1、Applied Optics1Applied Optics2光學的應用領域越來越廣泛工業通信日用農業軍事醫學天文Applied Optics3通信日用農業軍事醫學天文光學的應用工業工業：顯微鏡、汽車車身的檢測、機器人視覺、材料金相結構等等Applied Optics4通信日用工業軍事醫學天文光學的應用農業農業：葉面與果實的檢測Applied Optics5通信日用工業農業醫學天文光學的應用軍事軍事：望遠鏡、夜視儀、導彈制導、激光測距、無人駕駛偵探機、平視顯示器等等Applied Optics6通信日用工業農業醫學軍事光學的應用天文天文：資源勘探、星際探索Applied Optics7通信日用工

2、業農業軍事天文光學的應用醫學醫學：CT、胃鏡、虹膜檢測、生物檢測Applied Optics8日用工業農業醫學天文光學的應用通信通信：光纜通訊軍事Applied Optics9通信工業農業醫學天文光學的應用日用日用：掃描儀、照相機軍事Applied Optics10光的本質光的本質的認知過程1666年年牛頓牛頓微粒說微粒說彈性粒子彈性粒子1678年年惠更斯惠更斯波動說波動說以太彈性波以太彈性波1801年年托馬斯托馬斯楊楊雙縫實驗雙縫實驗1873年年麥克斯韋麥克斯韋電磁場理論電磁場理論1905年年愛因斯坦愛因斯坦光子假設光子假設現在現在波粒二象性波粒二象性Applied Optics11光的本質

3、光具有波粒二象性。一般看作電磁波可見光波長：400760nm物理光學波動性幾何光學粒子性Applied Optics12v研究光傳播的基本規律和光通過光學系統成像的原理和應用。v“應用”包含兩層意思：1、作為粒子看待2、涉及具體的光學系統應用光學研究內容Applied Optics13光學系統成像質量評價光學系統成像質量評價光學系統的光束限制光學系統的光束限制平面鏡棱鏡系統平面鏡棱鏡系統共軸球面系統的物像關系共軸球面系統的物像關系 幾何光學基本原理幾何光學基本原理課程內容目視光學系統目視光學系統Applied Optics14參考書目參考書目1、安連生，應用光學，北京理工大學出版社2、郁道銀，

4、工程光學，機械工業出版社3、胡玉禧，應用光學，中國科技大學出版社Applied Optics15Applied Optics16第一章 幾何光學基本原理v光波和光線v幾何光學基本定律v光路可逆和全反射v光學系統類別和成像的概念v理想像和理想光學系統Applied Optics17研究光的傳播和光學成像的規律對于設計光學儀器具有本質的意義！1-1 光波和光線在工農業、科學技術以及人類生活的各個領域，使用著種類繁多的的光學儀器，如望遠鏡，顯微鏡，投影儀等。光學系統：千差萬別 但是其基本功能是共同的：傳輸光能或對所研究的目標成像。Applied Optics18v從本質上講，光是電磁波，它是按照波動

5、理論進行傳播。 但是按照波動理論來討論光經透鏡和光學系統是的傳播規律或成像問題時將會造成計算和處理上的很大困難，在實際解決問題時也不方便。太不方便了！Applied Optics19v按照近代物理學的觀點，光具有波粒二象性，那么如果只考慮光的粒子性，把光源發出的光抽象成一條條光線，然后按此來研究光學系統成像。問題變得簡單而且實用！Applied Optics20幾何光學：以光線為基礎，用幾何的方法來研究光在介質中的傳播規律及光學系統的成像特性。v點：光源、焦點、物點、像點v線：光線、法線、光軸v面：物面、像面、反射面、折射面由于光具有波動性，因此這種只考慮粒子性的研究方法只是一種對真實情況的近

6、似處理方法。必要時要輔以波動光學理論。Applied Optics21一. 發光點幾何上的點是既無大小，又無體積的抽象概念。當光源的大小與其作用距離相比可以忽略不計時，也可認為是一個點。天體遙遠的距離觀察者Applied Optics22任何被成像的物體， 是由無數個發光點組成1、本身發光。2、反射光。因此研究物體成像時，可以用某些特征點的成像規律來推斷整個物體的成像。Applied Optics23二、光線v發光點向四周輻射光能量，在幾何光學中將發光點發出的光抽象為帶有能量的線，它代表光的傳播方向。Applied Optics24三、波面和光束（無線多條光線的集合）一個位于均勻介質中的發光點

