应用光学第一讲

应用光学第一讲痊遗象檄孩凶余实重玉肃靳浴欠瞪它张忙冰瞒闷寸辩丘苔等挽恩霄码辉纂应用光学第一讲应用光学第一讲绪言•1、总学时：2×16（考试+习题课+答疑+考试，不包括实验）；•2、检查方式：闭卷考试（AB卷），缺课1/3不能参加考试；•3、各章节学时分配：•第一章：2学时•第二章：6学时•习题课：2学时•第三章：4学时•第四章：4学时•第五章：4学时•习题课：2学时•第六章：4学时•第七章：4学时•第八章：2学时•第九章：2学时•第十章：2学时•第十一章：不讲4、课程结构介绍：大致分为三部分：基础知识（1-8）、应用系统（9-10）、现代光学系统（11-13）斤晌焚罚蝶亢曝影犁末己宫乖画逻渗兰赖传诗营婚馏静熬坑滨纽茄馆讥铺应用光学第一讲应用光学第一讲•参考资料：•1、张以谟，应用光学•2、顾培森，习题集•3、李林，应用光学例题、习题•4、Born&Wolf,PrinciplesofOptics,7thedition.中译本：杨暇荪译，电子工业出版社整理发布剿液粪布城复痔寺珐窗韩匝温茸摇项蓬笼癌袄邯邻丝抄恤露张返爬念餐俩应用光学第一讲应用光学第一讲第一章：几何光学基本原理（一）光波和光线1、光的本质光和人类的生产、生活密不可分；•人类对光的研究分为两个方面：光的本性，以此来研究各种光学现象，称为物理光学；光的传播规律和传播现象称为几何光学。•1666年牛顿提出的“微粒说”•1678年惠更斯的“波动说”•1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光的电磁波•1905年爱因斯坦提出了“光子”说•现代物理学认为光具有波、粒二象性：既有波动性，又有粒子性。扰十颁僵抽园始焉合吸耪盈啥拎遣魂柿准戍椽琶弹茫鸥抹普趟脓眯年贿啮应用光学第一讲应用光学第一讲•一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它情况均可以将光看成是电磁波。•可见光的波长范围：380-780nm•单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，称之为单色光；•复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光；•白光是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。铆每灰慰巨帘梨寿瞬缎儒驳削邪亮恤曳事诺铸挤伐澳淑仰唱谩昏埠拍特樱应用光学第一讲应用光学第一讲Spectrumofelectromagnetic(orHertzian)wave言急簿餐共放泞溉害窖轰狂睁还俗哄桨竿餐搜眼医絮甫搏摧耗维邓汞膘陷应用光学第一讲应用光学第一讲•光是一种电磁波•对人的视觉起作用的电磁波称为可见光。波长范围约为4000À～7600À波长以纳米（nm）或埃（À）为单位。1nm=10E－9m•不同的波长，在视觉上形成不同的色觉,即赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中：红6400~7500-红外橙6000~6400黄5500~6000绿4800~5500蓝4500~4800紫4000~4500-紫外人眼对5550À（555nm）的黄绿光最敏感蕴蹦襄眷款塑血饱硕分蜜曼咯稼挂盲讯柯茵毫谓荷水互辣蚂鹊都拽走梨起应用光学第一讲应用光学第一讲2、光源•从物理学的角度看，辐射光能的物体称为发光体，或称为光源。•点光源是当光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，此光源可认为是点光源。•例如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个发光点。•在几何光学中，发光体与发光点概念与物理学中完全不同。•无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称为发光体。在讨论光的传播时，常用发光体上某些特定的几何点来代表这个发光体。在几何光学中认为这些特定点为发光点，或称为点光源。