光学基本知识讲座

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光学基本知识,几何光学基本知识,一.基本概念,发光点,光线,光束,二.光线传播的基本定律,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,1.光的直线传播定律,在各向同性的均匀介质中，光在两点之间沿直线传播,2.光的独立传播定律,以不同途径传播的光，同时在空间某点相遇时，彼此互不影响，各自独立地传播,3.光的折射定律,折射光线与入射光线在同一平面内，折射角与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两介质的性质决定,当压力、温度和光的波长一定时，其比值为常数：,nSin(I)=nSin(I),4.光的反射定律,反射光线与入射光线和法线在同一平面内，入射光线与反射光线分别位于法线的两侧，与法线夹角相同,I”=-I,光的全反射,当光线由光密介质向光疏介质传播时，根据折射定律可知，因,nI,当,SinI,m,=n/n,时，这些光线不再折射到另一介质，而按反射定律在界面上被全部反射,三.物像的基本概念,1.光学仪器和激光头的光学系统都由一系列折射面和反射面组成,2.光轴：各个表面的曲率中心均在同一直线上的光学系统称为共轴光学系统，这条直线称为光轴,物像的基本概念,3.成像：以,A,为顶点的入 射光束经光学系统一系列表面折射和反射后，变为以,A,点为顶点的出射光束，称,A,为物点，,A,为像点，,A,为物点,A,的像；,物所在的空间称为物空间,像所在的空间称为像空间,物像基本概念,4.同心光束与光程,一个发光点或实物点总是发出同心光束，,它与球面波相对应,一个像点如果由对应的同心光束汇聚而成，这样的像点称为完善像点,要成为完善像点，必须使入射波面与出射波面之间光程是相等的：,n,d=const,n,介质折射率,d,光线所经过的实际长度,四.材料与色散,光学成像要通过光学零件的折射和反射来实现的。,1.透射材料：光学玻璃和光学塑料。材料主要特性有：,各特征谱线的折射率,各谱线的透过率,光学稳定性,化学稳定性,另外，还有均匀性、气泡、条纹、划伤、麻点等,2.反射材料：在反射表面镀上高反射率的薄膜,主要的反射膜材料：铝、银,光的色散,介质的折射率对不同波长（颜色）的光波是不同的,目视仪器用人眼观察，,黄光（,Na）D 589.3nm,青光（,H）F 486.1nm,红光（,H）C 656.3nm,D,对人眼最敏感,F、C,位于人眼灵敏极限的两端,由于白光是各色光混合而成，经棱镜折射，因不同波长的折射率不同而出现分光现象。长波的红光在上，短波的紫光在下。这就是色散。,五.理想光学系统,1.定义：理想光学系统就是能对任意宽空间内的点，以任意宽的光束成完善像的光学系统，理想系统是能与系统等价的抽象模型。它主要描述为：,1）物空间的中的一点对应与像空间中唯一的一点，这一对点称为共轭点；,2）物空间中的一条直线对应与像空间中唯一的一条直线，这一对直线称为共轭线；,3）如物空间中一点位于直线上，其在像方空间中的共轭点必位于该直线的共轭线上。,此假设1841年由高斯建立，故称为高斯光学。,2.理想光学系统的基点、焦距,平行于光轴的入射光线,AE,经系统后，沿,GF,方向射出，交于像方,F,点，沿光轴入射的光线经系统后仍沿光轴出射。由于像方的出射光线,GF,和,O,k,F,分别与物方的入射光线,AE,1,和,FO,1,共轭，故像方,F,点在物方的共轭点必是光线,AE,1,、,和,FO,1,的交点，它位于左方无穷的光轴上，故,F,即为无穷远轴上点的像，称为光学系统的像方焦点。