工程光学完整课件ppt.ppt
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1、工程光学工程光学本课程的基本情本课程的基本情况况m专业基础课专业基础课总学时:总学时:64 64 其中:理论学时:其中:理论学时:48 48 实验学时:实验学时:1616m教材及参考书教材及参考书教教 材:材: 工程光学工程光学 郁道银郁道银 谈恒英谈恒英 机械工业出版社机械工业出版社参考书:应用光学参考书:应用光学 胡玉禧胡玉禧 安连生安连生 中国科技大学出版社中国科技大学出版社 应用光学应用光学 王文生王文生 华中科技大学出版社华中科技大学出版社 m考核方式考核方式闭卷考试闭卷考试 总评成绩比例:卷面总评成绩比例:卷面70% 70% 实验实验20% 20% 平时平时10%10%绪绪 论论m
2、光学的发展史光学的发展史m光学的分类光学的分类m本课程在测控领域的应用本课程在测控领域的应用彩彩虹虹课题引入:生活中,大自然中有关光的现象无处不在课题引入:生活中,大自然中有关光的现象无处不在日晕日晕光学的分类光学的分类m几何光学几何光学m物理光学物理光学m量子光学量子光学m现代光学现代光学工程光学在测控领域的应用工程光学在测控领域的应用m精密仪器设计及制造精密仪器设计及制造潜望镜潜望镜红外雷达和平红外雷达和平视显示器视显示器 运运动动员员脚脚下下的的秘秘密密光学的研究内容光学的研究内容 采用光的直线传播概念,研究光传播的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统成像的原理和应
3、基本规律和光通过光学系统成像的原理和应用。用。 通过本门课程的学习,使大家了解在光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、基本电测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。设计术语、基本设计方法等等。光学的研究目的光学的研究目的第一章第一章几何光学的基本原理几何光学的基本原理1 1.1.1 几何光学的基本定律几何光学的基本定律1 1. .2 2 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1 1. .3 3 光路计算与近轴光学系统光路计算与近轴光学系统1 1. .4 4 球面光学成像系统球面光学成像系统本章内容本章内容 在工农业、
4、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:但是其基本功能是共同的:传输光能或对所研究的传输光能或对所研究的。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 1.1 几何光学的基本定律几何光学的基本定律m从本质上讲,光是电磁波,它是按照波从本质上讲,光是电磁波,它是按照波动理论进行传播。动理论进行传播。 但是
5、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!m按照近代物理学的观点,光具有波粒二按照近代物理学的观点,光具有波粒二象性,那么如果只考虑光象性,那么如果只考虑光的粒子性,把的粒子性,把光源发出的光抽象成一条条光线,然后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。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!几何光学:几何光学:以光线为基础,用几何的方法
6、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系统来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。的成像特性。m点:光源、焦点、物点、像点点:光源、焦点、物点、像点m线:光线、法线、光轴线:光线、法线、光轴m面:物面、像面、反射面、折射面面:物面、像面、反射面、折射面下面我们来分别认识它们吧!m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。天体天体遥远的距离遥远的距离观察者观察者m光线光线 发光点向四周辐射光
7、能量,在几何光学中将发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量的线,它代表光的传光点发出的光抽象为带有能量的线,它代表光的传播方向。播方向。 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m光束光束 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球面波。向四周传播,形成以发光点为球心的球面波。 发自一点或会聚于一点,为球面波。发自一点或会聚于一点,为球面波。:光
8、线彼此平行,是平面波。:光线彼此平行,是平面波。:光线既不平行,又不相交,波面为:光线既不平行,又不相交,波面为曲面。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,这个途径称为从光束中取出一个适当的截面,再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,即可解决成像问题。求出其上几条光线的光路,即可解决成像问题。这种截面称为光束截面。这种截面称为光束截面。一、光的直线传播定律一、光的直线传播定律 在在中,光线沿中,光线沿直线传播。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
