工程光学讲稿(球面)

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1、上篇几何光学与成像理论第一章几何光学基本定律与成像概念第一节几何光学的基本定律第二节成像的基本概念与完善成像条件第三节光路计算与近轴光学系统第四节球面光学成像系统1一、光学-简介光学真正形成一门科学，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。光学-定义光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电磁学中的麦克斯韦方程组描述。同时，光又具有波粒二象性。狭义来说，光学是关于光和视见的科学，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。广义来说，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。2

2、光学-分类人们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。光学-內容几何光学不考虑光的波动性以及光与物质的相互作用，只以光线的概念为基础，根据实验事实建立的基本定律，通过计算和作图来讨论物体通过光学系统的成像规律。它得出的结果通常是波动光学在某些条件下的近似或极限。物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。量子光学量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。3工程光学将光

3、学理论应用在工程领域的学科——工程光学。二、课程的性质、任务和内容工程光学是测控技术与仪器专业必修的技术基础课，在专业培养方案中是非常重要的技术基础课。本课程主要讲授几何光学中的高斯光学理论、典型光学系统实例及应用；物理光学中的干涉、衍射、偏振的光学现象、原理和它们在工程中的应用，通过本课程的学习使学生能够掌握工程光学的基本概念、基本原理，初步掌握测量仪器的光学元件、光学系统的设计，同时为专业课的学习打下一个良好的基础。三、教学的内容及学时安排讲授教材的几何光学和物理光学。课堂教学50学时＋6学时的实验课，总计56学时。4第一章几何光学基本定律与成像概念几何光学的基本定律：光的直线

4、传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律（全反射及其应用）、光路的可逆性、费马原理（最短光程原理）。完善成像条件的概念和相关表述。应用光学中的符号规则，单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴）。单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率β、轴向放大率α、角放大率γ、拉赫不变量等公式。球面反射镜成像共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）。教学内容5重点内容几何光学的基本定律；单个折射球面的符号规定；单个折射球面的物象位置和大小的关系；共轴球面系统的物象位置和大小的关系。教学要求掌握几何光学的基本定律、成象的基本概念；理解完善像的条件；掌握单个折射球面的光线光路计算；掌握

5、球面镜的光学计算。6§1.1几何光学的基本定律一、光波与光线1、光波（1）光是一种电磁波,其在空间的传播和在界面的行为遵从电磁波的一般规律。（2）可见光波长λ为380nm—760nm。对于不同波长的光，人们感受到的颜色不同。（3）光在真空中的传播速度c为：30万公里/秒，在介质中的传播速度小于c，且随波长的不同而不同。宇宙射线Γ射线x射线光波短波中波长波10-1010-810-610-410-211021041061010108λ/μm软x射线真空紫外线紫外线可见光近红外线中红外线远红外线10-3103λ/μm7（4）单色光：具有单一波长的光。（5）复色光：不同波长的单色光混合而成

6、的光。2、光线（1）光源（发光体）：能够辐射光能的物体。如日光灯、太阳、白炽灯、碘钨灯、钠灯、激光器等。当光源的大小与它的作用距离相比可忽略时，此光源可称为点光源或称为发光点。（2）光线：由发光点发出的光抽象为许多携带能量并带有方向的几何线。3、波面：由发光点发出的光波向四周传播时，在某一时刻其振动位相相同的各点构成的曲面。4、光束：与波面对应的法线束。5、光波的分类：平面波、球面波（发散光波和汇聚光波）、任意曲面波非同心光束发散光束会聚光束平行光束8二、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，光是沿直线传播的。92、光的独立传播定律从不同光源发出的光线，以不

7、同的方向经过某点时，各光线独立传播着，彼此互不影响。S1S212一般情况下，在交汇区总光强是两束光单独存在时光强之和。I=I1+I2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为相干分布。103、反射定律和折射定律反射定律：（1）入射光线、反射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面内（2）入射角和反射角的绝对值相等而符号相反，即入射光线和反射光线位于法线的两侧，即：I=-I"折射定律：（1）入射光线、折射光线和分界面上入射点的法线三者在