,理想光学系统的基点、焦距,如以相反方向作一平行于光轴的光线，可得到一个与光轴的焦点F,称为光学系统的物方焦点。,理想光学系统的基点、焦距,像方焦平面：过像方焦点,F,的垂,轴平面,物方焦平面：过物方焦点,F,的垂,轴平面,像方主点：像方主面与光轴的交,点,物方主点：物方主面与光轴的交,点,像方焦距：像方主点到像方焦点,的距离,物方焦距：物方主点到物方焦点,的距离,3.物像位置、放大率,物像位置：可相对于焦,点或主点来定义,如图所示，,以焦点来定义的物像公式是：,xx=ff,以主点来定义的物像公式是：,1/l-1/l=1/f,物像位置、放大率,根据上面的成像关系式，可以导出物像,之间放大倍率的计算公式,1）横向放大率：,=l/l,2)轴向放大率：,=(n/n),3),角放大率：,=n/n/,4.光学系统的图解求像,光学系统的位置确定后，对于任何位置的点、线、面可以方便地用作图法求出其像方共轭的点、线、面。,图解方法的原理是应用光学系统基点和基面的性质，主要是：,1.平行于光轴的光线，经系统后通过像方焦点；,2.通过物方焦点的光线，经系统后平行于光轴；,3.光线与主面的交点，其高度相同；,4.倾斜于光轴的平行光束，经系统后汇交于像方焦面。,等等,5.透镜,透镜：由两个折射面所限定的透明体，它,是构成光学系统最基本的元件。,透镜根据其不同的光学特性可分为：,1.凸透镜：中心厚度大于边缘厚度，,f 0,具有正,光焦度，对光束起会聚作用,2.凹透镜：中心厚度小于边缘厚度，,f 0,具有正 光 焦度，,对光束起会聚作用,2.凹透镜：中心厚度小于边缘厚度，,f 0,具有负光焦度，,对光束起发散作用,6.光学系统中光束的限制,任何光学系统除了要实现一定的放大倍率和物像距要求外，还要求有一定的成像范围和以一定孔径角的光束来成像。,1.孔径光阑：限制成像光束的立体角典型的孔径光阑，如照相机的光圈，它常用相对孔径或数值孔径来表述；,2.视场光阑：限制物平面或物空间能被系统成像的范围。,光学基本知识,第二部分 像差知识,像差知识介绍,像差：由光线传播定律决定，从光路实 际计算表明，,任意组合的光学系统只能对近轴物点以细光束,成像。随着视场和孔径的增大，成像光束的同,心性将遭到破坏，产生各种成像缺陷。这种成,像缺陷就是像差。,像差分类：,对单色光：球差、彗差、象散、场曲、畸变,对多色光：位置色差、倍率色差,1.球差,由轴上一点发出的光线经球面折射后所得的截距,L,随入射光线与光轴夹角,U,或入射光线在球面上的入射点的高度而异，原来的同心光束将不复为同心光束。不同倾角的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点位置有不同的偏离。这就是单色光成像缺陷之一球差，它是轴上点像差。,L,=L-l,2.彗差,定义两个平面,1。子午平面：入射光线和光轴组成的平面,2。弧矢平面：通过入射光线并垂直于子午平面的平面,为方便起见，彗差分为子午彗差和弧矢彗差，分别对应于子午平面和弧矢平面内不同光线对的成像缺陷。,子午,彗差,子午彗差：,轴外点,B,发出三条子午光线,Ba、Bp、Bb，,它们在球面上的入射点相对于辅轴有不同的高度，使原本对称于主光线的上下光线经球面折射以后失去了对称性，交点,Bt,相对于主光线有一偏离量,Kt，,它的大小反映了子午光束失对称的程度，称为子午彗差。,Kt=1/2,(y,a,-y,b,)-y,p,弧矢,彗差,弧矢,彗差：,类似地，对于,弧矢平面上具有相同孔径的一对弧矢光线，由于它们对称于子午平面，经球面折射后交于辅轴上，这一对光线交点,Bs,同样偏离主光线，其偏离量用,Ks,表示，称为弧矢,彗差。,3.