工程光学第1章.ppt

同学们好同学们好！！《《 工工 程程 光光 学学 》》 绪 论一、什么是《工程光学》？● 从广义角度理解：工程光学就是由光学原理、光学方法和光学技术所组成的， 与工程技术应用相联系的一门学科● 从狭义角度理解： 《工程光学》是一门以传统几何光学和波动光学为主要理论 基础，学习和研究光线的传播，光学系统的几何与物理成像，并 侧重于工程应用的一门课程1必修课，专业基础课，主干课程二、为什么要学习《工程光学》（目的和意义）？工程光学与机械学、电子学相结合，形成光机电一体化的 复合型知识结构和技能，将在工程技术实践中发挥极其重要的 作用以下简单列出基于本科层面的，以工程光学知识为基础 的一些主要应用方面：1、大中型精密光学仪器及其器件的理解、使用及维护如：高级医疗检测与手术仪器，高端军用通信、目视、测 量与探测系统，大、中型激光器及其应用系统，光纤通信中的 光学系统，航空、航天及空间探测中的大型光学系统，全息制 作与读写系统，微量分析与检测光学系统，遥感环境监测与图 像分析系统，等等22、众多常规基础光学仪器的设计与制造如：显微镜、望远镜、照相机、摄像机、投影仪、测距仪、 准直仪、干涉仪、比长仪、验光仪、光束耦合器件、光束整形 与变换器件、波分复用器件，等等。

3、高精度光学检测方法的理解与应用如：利用几何成像、干涉、衍射、全息、光谱、电光效应、 磁光效应、非线性效应等，实现对长度、温度、压力、振动、 密度、折射率、内应力、速度、流场分布、电压、电流、磁场、 辐射、微量元素及其含量等绝大多数物理量的精密、无接触、 实时和检测，等等34、机电检测与控制系统中的光学探测、传输、成像系统的设计与制作如：红外报警系统、远距离或电磁隔离监测与传输系统、 可视成像技术(荧光、微光和夜视)、流水线产品质量实时 监控、生产设备的状态监控，等等5、大量自制光学器件及单元 如：光电信号转换，简单光路设计和器件选择，发射与接收 器件，各类聚光探头、色散器件、分光与调光器件等 46、知识基础 工程光学与其它学科，如：信息光学、纤维光学、晶体光学、 集成光学、非线性光学、激光光学、光谱学及光电子学等， 有非常紧密的联系，是学习其它光学知识的基础 三、本课程的教学特点和相关要求（怎样学习？）1、教学方式和特点 ⑴、课堂教学，理论教学+习题课+总复习； ⑵、课堂内容非常基础和重要，预习+听课+复习，保证出勤率； ⑶、课程内容十分枯燥，概念多、图示多、公式多，要有足够的学习耐心和积极性； ⑷、加强课堂练习，及时消化掌握所学知识； ⑸、许多内容都有广泛应用背景，富于联想和联系实际地学习； ⑹、达到基本要求前提下，鼓励兴趣浓厚的同学做课程设计； ⑺、特别注意学习方法。

内容繁杂，要保持清晰的逻辑思路分清主线与支线，重点与非重点，纵向与横向知识，善于概括、总结、归纳，实现由无序到有序、繁杂到简单的转化5经常采用自问、自答方式进行学习，即： 需要解决？问题？ 运用？知识和方法？ 如何进行工作？ 或：运用该知识和方法 能解决？问题？ 如何进行工作？ 如：设计一走廊监控摄像系统 要解决？？问题？ 几十米深度走廊空间几何成像问题 运用？？知识和方法？ 1、单光组成像原理、公式；2、变焦组合镜头的原理；3、变光阑调节光照度和景深；4、仪器的机械尺寸、控制与安装等 如何进行工作？ 1、单光组成像光路图，基本参数的确定；2、变焦组合镜头的方式和参数设计；3、成像面探测器件种类及分辨率的选择；4、各机械固定与可调节部分的设计；5、光电信号探测与转换、电控部分的设计；6、整体装置的安装、施工及测试等62、成绩考核 ● 总评成绩=平时成绩(30%)(含半期考试)+期末考试(70%)， 其中：平时成绩主要为课堂练习、考勤和半期考试 ● 考试内容完全体现教学要求，内容涉及面宽，题型多样化， 如：名词解释、简述、填空、多项选择、正误判断、光路 作图、计算与设计、工程应用等。

