应用光学第一章幻灯片.ppt
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1、应用光学第一章第1页,共50页,编辑于2022年,星期六22023/4/10授课教师n姓名姓名:孔明孔明 单位单位:计量测试工程学院计量测试工程学院n联系方式联系方式:办公电话办公电话:0571-86875676 手机手机:13336024699 办公地点办公地点:塞博南楼塞博南楼A118,启明北楼,启明北楼209 Email:第2页,共50页,编辑于2022年,星期六32023/4/10课程概况 课程总学时:课程总学时:44 (理论(理论 36,实验,实验8 学时)学时)学学 分:分:2.5 课程性质:课程性质:专业基础必修课专业基础必修课 n考核方法及成绩评定考核方法及成绩评定 考核类别:
2、考试 考核形式:闭卷 成绩评定:百分制;平时成绩占 20%,实验成绩占20%,期末考试占 60%n平时成绩:平时成绩:共共20分,缺勤一次扣分,缺勤一次扣2分,三次以上缺勤者不准参加分,三次以上缺勤者不准参加期末考试,作业少交一次扣期末考试,作业少交一次扣2分。分。n实验成绩:实验成绩:共共20分,实验分实验表现分及实验报告成绩。实验分,实验分实验表现分及实验报告成绩。实验缺席一次和一次以上实验的。缺席一次和一次以上实验的。n期末考试成绩:期末考试成绩:以卷面为准以卷面为准第3页,共50页,编辑于2022年,星期六42023/4/10课程参考资料作者作者书名书名出版社出版社出版日期出版日期李晓
3、彤李晓彤几何光学几何光学.像差像差.光学设计光学设计浙江大学出版社浙江大学出版社2003.112003.11郁道银郁道银工程光学工程光学机械工业出版社机械工业出版社1999.051999.05安连生安连生应用光学应用光学北京工业学院出版社北京工业学院出版社2000.022000.02张以谟张以谟应用光学应用光学机械工业出版社机械工业出版社1988.111988.11叶玉堂叶玉堂光学教程光学教程清华大学出版社清华大学出版社2005.082005.08第4页,共50页,编辑于2022年,星期六52023/4/10第一章第一章 几何光学的基本几何光学的基本原理原理第5页,共50页,编辑于2022年,
4、星期六62023/4/10基本要求基本要求理解并掌握几何光学的基本定律理解并掌握几何光学的基本定律理解完善成像条件的概念和相关表述理解完善成像条件的概念和相关表述第一节第一节 几何光学的基本的定律几何光学的基本的定律1.1 基本概念;基本概念;1.2 基本规律基本规律第二节第二节 成像的基本概念与完善成像条件成像的基本概念与完善成像条件2.1 基本概念;基本概念;2.2 完善成像条件完善成像条件第6页,共50页,编辑于2022年,星期六2023/4/107 在工农业、科学技术以及人类生活的各个领域,使在工农业、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,投影用
5、着种类繁多的的光学仪器,如望远镜,显微镜,投影仪等。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的但是其基本功能是共同的:传输光能或对所研究的目标目标目标目标成像成像成像成像。研究光的传播和光学成像的规律对于设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!计光学仪器具有本质的意义!1-1 光波和光线光波和光线第7页,共50页,编辑于2022年,星期六82023/4/101.1基本概念基本概念真空光速值(也就是电磁波传播速度)C0=299 792 458 m/s,一个不受精度限制(误差为0),永远再也不是可以测量的基本物理常数1983年的国
6、际计量大会光光(可可见见光光)是是一一种种电电磁磁波波在介质中,光的传播速度小于C0,且是波长的函数第8页,共50页,编辑于2022年,星期六92023/4/10n从本质上讲,光是电磁波,它是从本质上讲,光是电磁波,它是按照波动理论进行传播。按照波动理论进行传播。n但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系统是的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和处理上的很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不方便。大困难,在实际解决问题时也不方便。好累!太不方便了!第9页,共50页,编辑于2022年,星期六102023/4/10n按照近
7、代物理学的观点,光具有波粒二按照近代物理学的观点,光具有波粒二象性,那么如果只考虑光的粒子性,象性,那么如果只考虑光的粒子性,把把光源发出的光抽象成一条条光线,然光源发出的光抽象成一条条光线,然后按此来研究光学系统成像。后按此来研究光学系统成像。问题变得简单问题变得简单而且实用而且实用!第10页,共50页,编辑于2022年,星期六112023/4/10几何光学:几何光学:以光线为基础,用几何的方以光线为基础,用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。系统的成像特性。n点:光源、焦点、物点、像点点:光源、焦点、物点、像点n线:光线、法线、光轴线