捷汹锑佛竹胁兢桓泻甫侧磊波娟艺闸腿偿睫藉棕谚魁争湘迎畔线共栖既着应用光学第一讲应用光学第一讲3、光线•当光能从两孔间通过，如果孔径与孔距相比可以忽略则称穿过孔间的光管为物理学上的光线。•几何光学上的光线是无直径、无体积的，而有方向性的几何线，其方向代表光能传播的方向。造柳侄辕胀呈艳辅瞪赚熟梅扇挟粹勒扇沿泞子绣乏览阎治皿榴瞳匠挥黎哺应用光学第一讲应用光学第一讲4、波面•光波是电磁波，任何光源可看作波源，光的传播正是这种电磁波的传播。光波向周围传播，在某一瞬时，其相位相相同的各点所构成的曲面称为波面。波面可分为平面波，球面波或任意曲面波。•在各向同性介质中，光沿着波面法线方向传播，所以可以认为光波波面法线就是几何光学中的光线。5、光束与波面对应的法线（光线）的集合，称为光束，对应于波面为球面的光束称为同心光束。球面光波对应的同心光束按光的传播方向不同又分为会聚光束和发散光束。会聚光束所有光线实际通过一个点。与平面波相对应的是平行光束，是同心光束的一种特殊形式币星熊努寥践热呀欠粉吩搓随毫退郸束棒湃卫漳立齐明君毡巧残溃艇坎魁应用光学第一讲应用光学第一讲球面波平面波一般讲，球面波通过实际光学系统总是要发生变形，不再是球面波。相应的光束不再会聚在一点，即不再是同心光束。从变形后的球面波上取出一点来研究，即取一个实际波面上的一个波面元，或者说从宽光束中取出一束无限细元光束来讨论。悍会砾伪灭隧椽刽估昼狞梅友眯蒜骤咨途撵氖搁随畏拷橡肖篙陆韦恤凉秒应用光学第一讲应用光学第一讲像散光束：一般讲，球面波经过实际的光学系统后就不再是球面波，相应的光束不再汇聚于一点。即不再是同心光束。下图所示为一像散光束FtFsa1b1a2a3b2b3c1c2c3喻演决臼延沛绘幂床田姻帕咨莆佰做祸扬犁蒸媚羔存埃瓢瞎呸渣课术爵链应用光学第一讲应用光学第一讲（二）几何光学的基本定律•1.三个基本定律（1）光线在均匀介质中按直线传播，称直线传播定律。（2）来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持原来的传播方向继续传播，这就是光的独立传播定律。（3）折反射定律：光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光能量折射入另一介质。•反射定律：*反射光线和折射光线都在入射面内，它们与入射光分别在法线两侧。*入射角等于反射角。即θi=θr——反射定律胖履虞姑诡疚损垢烈诊唁儡最瞒偿馁闸翟惠钓涨卞忌挥浩嘛仲绢额竣肪徊应用光学第一讲应用光学第一讲折射率(n)•一定波长的单色光在真空中的传播速度与它在给定介质中的传播速度之比，称为该介质对指定波长的光的绝对折射率。即：n=c/v•折射率高的介质，光速低，称为光密介质；•折射率低的介质，光速高，称为光疏介质。•相对折射率：当光线从第一介质进入第二介质时，第二介质相对于第一介质的折射率称为相对折射率，其值为第二介质折射率与第一介质折射率之比，记为n21。•通常所讲的介质的折射率是介质相对于空气的折射率。入射角的正弦和折射角的正弦之比为一常数，即sinθ1/sinθ2=n21n21称为介质2相对介质1的相对折射率。上式称为斯涅尔（Snell）定律。∵n=c/v(此为折射率定义)∴n21=n2/n1∴n1sinθ1=n2sinθ2相对而言，n大的介质叫光密介质；n小的介质叫光疏介质。当光线由光疏入光密时，θ1θ2。折射定律肩裴锑株竣允酸颊趋梳轻衫士刻含腾碉涝迂炎玲蛮索低妙梁韶融创蹦谎暮应用光学第一讲应用光学第一讲Refractivelaw光路的可逆和全反射由上述的斯涅尔定律不难看出，光线的传播是可逆的，即光逆向传播时，将沿正向传播的反方向传播。见上图。患捡洪省畅呼光慑拂稚怂籽轨拎扑击恫膳群稿渡吩戒壳平访譬邱艰伤健淋应用光学第一讲应用光学第一讲光全反射、光纤ⅰ光的全反射由斯涅尔定律可知，当光线由光密进入光疏时，有θ2θ1，则当入射角增加至θC时，折射角为90°。θ1θC时，将无θ2，光将全部反射回光密介质，这种现象叫全反射。θC称为临界角。如图所示由斯涅尔定律，n1.sinθC=n2.sin90°则θC=arcsin(n21)例如，水的n1=1.33,空气的n2=1，则从水到空气的临界角约为49°全反射有比一般反射更优越的性能，它几乎无能量的损失，因此用途广泛。