應(yīng)用光學(xué)是光學(xué)工程重要的技術(shù)基礎(chǔ)。它的傳統(tǒng)概念是指經(jīng)典光學(xué)儀器(望遠(yuǎn)鏡,顯微鏡、照相機(jī)、投影儀等）中光學(xué)系統(tǒng)的理論與設(shè)計，它的內(nèi)容主要是幾何光學(xué)和波動光學(xué)。

介紹高斯光學(xué)、光學(xué)儀器基本原理等傳統(tǒng)內(nèi)容外，還介紹了激光束光學(xué)，光纖光學(xué)，紅外光學(xué)以及色度學(xué)等有關(guān)現(xiàn)代光學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容本章要解決的問題：光的本性問題光的傳播規(guī)律像與成像的概念對成像的要求

第一章幾何光學(xué)基本原理§1-1光波與光線一、研究光的意義彈性粒子－彈性波－電磁波－波粒二象性1666年：牛頓提出微粒說，彈性粒子1678年：惠更斯提出波動說，以太中傳播的彈性波1873年：麥克斯韋提出電磁波解釋，電磁波1905年：愛因斯坦提出光子假設(shè)20世紀(jì)：人們認(rèn)為光具有波粒二象性二、光是什么？光波:電磁波,波長、光速xzy光的傳播實際上是波動的傳播頻率、光速、波長的關(guān)系：在透明介質(zhì)中，波長和光速同時改變，頻率不變可見光：波長在400-760nm范圍

紅外波段：波長比可見光長

紫外波段：波長比可見光短可見光：400-760nm;單色光：同一種波長。

物理光學(xué)：研究光的本性，由此來研究各種光學(xué)現(xiàn)象幾何光學(xué)：研究光的傳播規(guī)律和傳播現(xiàn)象復(fù)色光：由不同波長的光波混合而成白光：由各種波長的光混合而形成的復(fù)色光三、幾何光學(xué)的研究對象和光線概念研究對象

光的傳播規(guī)律:幾何光學(xué)的基本定律，進(jìn)而研究光的傳播現(xiàn)象，并應(yīng)用這些規(guī)律來設(shè)計和制造光學(xué)儀器。

特點不考慮光的本性，把光認(rèn)為是光線。

光線:能夠傳輸能量的幾何線，具有方向

采用光線概念的意義：

用光線的概念可以解釋絕大多數(shù)光學(xué)現(xiàn)象：影子、日食、月食

絕大多數(shù)光學(xué)儀器都是采用光線的概念設(shè)計的當(dāng)幾何光學(xué)不能解釋某些光學(xué)現(xiàn)象，例如干涉、衍射時，采用物理光學(xué)的原理.光波的傳播問題就變成了幾何的問題-----幾何光學(xué)光線與波面之間的關(guān)系波面：波動在某一瞬間到達(dá)的各點組成的面At時刻t+Δt時刻均勻介質(zhì)中點光源發(fā)射的光波的波面光線是波面的法線波面是所有光線的垂直曲面同心光束：由一點發(fā)出或交于一點的光束；對應(yīng)的波面為球面像散光束：不嚴(yán)格交于一點，波面為非球面平行光束波面為平面一、光的傳播現(xiàn)象的分類第二節(jié)

幾何光學(xué)基本定律光在同一種介質(zhì)中的傳播；光在兩種介質(zhì)分界面上的傳播。二、幾何光學(xué)基本定律2、光線在兩種均勻介質(zhì)分界面上傳播規(guī)律

反射定律，折射定律

1、光線在各向同性、透明介質(zhì)中：直線傳播AO:入射光線OB:反射光線OC:折射光線NN’:分界面法線I1:入射角R1:反射角I2:折射角’入射面：入射光線和法線所構(gòu)成的平面反射定律：入射光線、法線、反射光線在入射面內(nèi)；入射光線和反射光線在法線的兩側(cè)，且I1=R1?！凵涠桑喝肷涔饩€、法線、折射光線在入射面內(nèi)；入射角正弦和折射角正弦之比是一個和入射角無關(guān)的常數(shù)。’不均勻介質(zhì)可看作由無限多的均勻介質(zhì)組合而成，光線的傳播，可看作是一個連續(xù)的折射直線傳播定律反射定律折射定律幾何光學(xué)的基本定律§1-3折射率和光速折射定律：入射光線、法線、折射光線在入射面內(nèi)；入射角正弦和折射角正弦之比是一個和入射角無關(guān)的常數(shù)。n12稱為第二種介質(zhì)相對于第一種介質(zhì)的折射率O’Q’折射率與光速關(guān)系相對折射率與絕對折射率1、相對折射率：

一種介質(zhì)對另一種介質(zhì)的折射率2、絕對折射率介質(zhì)對真空或空氣的折射率3、相對折射率與絕對折射率之間的關(guān)系相對折射率：

第一種介質(zhì)的絕對折射率：第二種介質(zhì)的絕對折射率：用絕對折射率表示的折射定律SinI1SinI2＝n

1,2由n

1,2=

n2

n1

有

SinI1SinI2

n2

n1=或

n1SinI1=n2SinI2課堂練習(xí)：判斷光線如何折射空氣n=1水n=1.33I1I2玻璃n=1.5空氣n=1I1空氣n小玻璃n大cI1空氣n小玻璃n大§1-4光路可逆和全反射一、光路可逆AB1、光路可逆定理假定某一條光線，沿一定的路線，由A傳播到B。如果在B點沿著出射光線，按照相反的方向投射一條光線，則此反向光線，仍沿著同一條路線，由B傳播到A。光線傳播的這種性質(zhì)，稱為光路可逆定理.2、證明直線傳播：AB反射：I1=R1

