工程光学第1章_几何光学基本定律与成像概念课件.ppt

第一章第一章 几何光学基本定律与成像概念几何光学基本定律与成像概念几何光学：几何光学：以以光线光线为基础，用为基础，用几何方法几何方法来研究：来研究： 光在介质中的传播规律；光在介质中的传播规律； 光学系统的成像特性光学系统的成像特性几何光学的基本定律几何光学的基本定律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光路计算与近轴光学系统光路计算与近轴光学系统球面光学成像系统球面光学成像系统第一节第一节 几何光学的基本定律几何光学的基本定律一、基本概念一、基本概念1.光波光波l本质：电磁波本质：电磁波380nm760nm（可见光）（可见光）l传播速度：传播速度： ,在介质中在介质中l 单色光和复色光单色光和复色光2. 光源与发光点光源与发光点l光源：能够辐射光能的物体光源：能够辐射光能的物体l发光点：辐射光能量的几何点发光点：辐射光能量的几何点3.光线光线 由发光点发出的光抽象为能够传输能量由发光点发出的光抽象为能够传输能量的几何线，它代表光的传播方向的几何线，它代表光的传播方向4. 波面与光束波面与光束l波面：振动位相相同的点在某一瞬间所构波面：振动位相相同的点在某一瞬间所构成的曲面。

成的曲面l光束：与波面对应的法线束光束：与波面对应的法线束二、基本定律二、基本定律1. 光的直线传播定律光的直线传播定律 在各向同性的在各向同性的均匀介质均匀介质中中(衍射衍射)2. 光的独立传播定律光的独立传播定律 不同光源发出的光线在交汇点光强相加不同光源发出的光线在交汇点光强相加(干涉干涉)，离开后，仍按原方向传播离开后，仍按原方向传播3.反射定律反射定律4. 折射定律折射定律(折射光线和反射光线位于入射光线和法线决定的平面内折射光线和反射光线位于入射光线和法线决定的平面内)光路的可逆性光路的可逆性5. 全反射及其应用全反射及其应用光密介质、光疏介质、临界角光密介质、光疏介质、临界角 由折射定律可求出临界角由折射定律可求出临界角光线从光密介质进入光疏介质光线从光密介质进入光疏介质入射角大于临界角入射角大于临界角三、费马原理（三、费马原理（最短光程原理最短光程原理）光程：光程：光在介质中传播的几何路程光在介质中传播的几何路程l与该介质与该介质折射率折射率n的乘积的乘积S.（光在某种介质中的光程光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程路程）原理内容：原理内容：光从一点传播到另一点时，其间无光从一点传播到另一点时，其间无论进行了多少次反射或折射，其光程为极论进行了多少次反射或折射，其光程为极值。

光是沿着光程是极值的方向传播的光是沿着光程是极值的方向传播的思考思考：光的直线传播、反射定律、折射定律：光的直线传播、反射定律、折射定律由费马原理可导出由费马原理可导出四、马吕斯定律四、马吕斯定律 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持与波面的正交性，且始终保持与波面的正交性，且入射波面与入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值出射波面对应点之间的光程均为定值第二节第二节 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一、光学系统与成像概念一、光学系统与成像概念光学系统的作用：对物体成像，扩展人眼光学系统的作用：对物体成像，扩展人眼功能完善像点完善像点与与完善像完善像：同心光束，球面波同心光束，球面波物空间（物空间（物体所在的空间物体所在的空间）、像空间像空间共轴光学系统共轴光学系统：元件表面的曲率中心在一：元件表面的曲率中心在一条直线上条直线上光轴光轴：各光学元件表面曲率中心的连线各光学元件表面曲率中心的连线第二节第二节 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二、完善成像条件二、完善成像条件入射波面是球面波，出射波面也是球入射波面是球面波，出射波面也是球面波；面波；入射光是同心光束，出射光也是同心入射光是同心光束，出射光也是同心光束；光束；物点及其像点之间任意两条光路的光物点及其像点之间任意两条光路的光程相等；程相等； （三条是等价的三条是等价的）三、物（像）的虚实三、物（像）的虚实实物（像）：实物（像）： 由实际光线相交会聚所形成的物（像）。

由实际光线相交会聚所形成的物（像）虚物（像）：虚物（像）： 由光线的延长线相交所形成的物（像）由光线的延长线相交所形成的物（像）实物实像实物实像；实物虚像实物虚像；虚物实像虚物实像；虚物虚像虚物虚像虚物不能人为设定，是前一个光学系统所成实像虚物不能人为设定，是前一个光学系统所成实像被当前系统所截而得被当前系统所截而得虚像只能被人眼观察，不能被记录虚像只能被人眼观察，不能被记录前一个系统的虚像应看作当前系统的实物前一个系统的虚像应看作当前系统的实物a）（b）（c）（d）一、基本概念与符号规则一、基本概念与符号规则光轴、顶点、子午面、物方截距、物方孔径光轴、顶点、子午面、物方截距、物方孔径角、像方截距、像方孔径角角、像方截距、像方孔径角第三节第三节 光路计算与近轴光学系统光路计算与近轴光学系统符号规则：符号规则： 1.沿轴线段沿轴线段(L,L,r)：规定光线的方向自左：规定光线的方向自左向右，以折射面顶点向右，以折射面顶点O为原点，由顶点到光线为原点，由顶点到光线与光轴交点或球心的方向和光线传播的方向相与光轴交点或球心的方向和光线传播的方向相同为正，反之为负同为正，反之为负 2.垂轴线段垂轴线段(h)：以光轴为基准，在其之上：以光轴为基准，在其之上为正，反之为负。