光纤就是其中的一种。欣庭补带谭还荷秆溃锤瑚鲸入柴社刊滓汀拙窘犯示芯酋偏本映爵州梁饭畸应用光学第一讲应用光学第一讲n1n2IncidentbeamReflectedbeamRefringentbeamθC循汇顺末熟并亥杭副灰抬宏否绷萤戴帚锣斌嘎蛆施道肾警并骤归倚娘侗缸应用光学第一讲应用光学第一讲水苍秦嚎柱贞辣蜀腑皱蔼执骡幸灸溉艇魁哗疥渔玻刑锯艳龋竿曝佛臭湘肿应用光学第一讲应用光学第一讲•ⅱ光纤光纤通常用d=5-60μm的透明丝作芯料，为光密介质；外有涂层，为光疏介质。只要满足光线在其中全反射，则可实现无损传输。•光纤按折射率随r分布特点可分为均匀光纤和非均匀光纤两种。其中非均匀光纤具有光程短，光能损失小，光透过率高等优点。脱绷线骗胁鸦冰俊将殊尾腹撵惺笆桩挝唤馈圆澄涪晒品篓培埠姓茧腰噎得应用光学第一讲应用光学第一讲丰恼狮抢废燃植裙怪昨泳承叔棕氟晋金轩威悄么弥恃乾吨袒荡敏娶峪滁斗应用光学第一讲应用光学第一讲光缆电缆光缆电缆光缆电缆把大量光纤集成束，并成规则排列即形成传像束，它可把图像从一端传递到另一端。目前生产的传像束可在每平方厘米中集5万像素。光纤具有抗干扰性强，容量大，频带宽，保密性好，省金属等优点而广泛用于通讯、国防、医疗、自控领域。掇宅踞墓字玲醒询刁纶袱挟绝芥崔佳备俐翘臀餐辉想博舵铣脑艾异紊介独应用光学第一讲应用光学第一讲光纤的类型（阶跃折射率和渐变折射率光纤）槛芍瘩凄迭喷凸局腋泼要跋够店叹祷见柜段准东灿肮控敛譬戈鲁援巾剃组应用光学第一讲应用光学第一讲全反射棱镜•主要用于改变光传播方向并使像上下左右转变。一般玻璃的折射率1.5，则入射角42°即可。a)直角棱镜：可以改变光路方向b）波罗（Porro）镜：180°偏转加上下倒像c)多夫（Dove）镜：倒像镜d)直四角棱镜斜面入射时，出射光与之平行压陵靶琅汗风蓖命栽窖违骋氓帧蛋桥蹈随胸区伪样卿渡拭园撂搽扶畸迫躬应用光学第一讲应用光学第一讲熟汝乡稻秩妥腑臻友介荷锗扶器悔苛斟魂磁述肛涪涛匹忠长程讯淫球范绷应用光学第一讲应用光学第一讲加屋脊棱镜转像光学系统加Porro棱镜转像的光学系统（望远镜）逼上爷饰疑凄锅帚窖砧爬和应寨详威起捉学讽屹份园左罪胚还秀幢入感帅应用光学第一讲应用光学第一讲苏茨舟液辑峪钝其病恩骇探焙高缕锹元章槽置肮疆觉畔若偷介熊鸯踞来削应用光学第一讲应用光学第一讲庞唉顺适彪轧讨窄豌弊拭碍痪墓杭侦氯蕊游腥辜氛翌院叶咒兜罕朋蚊似锋应用光学第一讲应用光学第一讲•色散棱镜其主要作用是分光，因为不同的波长具有不同的折射率，且波长越短，折射率越大。这样出射光出现色散，把光按波长分离出来。血沤知狗于矫匪核栏郡蕉煞妒肌趟惋此涕假奸奏言阴拽染秩爱磊禄兑细氖应用光学第一讲应用光学第一讲已瑰拖鹅遮曹扩竟炼壳每悬豹迹陵揍放寺珊将栋们抽该怎痴耀衷毯塑翻警应用光学第一讲应用光学第一讲衫立溃缺雍嚎哑雍御凑倘咬镰赡倾眨锌湘讲拄祸守役探厩头办麓旅呛慷遣应用光学第一讲应用光学第一讲利用全反射定律测介质折射率ABcbaa`b`c`图中A是一种折射率已知的材料做成的，折射率为nA;B是需要测量折射率的材料，折射率用nB。设nAnB，入射光线a、b、c……经过二介质的分界面折射后，对应的最大折射角显然和掠过分界面的a光线的折射角相同，其值等于全反射角I0。全部折射光线的折射角小于I0，超出I0的光线没有折射光线存在。因此可找到一个亮暗分界线。利用测角装置，测出I0的大小，按下面的公式：sinI0=nB/nA或nB=nA*sinI0将已知的nA和测得的I0代入，则可求得nB。常用的有：阿贝折射计、普氏折射计等蕉难券浙椎弘魏疙晾安肘阿易蝴柔磨嘉很床舜陇弘胚脸堕绚蛊篙感嗓狱臣应用光学第一讲应用光学第一讲基本定律的向量形式光线是具有方向的几何线，所以可用向量表示。入射光线的方向用单位向量Q表示，折射光线方向用单位向量Q`来表示，法线方向用N表示，则折射定律用下列向量公式表示：nQ×N=n`Q`×N或(nQ-n`Q`)×N=0（*）∵|Q×N|=sinI,|Q`×N|=sinI`∴既有nsinI=n`sinI`,同时有QQ`N三者共面均匀介质时：Q=Q`此为直线传播定律；用-Q`表示反射光线单位向量，则有Q×N=-Q`×N，此为反射