光学原理
光学显微镜的基本原理
光学显微镜的基本原理
光学显微镜是一种利用透镜或物镜和目镜的组合来放大和观察微小物体的仪器。
其基本原理如下：
1. 放大原理：光学显微镜利用物镜和目镜的组合放大物体的细节。
物镜放大物体的细节，然后目镜进一步放大物镜中的影像，使得观察者可以看到更清晰的样品细节。
2. 折射原理：当光线从一种介质进入另一种介质时，会发生折射现象。
显微镜中，光线从空气中进入玻璃物镜中，再从玻璃目镜中进入空气或者观察者的眼睛中。
通过适当选择物镜和目镜的焦距，可以使光线聚焦在样品上并最终进入眼睛，形成放大的影像。
3. 分辨原理：显微镜的分辨率指的是能够分辨的两个最近物体之间的最小距离。
分辨力受到光波长的限制，显微镜通常使用可见光，其波长约为400-700纳米。
根据铺赛-瑞利准则，分
辨力取决于光学系统的数值孔径和波长，分辨力越高，能够看到的细节就越清晰。
4. 照明原理：显微镜中的样品通常需要照明才能看到。
光源（如白炽灯、LED等）发出光线，并经过准直器和滤光器的
控制，通过凸透镜产生平行光线，在物镜下方照射样品。
照明光线被样品反射、折射或透射后，通过物镜和目镜进入观察者视野。
总结起来，光学显微镜的基本原理可以归结为放大原理、折射
原理、分辨原理和照明原理。
这些原理的有效结合使得光学显微镜成为了一种广泛使用的观察和研究微小物体的工具。
摄像头的光学原理
摄像头的光学原理
摄像头的光学原理是基于光的传播和成像原理。
其工作过程可以简单分为三个步骤：光学采集、光的传播和图像传感。
首先，摄像头通过透镜或镜头收集来自被拍摄对象的光线。
透镜或镜头的主要作用是对光线进行聚焦，以便将被拍摄对象的图像转化为光学信号。
被采集的光线经过透镜或镜头后，会进一步传播。
在传播过程中，光线会根据透镜或镜头的属性进行反射、折射和散射等。
这些光学效应会对光线进行处理和调整，以获得更好的成像效果。
最后，图像传感器将光学信号转化为电信号。
图像传感器通常采用CMOS或CCD技术，可以将光线的强弱转化为电信号的强弱，并且将其转化为数字信号，以便后续的图像处理。
摄像头的光学原理关键在于透镜或镜头的设计和使用，它们可以通过调整焦距、光圈以及其他光学参数，来影响光线的传播和聚焦效果。
同时，图像传感器的性能也会直接影响图像的质量和分辨率。
综上所述，摄像头的光学原理是通过透镜或镜头收集光线，经过光的传播后，借助图像传感器将光学信号转化为电信号，最终得到一个数字图像的过程。
光学中的折射原理
光学中的折射原理在日常生活中，我们很容易遇到折射现象。
比如，水中的物体看起来会扭曲变形；眼镜片可以让我们看到更清晰的图像；甚至是彩色的光线在通过晶体时发生弯曲。
这些现象都是由光的折射造成的。
在光学中，折射原理是非常重要的一个概念，下面我们将深入探究它。
一、折射现象的基本原理折射是指光线从一种介质射向另一种介质时，由于介质不同导致光线传播方向的改变，产生的现象。
例如，当红色光线从空气中的一个角度射向玻璃时，光线在进入玻璃之前会发生一定的偏折，也就是改变传播的方向。
换句话说，当光线穿过介质表面时，折射角度会发生变化。
这个现象有一个非常重要的规律，也就是著名的“斯涅尔定律”。
这个定律指出，当光线从一种介质射到另一种介质中时，折射角和入射角的正弦值之比，等于两种介质中的折射率之比。
这个关系可以用数学公式表示为：sinθ1/sinθ2=n2/n1。
其中，θ1表示入射角，θ2表示折射角，n1和n2分别表示两种介质的折射率。
二、折射在光学中的应用折射现象在日常生活中非常常见。
例如，我们去看电影时戴的3D眼镜，就是利用了透镜的折射原理来实现的。
透镜可以让左右两个不同的图像在眼睛中重叠，形成3D效果。
另外，借助于折射原理，我们还可以制造光纤，实现光导纤维通信。
光纤是一种可以传输光信号的透明材料，利用高纯度玻璃或者塑料制成。
