1、1,工程光學(xué),主講：賈春霞,湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,2014年2月23日,12光信息1-2班,Engineering Optics,No. 1,2,光學(xué)學(xué)科古老而又年輕，其悠久的歷史幾乎和人類文明史本身一樣久遠；近半個世紀以來，特別是激光的出現(xiàn)，使得它又以令人炫目的發(fā)展速度、奇跡般層出不窮的研究成果以及所蘊含的巨大潛力和希望，使自己躋身于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的最前沿,第0章 緒 論,3,一、光學(xué)的研究范疇 二、光學(xué)的發(fā)展歷史,第0章 緒 論,4,一、光學(xué)的研究范疇,光電磁波：一種重要的自然現(xiàn)象，眼睛接受物體發(fā)射、反射或散射的光使得我們能看到世界中的景象 光學(xué)：研究光的本性、傳播、與物質(zhì)相互作用

2、,第0章 緒 論,電磁波譜,5,第0章 緒 論,6,分 類,幾何光學(xué)：光線概念、幾何光學(xué)三定律為基礎(chǔ),反射、折射及成像等光學(xué)儀器設(shè)計及評價 (應(yīng)用光學(xué)),連續(xù)波，以經(jīng)典電磁理論為基礎(chǔ) ( /a 0，過渡到幾何光學(xué)),20世紀下半葉，變化巨大，日新月異發(fā)展。,第0章 緒 論,7,蓬勃發(fā)展的光學(xué),激光光學(xué)：激光物理、激光技術(shù)、激光應(yīng)用 全息光學(xué)：光學(xué)全息與信息處理 傅立葉光學(xué)：光學(xué)傅立葉分析、傅立葉變換 晶體光學(xué)：光波在晶體中的傳播及晶體的電光效應(yīng) 集成光學(xué)：集成光路理論及制造 激光光譜學(xué)：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及分子運動規(guī)律的分析 非線性光學(xué)：強光與物質(zhì)相互作用,瞬態(tài)光學(xué)、光通信、光信息存儲、光子醫(yī)學(xué),第

3、0章 緒 論,8,二、光學(xué)的發(fā)展歷史,1.幾何光學(xué),墨翟及其弟子墨經(jīng)：前4世紀（春秋戰(zhàn)國）， 記載了光的直線傳播、平面鏡、凹面和凸面鏡等八條幾何光學(xué)現(xiàn)象；并把物、像位置及大小與所用鏡面的曲率相聯(lián)系,歐幾里得（前三世紀）：反射定律 阿基米德：鏡子燒壞船艦的傳說 沈括夢溪筆談：11世紀，光的直線傳播、球面鏡、月相 1621年，Snell（折射）定律 1657年，費馬（Fermat）原理,第0章 緒 論,9,從墨翟開始兩千多年的漫長歲月構(gòu)成了光學(xué)發(fā)展的緩慢萌芽時期。15世紀末和16世紀初是光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點：凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡、暗箱和幻燈等光學(xué)元件相繼出現(xiàn)，望遠鏡的誕生促進了天文學(xué)和航海事

4、業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)的研究提供了強有力的工具。到17世紀中葉，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。,第0章 緒 論,10,2.波動光學(xué),17世紀中葉開始，牛頓和惠更斯等人把光的研究引向全新的發(fā)展道路。,17世紀：格里馬耳、胡克、惠更斯論光,18世紀：牛頓思想占統(tǒng)治地位，1704年，光學(xué),牛頓根據(jù)光的直線傳播性質(zhì)，提出了光是微粒流的理論。 惠更斯反對光的微粒說，從聲和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認為光是在“以太”中傳播的波。,第0章 緒 論,11,19世紀初20世紀初波動光學(xué)時期,T. Young,A. J. Fresnel,J. C. Maxwell,1801年楊氏最先用干涉原理解釋了白光照射下薄膜

5、顏色的由來并做了著名的“楊氏雙縫干涉實驗”，并第一次成功測定了光波長。 1815年菲涅耳利用楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，形成了惠更斯菲涅耳原理。 1865年麥克斯韋以對稱和諧的方程組形式集電磁波理論之大成后，波動說看來已達到盡善盡美的境界.,兩朵烏云：熱輻射、邁克爾遜莫雷實驗（以太）,第0章 緒 論,12,3.量子光學(xué),(19世紀末到20世紀初，光學(xué)研究深入到光的發(fā)生、光與物質(zhì)相互作用的微觀機制),普朗克量子假說(1900),愛因斯坦光子假說(1905),德布羅意(1924) 物質(zhì)波概念 由電子通過金屬箔衍射證實,物質(zhì)本性波粒二象性,光的干涉、衍射和偏振等光學(xué)現(xiàn)象 光的波動性,黑體輻射、光電