7、，它所發出的光向四周傳播，形成以發光點為球心的球面波。某一時刻相位相同的點構成的面，或某一時刻光波所到達的位置稱為波面波面上某一點的法線就是這一點上光的傳播方向，波面上的法線束稱為光束Applied Optics25v同心光束：發自一點或會聚于一點，為球面波v平行光束：光線彼此平行，是平面波Applied Optics26v像散光束：光線既不平行，又不相交，波面為曲面。在幾何光學中研究成像時，主要要搞清光線在光學元件中的傳播途徑，這個途徑稱為光路Applied Optics27第一章 幾何光學基本原理v光波和光線v幾何光學基本定律v光路可逆和全反射v光學系統類別和成像的概念v理想像和理想光學系

8、統Applied Optics281-2 幾何光學基本定律一、光的直線傳播定律在各向同性的均勻透明介質中，光線沿直線傳播。二、光的獨立傳播定律不同的光源發出的光線在空間某點相遇時，彼此互不影響。在光線的相會點上，光的強度是各光束的簡單疊加，離開交會點后，各個光束按原方向傳播。光的獨立傳播定律意義：考慮某一光線的傳播時，可不考慮其他光線的影響。Applied Optics291-2 幾何光學基本定律二、光的獨立傳播定律不同的光源發出的光線在空間某點相遇時，彼此互不影響。在光線的相會點上，光的強度是各光束的簡單疊加，離開交會點后，各個光束按原方向傳播。光的獨立傳播定律意義：考慮某一光線的傳播時，可

9、不考慮其他光線的影響。條件：兩束光為非相干光兩束滿足相干條件的光稱為相干光，這兩束光在相遇區域：兩束滿足相干條件的光稱為相干光，這兩束光在相遇區域：振動方向振動方向相同；相同；振動頻率振動頻率相同；相同；相位相位相同或相位差保持恒定相同或相位差保持恒定Applied Optics30三、折射和反射定律光的折射和反射定律研究光傳播到兩種均勻介質的分界面時的定律。（一）折射定律na出射光線入射光線法線IIONQnbI：入射角I：折射角Applied Optics31（1）折射光線位于由入射光線和法線所決定的平面(入射面）內，折射光線和入射光線分居法線兩側。（2）入射角的正弦和折射角的正弦之比與兩角

10、度的大小無關即na出射光線入射光線法線IIONQnbvcns in s innInI 或Applied Optics32vcnc：在真空中光速，v：在介質 中光速09 0In,n:介質對真空的折射率,也稱絕對折射率，指在真空中光速與介質中光速之比:Applied Optics33真空折射率為1，在標準壓力下，20攝氏度時空氣折射率為1.00028， 通常認為空氣的折射率也為1，把其他介質相對于空氣的折射率作為該介質的絕對折射率。提示：但是在設計高精度的太空中的光學儀器時，就必須考慮空氣和真空折射率的不同。Applied Optics34（2）入射角 I和反射角I的絕對值相同，可表示為 （二）反

11、射定律nsinI n sinI（1）反射光線在由入射光線和法線所決定的平面內反射光線入射光線法線INI”O符號相反說明入射光線和反射光線分居法線兩側。Applied Optics35第一章 幾何光學基本原理v光波和光線v幾何光學基本定律v光路可逆和全反射v光學系統類別和成像的概念v理想像和理想光學系統Applied Optics361-3 光路可逆和全反射一、全反射一般情況下，光線射至透明介質的分界面時將發生反射和折射現象。假設sin Isin I 可知nn 即折射光線較入射光線偏離法線由公式nnIIsinsinApplied Optics37當入射角增大到I0時，折射角 ,這時，折射光線掠過

12、兩介質分界面，強度趨于0,當入射角 時，折射光線不再存在，入射光線全部反射，這種現象稱為全反射。0IIApplied Optics38v 當光線由折射率為n的介質射向空氣時，則有0sinnIn對應于 的入射角 I被稱為臨界角記為,可知01s inInApplied Optics39全反射的兩個條件：（1）光密到光疏介質；（2）入射角大于臨界角；全反射的應用：（1）制成各種全反射棱鏡，用于折轉光路，代替平面反射鏡。（2）制造光導纖維。Applied Optics40光導纖維號稱現代信息系統的神經由內層折射率較高的纖芯和外層折射率較低的包層組成Applied Optics41進入光纖的光線在纖芯與

13、包層的分界面上連續發生全發射，直至另一端出射。an nn0 i02i02iSBA當00an s i n in s i n i大于臨界角時，就發生全發射。Applied Optics42根據折射定律，又有：02ian nn0 i02i2 201ai a r c s in ( nn )nSBA可以得到：0ii0ii 當入射角時，可以全反射傳送，當0sin ina時，光線將會透過內壁進入包層Applied Optics43定義 為光纖的數值孔徑NoImagei0越大，可以進入光纖的光能就越多，也就是光纖能夠傳送的光能越多。這意味著光信號越容易耦合入光纖！Applied Optics44v二、光路可逆