为正，反之为负 3. 光线与光轴的夹角光线与光轴的夹角：用光轴转向光线所：用光轴转向光线所形成的来度量，顺时针为正，反之为负形成的来度量，顺时针为正，反之为负符号规则：符号规则： 4.光线与法线的夹角光线与法线的夹角：由光线以锐角转向：由光线以锐角转向法线，顺时针为正，反之为负法线，顺时针为正，反之为负 5.光轴与法线的夹角光轴与法线的夹角：由光轴以锐角转向：由光轴以锐角转向法线，顺时针为正，反之为负法线，顺时针为正，反之为负 6.折射面间隔折射面间隔(d)：由前一面的顶点到后一：由前一面的顶点到后一面的顶点，顺光线方向为正，反之为负面的顶点，顺光线方向为正，反之为负在在折射系统中，该值恒为正折射系统中，该值恒为正）二、实际光线的光路计算二、实际光线的光路计算已知：折射球面曲率半径已知：折射球面曲率半径r，介质折射率为，介质折射率为n和和n，及物方坐标，及物方坐标L和和U求：像方求：像方L和和U1.以上即为子午面内实际光线的光路计以上即为子午面内实际光线的光路计算公式2.由上面推导可知：当由上面推导可知：当L不变，只不变，只U变化变化时，时，L也变，说明也变，说明“球差球差”的存在的存在。

三、近轴光线的光路计算三、近轴光线的光路计算概念：概念：近轴区、近轴光线近轴区、近轴光线(5)式式说说明：在近明：在近轴轴区内，区内，对对一一给给定的定的l l值值，不，不论论u u为为何何值值，ll均均为为定定值值，轴轴上物点在近上物点在近轴轴区成完善区成完善像，称像，称为为高斯像点高斯像点在在近轴区近轴区有：有：由公式（1）-（6）可推出：（7）式中）式中Q称为称为阿贝不变量阿贝不变量；（8）式表明了）式表明了物、像孔径角物、像孔径角的关系；的关系；（9）式表明了物、像位置关系式表明了物、像位置关系第四节第四节 球面光学成像系统球面光学成像系统一、单个折射面的成像垂轴放大率、轴向放大率、角放垂轴放大率、轴向放大率、角放大率之间的关系，如下式大率之间的关系，如下式拉赫不变量拉赫不变量：拉格朗日：拉格朗日赫姆霍兹不变量赫姆霍兹不变量表征光学系统的重要指标表征光学系统的重要指标角放大率也表示折射球面将光束变宽和变细的能力角放大率也表示折射球面将光束变宽和变细的能力二、球面反射镜成像二、球面反射镜成像b）凸面镜成像公式：成像放大率：说明：由 知：物体沿光轴移动时，像总是反向移动当物点位于球心时，三三. 共轴球面系统的过渡公式：共轴球面系统的过渡公式：对于多折面系统，对于多折面系统，拉赫不变量以及三放大率拉赫不变量以及三放大率之间的关系仍然成立之间的关系仍然成立。

系统放大率等于各折射面系统放大率等于各折射面放大率的乘积放大率的乘积 总结总结 基本概念：基本概念：光线、光束、波面、折射与反射、全反射、光线、光束、波面、折射与反射、全反射、直线传播、独立传播、光路可逆、费马定直线传播、独立传播、光路可逆、费马定理、马吕斯定律、光程、折射率、完善物理、马吕斯定律、光程、折射率、完善物点和象点、光轴、共轴光学系统、完善成点和象点、光轴、共轴光学系统、完善成像条件、高斯像、共轭点、子午面、物方像条件、高斯像、共轭点、子午面、物方截距和孔径角、像方截距和孔径角、近轴截距和孔径角、像方截距和孔径角、近轴光线、阿贝不变量、球差、符号规则、垂光线、阿贝不变量、球差、符号规则、垂轴放大率、轴向放大率、角放大率、拉赫轴放大率、轴向放大率、角放大率、拉赫不变量、过渡公式不变量、过渡公式主要公式：主要公式：对于多折面系统，对于多折面系统，拉赫不变量以及三放大率拉赫不变量以及三放大率之间的关系仍然成立之间的关系仍然成立系统放大率等于各折射面系统放大率等于各折射面放大率的乘积放大率的乘积 作业作业习题第习题第4、7、8、10、17、19、20、21题题。