工程光学第一章ppt课件

几何光学与成像理论工 程 光 学 1工 程 光 学 1 工程光学基础教程工程光学基础教程 天津大学天津大学 郁道银郁道银 浙江大学浙江大学 谈恒英谈恒英 光学光学 赵凯华赵凯华 鈡锡华鈡锡华 北京大学出版社北京大学出版社 参考书目参考书目2 参考书目2工程光学授课工程光学授课内容内容第一章：几何光学基本定律与成像概念第一章：几何光学基本定律与成像概念第二章：理想光学系统第二章：理想光学系统第三章：平面与平面系统第三章：平面与平面系统第四章：光学系统中的光阑与光束限制第四章：光学系统中的光阑与光束限制第五章：像差理论第五章：像差理论第六章：典型光学系统第六章：典型光学系统第七章：光学系统的像质评价和像差公差第七章：光学系统的像质评价和像差公差3工程光学授课内容第一章：几何光学基本定律与成像概念3绪绪 论论 光学是物理学中最古老的一门基础学科，又光学是物理学中最古老的一门基础学科，又是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。强大的生命力和不可估量的发展前途。2121世纪是世纪是光信息科学的时代光信息科学的时代!学学好好光光学学,有有助助于于进进一一步步深深入入学学习习电电动动力力学学、现现代代光光学学、光光电电子子技技术术、激激光光原原理理及及应应用用、光光电电子子学学等等相相关关课课程程，同同时时也也进进一一步步加加深深我我们们对对微微观观和宏观世界的联系与规律的认识。和宏观世界的联系与规律的认识。4绪 论 光学是物理学中最古老的一门基础学科，又是经典光学：经典光学：1、几何光学几何光学 光的传播、反射、折射、成像等。光的传播、反射、折射、成像等。2、物理光学物理光学 波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。量子光学：光的吸收、散射、色散、光量子光学：光的吸收、散射、色散、光 的本性等。的本性等。光学的发展：经典光学光学的发展：经典光学 现代光学现代光学5经典光学：光学的发展：经典光学 现代光学5现代光学：现代光学：激光光学：激光光学：激光物理、激光技术、激光应激光物理、激光技术、激光应用等。用等。非线性光学：非线性光学：光学介质与激光相互作用的光学介质与激光相互作用的新现象和新效应，实现全光处理技术。新现象和新效应，实现全光处理技术。激光光谱学激光光谱学：物质微观结构及分子运动规：物质微观结构及分子运动规律的分析等。律的分析等。集成光学：集成光路理论及制造等。集成光学：集成光路理论及制造等。6现代光学：6傅傅立立叶叶光光学学：光光学学傅傅立立叶叶分分析析、傅傅立立叶叶变变换等。换等。全息光学：光学全息与信息处理等。全息光学：光学全息与信息处理等。晶晶体体光光学学：光光波波在在晶晶体体中中的的传传播播及及晶晶体体的的电光效应等。电光效应等。瞬瞬态态光光学学、光光纤纤通通信信、光光信信息息存存储储、受受激激拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光7傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。7几何光学主要是以光线为模型来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。本章主要介绍：1.几何光学的几本定律2.成像的概念和完善成像的条件3.光路计算和近轴光学系统 4.球面光学成像系统第一章 几何光学基本定律与 成像概念8几何光学主要是以光线为模型来研究光在介质中的传播规律及光学一、基本概念 光线：在几何光学中，通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线，即光线。光线的方向代表光的传播方向。光线的传播途径称为光路。