北京理工大学应用光学课件PPT格式课件下载.ppt

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2、光在两种介质分界面上的传播。

二、几何光学基本定律,1、光线在同一种均匀透明介质中时：

直线传播,成分均匀,透光,2、光线在两种均匀介质分界面上传播时:

反射定律，折射定律,AO:

入射光线OB:

反射光线OC:

折射光线NN:

过投射点所做的分界面法线I1:

入射光线和分界面法线的夹角，入射角R1:

反射光线和分界面法线的夹角，反射角I2:

折射光线和分界面法线的夹角，折射角,入射面：

入射光线和法线所构成的平面,反射定律：

反射光线位在入射面内；

反射角等于入射角I1=R1。

折射定律：

折射光线位在入射面内；

入射角正弦和折射角正弦之比，对两种一定介质来说是一个和入射角无关的常数。

SinI1SinI2n1,2称为第二种介质相对于第一种介质的折射率,=n1,2,对于不均匀介质,可看作由无限多的均匀介质组合而成，光线的传播，可看作是一个连续的折射,直线传播定律反射定律折射定律几何光学的基本定律,第三节折射率和光速,一、折射定律和折射率的物理意义,折射定律：

折射光线在入射面内,SinI1SinI2,n1,2,n1,2:

第二种介质相对于第一种介质的折射率,Q,O,Q,SinI11SinI22,=n1,2,第二种介质对第一种介质折射率等于第一种介质中的光速与第二种介质中的光速之比。

=,折射率的物理意义,折射率与光速之间的关系,二、相对折射率与绝对折射率,1、相对折射率：

一种介质对另一种介质的折射率,2、绝对折射率,介质对真空或空气的折射率,3、相对折射率与绝对折射率之间的关系,相对折射率：

12,n1,2,=,第一种介质的绝对折射率：

第二种介质的绝对折射率：

C1,n1,=,C2,n2,=,所以,n1,2,=,n2n1,三、用绝对折射率表示的折射定律,SinI1SinI2,n1,2,由,n1,2=,n2n1,有,SinI1SinI2,n2n1,=,或n1SinI1=n2SinI2,课堂练习：

判断光线如何折射,空气n=1,水n=1.33,I1,I2,玻璃n=1.5,空气n=1,I1,空气n小,玻璃n大,c,I1,空气n小,玻璃n大,第四节光路可逆和全反射,一、光路可逆,A,B,1、现象,2、证明,直线传播：

A,B,反射：

I1=R1R1=I1,折射：

n1SinI1=n2SinI2n2SinI2=n1SinI1,I1,R1,A,B,I2,C,3、应用,光路可逆：

求焦点光学设计中，逆向计算：

目镜，显微物镜等,二、全反射,1、现象,水,空气,A,I1,R1,I2,O1,O2,O3,O4,I0,2、发生全反射的条件,必要条件：

n1n2由光密介质进入光疏介质,充分条件：

I1I0入射角大于全反射角,1870年，英国科学家丁达尔全反射实验,当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻璃的折射率不同、对应的临界角不同,3、全反射的应用,用棱镜代替反射镜：

减少光能损失,测量折射率,待测样品,nB低,nA高,I0,暗,亮,第六节光学系统类别和成像的概念,各种各样的光学仪器显微镜:

观察细小的物体望远镜:

观察远距离的物体各种光学零件反射镜、透镜和棱镜,光学系统：

把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求,光学系统分类,按介质分界面形状分：

球面系统：

系统中的光学零件均由球面构成非球面系统：

系统中包含有非球面共轴球面系统：

系统光学零件由球面构成，并且具有一条对称轴线今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统,按有无对称轴分：

共轴系统：

系统具有一条对称轴线，光轴非共轴系统：

没有对称轴线,二、成像基本概念,1、透镜类型,正透镜：

凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚透镜会聚：

出射光线相对于入射光线向光轴方向折转,负透镜：

凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散透镜发散：

出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转,2、透镜作用成像,A,A,A点称为物体A通过透镜所成的像点。