R1=I1折射：n1SinI1=n2SinI2n2SinI2=n1SinI1I1R1ABI2C二、全反射1、現(xiàn)象水空氣AI1R1I2O1O2O3O4I02、發(fā)生全反射的條件n1>n2由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)I1>I0入射角大于全反射角I0稱為“臨界角”或“全反射角”當(dāng)光線從玻璃射向與空氣接觸的表面時，玻璃的折射率不同、對應(yīng)的臨界角不同n1.51.521.541.561.581.601.621.641.66I041°48’41°8’40°30’39°52’39°16’38°41’37°7’37°7’37°3’3、全反射的應(yīng)用用棱鏡代替反射鏡：減少光能損失測量折射率待測樣品nBnAI0暗亮阿貝折射計普氏折射計na>nb§1-6基本定律的向量形式OrQ:入射光線方向的單位向量Q’：出射光線方向的單位向量N：法線方向的單位向量折射定律均勻介質(zhì)中的直線傳播定律：Q=Q’反射定律Q:入射光線方向的單位向量-Q’：出射光線方向的單位向量N：法線方向的單位向量§1-6光學(xué)系統(tǒng)類別和成像的概念光學(xué)儀器顯微鏡:觀察細(xì)小的物體望遠(yuǎn)鏡:觀察遠(yuǎn)距離的物體各種光學(xué)元件——反射鏡、透鏡和棱鏡光學(xué)系統(tǒng)：把各種光學(xué)零件按一定方式組合起來，滿足一定的要求。這樣的光學(xué)器件的組合稱為光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)分類按有無對稱軸分：

共軸系統(tǒng)：系統(tǒng)具有一條對稱軸線，光軸非共軸系統(tǒng)：沒有對稱軸線按介質(zhì)分界面形狀分：

球面系統(tǒng)：系統(tǒng)中的光學(xué)零件均由球面構(gòu)成非球面系統(tǒng)：系統(tǒng)中包含有非球面共軸球面系統(tǒng)：系統(tǒng)光學(xué)零件由球面構(gòu)成，并且具有一條對稱軸線。

主要研究：共軸球面系統(tǒng)和平面鏡棱鏡系統(tǒng)成像基本概念1、透鏡類型正透鏡：凸透鏡，中心厚，邊緣薄，使光線會聚,也叫會聚透鏡會聚：出射光線相對于入射光線向光軸方向折轉(zhuǎn)負(fù)透鏡：凹透鏡，中心薄，邊緣厚，使光線發(fā)散，也叫發(fā)散透鏡發(fā)散：出射光線相對于入射光線向遠(yuǎn)離光軸方向折轉(zhuǎn)2、透鏡作用－成像AA’A’點稱為物體A通過透鏡所成的像點。A稱為物點，A′為實際光線的相交點，如果在A′處放一屏幕，則可以在屏幕上看到一個亮點，這樣的像點稱為實像點。

A和A′稱為共軛點。A’與A互為物像關(guān)系，在幾何光學(xué)中稱為“共軛”。3、透鏡成像原理正透鏡：正透鏡中心比邊緣厚，光束中心部分走的慢，邊緣走的快

，光束折向光軸。AOPQPQO’A’P’Q’成實像負(fù)透鏡:負(fù)透鏡邊緣比中心厚，所以和正透鏡相反，光束中心部分走得快，邊緣走得慢。成虛像思考：正透鏡是否一定成實像？負(fù)透鏡是否一定成虛像？名詞概念物：入射光線的交點

實物點：實際入射光線的交點虛物點：入射光線延長線的交點像：出射光線的交點實像點：出射光線的實際交點虛像點：出射光線延長線的交點像空間：像所在的空間

實像空間：系統(tǒng)最后一面以后的空間虛像空間：系統(tǒng)最后一面以前的空間物空間：物所在的空間實物空間：系統(tǒng)第一面以前的空間虛物空間：系統(tǒng)第一面以后的空間像空間（無限延展）物空間（無限延展）

物像空間折射率確定物空間折射率：按實際入射光線所在的空間折射率計算像空間折射率：按實際出射光線所在的空間折射率計算例：某物通過一透鏡成像在該透鏡內(nèi)部，透鏡材料為玻璃，透鏡兩側(cè)均為空氣，試問像是實像還是虛像？該像所處的像空間介質(zhì)是玻璃還是空氣？虛像。像空間介質(zhì)是空氣§1-7理想像和理想光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)成像的最普遍的要求：成像清晰，必須一個物點對應(yīng)唯一的一個像點。

理想像？物空間和像空間均為均勻透明介質(zhì)，根據(jù)光線的直線傳播定律，符合點對點成像，還具有以下性質(zhì)。一個物點對應(yīng)唯一的像點，則直線成像為直線一個物點對應(yīng)唯一的像點，則平面成像為平面符合點對應(yīng)點，直線對應(yīng)直線，平面對應(yīng)平面的像稱為理想像。能夠成理想像的光學(xué)系統(tǒng)稱為理想光學(xué)系統(tǒng)。

共軸理想光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)

位于過光軸的某一截面內(nèi)的物點對應(yīng)的像點位在同一平面內(nèi)

過光軸任一截面內(nèi)的成像性質(zhì)是相同的

軸上點成像在軸上

空間的問題簡化為平面問題，可用過光軸的一個截面來代表共軸系統(tǒng)。1.

當(dāng)物平面垂直于光軸時，像平面也垂直于光軸2.位于垂直于