6、效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等 光的量子性(粒子性),第0章 緒 論,13,4.現(xiàn)代光學(xué)飛速發(fā)展：20世紀中, 1948 全息術(shù),三件大事：,第0章 緒 論,14, 1955 光學(xué)傳遞函數(shù),4-f 空間濾波系統(tǒng),假彩色編碼處理后的照片,太平洋上空臺風(fēng)中心的云,第0章 緒 論,15, 1960 激光器,He-Ne激光器,多組互動激光射線實驗,第0章 緒 論,16,纖維光學(xué)及光通信,第0章 緒 論,17,集成光學(xué)與光計算機,第0章 緒 論,18,美軍激光武器試驗,第0章 緒 論,19,（激光）慣性約束聚變,激光粒子加速器,第0章 緒 論,20,20,上篇 幾何光學(xué)（第1-7章） 下篇 波動光學(xué)（第11-15章

7、）,工程光學(xué)內(nèi)容,第0章 緒 論,21,工程光學(xué)A 考試大綱：命題范圍，第十二周考試； 考試以閉卷形式進行，占80%，平時作業(yè)和課堂考勤占20%。最后總成績由平時成績 +考試成績的總和確定。,課程考核閉卷考試,教材及主要參考書 郁道銀主編，工程光學(xué)（第3版），機械工業(yè)出版社，2010年； 趙凱華，鐘錫華編，光學(xué)（上、下冊），北京大學(xué)出版社，2008； 張以謨主編，應(yīng)用光學(xué)，電子工業(yè)出版社，2010； 楊葭蓀等譯，光學(xué)原理（第7版），電子工業(yè)出版社，2008年。,21,第0章 緒 論,22,怎樣學(xué)好工程光學(xué) 1. 正確認識工程光學(xué)的作用 2. 重視課堂學(xué)習(xí) 3. 認真做作業(yè),老師電話：13017

8、323551,第0章 緒 論,23,第一篇 幾何光學(xué),24,研究光的反射、折射及成像等光學(xué)儀器設(shè)計及評價,光源 光線 波面 光束,25,第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第二章 理想光學(xué)系統(tǒng)第三章 平面和平面系統(tǒng) 第四章 光學(xué)系統(tǒng)的光闌與光束限制 第六章 光線的光路計算與像差 第七章 典型光學(xué)系統(tǒng),幾何光學(xué),25,26,1.0 概述 1.1 幾何光學(xué)基本定律和原理 1.2 成像的基本概念與完善成像 1.3 光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 1.4 球面光學(xué)系統(tǒng)成像,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,27,1.0 概述,電磁波譜,一、光的本質(zhì),單色光：同一波長的光引起眼睛的感覺是同一個顏色，稱之為單

9、色光； 復(fù)色光：由不同波長光混合成的光稱為復(fù)色光； 白光是由各種波長光混合在一起而成的一種復(fù)色光。,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,28,光源：輻射光能的物體，或稱為發(fā)光體。 點光源（抽象）：當(dāng)光源的大小與輻射光能的作用距離相比可以忽略時，可認為是點光源。 如人在地球上觀察體積超過太陽的恒星仍認為是一個發(fā)光點。 無論是本身發(fā)光或是被照明的物體(反射)在研究光的傳播時統(tǒng)稱為發(fā)光體。在討論光的傳播時，常用發(fā)光體上某些特定的幾何點來代表這個發(fā)光體。在幾何光學(xué)中認為這些特定點為發(fā)光點，或稱為點光源。,二、光源,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,29,在幾何光學(xué)中，不把光看做電磁波，而看作為光

10、能量傳播方向的幾何線，這種幾何線稱為光線。 在各向同性介質(zhì)中，光沿著波面法線方向傳播，所以可以認為光波波面法線就是幾何光學(xué)中的光線。,四、光線,光波電磁波，光源波源，光的傳播正是這種電磁波的傳播。光波向周圍傳播，在某一瞬時，其相位相同的各點所構(gòu)成的曲面稱為波面。波面可分為平面波，球面波或任意曲面波。,三、波面,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,30,與波面對應(yīng)的法線（光線）的集合，稱為光束，對應(yīng)于波面為球面的光束稱為同心光束。,五、光束,球面光波對應(yīng)的同心光束按光的傳播方向不同又分為會聚光束和發(fā)散光束。會聚光束所有光線實際通過一個點。 與平面波相對應(yīng)的是平行光束，是同心光束的一種特殊形式。