而把A称为物点,A为实际光线的相交点，如果在A处放一屏幕，则可以在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称为实像点。

A和A称为共轭点。

A与A互为物像关系，在几何光学中称为“共轭”。

3、透镜成像原理正透镜：

正透镜中心比边缘厚，光束中心部分走的慢，边缘走的快。

A,O,P,Q,P,Q,O,A,P,Q,成实像,负透镜:

负透镜边缘比中心厚，所以和正透镜相反，光束中心部分走得快，边缘走得慢。

A,A,成虚像,思考：

正透镜是否一定成实像？

负透镜是否一定成虚像？

名词概念像：

出射光线的交点实像点：

出射光线的实际交点虚像点：

出射光线延长线的交点,物：

入射光线的交点实物点：

实际入射光线的交点虚物点：

入射光线延长线的交点,像空间：

像所在的空间实像空间：

系统最后一面以后的空间虚像空间：

系统最后一面以前的空间整个像空间包括实像和虚像空间,物空间：

物所的空间实物空间：

系统第一面以前的空间虚物空间：

系统第一面以后的空间整个物空间包括实物和虚物空间,注意：

虚物的产生虚像的检测,物像空间折射率确定,物空间折射率：

按实际入射光线所在的空间折射率计算,像空间折射率按实际出射光线所在的空间折射率计算,第七节理想像和理想光学系统为什么要定义理想像,如果要成像清晰，必须一个物点成像为一个像点,如果一个物点对应唯一的像点则直线成像为直线,直线OO为入射光线，其对应的出射光线为QQ，需要证明QQ是OO的像。

在OO上任取一点A，OO可看作是A点发出的很多光线中的一条，A的唯一像点为A，A是所有出射光线的会聚点，A当然在其中的一条QQ上。

因为A点是在OO上任取的，即OO上所有点都成像在QQ上，所以QQ是OO的像,如果一个物点对应唯一的像点则平面成像为平面,符合点对应点，直线对应直线，平面对应平面的像称为理想像,能够成理想像的光学系统称为理想光学系统,共轴理想光学系统的成像性质1.轴上点成像在轴上.A1A.A2,2.位在过光轴的某一截面内的物点对应的像点位在同一平面内,3.过光轴任一截面内的成像性质是相同的空间的问题简化为平面问题，系统可用过光轴的一个截面来代表,共轴理想光学系统的成像性质4.当物平面垂直于光轴时，像平面也垂直于光轴,5.当物平面垂直于光轴时，像与物完全相似,像和物的比值叫放大率所谓相似，就是物平面上无论什么部位成像，都是按同一放大率成像。

即放大率是一个常数,6.对于共轴光学系统，如果已知：

或者

（2）一对共轭面的位置和放大率，以及轴上两对共轭点的位置,则其它任意物点的像均可求出,基点，基面,

（1）两对共轭面的位置和放大率,已知:

两对共轭面的位置和放大率,已知:

一对共轭面的位置和放大率，和轴上两对共轭点的位置,光程光线在介质中所走过的几何路程和折射率的乘积称为光程。

光程等于在相同的时间内，光在真空中传播的几何路程。

两个波面之间的所有光线的光程都相等。

理想成像的条件：

等光程物点和像点间的所有光线的光程都相等。

双曲面：

到两个定点距离之差为为常数的点的轨迹，是该两点为焦点的双曲面。

对内焦点和外焦点符合等光程条件。

其中一个是实的，一个是虚的,抛物面：

到一条直线和一个定点的距离相等的点的轨迹，是以该点为焦点，该直线为准线的抛物面。

对焦点和无限远轴上点符合等光程。

椭球面：

对两个定点距离之和为常数的点的轨迹，是以该两点为焦点的椭圆。

对两个焦点符合等光程条件。

等光程的反射面:

