第一章几何光学基本定律和成像概念

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1、工程光学信息科学与技术学院授课教师：王颖一、绪论学习工程光学的意义及其应用工程光学的分类工程光学内容作业及考试参考书目联系方式参考书目教材：工程光学机械工业出版社（一、二版均可）现代光学测试技术及应用光电检测技术激光原理及应用作业及考试平时作业和实验：30%，期末考试：70%E-mail：wangying@mail.buct.edu.cn实验室：科技大厦610房间1.工程光学的应用光学仪器棱镜、望远镜、显微镜、照相机，光纤、激光器等医学领域医学领域应用B超、CT、MRI等影像学手段进行疾病诊断。航空航天领域雷达

2、图像、红外图像、遥感图像，月球火星探测机器人传感元件光敏电池、光电二级管等数字化技术CCD摄像机、机器视觉和图像处理1.工程光学的应用其它应用激光、光纤、色谱光学测量光学器件测量，光学特性参数测量，相关光学衍生测量技术。光电测量光学和电子学以及计算机结合起来，发展成为新的检测手段，作为对传统检测手段的扩充，可以测量以往测试手段难以测量的量，提高测量的精度，进一步拓展人们改造自然和认识自然的领域。军事领域导弹制导、夜视系统、无人驾驶飞机等2.工程光学的分类分为几何光学和物理光学两部分。几何光学以光线为基础、用几何

3、方法来研究光在介质中的传播规律以及光学系统的成像特性。物理光学以电磁学理论为基础，研究光的波动性和粒子性。3.工程光学的学习内容几何光学：几何光学的基本定律和成像理想光学系统实际光学系统及光路计算典型的光学系统物理光学光的电磁理论基础光的干涉现象光的衍射现象光的偏振和量子性第一章几何光学基本定律和成像概念几何光学：以光线为基础、用几何方法来研究光在介质中的传播规律以及光学系统的成像特性。1.几何光学的基本定律2.成像的基本概念3.光路计算及光学成像系统4.球面光学成像系统1.1几何光学的基本定律一、基本概念1.

4、光波本质：电磁波，波长：400~760nm（可见光）传播速度（真空）c=3Χ108m/s，在介质中：传播速度小于光速，速度大小和波长有关。可见光：单色光和复色光2．光源和发光点发光点：辐射光能量的几何体。光源：能够辐射光能量的物体，由多个发光点组成。光线：由发光点发出的光抽象为能够传输能量的几何线，光线方向代表了光的传播方向。1.1几何光学的基本定律一、基本概念3．波面和光束波面：某一时刻振动位相相同的光点构成的曲面称为波阵面。在各向同性介质中波面上某点的法线方向即为光的传播方向，光的传播即为光波波阵面的传播。

5、波面分类：平面波、球面波和任意曲面波。光束：波面法线为光线，与波面对应的所有光线的集合称为光束。平面光波与平行光束球面光波与发散光束球面光波与会聚光束1.1几何光学的基本定律1光的直线传播定律在各向同性的均匀介质中光沿直线进行传播。当光经过小孔或狭缝时不遵循该定律，发生衍射现象。注意：不能解释光的衍射现象。2光的独立传播定律从不同光源发出的光线在空间某点相遇时彼此互不影响，各光束独立传播。注意：光强和方向，不能解释光的干涉现象。描述光在同一介质中的传播规律3反射定律定义：当光在不同的介质中传播时，在分界面处会发

6、生折射和反射。几个概念入射光线，折射光线，反射光线，法线，入射角、折射角，反射角反射定律入射光线，反射光线和法线在同一平面内；入射角和反射角绝对值相等，符号相反，入射光线和反射光线位于法线的两侧。光的反射定律物观察者（接收器）平面镜挡板法线虚像4.折射定律折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内，折射角的正弦与入射角的正弦之比和入射角的大小无关，取决于两种介质折射率的大小。折射率：表征透明介质光学特性，用来描述介质中光速减慢程度的物理量注意：光路具有可逆性注意概念：相对折射率和绝对折射率。光的折射定律介质2介

7、质1分界面物像只与两种介质有关5.光的全反射现象定义：在一定条件下，入射到介质上的光全部反射回原来的介质，没有折射光产生。概念：临界角，光疏介质，光密介质临界角计算：折射角等于90°时对应的入射角全反射产生的条件：光线从光密介质射向光疏介质；入射角大于临界角。全反射条件：光密介质到光疏介质入射角大于临界角全反射棱镜改变光的传播方向倒转棱镜全反射应用实例单根光纤不能传输图像依靠集束光线传输图像光纤的全反射和对图像的传播全反射应用实例光学系统的尺度远大于光波的波长。介质是均匀和各向同性的。光强不是很大。！！几何光学

8、定律成立的条件6.费马原理（最短光程原理）光程s：光在介质中传播的路程和该介质折射率的乘积。可见光在某种介质中的光程等于同一时间内在真空中所走过的几何路程内容：光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次折射或反射，光程为极值，光是沿着光程为极值的路径传播的。解释：在均匀介质中光线沿直线方向传播，在非均匀介质中，光不再沿直线传播，折射率n为空间位置的函数，其光程应有极值。7.马吕斯定律光线