● 特别注意掌握平时课堂练习所体现的内容 3、参考书⑴.《工程光学》，郁道银、谈恒英等，2002，机械工业出版社； ⑵.《工程光学》，张凤林、孙学珠，1988，天津大学出版社 7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 §1－1 发光点、波面、光线和光束 §1－2 几何光学的基本定律 §1－4 成像的基本概念和完善成像条件 §1－3 费马原理（了解） 8§1－0 简要补充：光学发展简史 简要补充：光学发展简史1、萌芽时期（远古—经历2000多年—十五世纪末）对光的直线传播、反射、折射等现象，积累了经验认识并实 践和应用如平面镜、凹(凸)面镜、透镜、眼镜、针空暗箱等2、几何光学时期（十六——十七世纪中叶）建立了反射和折射定律、光程极值原理，出现了光学仪器 其中望远镜的诞生促进了天文学和航海业的发展；显微镜的发 明使生物学的研究有了强有力的工具3、波动光学时期（十七世纪中叶——十九世纪）发现了干涉、衍射和偏振等现象，并建立了波动光学理论 确定了光是电磁波并测定了光速具有代表性的有： 杨氏双缝，马吕斯偏振，斐索测定光速，迈克斯韦电磁理论等94、量子光学时期（十九世纪末——二十世纪初）在黑体辐射、光电效应和康普顿效应等实验中，证实了光的 量子性。

重大事件有：1887年赫兹发现光电效应，1900普朗克 提出了辐射的量子理论，1905爱因斯坦提出了光子理论5、现代光学时期（二十世纪中叶以来）随着激光的出现，光学领域极大扩展、内容极大丰富，先后 形成许多既相对独立又相互交叉的前沿和边缘学科，如： 全息光学、信息(傅立叶)光学、非线性光学、集成光学、晶体 光学、纤维光学、激光光学、激光光谱光学、光电子学、电子 与离子光学、大气与海洋光学、量子光学、统计光学，等等 10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第一节 基本概念 1、光波光波是一种电磁波，其基本特征用三个物理量描述：光速c、波长λ、频率f 三者关系：c=λf ，不同介质中， 光速和波长不同：c=c0 /n，λ=λ0 /n ， 频率不变!特别注意： n(λ)问题——色散！光波按波长或频率可分为：紫外光、可见光、近红外和远红 外光等波段工程光学主要研究可见光的光学现象和规律可见光波段的 波长和频率范围为：波长λ： 4.0×10-7 ～ 7.5×10-7 米（真空中）频率 f ： 7.5×1014 ～ 4.0×1014 Hz112、光源单色光： 具有单一波长的光 复色光： 由多种波长混合而成的光 发光体或光源： 能辐射光能(包括反射)的物体 发光点或点光源： 无大小、无体积、有能量的几何点 3、光线、波面、光束 光线：几何光学中，认为光线是无直径、无体积、能传输 能量的几何线。