二次曲面对于反射面，通常都是利用等光程的条件：

等光程的折射面二次曲面,两镜系统基本结构形式,常用两镜系统1、经典卡塞格林系统主镜为凹的抛物面，副镜为凸的双曲面，抛物面的焦点和双曲面的的虚焦点重合，经双曲面后成像在其实焦点处。

卡塞格林系统的长度较短，主镜和副镜的场曲符号相反，有利于扩大视场。

2、格里高里系统主镜为凹的抛物面，副镜为凹的椭球面，抛物面的焦点和椭球面的一个焦点重合，经椭球面后成像在其另一个实焦点处。

3、R-C系统主镜副镜均为双曲面。

4、马克苏托夫系统主镜副镜均为椭球面。

5、库特系统主镜副镜均为凹面。

6、同心系统7、无焦系统,第二章共轴球面系统的物像关系,本章内容：

共轴球面系统求像。

由物的位置和大小求像的位置和大小,2-1共轴球面系统中的光路计算公式,求一物点的像，即求所有出射光线位置，交点就是该物点的像点。

因为所有的球面的特性是一样的，只须导出光线经过一个球面折射时由入射光线位置计算出射光线位置的公式,即球面折射的光路计算公式。

因为所有出射光线位置的求法是相同的，只须找出求一条出射光线的方法即可。

L,r,L,I,I,Q,表示光线位置的坐标,入射光线与光轴的焦点A到球面顶点的距离L入射光线与光轴的夹角U像方相应地用L、U表示,球面半径r折射率n、n入射光线坐标L、u法线与光轴的夹角,已知,求,折射光线坐标L、U,对APC应用正弦定理得到,由此得到（2-1）根据折射定律（1-5），可由入射角I求得折射角I（2-2）,对APC和APC应用外角定理得到=U+I=U+I故U=U+I-I（2-3）求得折射光线的一个坐标U,对APC同样应用正弦定理故（2-4）L即可求出。

L，U顺利求出,转面公式,计算完第一面以后,其折射光线就是第二面的入射光线,2-2符号规则,实际光学系统中，光线和球面位置可能是各种各样的。

为了使公式普遍适用于各种情况，必须规定一套符号规则。

符号规则直接影响公式的形式,5,O,10,各参量的符号规则规定如下：

1线段：

由左向右为正，由下向上为正，反之为负。

规定线段的计算起点：

L、L由球面顶点算起到光线与光轴的交点r由球面顶点算起到球心d由前一面顶点算起到下一面顶点,d由前一面顶点算起到下一面顶点。

2角度：

一律以锐角度量，顺时针转为正，逆时针转为负。

角度也要规定起始轴：

U、U由光轴起转到光线；

I、I由光线起转到法线；

由光轴起转到法线，,应用时，先确定参数的正负号，代入公式计算。

算出的结果亦应按照数值的正负来确定光线的相对位置。

推导公式时，也要使用符号规则。

注意为了使导出的公式具有普遍性，推导公式时，几何图形上各量一律标注其绝对值，永远为正,反射情形,看成是折射的一种特殊情形：

n=n把反射看成是n=n时的折射。

往后推导公式时，只讲折射的公式；

对于反射情形，只需将n用n代入即可，无需另行推导。

-L,r,L,I,I,Q,2-3球面近轴范围内成像性质和近轴光路计算公式,本节我们研究光线通过球面后的成像规律和特性找出理想成像的范围,首先我们看一个例子共轴球面系统中的光路计算举例计算通过一个透镜的三条光线的光路。

n1=1.0空气r1=10d1=5n1=n2=1.5163玻璃（K9）r2=-50n2=1.0空气,A距第一面顶点的距离为100，由A点计算三条和光轴的夹角分别为1、2、3度的光线：

