工程光学基础教程教学课件ppt作者郁道银谈恒英第一二章优质PPT.ppt

1、光在非均匀介质中传播时，光线传播的路径为曲线，也不再是直线。,21292B,（二）光的独立传播定律,不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播，这就是光的独立传播定律。在各光束的同一交会点上，光的强度是各光束强度的简单叠加，离开交会点后，各光束仍按原来的方向传播。光的独立传播定律没有考虑光的波动性质。当两束光是由光源上同一点发出、经过不同途径传播后在空间某点交会时，交会点处光的强度将不再是二束光强度的简单叠加，而是根据两束光所走路程的不同，有可能加强，也有可能减弱。这就是光的“干涉”现象。,21292B,（三）光的折射定律与反射定律,图1-3光的反射与折射,21292B,（

2、四）光的全反射现象,图1-4光的全反射现象,21292B,（四）光的全反射现象,图1-5全反射等腰直角棱镜,21292B,（四）光的全反射现象,图1-6光纤的全反射传光原理,21292B,（五）光路的可逆性原理,在图1-3中，若光线在折射率为n的介质中沿CO方向入射，由折射定律可知，折射光线必定沿着OA方向出射。同样，如果光线在折射率为n的介质中沿BO方向入射，则由反射定律可知，反射光线也一定沿OA方向出射。由此可见，光线的传播是可逆的。这就是光路的可逆性原理。,21292B,三、费马原理,图1-7非均匀介质中的光线与光程,21292B,四、马吕斯定律,在各向同性的均匀介质中，光线为光波的法线

3、，光束对应着波面的法线束。马吕斯定律描述了光经过任意多次折、反射后，光束与波面、光线与光程之间的关系。马吕斯定律指出，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。这种正交性表明，垂直于波面的光线束经过任意多次折、反射后，无论折、反射面形如何，出射光束仍垂直于出射波面。,21292B,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二、完善成像条件三、物、像的虚实,21292B,一、光学系统与成像概念,图1-8共轴光学系统及其完善成像,21292B,二、完善成像条件,图1-8所示为一共轴光学系统，由O1、O2、Ok等k个

4、光学面组成。轴上物点A1发出一球面波W（与之对应的是以A1为中心的同心光束），经过光学系统后仍为一球面波W，对应的是以球心Ak为中心的同心光束，Ak即为物点A1的完善像点。光学系统成完善像应满足的条件为：入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。由于球面波对应同心光束，所以完善成像条件也可以表述为：入射光为同心光束时，出射光亦为同心光束。根据马吕斯定律，入射波面与出射波面对应点间的光程相等，则完善成像条件用光程的概念可以表述为：物点A1及其像点Ak之间任意二条光路的光程相等,21292B,三、物、像的虚实,图1-9物、像的虚实,21292B,第三节光路计算与近轴光学系统,一、基本概念与符号规则二

5、、实际光线的光路计算三、近轴光线的光路计算,21292B,一、基本概念与符号规则,1）沿轴线段（如L、L和r）：规定光线的传播方向自左至右为正方向，以折射面顶点O为原点，由顶点到光线与光轴交点（A、A）（或顶点到球心（C）的方向和光线传播方向相同时取正，相反时取负。2）垂轴线段（如光线矢高h）：以光轴为基准，在光轴上方为正，在光轴下方为负。3）光线与光轴的夹角（如U、U）：用由光轴转向光线所形成的锐角度量，顺时针为正，逆时针为负。4）光线与法线的夹角（如I、I和I）：由光线以锐角方向转向法线，顺时针为正，逆时针为负。5）光轴与法线的夹角（如）：由光轴以锐角方向转向法线，顺时针为正，逆时针为负。

6、6）相邻两折射面间隔（用d表示）：由前一面的顶点到后一面的顶点，顺光线方向为正，逆光线方向为正。,21292B,一、基本概念与符号规则,图1-10光线经过单个折射球面的折射,21292B,二、实际光线的光路计算,图1-11轴上点成像的不完善性,21292B,三、近轴光线的光路计算,在近轴区内，对一给定的l值，不论u为何值，l均为定值。这表明，轴上物点在近轴区内以细光束成像是完善的，这个像通常称为高斯像。通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯像面，其位置由l决定。这样一对构成物像关系的点称为共轭点。,21292B,第四节球面光学成像系统,一、单个折射面成像二、球面反射镜成像三、共轴球面系统,21

7、292B,第四节球面光学成像系统,图1-12近轴区有限大小的物体经过单个折射球面的成像,21292B,一、单个折射面成像,（一）垂轴放大率（二）轴向放大率（三）角放大率,21292B,（一）垂轴放大率,1）若0，即y与y同号，表示成正像；反之，y与y异号，表示成倒像。2）若0，即l和l同号，物像虚实相反；反之，l和l异号，表示物像虚实相同。3）若1，则yy，成放大的像；反之，yy，成缩小的像。,21292B,（二）轴向放大率,轴向放大率表示光轴上一对共轭点沿轴向的移动量之间的关系，它定义为物点沿光轴作微小移动dl时，所引起的像点移动量dl与物点移动量dl之比，用表示轴向放大率,21292B,（