波面：发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻其振动位相相同的点所构成的面称为波阵面，简称波面。光的传播即为光波波阵面的传播。第一节 几何光学的基本定律9一、基本概念第一节 几何光学的基本定律9 光束：在各项同性介质中，波面上某点的法线即代表了该点处光的传播方向，即光沿着波面法线方向传播，因此，波面法线即为光线。与波面对应的所有光线的集合，称为光束。同心光束：通常波面可分为平面波、球面波和任意曲面波。与平面波对应的光束成为平行光束，与球面波对应的光束称为同心光束。10 光束：在各项同性介质中，波面上某点的法线即代表了该点处光的 同心光束可分为会聚光束和发散光束，如图1-1所示。同心光束经实际光学系统后，由于像差的作用，将不再是同心光束，与之对应的光波则为非球面光波。图1-1 波面与光束a)平面光波与平行光束 b)球面光波与发散光束c)球面光波与会聚光束11 同心光束可分为会聚光束和发散光束，如图1-1所示。同心光束 折射率：折射率是表征透明介质光学性质的重要参数。我们知道，各种波长的光在介质中的传播速度会减慢。介质的折射率正是用来描述介质中光速减慢程度的物理量，即：(1-1)这就是折射率的定义。12 折射率：折射率是表征透明介质光学性质的重要参数。我们知道，二、几何光学基本定律几何光学把研究光经过介质的传播问题归结为如下四个基本定律，是研究光在介质中的传播规律和光学系统的成像规律的出发点。（1）光的直线传播定律（2）光的独立传播定律（3）光的折射定律（4）光的反射定律13二、几何光学基本定律131.光的直线传播定律光的直线传播定律在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。如：影子、日食、月蚀、小孔成像等。局限于宏观尺度;微观尺度下不成立。2.光线的独立传播定律光线的独立传播定律从不同光源发出的光线，以不同的方向经过某点时，各光线独立传播，彼此互不影响。局限于非相干情况，忽略光的波动性。同一介质内的传播规律:141.光的直线传播定律同一介质内的传播规律:14若1=2、位相差不随时间变化,且不是垂直相交，此区内的光强分布将呈现相干分布。15若1=2、位相差不随时间变化,且不是垂直相交，此区内的光3.光的折射定律和反射定律光的折射定律和反射定律不同介质交界面处的传播规律:1.入射面入射面2.光线角光线角163.光的折射定律和反射定律不同介质交界面处的传播规律:1.入 如图1-2所示，入射光线AO入射到两种介质的分界面PQ上，在O点发生折反射，其中，反射光线为OB，折射光线为OC，为界面上O点处的法线。入射光线、反射光线和折射光线与法线的夹角 、和分别称为入射角、反射角和折射角，它们均以锐角度量，由光线转向法线，顺时针方向旋转形成的角度为正，反之为负。17 如图1-2所示，入射光线AO入射到两种介质的分界面PQ上，反射定律归结为：反射定律归结为：（1）反射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；（2）反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角与入射角的绝对值相等，符号相反，即：(1-2)折射定律归结为：折射定律归结为：（1）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；1818（2）折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两种介质的性质决定，即：通常写为:(1-3)若在此式中令，则式(1-3)成为 ,此结果在形式上与反射定律的式(1-2)相同。19（2）折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅4.光路的可逆性光路的可逆性由折射定律可知，折射光线与入射光线是可逆的。