9、发出的光线在空间某点相遇不同的光源发出的光线在空间某点相遇时,时,。在光线的相会点上,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,的强度是各光束的简单叠加,离开交会点后,各个光束各个光束。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播到两光的折射和反射定律研究光传播到两种均匀介质的分界面时的定律。种均匀介质的分界面时的定律。(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(1 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
10、,折射光线和入射光线分居法线两侧。线分居法线两侧。(2 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n nabab即n nabab:介质介质 b b 对介质对介质 a a 的相对折射率的相对折射率,如果介质如果介质 a a 为真空,则介质为真空,则介质 b 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n nb babsin Insin Ina出射光线出射光线入射光线入射光线法线法线IIONQnb也可表述为:也可表述为:bbvcn C:在真空
11、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baabvvn对上式变换对上式变换 abbabaabnnnCnCvvn (2 2)入射角)入射角 I I和反射角和反射角I I的绝对值相同,可的绝对值相同,可表示为表示为 (二)反射定律(二)反射定律II (1 1)反射光线在由)反射光线在由入射光线和法线所决定入射光线和法线所决定的平面内的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和和分居法线两侧。分居法线两侧。m下面大家来做一道练习题:下面大家来做一道练习题: 在水中深度为在水中深
12、度为y y处有一发光点处有一发光点 Q Q,作,作QOQO垂直于水面,求射出水面垂直于水面,求射出水面折射光线的延长线与折射光线的延长线与QOQO交点交点Q Q的的深度与入射角深度与入射角i i的关系。的关系。 (注:水相对空气的折射率为(注:水相对空气的折射率为n=4/3n=4/3)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。nsinIn sinI可知,若:可知,若:sinIsinI即折射光线较入射光线偏离法线,下即折射光线较入射光线偏离法线,下面我们来看看全反射现象的发生面我们来看看全反射现象的发生由公式由公式nn
13、则:则:n1n2Incident beamReflected beam Refringent beamC 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。sinI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 被称为临界角被称为临界角1sinI InnImsin记为记为,可知可知mI重点:全反射的两个条件重点: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;下面我们来看看全反射的应用下面我们来看看全反射的应用:(1 1)制成各种全反射棱镜,用
14、于折转光路,代替平面反射)制成各种全反射棱镜,用于折转光路,代替平面反射镜。镜。(2 2)制造光导纤维。)制造光导纤维。m光的光的、是几何光学的基本定律,是研是几何光学的基本定律,是研究光线传播和成像问题的基础。究光线传播和成像问题的基础。从上述定律可以得到光线传播的一个重从上述定律可以得到光线传播的一个重要原理要原理光路的可逆性原理。利用这一原光路的可逆性原理。利用这一原理,可以由物求像,也可以由像求物。理,可以由物求像,也可以由像求物。五、光路的可逆原理五、光路的可逆原理光学系统光学系统 的作用之一是对物体的作用之一是对物体,因此必须,因此必须搞清物像的基本概念和它们的关系。搞清物像的基本
15、概念和它们的关系。物体通过光学系统(物体通过光学系统()成像,光学系统)成像,光学系统( (各各种光学仪器种光学仪器) )由一系列由一系列光学零件光学零件 组成。组成。光学系统一般是轴对称的,有一条公共轴线,光学系统一般是轴对称的,有一条公共轴线,称为称为。这种系统被称为。这种系统被称为光轴光轴1.2 1.2 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在光学仪器中在光学仪器中最常用的光学最常用的光学零件是透镜,零件是透镜,目前绝大多数目前绝大多数是是。双凸双凸正月牙正月牙平凸平凸平凹平凹负月牙负月牙双凹双凹由这些球面系由这些球面系统(透镜)组统(透镜)组成的光学系统成的光学系统有
16、对称轴,也有对称轴,也称为称为物像的虚实物像的虚实 由实际光线成的像,称为由实际光线成的像,称为。 在凸透镜在凸透镜2 2f f 外放一个点燃的蜡烛,后面放外放一个点燃的蜡烛,后面放一个纸屏,当纸屏放到某一位置时,会在屏上得一个纸屏,当纸屏放到某一位置时,会在屏上得到蜡烛清晰的像。到蜡烛清晰的像。如电影,幻灯机,照相机成像如电影,幻灯机,照相机成像有的光学系统成的像,能被眼睛看到,却无法在屏上得到有的光学系统成的像,能被眼睛看到,却无法在屏上得到 这些像不是由实际光线相交得来,而是由实这些像不是由实际光线相交得来,而是由实际光线的反向延长线相交得来。际光线的反向延长线相交得来。 由反射或折射光
17、线的反向延长线相交所得的像称由反射或折射光线的反向延长线相交所得的像称为为如照镜子,显微镜,望远镜等。如照镜子,显微镜,望远镜等。FFFF与像类似,物也分两种与像类似,物也分两种 :自己发光的物体。:自己发光的物体。 :不是由实际光线而是由光线的延长:不是由实际光线而是由光线的延长线相交而成的物。线相交而成的物。,它是前一系统所成的像被,它是前一系统所成的像被当前系统截取得到的。当前系统截取得到的。如灯泡、蜡烛等,也可以是被照明后发光的物体,如灯泡、蜡烛等,也可以是被照明后发光的物体,如人物,景物等。如人物,景物等。AAA 实物,虚像对应发散的同心光束。实物,虚像对应发散的同心光束。 虚物,实