上面计算了由轴上物点A发出的三条光线计算结果表明，三条光线通过第一个球面折射后，和光轴的交点到球面顶点的距离L1随着U1（绝对值）的增大而逐渐减小：

这说明，由同一物点A发出的光线，经球面折射后，不交于一点。

球面成像不理想。

U1越小，L1变化越慢。

当U1相当小时，L1几乎不变。

靠近光轴的光线聚交得较好。

光线离光轴很近则，U、U、I、I都很小。

正弦都展开成级数：

将展开式中以上的项略去，而用角度本身来代替角度的正弦，即令公式组中sinU=usinU=usinI=isinI=i得到新的公式组,转面公式：

上述公式称为近轴光线的光路计算公式。

靠近光轴的区域叫近轴区，近轴区域内的光线叫近轴光线,近轴光路计算公式有误差相对误差范围,问题：

u=0的光线是不是近轴光线,近轴光线的成像性质,1.轴上点,由轴上同一物点发出的近轴光线，经过球面折射以后聚交于轴上同一点轴上物点用近轴光线成像时，符合理想计算近轴像点位置时，u1可任取,假设B点位在近轴区，当用近轴光线成像时，也符合理想，像点B位在B点和球心的连线上（辅助轴上）,轴外点,结论：

位于近轴区域内的物点，利用近轴光线成像时，符合（近似地）点对应点的理想成像关系。

近轴光路计算的另一种形式光线的位置:

L,L,u,u在有些情况下，采用光线与球面的交点到光轴的距离h以及光线与光轴的夹角u,u表示比较方便,h的符号规则是：

h以光轴为计算起点到光线在球面的投射点,将公式展开并移项得：

同样可得：

显然,代入上式，并在第一式两边同乘以n，第二式两侧同乘以n,将以上二式相减，并考虑到得：

转面公式第二公式两侧同乘以u1,得：

这就是另一种形式的近轴光路计算公式。

2-4近轴光学的基本公式和它的实际意义,近轴区域内成像近似的符合理想即每一个物点对应一确定的像点。

只要物距L确定，就可利用近轴光路计算公式得到，而与中间变量u，u，i，i，无关。

可以将公式中的u，u，i，i消去，而把像点位置直接表示成物点位置L和球面半径r以及介质折射率n，n的函数。

一.物像位置关系式,把公式（2-11）两侧同除以h，得：

将代入上式，即可得到以下常用的基本公式：

或者,二.物像大小关系式,用y和y表示物点和像点到光轴的距离。

符号规则：

位于光轴上方的y、y为正，反之为负。

y/y称为两共轭面间的垂轴放大率，用表示由图得或把公式（2-13）进行移项并通分，得：

得这就是物像大小的关系式。

利用公式就可以由任意位置和大小的物体，求得单个折射球面所成的近轴像的大小和位置。

对由若干个透镜组成的共轴球面系统，逐面应用公式就可以求得任意共轴系统所成的近轴像的位置和大小。

三.近轴光学基本公式的作用近轴光学公式只适于近轴区域，有什么用？

第一，作为衡量实际光学系统成像质量的标准。

用近轴光学公式计算的像，称为实际光学系统的理想像。

第二，用它近以地表示实际光学系统所成像的位置和大小。

今后把近轴光学公式扩大应用到任意空间,2-5共轴理想光学系统的基点主平面和焦点,近轴光学基本公式的缺点：

物面位置改变时，需重新计算，若要求知道整个空间的物像对应关系，势必要计算许多不同的物平面。

已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率，以及轴上的两对共轭点的位置，则其任意物点的像点就可以根据这些已知的共轭面和共轭点来求得。

光学系统的成像性质可用这些基面和基点求得最常用的是一对共轭面和轴上的两对共轭点。

一放大率=1的一对共轭面主平面,不同位置的共轭面对应着不同的放大率。

放大率=1的一对共轭面称为主平面。

物平面称为物方主平面，像平面称为像方主平面两主平面和光轴的交点分别称为物方主点和像方主点，用H、H表示，H和H显然也是一对共轭点。

主平面性质：

任意一条入射光线与物方主平面的交点高度和出射光线与像方主平面的交点高度相同,问题物体位在二倍焦距处，像也位在二倍焦距处，大小相等，此物点和像点是不是主点?