同样，由反射定律可知，反射光线与入射光线也是可逆的。因此，光线的传播是可逆的，这就是光路的可逆性。光源S1发射的光线经B点折射向C.若在C点置一光线，光线亦可由C点出射经B点折射而射向A，即光线是可逆的。204.光路的可逆性光源S1发射的光线经B点折射向C.若在5.全反射现象全反射现象光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射与反射。但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，没有折射光产生，这种现象称为光的全反射现象。下面就来研究产生全反射的条件。215.全反射现象21通常，我们把分界面两边折射率较高的介质称为光密介质，而把折射率较低的介质称为光疏介质。当光从光密介质射向光疏介质且入射角增大到某一程度时，折射角达到 ，折射光线沿界面掠射出去，这时的入射角称为临界角，记为 。22通常，我们把分界面两边折射率较高的介质称为光密介质，而把由折射定律公式(1-3)(1-4)23由折射定律公式(1-3)(1-4)23若入射角继续增大，入射角大于临界角的那些光线不能折射进入第二种介质，而全部反射回的一种介质，即发生了全反射现象。全反射的充要条件:（1）光线从光密介质射向光疏介质；）光线从光密介质射向光疏介质；（2）入射角大于临界角。入射角大于临界角。24若入射角继续增大，入射角大于临界角的那些光线不能折射进入第二全反射应用例：代替平面反射镜实现高效反射实现高效光信号传输25全反射应用例：代替平面反射镜实现高效反射实现高效光信号传输2基本定律的应用：例1：在水中深度为y处有一发光点Q,作QO垂直于水面，求射出水面折射光线的延长线与QO交点Q的深度y与入射角i的关系。例2：证明：光线相继经过几个平行分界面的多层媒质时，出射光线的方向只与两边的折射率有关，与中间各层媒质无关。例3：顶角a很小的棱镜称为光楔。证明光楔使垂直入射的光线产生 偏向角 ，其中n是光楔的折射率。例4：设光导纤维玻璃芯和外包层的折射率分别为n1和n2(n1n2)，垂直端面外的媒质的折射率为n0。试证明：能使光线在纤芯内发生全反射的入射光束的最大孔径角满足 （称为纤维的数值孔径）。26基本定律的应用：例1：在水中深度为y处有一发光点Q,作QO垂三、费马原理（最短光程原理）光程：光线在介质中传播的几何距离L与介质折射率的乘积。等价于相同时间内光在真空传播的距离L0。若介质折射率是空间坐标的函数 ，从A点到B点光线可能为任意曲线，此时方程积分与路径有关，且光程是折射率函数的函数 27三、费马原理（最短光程原理）光程：光线在介质中传播的几何费马原理：光线从一点传播到另一点，其光程为极值（极大、极小、常量）。两点间光线的实际路径是其光程为平稳的路径。平稳：在某处平稳，指它的一阶微分dy=0在这里可以有极小值或极大值。对路径的无穷小变化，其光程变化利用费马原理，推导出光的直线传播定律和反射、折射定律。28费马原理：281.光的直线传播定律：证明：在各向同性均匀介质(折射率为常数)中，两点间的光程为其中L为两点间光线的几何路径长度。由于两点间直线距离最短，因此，两点间最短的光程就是连接两点的直线。根据费马原理，显然光线是沿直线传播的。291.光的直线传播定律：证明：在各向同性均匀介质(折射率为常数 证明：设光路为AQB，Q是反射面上任意一点，则光程为从A点向反射面作垂线，并延长到D点，使AC=CD。C点为垂足。显然，AQ=DQ，于是光程由两点间直线距离最短，故最小光程对应的Q点必位于D点和B点的连线上。因此光路必定是APB，P点为直线BD与反射面的交点。显然，P点必包含在A,C,D和B构成的平面内，所以入射光线AP，反射光线PB，及法线PN共面。其次，由于AP=DP，且DPB为直线，故入射角等于反射角。证毕！MADCPBQN2.光的反射定律：30MADCPBQN2.