工程光学基础教程_课件

1,应,用,学,光,2,光是什么?,3,光学的发展历史,光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。约在公元前400多年(先秦的代)，中国的墨经中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。 自墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。,4,光学的发展历史,1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。 19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。 1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。,5,光学的发展历史,1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。 1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。 1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。,6,光学的发展历史,在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性微粒性。 1922年发现的康普顿效应，1928年发现的喇曼效应，以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。 此后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。,7,光 的 本 性,很久以来，人们对光就进行了各种各样的研究。光到底是什么东西呢？这个问题困扰了许多有才智之士。牛顿提出著名的光微粒说：光是由极小的高速运动微粒组成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的质量最大，红光微粒的质量最小。到十九世纪初期，发现了光的干涉、绕射和偏振现象，这些行为只适合于光的波动理论解释。到1863年麦克斯韦发表著名的电磁理论，揭示了光波其实是电磁波的一种，这时波动理论的最后的一个难题-传播媒质问题也被解决了。但从十九世纪末起，却发现了一系列令人困惑的新的实验结果。这些结果共同的特点是，他们无法用麦克斯韦理论来解释。其中最典型的是光电效应实验。伟大的爱因斯坦于1905年提出光量子说来解释该实验。光一方面具有波动的性质，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性质，如光电效应等。这两方面的综合说明光不是单纯的波，也不是单纯的粒子，而是具有波粒二象性的物质。这是认识上的不断加深而得到的结论。应该注意这也还不是最后的答案。对于光的本性，虽然经过这么多年的探索，我们所知道的也的确是太少了。光到底是什么？是在某一时刻表现为粒子，而在另一时刻表现为波？还是完全不同于我们现在所知的某种物质？这些问题也是当今的科学家们在苦苦思索的问题。,8,什么是光学?,9,什么是光学？,狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。 光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。,10,经典光学的研究内容,通常把光学分成几何光学、物理光学（波动光学）和量子光学三个大类。 几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。 物理光学（波动光学）是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。 量子光学是从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。,11,什么是应用光学?,12,什么是应用光学？,应用光学(工程光学)：光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。因此，应用光学是以学习经典光学和近代光学的基本原理和基本理论 ，并将此在各分支学科中工程应用的一门基础课程。,13,本课程学习的内容,14,上篇：几何光学与成像理论,15,第一章 几何光学基本定律与成像概念,16,第一章 几何光学基本定律与成像概念,第一节：几何光学的基本定律 一、几个基本概念 1. 光源与发光点：从物理学的观点看，任何发光的物体都可以叫作光源。在几何光学中，把凡是发出光线的物体，不论它本身发光体或是因为被照明而漫反射光的物体，都称为光源。如果某光源可看成几何学上的点，它只占有空间位置而无体积和线度，则称之为发光点或点光源。 2.