14、v 一條光線沿著一定的路線，從A點傳播到B點，如果在B點，按照與B點處出射光線相反的方向投射一條光線，則此光線必沿同一條路線通過A點，這種現象稱為光路可逆。v 無論通過何種介質，經過多少次反射和折射，光路可逆現象始終存在。v 利用這一原理，可以由物求像，也可以由像求物。0IcLS nStcvApplied Optics451-4 1-4 馬呂斯定律和費馬原理馬呂斯定律和費馬原理v 一、馬呂斯定律v 光程：幾何路程與介質折射率的乘積v 只要光線的傳播時間相同，它們的光程就相同。v 馬呂斯定律：與某一曲面垂直的一束光線，經過任意次折射、反射后，必定與另一曲面垂直，而且位在這兩個曲面之間的所有光線的

15、光程相等地。Applied Optics46v二、費馬原理v實際光線沿著光程為極值（極小、極大、常量）的路線傳播，Applied Optics47v光的直線傳播定律、獨立傳播定律、折射和反射定律是幾何光學的基本定律，是研究光線傳播和成像問題的基礎。v幾何光學的基本定律、馬呂斯定律和費馬原理，都能夠說明光線傳播的基本規律，都可以作為幾何光學的基礎，只要知道三者中任意一個，即可導出其余兩個。Applied Optics48第一章 幾何光學基本原理v光波和光線v幾何光學基本定律v光路可逆和全反射v光學系統類別和成像的概念v理想像和理想光學系統Applied Optics49光學系統 的作用之一是對物

16、體成像，因此必須搞清物像的基本概念和它們的關系。 物體通過光學系統（光組）成像，光學系統(各種光學儀器)由一系列光學零件 組成。 光學系統一般是軸對稱的，有一條公共軸線，稱為光軸。這種系統被稱為“共軸系統”光軸1-4 光學系統類別和成像的概念Applied Optics50頂點頂點頂點頂點具有對稱軸（光軸）的系統成為共軸光學系統。沒有對稱軸的系統稱為非共軸光學系統。光軸與透鏡面的交點稱為：頂點Applied Optics51v由兩個球面構成的透鏡中，通過兩球面球心的直線為光軸。光軸頂點Applied Optics52v若有一個面為平面，則光軸通過球面的球心與平面垂直。光軸頂點Applied O

17、ptics53常見光學零件1、反射鏡Applied Optics54v（1）正透鏡：中心比邊緣厚度大，起會聚作用v（2）負透鏡：中心比邊緣厚度小，起發散作用正透鏡（會聚透鏡）2、透鏡負透鏡（發散透鏡）Applied Optics55正透鏡雙凸正月牙平凸Applied Optics56平凹負月牙雙凹負透鏡Applied Optics573、棱鏡直角棱鏡屋脊棱鏡4、平行平板Applied Optics58在光學儀器中最常用的光學零件是透鏡。 球面透鏡（系統）：由球面透鏡和球面反射鏡組成的系統。由這些球面系統（透鏡）組成的光學系統有對稱軸，也稱為共軸球面系統。平面可以看作曲率半徑無窮大的球面。App

18、lied Optics59物像的虛實 由實際光線成的像，稱為實像。在凸透鏡2f 外放一個點燃的蠟燭，后面放一個紙屏，當紙屏放到某一位置時，會在屏上得到蠟燭清晰的像。如電影，幻燈機，照相機成像Applied Optics60有的光學系統成的像，能被眼睛看到，卻無法在屏上得到這些像不是由實際光線相交得來，而是由實際光線的反向延長線相交得來。 由實際光線的反向延長線相交所得的像稱為虛像。如照鏡子，顯微鏡，望遠鏡等。FFApplied Optics61與像類似，物也分兩種 實物：由實際光線形成的物。 虛物：不是由實際光線而是由光線的延長線相交而成的物。虛物不能人為設定，它是前一系統所成的像被當前系統截

19、取得到的。如燈泡、蠟燭等，也可以是被照明后發光的物體，如人物，景物等。AA 物和像是相對的，前面光學系統所成的像，即為后一光學系統的物物和像是相對的，前面光學系統所成的像，即為后一光學系統的物Applied Optics62請判斷物與像的虛實AAAAAAAAa. 實物成實像b. 實物成虛像c. 虛物成實像（對于第二個透鏡）d. 虛物成虛像Applied Optics63注意：物、像的概念是相對于光組來說的B1L1L2ABBA1A對于L1而言，A1B1是AB的像; 對L2而言，A1B1是物，AB是像，則A1B1稱為中間像Applied Optics64 物所在的空間為物空間，像所在的空間為像空間，兩者的范圍都是（-,+）實物空間虛物空間物空間像空間虛像空間實像空間Applied Optics65 通常對于某一光學系統來說，某一位置上的物會在一個相應的位置成一個清晰的像，物與像是一一對應的，這種關系稱為物與像的