8、三）角放大率,实际光学系统在近轴区成像时，在物像共轭面内，物体大小y、成像光束的孔径角u和物体所在介质的折射率n的乘积为一常数，该常数J称为拉格朗日-赫姆霍兹不变量，简称拉赫不变量。拉赫不变量是表征光学系统性能的一个重要参数。,21292B,二、球面反射镜成像,（一）物像位置关系（二）成像放大率,21292B,（一）物像位置关系,图1-13球面镜的成像a）凹面镜成像b）凸面镜成像,21292B,（二）成像放大率,此时球面镜成倒像。由于反射光线与入射光线的孔径角相等，即通过球心的光线沿原光路反射，仍会聚于球心。因此，球面镜对于球心是等光程面，成完善像。,21292B,三、共轴球面系统,（一）过渡

9、公式（二）成像放大率,21292B,（一）过渡公式,图1-14共轴球面光学系统的成像,21292B,（二）成像放大率,三个放大率之间的关系仍有=。因此，整个光学系统各放大率公式及其相互关系与单个折射球面完全相同。这充分说明，单个折射球面的成像特性具有普遍意义。,21292B,第二章理想光学系统,21292B,第二章理想光学系统,第一节理想光学系统与共线成像理论第二节理想光学系统的基点与基面第三节理想光学系统的物像关系第四节理想光学系统的放大率第五节理想光学系统的组合第六节透镜,21292B,第一节理想光学系统与共线成像理论,图2-1过光轴的截面,21292B,第一节理想光学系统与共线成像理论,

10、图2-2垂直于光轴的P、P截面,21292B,第一节理想光学系统与共线成像理论,图2-3两对共轭面已知的情况,21292B,第一节理想光学系统与共线成像理论,图2-4一对共轭面及两对共轭点已知的情况,21292B,第二节理想光学系统的基点与基面,一、无限远的轴上物点和它对应的像点F二、无限远轴上像点对应的物点F三、物方主平面与像方主平面间的关系四、实际光学系统的基点位置和焦距的计算,21292B,一、无限远的轴上物点和它对应的像点F,（一）无限远轴上物点发出的光线（二）像方焦点、焦平面；像方主点、主平面；像方焦距（三）无限远轴外物点发出的光线,21292B,一、无限远的轴上物点和它对应的像点F

11、,图2-5h、L和U的关系,21292B,（二）像方焦点、焦平面；像方焦距,图2-6理想光学系统的像方焦点,21292B,（三）无限远轴外物点发出的光线,图2-7理想光学系统的像方参数,21292B,（三）无限远轴外物点发出的光线,图2-8无限远轴外物点发出的光束,21292B,二、无限远轴上像点对应的物点F,图2-9理想光学系统的物方参数,21292B,二、无限远轴上像点对应的物点F,图2-10两主面间的关系,21292B,三、物方主平面与像方主平面间的关系,图2-11理想光学系统的简化图,21292B,四、实际光学系统的基点位置和焦距的计算,（1）三片型照相物镜的结构参数（2）为求物镜的像

12、方焦距f、像方焦点F的位置及像方主点H的位置，可沿正向光路。（3）为求物镜的物方焦距f、物方焦点F及物方主点H的位置，原则上要作反向光路计算。,21292B,四、实际光学系统的基点位置和焦距的计算,图2-12三片型照相物镜,21292B,（1）三片型照相物镜的结构参数,21292B,（2）为求物镜的像方焦距f、像方焦点F的位置及像方主点H的位置，可沿正向光路,为求物镜的像方焦距f、像方焦点F的位置及像方主点H的位置，可沿正向光路,21292B,（3）为求物镜的物方焦距f、物方焦点F及物方主点H的位置，原则上要作反向光路计算。,图2-13左右倒置的三片照相物镜,21292B,第三节理想光学系统的

13、物像关系,一、图解法求像二、解析法求像三、由多个光组组成的理想光学系统的成像四、理想光学系统两焦距之间的关系,21292B,一、图解法求像,（一）对于轴外点B或一垂轴线段AB的图解法求像（二）轴上点的图解法求像（三）轴上点经两个光组的图解法求像,21292B,（一）对于轴外点B或一垂轴线段AB的图解法求像,图2-14作图法求像,21292B,（二）轴上点的图解法求像,图2-15作图法求光线,21292B,（二）轴上点的图解法求像,图2-16作图法求光线,21292B,（三）轴上点经两个光组的图解法求像,图2-17轴上点经两个光组成的像,21292B,二、解析法求像,（一）牛顿公式（二）高斯公式

14、,21292B,（一）牛顿公式,图2-18牛顿公式中的符号意义,21292B,（二）高斯公式,物和像的位置也可以相对于光学系统的主点来确定。以l表示物点A到物方主点H的距离，以l表示像点A到像方主点H的距离。l和l的正负以相应的主点为坐标原点来确定，如果由H到A或由H到A的方向与光线传播方向一致，则为正值，反之为负值。,21292B,三、由多个光组组成的理想光学系统的成像,图2-19过渡关系,21292B,三、由多个光组组成的理想光学系统的成像,图2-20两焦距的关系,21292B,四、理想光学系统两焦距之间的关系,在理想光学系统中，除前已述及的垂轴放大率外，还有两种放大率，即轴向放大率和角放大率。,21292B,第四节理想光学系统的放大率,一、轴向放大率二、角放大率三、光学系统的节点四、用平行光管测定焦距的依据,21292B,一、轴向放大率,根据前面的讨论知道，对于确定的理想光学系统，像平面的位置是物平面位置的函数，具体的函数关系式就是高斯公式（2-5）和牛顿公式（2-3）。当物平面沿光轴作一微量的移动dx或dl时，其像平面就移动一相应的距离dx或dl。通常定义两者之比为轴向放大率，用表示,21292B,二、角放大率,