当光线从一种介质射向比它折射率高的介质中时，就会在介质表面上发生全反射。
在这个过程中，光线可以沿着光纤进行传输，而不会像在空气中一样发生严重的损失。
三、总结因为折射原理在光学中起着非常重要的作用，因此我们也需要了解为什么会发生折射。
这要归因于光线穿过介质时，光的速度发生了变化。
当光线从一种介质射到另一种介质时，光速的变化会导致光线方向的改变，进而引起折射现象。
基于这个原理，我们可以实现各种光学器件的设计和制造，非常有用。
光学显微镜的实验原理
光学显微镜的实验原理
光学显微镜是一种利用光学原理观察微小物体的仪器。
它由物镜、目镜和光源组成。
其实验原理如下：
1. 光源发出的光经过准直器使光线垂直并准直进入光路。
2. 横截面为圆形的准直光束通过物镜，其中的一个面是凸面，使光线发生折射，并在焦点附近汇聚。
3. 微小待观察的物体放在物镜的焦点附近，这样物体上的光线几乎全部平行地进入物镜。
4. 物镜汇聚和放大了物体上的光线，并将它们投射到目镜中。
目镜中的光线会经过凹透镜将它们有效地延伸至无穷远处，以便使人眼看到清晰的放大影像。
5. 由于眼睛与入射光线之间有一定的夹角，所以在目镜中放大的图像将看起来比物体实际大小要大。
6. 观察者通过调节焦度，使物体放大的图像清晰可见。
通过这种光学原理，光学显微镜可以放大物体至几百倍乃至几千倍，并提供清晰的延伸图像。
它在生物学、医学、材料科学以及其他领域的研究和实验中发挥着重要的作用。
光学镜头成像原理
光学镜头成像原理
光学镜头成像原理是基于光的折射和反射现象的。
当光线从一个介质进入另一个介质时，会因介质的光密度不同而产生折射。
当光线从光疏介质射向光密介质时，会向法线方向偏折，而当光线从光密介质射向光疏介质时，会远离法线方向偏折。
这种现象被称为折射现象。
镜头的基本构造是由透镜或镜片组合而成的。
透镜是光线透过的光学元件，镜片则是经由反射而折射的光学元件。
镜头的成像原理是通过透镜或镜片的形状和曲率，使光线在透镜或镜片表面发生折射或反射，并最终聚焦到成像面上。
透镜有两种类型：凸透镜和凹透镜。
凸透镜是中央较厚的透镜，凹透镜则是中央较薄的透镜。
当平行光线射向凸透镜表面时，光线会被集中到一点，这个集中点被称为焦点。
凹透镜则会使平行光线发散，似乎来自一点，这个虚拟的反向延长线上的点也称为焦点。
当物体放置在镜头的前方时，光线会经过透镜或镜片的折射或反射作用，最终会在成像面上形成一个倒立的实像。
成像的清晰度和质量取决于透镜或镜片的质量、形状和位置以及光线的入射角度等因素。
调整和控制这些因素，可以实现所需的成像效果。
总之，光学镜头成像原理是基于光的折射和反射现象，通过透镜或镜片的形状和位置，使光线在透镜或镜片表面发生折射或反射，并最终聚焦在成像面上，形成一个倒立的实像。
光学镜片原理
光学镜片是一种光学元件，利用折射和反射原理来控制光线的传播和聚焦。
以下是光学镜片的几个主要原理：
1. 折射原理：根据斯涅尔定律，当光线从一种介质进入另一种介质时，光线会发生折射。
光学镜片利用不同折射率的材料边界上的折射现象，改变光线的传播方向和路径。
2. 反射原理：光学镜片可以通过光的反射来改变光线的方向。
例如，平面镜通过光线在镜面上的反射，将光线的传播方向反转。
3. 凸透镜原理：凸透镜是一种中心厚边薄的透明介质，其两个表面都是弧形的。
当平行光线通过凸透镜时，会发生折射，并将光线聚焦到焦点上。
凸透镜可以用于矫正近视和远视等视觉问题。
4. 凹透镜原理：凹透镜的两个表面都是弧形的，与凸透镜相反。
当平行光线通过凹透镜时，会发生折射，并使光线发散。
凹透镜可用于矫正散光等视觉问题。
5. 球面镜原理：球面镜是一种具有球形曲率的镜片，分为凸面镜和凹面镜。
它们利用折射和反射原理，能够将光线聚焦或发散。
球面镜常用于眼镜、望远镜和显微镜等光学仪器中。
这些原理是光学镜片工作的基础。
通过精确设计和制造不同形状和曲率的镜片，可以实现对光线的控制和调节，满足各种光学应用的需求。