光的反射定律：30 证明：设MN为折射率为n1和n2的两种各向同性均匀介质的分界面。光线由 A点入射，在P点折射并前进到B点。令M和N分别表示从A和B点在街面上的垂足，并设MN=L。设MP距离为x。则A到B的光程为根据费马原理，光程应取极值，即如图定义入射角和折射角，则光程取极值必有即折射定律 MALPBNd1d2Nn1n2x123.光的折射定律：31MALPBNd1d2Nn1n2x123.光的折射定律：3证明：设P为顶点,经P点反射的光路光程为现通过P点，并以A和B为焦点作一椭圆N。设Q为M上除P点外的任意一点,则经Q反射的光程延长AQ交N于R点,并连接RB。由于椭圆上的点与两焦点间线段长度之和为定值,即总有AP+PB=AR+RB,因此有，根据费马原理，APB为实际反射光路,且光程为极大值。证毕。QMNPABCRn4.光程最大值的情况：设设有有一一凹凹面面镜镜M。A和和B是是与与轴轴等等距距的的两两点点。直直线线AB通通过过曲曲率率中中心心并并与与轴轴垂垂直直。试试证证明明经经一一次次反反射射后后从从A到到达达B的的光光线线，其其光光程程比比邻邻近近的的任任何何光光程都长。程都长。32QMNPABCRn4.光程最大值的情况：325.光程恒定的情况：考察内表面反射的椭圆反射器。设A和B为椭圆的两个焦点,试证明光线经单次反射,从A到B传播,其光程是一个不随反射点位置而变化的稳定值。证明：由于椭圆具有这样的特性：椭圆表面上的任何一点与两焦点间线段长度之和为定值，即总有AP+PB=AQ+QB成立。由此可见，从焦点A发出的光线经一次反射后通过焦点B的诸光线具有相同的光程长。根据费马原理，经表面任意一点反射的光路都是可能的,且光程为稳定值。此外，借助解析几何可以证明，任何光线从一个焦点出发，经表面上任何一点反射后必通过另一个焦点，其条件是入射角等于反射角。ABOPQ335.光程恒定的情况：ABOPQ33四、马吕斯定律 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。34四、马吕斯定律34第二节 成像的基本概念 与完善成像条件一、基本概念一、基本概念光学元件：表面为平面、球面或非球面(任一曲面)，且具有特定折射率的介质构成的透明元件。光学系统：由若干光学元件组成的系统。共轴光学系统：系统中的各个光学元件的表面曲率中心都处在同一直线上。否则即为非共轴系统。光轴：共轴系统中光学元件表面曲率中心所决定的直线。光学系统的作用：对物体成像。35第二节 成像的基本概念35成像的概念：再现原物的信息。通常采用球面与平面光学元件成像。非球面,如抛物面、椭球面等对某些位置等光程的像质不错,但加工检验有一定困难。因此，后面的讨论主要是由球面和平面组成的光学系统。3636二、完善成像二、完善成像完善像点：完善像点：若物点发出的一束同心光束，经光学系统后仍为同心光束，则该同心光束的中心即为物点的完善像点。完善像：完善像：完善像点的集合。物、像空间物、像空间：物（像）所在的空间。完善成像的充要条件完善成像的充要条件:u表述一：入射光是同心光束时，出射光也是同心光束。u表述二：入射波面是球面波时，出射波面也是球面波。u表述三：物点与像点之间任意两条光路的光程相等，即 37二、完善成像37等光程面的例子：等光程面的例子：（1）椭球面椭球面对、这一对特殊点来说是等光程面，故 是完善成像。（2）抛物面反射镜等光程面是以为焦点的抛物面。无穷远物点相应于平行光，全交于（或完善成像于）抛物面焦点。38等光程面的例子：38三、物、像的虚实三、物、像的虚实u实际光线相交所形成的点为实物点或实像点u光线的延长线相交所形成的点为虚物点或虚像点 a）实物成实像 b）实物成虚像 c）虚物成实像 d）虚物成虚像发散同心光束会聚同心光束39三、物、像的虚实发散同心光束会聚同心光束39几点小结：几点小结：（1）实物、虚物、实像、虚像视情况而定，但作为第一个（原始、出发的）物一定是“实体”。