二.无限远轴上物点和它所对应的像点F像方焦点,当轴上物点位于无限远时，它的像点位于F处。

F称为像方焦点通过像方焦点垂直于光轴的平面称作像方焦平面,像方焦平面和垂直于光轴的无限远的物平面共轭像方焦点和像方焦平面性质：

1、平行于光轴入射的任意一条光线，其共轭光线一定通过F点,2、和光轴成一定夹角的光线通过光学系统后，必交于像方焦平面上同一点,三.无限远的轴上像点和它所对应的物点F物方焦点,如果轴上某一物点F，和它共轭的像点位于轴上无限远，则F称为物方焦点。

通过F垂直于光轴的平面称为物方焦平面它和无限远的垂直于光轴的像平面共轭。

物方焦点和物方焦平面性质,1、过物方焦点入射的光线，通过光学系统后平行于光轴出射,2、由物方焦平面上轴外任意一点下发出的所有光线，通过光学系统以后，对应一束和光轴成一定夹角的平行光线。

主平面和焦点之间的距离称为焦距。

由像方主点H到像方焦点F的距离称为像方焦距，用f表示.由物方主点H到物方焦点F的距离称为物方焦距，用f表示。

f、f的符号规则f以H为起点，计算到F，由左向右为正；

f以H为起点，计算到F，由左向右为正。

一对主平面，加上无限远轴上物点和像方焦点F，以及物方焦点F和无限远轴上像点这两对共轭点，就是最常用的共轴系统的基点。

根据它们能找出物空间任意物点的像。

因此，如果已知一个共轴系统的一对主平面和两个焦点位置，它的成像性质就完全确定。

所以，可用一对主平面和两个焦点位置来代表一个光学系统：

问题,物方主点H和像方主点H是否是一对共轭点？

物方焦点F和像方焦点F是否是一对共轭点？

物方焦距f和像方焦距f是否是一对共轭线段？

2-6单个折射球面的主平面和焦点,一.球面的主点位置主平面是垂轴放大率=1的一对共轭面。

或者同时，由于它是一对共轭面，主点位置应满足,球面的两个主点与球面顶点重合。

其物方主平面和像方主平面即为过球面顶点的切平面。

二球面焦距公式令：

应用公式同样物方焦点为,二球面焦距公式球面反射的情形反射看作是的折射,结论:

反射球面的焦点位于球心和顶点的中点,2-7共轴球面系统的主平面和焦点,本节讨论任意共轴球面系统的主平面和焦点位置,焦点位置：

平行于光轴入射的光线，通过光学系统后，与光轴的交点就是像方焦点F,焦点位置计算,利用近轴光路计算公式，计算,公式（2-1）和（2-6）无法应用,焦点位置计算,把平行于光轴入射的近轴光线逐面计算，最后求得出射光线的坐标和，从而找出像方焦点F,像方焦点F离开最后一面顶点的距离称为像方顶焦距,像方主平面位置,入射光线高度h1，出射光线延长线与像方主平面的交点高度也等于h1,延长入射光线和出射光线，其交点必定位在像方主平面上,焦距公式,物方焦点和物方主平面位置计算,将光学系统翻转，按计算像方焦点和像方主平面同样的方法，计算出的结果就是物方焦点和物方主平面的结果,第一面顶点到物方焦点F的距离称为物方顶焦距,2-3中的计算结果,n1=1.0空气r1=10d1=5n1=n2=1.5163玻璃（K9）r2=-50n2=1.0空气,2-8用作图法求光学系统的理想像一对主平面和两个焦点能够表示共轴系统的成像性质。

主平面和焦点的位置是用近轴光学公式计算出来的，它代表实际光学系统在近轴区域内的成像性质。

如果把主平面和焦点的应用范围扩大到整个空间，则所求出来的像，就称为实际光学系统的理想像。

如何根据已知的主平面和焦点的位置，用作图法求任意物点的理想像,已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率，以及轴上的两对共轭点的位置，则其任意物点的像点就可以根据这些已知的共轭面和共轭点来求得。