8、:光线、法线、光轴n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性的由于光具有波动性,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处理方法。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。必要时要辅以波动光学理论。第11页,共50页,编辑于2022年,星期六122023/4/10n一一.发光点发光点 几何上的点是既无大小,又无体积的抽几何上的点是既无大小,又无体积的抽象概念。当光源的大小与其作用距离相比可象概念。当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时,也可认为是一个点。以忽略不计时,也可认为是一个点。天体天体
9、遥远的距离遥远的距离观察者观察者第12页,共50页,编辑于2022年,星期六132023/4/10 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像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。规律来推断整个物体的成像。第13页,共50页,编辑于2022年,星期六142023/4/10二、光线二、光线n发光点向四周辐射光能量,在几何光发光点向四周辐射光能量,在几何光学中将发光点发出的光抽象为带有能学中将发光点发出的光抽象为带有能量的线,它代表光的传播方向。
10、量的线,它代表光的传播方向。光束:光束:发光点发出发光点发出的所有光线的集合的所有光线的集合体。体。第14页,共50页,编辑于2022年,星期六152023/4/10三、波面三、波面 一个位于均匀介质中的发光点,它所发出的光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向四周传播,形成以发光点为球心的球面波球面波。某一时刻相位某一时刻相位相同的点构成的面相同的点构成的面称为称为波面波面 波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方向,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波面上的法线束称为光束光束第15页,共50页,编辑于2022年,星期六1620
11、23/4/10n同心光束:同心光束:发自一点或会聚于一点,发自一点或会聚于一点,为球面波为球面波n平行光束平行光束:光线彼此平行,是平面波光线彼此平行,是平面波第16页,共50页,编辑于2022年,星期六172023/4/10n像散光束像散光束:光线既不平行,又不相交,波面光线既不平行,又不相交,波面为曲面。为曲面。在几何光学中研究成像时,主要要搞清光线在光学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: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,即可解决成像再求
12、出其上几条光线的光路,即可解决成像问题。这种截面称为问题。这种截面称为光束截面光束截面第17页,共50页,编辑于2022年,星期六182023/4/10几何光学基本定律几何光学基本定律 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,彼此互彼此互不影响不影响。在光线的相会点上,光的强度是各光束的简单。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,各个光束叠加,离开交会点后,各个光束按
13、原方向传播按原方向传播按原方向传播按原方向传播。第18页,共50页,编辑于2022年,星期六192023/4/10三、折射和反射定律三、折射和反射定律 光的折射和反射定律研究光传光的折射和反射定律研究光传播到两种播到两种均匀介质的分界面均匀介质的分界面 时的定时的定律。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:折射角折射角第19页,共50页,编辑于2022年,星期六202023/4/10(1)折射光线位于由入射光线和法线所决)折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内,折射光线和入射光线分居法定的平面内,折射光线和入射光线分居
14、法线两侧。线两侧。(2)入射角的正弦和折射角的正弦之比与)入射角的正弦和折射角的正弦之比与两角度的大小无关,仅决定于介质的性质,两角度的大小无关,仅决定于介质的性质,为一恒量为一恒量nab即na出射光线出射光线入射光线入射光线法线法线IIONQnbnab:介质介质 b 对介质对介质 a 的的相对折射率相对折射率,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nb表示表示第20页,共50页,编辑于2022年,星期六212023/4/10也可表述为:也可表述为: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
15、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C:在真空中光速在真空中光速,Vb:在介质 b 中光速第21页,共50页,编辑于2022年,星期六222023/4/10将上式代入将上式代入 并并设设有: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摄氏度时空气折射率摄氏度时空气折射率为为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的折射,把其他介质相对于空气的折射,
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