光线与光束：光线是表示光能传播方向的几何线。有一定关系的一些光线的集合称为光束。 3.光波波面：光也是一种电磁波。某一时刻其振动位相相同的点所构成的面称光波波面。在各向同性介质中，光沿着波面法线方向传播，所以可以认为光波波面的法线就是几何光学中的光线。与波面对应的法线束就是光束。 几何光学就是应用几何光线的概念来研究光在不同条件下传播特性的一门学科！,17,第一章 几何光学基本定律与成像概念,第一节：几何光学的基本定律 二、几何光学基本定律 几何光学以下面几个基本定律为基础： 1. 光的直线传播定律 2. 光的独立传播定律 3. 光的反射定律： 4. 光的折射定律 以上四个基本定律是几何光学研究各种光的传播现象和规律以及光学系统成像特性的基础！ 5. 光的全反射现象: 光线从光密介质射向光疏介质； 入射角大于临界角。 临界角Im:,18,第一章 几何光学基本定律与成像概念,例:在水中深度为 y 处有一发光点Q，作QO面垂直于水面，求射出水面折射线的延长线与QO交点Q的深度 y与入射角 i 的关系。,19,第一章 几何光学基本定律与成像概念,第一节：几何光学的基本定律 三、光传播的可逆定理：当光线沿着和原来相反方向传播时，其路 径不变。 四、费马原理：在A、B两点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。 注意理解“光程”的概念! 五、马吕斯定律：垂直于波面的光线束经过任意多次折射和反射 后，出射波面仍和出射光束垂直；且入射波面和 出射波面上对应点之间的光程为定值。 折、反定律，费马原理和吕马斯定律三者可以互相推导出来，因此，三者之中任一个可以作为几何光学的基本定律，而其他二者可以作为推论！,20,第一章 几何光学基本定律与成像概念,第一节：几何光学的基本定律 例:折射率分别为n1和n2两种介质的界面为M,(假设n1n2)。在折射率为n1的介质中有一点光源S，它与界面顶点O相距为d。设S发出的球面波经界面折射后成为平面波，试求界面的形状。,21,第一章 几何光学基本定律与成像概念,第一节：几何光学的基本定律 作业:一界面把n=1和n=1.5的介质分开，设此界面对n介质中无限远处的点光源发出的光线经界面后，在n的介质中与界面顶点相距100mm处的点为等光程，求此分界面的表达式。,22,第一章 几何光学基本定律与成像概念,第二节：成像的基本概念与完善成像条件 一、光学系统与成像概念 应用不同形状的曲面和不同的透明介质做成各种光学元件，并把它们按一定的方式组合起来，使由物体发出的光线经过这些光学元件的折射或反射，从而满足一定的使用要求。这些光学元件的组合称为“光学系统”或“光组”。组成光学系统的各个光学元件的表面曲率中心同在一条直线上，则称为共轴光学系统，该直线叫作光轴。 物点发出的球面波（同心光束）经光学系统后仍为球面波（同心光束），则其中心为物点的完善像点。物体上每个点的完善成像点的集合即为物体的完善像。物所在空间称物空间，像所在空间称像空间。 二、完善成像的条件 由物点发出的通过光学系统到达像点的任意光路的光程相等。 三、物、像的虚实 1. 物和像一样，都有实和虚两类； 2. 物和像是相对于光学系统而言的； 3. 实物、虚象对应发散同心光束，虚物、实像对应会聚同心光束。,23,第一章 几何光学基本定律与成像概念,第三节：光路计算与近轴光学系统 一、基本概念与符号规则（注意：每种参考书的符号规则不一定相同！） 1. 基本概念：顶点，子午面，物方（像方）截距，物方（像方）孔径角。 2. 符号规则：光线的传播方向，规定为自左到右！ 线段： 沿光轴的线段：以顶点为起始点，线段在顶点的右侧，其值为正；线 段在顶点的左侧，其值为负。 垂直于光轴的线段：以线段和光轴的交点为起始点，在光轴上方的线 段，其值为正；在光轴下方的线段，其值为负。 和光轴成一定夹角与折射球面相交的线段:以和折射球面的交点为起 始点,线段在交点的右则,其值为正；线段在交点的左则,其值为负。 角度： 光线和光轴的夹角：以光轴为起始轴，顺时针转向光线所成的角，其 值为正；反时针转向光线所成的角，其值为负。 光线和法线的夹角：以光线为起始轴，顺时针转向法线所成的角，其 值为正；反时针转向法线所成的角，其值为负。 光轴和法线的夹角：以光轴为起始轴，顺时针转向法线所成的角，其 值为正；反时针转向法线所成的角，其值为负。 折射面间隔：由前一面的顶点到后一面的顶点，顺光线传播方向其值为正，逆 光线传播方向，其值为负。在折射型光学系统中，折射面间隔恒为正。,24,E,A,-U,I,O,h,I,U,r,L,-L,法线,A,B,B,入射光线,折射光线,光轴,折射球面,物空间 n,像空间 n,物,像,光线经过单个折射球面的折射,注意：图中各量均用绝对值表示，因此，凡是负值的量，符号前均加负号！,C,25,第三节：光路计算与近轴光学系统 二、实际光线的光路计算： 由计算关系式可知：单个折射球面对轴上物点成像是不完善的，这种现象的存在称为“像差”。 三、近轴光线的光路计算 1. 几个概念:近轴光线、近轴