即一对主平面和轴上的两对共轭点轴上无限远物点和像方焦点物方焦点和轴上无限远像点,求像：

只须找出由物点发出的两条光线的共轭光线，交点就是该物点的像。

最常用的两条特殊光线是:

1.通过物点和物方焦点F入射的光线，共轭光线平行于光轴出射。

2.通过物点平行与光轴入射的光线，共轭光线通过像方焦点F二共轭光线交点B，即为B点的像。

作图法求像规则,实物，实像，实际光线用实线；

虚物，虚像，光线的延长线用虚线；

按符号规则标准好物和像。

作业：

应用光学教材第47页第2，3，4，5题,作图法求像实例,例,求轴上物点A的像,注意：

AM线段的像不是AM,当物点A沿着AM趋于B时，像点由A趋于正无限远,当物点M沿着MA趋于B时，像点由M趋于负无限远,AM线段的像由A到正无限远和由M到负无限远的两条线段组成,2-9理想光学系统的物象关系式,作图法求像有缺陷，需准确确定像的位置,一牛顿公式物点和像点位置的坐标：

x以物方焦点F为原点到物点AX以像方焦点F为原点算到像点A,由图有：

将以上二式交叉相乘，得,二.高斯公式,表示物点和像点位置的坐标为：

以物方主点H为原点算到物点A；

以像方主点H为原点算到像点A。

关系如下：

代入牛顿公式,化简，得同理这就是高斯公式。

由物点位置和大小（）可求出像点位置和大小（）。

物像关系式的应用-解应用题,步骤：

1：

写出已知条件和要求解的问题,2：

尽可能画出图形,3：

正确标注图形,4：

推导公式,5：

求解结果,作业：

应用光学教材第47页第6，7，8，9题第48页第13，14，15，16，17题,例题1.已知：

求：

例题2.一直径为200毫米的玻璃球，折射率n=1.53，球内有一气泡，从最近方向去看，在球面和球心的中间，求气泡距球心的距离。

例题3.显微镜物镜放大率为0.5，焦距f=-f=200，试求：

工作距离（物平面到物镜的距离）以及物像之间的距离。

例题4.天象仪太阳放映系统用改变可变光阑直径大小的方法实现连续改变太阳的大小。

可变光阑最小口径为0.6毫米，要求在天幕上对应的像直径为19.4毫米，天幕离放映系统距离为15米，求放映系统的焦距和光阑位置。

例题5.有一光源通过辅助正透镜和被测负透镜成像，当屏幕移动到距离负透镜100毫米处时，获得光源像，去掉负透镜后，屏幕前移25毫米时，重新获得光源像，求负透镜焦距为多少？

例题6.某照相机可拍摄最近距离为1米，装上焦距f=500毫米的近拍镜后，能拍摄的最近距离为多少？

（假设近拍镜和照相镜头密接）。

例题7.离水面1米处有一条鱼，现用焦距f=75毫米的照相物镜拍摄，照相物镜的物方焦点离水面1米，求

（1）垂轴放大率为多少？

（2）照相底片离照相物镜像方焦点F多远？

例题8.一个薄透镜对一物体成像，物面到像面的距离为625毫米，垂轴放大率为-1/4，现在移动透镜，使垂轴放大率为-4，但同时要求原有的物面和像面以及它们之间的距离不变，求：

透镜的焦距为多少？

透镜移动的距离为多少？

以及移动的方向？

例题9.在一个生物芯片检测系统中，直径为1毫米的生物芯片位在一个焦距为13毫米数值孔径为0.6的成像物镜的物方焦平面处，在离此成像透镜后面100毫米处放置一个中继透镜，生物芯片通过成像透镜和中继透镜后成像在1/4英寸的CCD靶面上（一英寸等于25.4毫米，CCD探测器靶面长与宽之比为4:

3），物体所成像在探测器靶面上为内接圆。

求此中继透镜的焦距为多少？

相对孔径为多少？

（两个透镜均视为薄透镜）,例题10