像散和场曲,像散：,随着视场的增大，远离光轴的物点，即使是主光线周围的细光束成像也会明显地失去对称性，在不同方向上有不同的曲率，其曲率随方向而渐变，分别形成子午像点和弧矢像点。,两个像点之间的距离就用来描述像散的大小。,x,ts,=x,t,-x,s,场曲：,即使子午像点和弧矢像点重合，但像面仍然弯曲，这就是场曲。,4.畸变,理想光学系统，一对共轭面上的放大率是常数。,实际光学系统，当视场变大时，像的放大率随视场而变，使像相对于物体失去了相似性，这种使像变形的成像缺陷称为畸变。,y/y,0,=(y,p,-y,0,)/y,0,100%,无畸变,枕形,桶形,5.色差,色差：,由于同一介质对不同颜色的光有不同的折射率，所以在成像时，不同颜色的光成像在不同的位置，且具有不同的放大倍率。,色差分类：,1.位置色差,2.倍率色差,位置色差,表述轴上点用不同色光成像时，其像点的位置差异。,由于色差的存在，光轴上一点即使以细光束成像也得不到清晰的像。它的值用下式描述：,l,ch,=l,F,-l,C,倍率色差,不同色光有不同的折射率，各色光焦距不等，所以对同一物体成像大小也不等，这就产生了倍率色差，其值用下式表征：,y,ch,=y,F,-y,C,6.波像差,上面所提到的像差均以光线为讨论基础的，统称为几何像差。,光是电磁波，光线是波面的法线。如光学系统是理想的，经系统形成一个新的球面波，但实际上，由于光学系统存在成像缺陷，不可避免地使波面变了形，这个变了形实际波面与相对于理想波面的偏离，就是波像差。,7.像质评价,光学系统设计时必须校正像差，如何评判设计质量的好坏就要用适当的方法来进行。,目前最常用的方法有：,1.瑞利判断：实际波面与参考球面之间的最大偏离量，即波像差小于1/4波长时，认为系统是满意的。此法常用于小像差系统，如显微镜物镜；,2.点列图：计算大量光线，在像面上形成弥散图形，即点列图。点的分布代表了能量的分布。可用于分析照像物镜；,3.波像差：以波像差作为像质的评判依据，激光头物镜的设计中常以此为评价标准；,4.光学传递函数：把物的亮度分布函数展开为傅里叶级数或傅里叶积分，光学系统的特性就表现为它对各种频率正弦波的传递和反应能力，于是出现了较全面评价光学系统的新的评价手段-光学传递函数。在照相物镜设计中已得到普遍采用。,光学基本知识,第三部分 波动光学,概述,光通常指人眼所感受到的一定波段的电磁波，即所谓的可见光。其波长范围在390760nm之间，广义地说，光还包括红外线和紫外线。,光既然是电磁波，必定具有波动的基本特征光的干涉和衍射。,一.光的干涉,当两列光波在空间传播时，满足一定条件情况下，在两列光波的交叠区，某些地方振动始终加强，而某些地方振动始终减弱，这就是光的干涉。,两列波相遇时，必须满足下述条件才能发生干涉：,1.频率相同；,2.振动方向相同；,3.具有恒定的相位差。,右图称为牛顿环，是光干涉的典型例子。,二.光的衍射,波在传播过程中，当遇到障碍物就会偏离直线传播的现象，犹如声音可以绕过大墙，无线电波能够跨越高山。光在一定条件下也偏离直线，这就是光的衍射。,右图为单缝衍射的光强分布。,三.光栅,光栅：,实质上就是在空间具有周期性结构的衍射屏。,在透明的平行平板上刻有大量相互平行等宽的刻痕，每毫米几十条到上千条。,第四部分 激光头的光学原理,1.原理：,按功能，光路可分成两部分：,1）入射光路：激光束经光栅分光，又经反射、准直、会聚，在光盘上形成主光斑和,1级光斑；,2）反射光路：光斑经信道调制后，又经系统返回，透过半透半反镜投射在光电探测器上，成为数据信号和误差信号。,光栅,光栅主要参数：,1.光栅常数(栅格周期),d；,2.,缝宽,光栅主要作用：,分光，产生衍射光斑。,2.光头光学设计实例,介绍,TOP 66A,设计方案,