（2）实像能用屏幕或胶片记录，而虚像只能为人眼所观察，不能被记录。几个问题：几个问题：（1）讨论实物发出的光线能否聚焦成一点（能否清晰成像）像差理论。（2）光线经光学系统后是如何传播和成像的？（成像规律、光路计算）折射定律、反射定律的应用。40几点小结：40第三节 光路计算与近轴光学系统 大多数光学系统都是由折、反射球面或平面组成的共轴球面光学系统。平面看成是球面半径无穷大的特例；反射是折射在 时的特例。可见，折射球面系统具有普遍意义。41第三节 光路计算与近轴光学系统41 首先讨论单个折射球面的光路计算问题，然后再逐面过渡到整个光学系统设空间存在如下折射球面：球心 C，入射光 AE，法线EC，折射光 EAI、I为入射角和折射角，AC为光轴，O为球面顶点，h为光线矢高42 首先讨论单个折射球面的光路计算问题，然后再逐面过渡到整个光1.单折射球面的光路计算单折射球面的光路计算基本概念：u子午面：包含物点和光轴的平面。u物(像)方截距L()：顶点到物(像)点的距离 u物(像)方孔径角U():入(折)射光线与光轴的夹角u光线坐标：在子午面内，由截距和孔径角完全确定，既可用坐标(L,U)表示 L、U 两量唯一地确定了一条光线在子午面内的位置。431.单折射球面的光路计算43符号的正负规则：(光线与光轴、物像点与顶点、凹凸镜)1）线段：沿轴线段（如 L、r、d）u光线传播自左向右为正方向，以折射面顶点为原点；u由顶点出发，顺光线传播方向为正，逆光线传播方向为负；u折射面间隔d：由前一个顶点到下一个顶点，顺光线传播方向 为正，逆光线传播方向为负。垂轴线段（如光线矢高h）：以光轴为基准u光轴以上为正；u光轴以下为负。44符号的正负规则：(光线与光轴、物像点与顶点、凹凸镜)442）角度 孔径角 、：光线与光轴夹角从从光光轴轴起起算算，光轴转向光线（按锐角方向），顺时针为正，逆时针为负。入射角、折射角：光线与法线夹角从从光光线线起起算算，光线转向法线（按锐角方向），顺时针为正，逆时针为负。光轴与法线的夹角（如）从光轴起算从光轴起算，光轴转向法线（按锐角方向），顺时针为正，逆时针为负。452）角度45实际光线的光路计算：已知折射球面曲率半径r，介质折射率为n和n。给定物方坐标(L，U)，求：像方(L,U).在 中，利用正弦定律计算方法：折射定律几何关系46实际光线的光路计算：已知折射球面曲率半径r，介质折射率为n和 由折射定律 由外角关系在 中，利用正弦定律47 由折射定律47说明:以上关系(1-1)-(1-4)即为子午面内实际光线的光路计算公式，对任意一条子午面的光线都适用。给定物方坐标(L，U)就能直接求出像方坐标(L,U)。由(1-1)-(1-4)推导可知：L=f(L,U)、U=g(L,U)，当L固定，而U发生变化时，L也变。因此，同一物点发出的不同孔径的光线，经折射后具有不同的像方截距这说明，同心光束经折射球面折射后，出射光束不再是同心光束，物点成像是不完善的，因此，球面系统存在固有缺陷“球差”。AA48说明:AA482.近轴光路计算近轴光路计算:傍轴近似傍轴近似近轴(傍轴)区：当U角很小(指绝对值很小)时，光线所处的很靠近光轴的区域近轴(傍轴)光线：限制在近轴区内的光线在傍轴近似下，相应的、等都比较小，可用弧度值近似替代正弦值：于是492.近轴光路计算:傍轴近似49此时（1）（1）式变为：（1-5）很容易求得像方坐标常用（1-5）作近似计算。50此时（1）（1）式变为：50说明：v同心光束：在近轴区，l 只是l的函数，不随孔径u的变化而变化;v轴上物点在近轴区成完善像，这个像点称高斯像点。