的比值横向放大 像正立物像一实一虚横向缩小 像倒立 物像虚实相同几何光学成像几何光学成像 单球面折射成像单球面折射成像 角放大率 在傍轴近似的条件下，表示折射球面改变同心光束张角大小能力横向放大率与角放大率关系 拉格朗日-亥姆霍兹恒等式 傍轴区域成像的物空间、像空间各共轭量之间关系几何光学成像几何光学成像 单球面反射成像单球面反射成像反射定律：傍轴区域内折射定律 反射-从折射率n的介质到折射率为-n的介质的特殊折射傍轴区域球面反射的成像公式1.物方焦点与像方焦点重合，焦距等于球面曲率半径的一半，焦点位于球心与球面顶点连线的中点。2.反射成像公式不涉及介质

16、折射率，是理想的无色差成像 系统。几何光学成像几何光学成像 单球面反射成像单球面反射成像 球面反射符号规则 +物位于顶点O的左边 +物方焦距 的左边 +像位于顶点O的左边左边 +像方焦距 的左边左边 R +如果曲率中心C顶点O的右边 +光轴的上方 角度 +以光轴或球面法线为基准，考察光线或线段与基准线构成的锐角。若锐角由光线或线段相对基准线逆时针偏转形成O-Object，物。i-Image,像。几何光学成像几何光学成像 共轴球面组傍轴成像共轴球面组傍轴成像 d23PQynO1S S1s1nnnPPPO2O3S S2S S3QQQy-y-ys3s2s1s2s3d12共轴球面系统所有球面的中心都在

17、一条直线上(主光轴主光轴)共轴球面组物像关系 像的横向放大率共轴球面组成像的横向放大率等于 各个球面逐次成像的横向放大率之乘积几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像透镜：两个折射面包围一种透明介质组成的光学元件。非球面透镜 菲涅尔透镜，自聚焦透镜，傅里叶透镜等球面透镜 两个折射面均为球面 薄透镜：如果透镜的厚度(球面透镜的两个球面顶点间的轴向距离)与其和成像性质相关的距离(比如物距、像距、焦距、曲率半径)相比小得多，从而可以略去不计。两个球面的顶点近似认为是与其中心即薄透镜的光心重合凸透镜凸透镜中央较边缘厚 凹透镜凹透镜边缘较中央厚会聚透镜 发散透镜几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像

18、薄透镜成像Bio-convexPlanar-convexMeniscus convexBi-concavePlanar-concaveMeniscus concave球面薄透镜 Spherical thin lenses几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像r1QQ(Q2)Q1(Q2)C1C2O1O2nLnnds2-r2s1s1-s2几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像两个球面的顶点趋于重合QQ1C1C2OnLnnssr1-r2薄透镜物像关系横向放大率薄透镜的光焦度几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像LFnnFLnn物方焦点物方焦点与无限远处轴上像点共轭像方焦点像方

19、焦点与无限远处轴上物点共轭高斯物像公式 牛顿物像公式物方焦平面物方焦平面Focal Plane与像空间无限远处的垂轴平面共轭像方焦平面像方焦平面与物空间无限远处的垂轴平面共轭几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像物像方焦点分别位于透镜两侧物像方焦距与物像方介质折射率有关透镜的光焦度几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像横向放大率角放大率几何光学成像几何光学成像 薄透镜成像薄透镜成像纵向放大率三维物体的像占据一个三维空间区域。设物空间轴向方向一无穷小线段长度为 其对应的像长度为当 时，正的 对应于负的 ，反之亦然比如物在光轴方向指向透镜时，其像的指向是离开透镜几何光学成像几何光学成像 空气中薄透镜成像空气中薄透镜成像空气中几何光学成像几何光学成像 作图法作图法 对于球面折射系统，有下列特殊共轭光线对可供选择：（1）平行于主光轴的入射光线，折射后通 过像方焦点F；（2）通过物方焦点F的入射光线，折射后平 行于主光轴；（3）通过球面曲率中心C的光线，折射后 不改变方向。（4）辅助光线 几何光学成像几何光学成像 作图法作图法几何光学成像几何光学成像 作图法作图法几何光学成像几何光学成像 作图法作图法