波面：任一时刻振动位相相同各点构成的曲面，如：平面、 球面和非球面波光束：波面上各点的法线的集合称为光束，如：平行光束、 同心光束、像散光束等12第二节 几何光学的基本定律1、光的直线传播定律在各向同性介质中，光沿直线传播2、光的独立传播定律不同光源发出的光线在空间相交时，彼此互不干扰，独立传播相遇处的光强度是简单地相加，总是增强的各向同性 不同光源 133、光的反射与折射定律反射定律：⑴. 入射光线、反射光线、法线同处一个平面内；⑵. 入射角与反射角绝对值相等，符号相反折射定律：⑴. 入射光线、折射光线、法线同处一个平面内；⑵. 入射角与折射角的正弦之比等于两种介质的折射率之比即：或:Onn’II’-I”144、光线传播的可逆性在折射定律中，若令n’= - n , 即得：I’= - I反射定律是折射定律当n’= - n时的特殊情况 利用以上定律，可解决光经任何界面后继续 传播的问题，是整个几何光学的基础 5、在某种特殊变换下，折射定律转化为反射定律ABC156、全反射现象全反射产生的条件： 全反射的其它特点： ⑴.全反射优于一切镜面反射，反射率几乎100%； ⑵.入射光会透入第二介质几个波长再返回，筱(xiao)逝波。

全反射应用举例：反射棱镜光 纤低n2玻璃体高n1玻璃芯子受抑全反射 测微小位移P透X16光线由光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角时，在两 介质分界面上发生全反射临界角由：sin Im = n’/n 决定一、光程——光线在介质中传播的距离与该介质折射率的乘积1、均匀介质中：s＝nl 由于n＝c/v，l＝vt， s＝ct 即：光线在介质中传播的光程等于光线从一点到另一点传播的时间与真空中光速的乘积2、非均匀介质中：ds=ndl， ò=BAdlzyxns),,(17二、费马原理 光线从空间一点到另一点，沿着光程(或时间) 为极值的路径传播 数学表述为：δs＝δ∫n·dl＝0 ABn dl第三节 费马原理（了解） 费马原理从光程的观点来描述光传播的规律，是几何光学 最基本的定律用费马原理可导出光的直线传播、反射和折射定律以均匀介质为例：① 两点间以直线为最短——直线传播ABI-I”NO② 反射NOABII’ Ly1y2xn n’可导出 nsinI-n'sinI'＝0③ 折射利用费马原理的突出优势是可用于解决非均匀介质中空间光线的传播问题181、成像定义： 2、成像范围： 19第四节 成像的基本概念与完善成像条件 用光学系统将物体的形状或其它信息按一定 要求进行再现，以供人眼观察、感光照相或 光电探测的过程。

本课程仅讨论由球面和平面光学元件组成的 光学系统的成像问题 3、基本概念 ● 实物与实像： ● 虚物与虚像： ● 物空间： ● 像空间： 由实际光线直接相交而成的物或像 由实际光线的延长线(正向或反向延长)相交 而成的物或像 物体(实物或虚物)发出的实际光线所在的空间 形成像(实像或虚像)的实际光线所在的空间 A”A’ A 实物虚像虚像 虚物物空间像空间n1n2n320● 实物与实像： ● 虚物与虚像： ● 物空间： ● 像空间： 由实际光线直接相交而成的物或像 由实际光线的延长线(正向或反向延长)相交 而成的物或像 物体(实物或虚物)发出的实际光线所在的空间 成像(实像或虚像)的实际光线所在的空间 物、像空间绝不是 物和像所在的空间 注意 ：A”A’ A 实物虚像虚物物空间像空间n1n2n321问：针对第一个透镜的成像，物、像空间折射率为何？ 针对第二个透镜的成像，物、像空间折射率为何？ 针对第三个球面折射的成像，物、像空间折射率为何？ n1、n2 n2、n3 n2、n玻 物空间：物体(实物或虚物)发出的实际光线所在的空间 像空间：成像(实像或虚像)的实际光线所在的空间 4、成像完善问题● 完善成像的条件：光学系统物点 像点 光学系统同心光束 同心光束 光学系统球面波 球面波 ● 成像完善的情况是很少的。

大多数情况，成像是不完善的仅：平面镜、旋转椭球的焦点、旋转抛物面等情况应用举例：固体激光器光泵浦腔）完善成像条件：物点A与像点A’间，任意两条光路光程相等● 在一定条件下(如近轴成像),或采取一些办法(如双胶合),可能尽可能完善地成 22请同学们认真预习 第二章内容非常重要 。