v高斯像面：通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯像面；v共轭点：诸如上面提到的一对构成物象关系的点称为共轭点 51说明：51此外，在傍轴近似下，光线矢高等于结合(1-5)式，可得代入折射定律 ni=ni，整理变形可得如下关系：（）（）（）(-6)式中Q称为阿贝不变量，对于单个折射球面物空间与像空间的Q相等；(1-7)式表明了物、像孔径角的关系(1-8)式表明了物、像位置关系 52此外，在傍轴近似下，光线矢高等于(-6)式中Q称为阿贝不变习题：利用费马原理推导傍轴条件下单球面折射成像的物像距关系解:设OD=d,则光线矢高为由几何关系可得入射光线和折射光线几何长度,考虑符号规则,经E点折射的光程为D53习题：利用费马原理推导傍轴条件下解:设OD=d,则光线矢高在傍轴近似下,dl,l和 r,进行泰勒展开并略去二阶无穷小量,有由物象之间的等光程性,有 成立,即得到物像距公式,且像点位置L与d无关,这表明物点A在傍轴条件下完善成像于像点A.54在傍轴近似下,d1 yy 放大像；反之,0 y与y同号成正像;反之，0 l与l同号物像虚实相反;反之，n 时,l-1。（光疏介质折射入光密介质）v当n 0 凸面镜r 0 凹面镜由于反射可看作折射的特例，因此，只需令n=-n，即可由折射球面成像的结论推导出球面反射镜(球面镜)的成像特性。成像关系如图yy-l-l-rCOCOyy-lrl65二.反射球面成像物像位置关系：作代换n=-n 由2.成像放大率:作代换n=-n 说明:(1)反射球面的 恒为负数物、像点沿轴反向移动；(2)物点位于球面镜球心,即 l=r 时,l=r,且=-1,=1.此时球面镜成倒像;反射与入射光线孔径角相等,故过球心的光线沿原路返回,仍会聚于球心.因此,球面镜对于球心是等光程面,成完善像.662.成像放大率:作代换n=-n 说明:66三.共轴球面系统成像 前面分析的是单个折射（反射)球面的成像特征及相应的光路计算.它们是构成光学系统的最小单元,对于由多个折、反球面构成的共轴光学系统而言，只要找到相邻两球面间的光路关系，剩下的问题就是逐个成像，逐个计算直至求出最终像。67三.共轴球面系统成像 前面分析的是单个折射（反射)球1.共轴光学系统的结构参数2.3.设共轴光学系统由k个球面组成,则系统结构由基本参数(ni,ri,di)确定:(1)各面间的介质折射率n1,n2,n3,nk,nk+1;(2)各球面的曲率半径r1,r2,r3,rk;(3)相邻球面顶点间的距离d1,d2,d3,.dk-1.di-1ni-1nini+1ri-1li-168共轴光学系统的结构参数各面间的介质折射率n1,n2,n3,1.过渡公式:给出各球面对应的物像空间的参数关系2.3.根据第k-1面的像空间就是第k面的物空间,因此,结构参数的过渡公式光线矢高的过渡公式:由(2)(4)得系统的拉赫不变量 J:由 得v不仅对单折射面的物像空间，而且对整个系统都是不变量。v利用这一特点,可以校对计算结果.69过渡公式:给出各球面对应的物像空间的参数关系光线矢高的过渡2.成像放大率:利用结构参数的过渡公式,很容易证明系统的放大率为各面放大率之积,即 对每个面都运用容易证明显然,三个放大率间的关系仍有 因此,整个光学系统的各放大率公式及其相互关系与单折射球面完全相同.这充分说明,单折射球面成像特性的普遍意义.702.成像放大率:利用结构参数的过渡公式,很容易证明系统的习题：例1：物体放在凹面反射镜的何处，可产生大小与物体相等的倒立实像？解：由反射镜放大率公式 =y/y=-l/l=-1，求得像距l=l。代入反射镜成像公式求得因此,物体应放在凹面反射镜的球心处.71习题：例1：物体放在凹面反射镜的何处，可产生大小与物体相等的例例2：凹凹面面反反射射镜镜的的半半径径为为40cm，物物体体放放在在何何处处可可产产生生放放大大两倍的实像？放在何处成放大两倍的虚像两倍的实像？放在何处成放大两倍的虚像?解:1)放大两倍的实像.此时应有0,l与l 异号,物像虚实相反,因此 代入成像公式求得 72例2：凹面反射镜的半径为40cm，物体放在何处可产生放大两倍xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！xiexie!谢谢！