18、像对应汇聚的同心光束。虚物,实像对应汇聚的同心光束。照相机照相机实物实物物的物的虚像虚像照相机的实物照相机的实物练习题:请判断下列物与像的虚实练习题:请判断下列物与像的虚实AAAAAAAAa. 实物成实像实物成实像b. 实物成虚像实物成虚像c. 虚物成实像虚物成实像(对于第二个透镜)(对于第二个透镜)d. 虚物成虚像虚物成虚像如果光学系统的所有界面均为球面,则称为球面 系统。各球面球心位于一条直线上的球面系统,称为共 轴球面系统。连接各球心的直线称为光轴。光轴与球面的交点称为顶点。一、一、基本概念基本概念1 1. .3 3 光路计算与近轴光学系统光路计算与近轴光学系统球面顶点:O 球面曲率中心
19、:C球面曲率半径:r 球面光轴:连接O、C而得的直线。子午面:由光轴和物点确定的平面。截距:顶点O到光线与光轴的交点的距离 孔径角:光线与光轴的夹角 二、符号法则二、符号法则 (1)线段量 沿轴线段(如 L( L)、r) 光线传播由左向右,以折(反)射面顶点为原点(起点),顺光线传播方向为正;逆光线传播方向为负。 垂轴线段(h) 光轴以上为正;光轴以下为负。 (2)角度量锐角度量 孔径角 U 、U 从光轴起算,光轴转向光线,顺时针为正,逆时针为负。 入射角、折射角 从光线起算,光线转向法线,顺时针为正,逆时针为负。 光轴与法线的夹角(如) 从光轴起算,光轴转向法线,顺时针为正,逆时针为负。 (
20、3)绝对值标注 图上出现的各长度、角度等几何量,均要求标以正值。对于按符号法则被确定为负值的参量,须在表示该量的字符前加“一”号,以表示其正值 符号规则是人为规定的,符号规则是人为规定的,一经定下,就要严格遵守,只一经定下,就要严格遵守,只有这样才能导出正确结果!有这样才能导出正确结果! 计算光线经过单个折射面的光路,是已知球面曲率半径r,介质折射率n,n及光线物方坐标L和U,求像方坐标L,U。实际光线的光路计算实际光线的光路计算rULrI)sin()()180sin(o一、单折射球面光路计算一、单折射球面光路计算UrrLIsinsin在在AEC中,利用正弦定理得:中,利用正弦定理得:InnI
21、sinsin由折射定律由折射定律 UI UI IIUU)( UI由图由图rUrLIsinsinECA在 中,应用正弦定律正弦定律得:rrUILsinsin子午面内实际光线的光路计算公式子午面内实际光线的光路计算公式InnIsinsin IIUU(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)rrUILsinsinUrrLIsinsin 同一物点发出的不同孔径的光线,经折同一物点发出的不同孔径的光线,经折射后具有不同射后具有不同L值。即同心光束经折射后,值。即同心光束经折射后,出射光束不再是同心光束。出射光束不再是同心光束。sinhIr式中,式中,h为平行光线到光轴的距离为平行光线到光轴的距离 物点位于
22、物方轴上无限远时,光线平行于光物点位于物方轴上无限远时,光线平行于光轴射入球面,轴射入球面,此时有:此时有:二二. . 近轴光路计算公式近轴光路计算公式 将由轴上物点发出的光线倾角限制在一个很小的范围内,以致于 可视为1, 可用 的弧度值来代替,把满足这样条件的光线称为近轴光线,满足这样条件的区域称为近轴区域。 cossin 孔径角U很小时,用弧度值替换正弦值,并采用小写字母表示:Uu sinIi sinLl LlIi sinsin Uuurrliinniiiuu)1 (uirl(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)近轴区光路计算公式近轴区光路计算公式: 三、近轴区域物像关系 将上述公式代换
23、,整理得:将上述公式代换,整理得:()h nnnunur该式表明了物像方孔径角物像方孔径角的相互关系。(2-13)Qlrnlrn)11()11(再经过代换:再经过代换:Q 公式中的公式中的 称为阿贝不变量,该式表明对于称为阿贝不变量,该式表明对于单个折射球面,物空间与像空间单个折射球面,物空间与像空间Q Q相等,随共轭相等,随共轭点位置而异。点位置而异。 (2-122-12)rnnlnln(2-14)(2-13)两侧同除以两侧同除以h得:得: 该式为物像位置公式,表明用一个坐标(参量)该式为物像位置公式,表明用一个坐标(参量)就能决定近轴光像点位置。就能决定近轴光像点位置。 轴上点成像只需知道
24、位置即可,但轴上点成像只需知道位置即可,但如果是有一定大小物体经球面成像后,如果是有一定大小物体经球面成像后,只知道位置就不够了,还需知道成像的只知道位置就不够了,还需知道成像的。1 1. .4 4 球面光学成像系统球面光学成像系统垂直于光轴,大小为垂直于光轴,大小为 y 的物体经折射球面后成的像大小为的物体经折射球面后成的像大小为 y ,则则 称为称为或或yyA-lOE-uCrAunnlhy-yBBABC ABC 有:有:ylrylr 由阿贝不变量公式可得:由阿贝不变量公式可得:lrnllrn l代入上式代入上式可得:可得:ynlyn l可见可见只取决于介质折射率和物体位置。只取决于介质折射
25、率和物体位置。A-lOE-uCrAunnlhy-yBB根据根据的定义和公式,可以确定物体的成像特性:的定义和公式,可以确定物体的成像特性:(1)若)若0, 即即 y 与与 y 同号,表示成同号,表示成。反之成反之成。对垂轴放大率的讨论对垂轴放大率的讨论(2)若)若0, 即即 l 与与 l 同号,表示物象在折射球同号,表示物象在折射球面同侧,物像虚实相反。反之面同侧,物像虚实相反。反之l 与与 l 异号,物像异号,物像虚实相同。虚实相同。可归结为:可归结为: 0, 成正立像且物像虚实相反。成正立像且物像虚实相反。 1, 则则| y | | y |,成,成像,像, 反之反之 |y | 6mmm望远
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