11、（平行光束相交于無窮遠?。?第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,31,一、幾何光學(xué)的基本定律,2、光的獨立傳播定律 來自不同方向的光線在介質(zhì)中相遇后，各保持原來的傳播方向繼續(xù)傳播。（局限：干涉）,1.1 幾何光學(xué)的基本定律,1、光的直線傳播定律 光線在均勻介質(zhì)中按直線傳播。（局限：衍射）,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,32,3、光的反射和折射定律兩種介質(zhì),光在兩種各向同性、均勻介質(zhì)分界面上要發(fā)生反射和折射。即一部分光能量反射回原介質(zhì)，另一部分光能量折射入另一介質(zhì)。,折射率：一定波長的單色光在真空中的傳播速度與它在給定介質(zhì)中的傳播速度之比,n = c/v,相對折射率：當(dāng)光線從第一介質(zhì)進

12、入第二介質(zhì)時，第二介質(zhì)折射率相對于第一介質(zhì)折射率之比稱為相對折射率。 通常所講的介質(zhì)的折射率是介質(zhì)相對于空氣的折射率。,n大 光密媒質(zhì),n小 光疏媒質(zhì),第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,33,折射定律： 折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)； 折射角的正弦與入射角的正弦之比與入射角的大小無關(guān)，僅取決于兩種介質(zhì)的性質(zhì)。,反射定律： 反射光線位于入射光線和法線所決定的平面； 反射光線和入射光線位于法線兩側(cè)，且反射角與入射角絕對值相等，符號相反。,n= - n,上式也稱為斯涅爾（Snell）定律,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,34,4、光的全反射： 光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)； 入射

13、角大于臨界角 。,全反射有比一般反射更優(yōu)越的性能，它幾乎無能量的損失。,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,35,應(yīng)用： 全反射棱鏡、分劃板照明、光導(dǎo)纖維等,用于改變光傳播方向并使像上下左右轉(zhuǎn)變。,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,36,由反射和折射定律不難看出，光線的傳播是可逆的，即光逆向傳播時，將沿正向傳播的反方向傳播。,5、光路的可逆性,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,37,二、費馬原理 從光程的角度來描述光的傳播規(guī)律。,（一）光程,在均勻介質(zhì)中,光程s（或記為l ）為光在介質(zhì)中通過的幾何路程 l 與該介質(zhì)的折射率 n 的乘積：,1. 直接用真空中的光速來計算光在不同介質(zhì)中通

14、過一定幾何路程所需要的時間。,No. 2,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,38, 分層均勻介質(zhì):, 連續(xù)介質(zhì):,2. 光程可理解為光在介質(zhì)中通過真實路程所需時間內(nèi),在真空中所能傳播的路程。,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,39,（二）費馬原理表述與討論,空間中兩點間的實際光線路 徑是所經(jīng)歷光程平穩(wěn)的路徑,平穩(wěn)：當(dāng)光線以任何方式對該路徑有無限小的偏離時， 相應(yīng)的光程的一階改變量為零。如果有改變只能是二階 或二階以上的無限小量。,換言之：在A、B兩點間光線傳播的實際路徑，與任何 其他可能路徑相比其光程為極值，極值為極大或極小或 恒定值。即光線的實際路徑上光程變分為零：,兩點之間光沿著所

15、需時間為極值的路徑傳播,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,40,橢圓面反射,實際光程在不同情況下相應(yīng)于極大值、極小值和拐點,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,41,一般地，選光程為極值的路徑（如直線傳播-最短） 理想光具組（如薄透鏡）成像物像之間等光程,變分：對一般一元或多元函數(shù)，當(dāng)自變量發(fā)生變化時， 函數(shù)的一階或高階改變量可以表示為函數(shù)的一階或高階 微分。但光程與一般的空間坐標(biāo)函數(shù)不同，對給定點A B，每一可能的光線路徑均為空間坐標(biāo)函數(shù)，而光程一般隨不同路徑而變化，即它可以稱為函數(shù)的函數(shù)，這時光程的改變一般稱為變分。,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,42,（三）費馬原理的應(yīng)用,1. 根據(jù)直線是兩點間最短距離這一幾何公理,對于真空 或均勻介質(zhì),費馬原理可直接得到光線的直線傳播定律。,2. 費馬原理只涉及光線傳播路徑,并未涉及到光線的 傳播方向。若路徑AB的路徑取極值，則其逆路徑BA的 光程也取極值包含了光的可逆性。,3. 由費馬原理導(dǎo)出光的反射定律,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,43,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,44,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,45,第一章 幾何光學(xué)的基本定律與成像概念,46,第一章 幾何光學(xué)