光学 第3章 几何光学的基本原理
(1) 偏向角
i1
又
i2
i2
i2 '
i1'i2
A
'
i1 i1' A
(2) 最小偏向角0
当i1改变时 、i1'均随之而改变，当 i1 i1'时，偏向角取最小 0。
0 2i1 A
A
此时在棱镜内传播的光线平行于底边，有:
i2
i2 '
A 2
，i1
i1'
0
2
A
2. 棱镜的折射率
3、折射定律：(1) 折射线在入射线和法线决定的平面内； (2) 折射线、入射线分居法线两侧； (3) 折射角和入射角满足斯涅尔定律：n1sini1=n2sini2
i1 i1'
n1
n2
i2
7 反射和折射定律光路图
3、光的独立传播定律：几个光源发出的光在空间传播并相遇后， 它们将各自保持自己原有的特性(频率、波长、偏振状态)沿原来 的方向继续传播，互不影响。 4、光路可逆原理：当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传 播，称为光路可逆原理。
i2 i2
A2 x2,0
i1 i1
B2 n2
x
n1
晰，像的深度由上式确定，y‘ 叫做像似深度 ，y是物的实际深度。
20
(3)像散现象：当i1≠0，即入射光束倾斜入射时，折射光线会发生像散现象。如沿 着倾斜的角度观察水中的物体时，像的清晰度由于像散而被破坏。
例1: 使一束向P点会聚的光在到达P点之前通过一平行玻璃板。如果将玻璃板 垂直于光束的轴竖放，问会聚点将朝哪个方向移动？移动的距离为多少？
A1 A2
P
P'
M
光学扫描的原理
光学扫描的原理
光学扫描是指利用光线反射或透过物体的特性，采用光学原理对物体的形状、颜色、表面等进行扫描和测量的技术。
其原理主要包括以下几点：
1. 光的反射和透射原理：当光线射向物体表面时，会根据物体表面的材质和角度发生反射、折射、吸收等现象，因此可以通过测量物体表面反射或透射出来的光线来了解物体的形状、颜色等信息。
2. 物体的表面结构和质地影响反射光线：不同材质的物体表面会反射不同波长的光线，因此可以通过测量不同波长的光线反射强度来判断物体表面的质地，从而达到物体测量的目的。
3. 光的成像原理：光线通过透镜等光学元件的成像特性，可以将物体的二维图像投射到光电传感器上，从而获得物体的图像信息。
基于这些原理，光学扫描技术可以采用多种不同的方式进行，包括光栅扫描、全息扫描、投影干涉扫描、激光三角测量等方法。
这些方法使用的光源、光学元件、传感器等设备不同，但都是基于上述光学原理实现物体的测量和重建。
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菲涅尔
麦克斯韦 、麦克尔逊 、莫尔
麦克斯为统一了电磁场，并表 明光也是一种电磁场，并认为 光波在以太中传播。 麦克尔逊和莫尔用实验证明了 以太并不存在，为爱因斯坦的 相对论奠定了实验基础。
麦克斯韦
Albert Einstein (1879-1955)
爱因斯坦发表了相对论， 认为光是在真空中传播 的，并且建立了新的时 空理论-相对论。他还提 出了光具有波粒二象性.
互作用，波动光学、量子光学
绪论:课程内容
Ch1 光波的基本性质 Ch2 光的干涉: 光的相干性、 多光束干涉, 典型干涉 仪原理、薄膜光学简介 Ch3 光的衍射: 衍射的基本理论、衍射光栅、夫琅和
菲衍射和菲涅耳衍射
Ch4 光的吸收、色散和散射 Ch5 晶体光学基础: 光波在各向异性介质中的传播、
光波在各向异性介质表面的反射和折射、光通过晶体
光学原理与应用 物理光学部分
说
明
1. 此PPT 文件，仅供各位教师授课参考。教师授课时，
可按具体的教学大纲进行取舍； 2. 教师可按需要，补充典型例； 3. 教师可按需要，给学生介绍一些参考资料，供学生 课外阅读。有一些参考资料，已列在教材的后面；
4. 此PPT文件将根据需要，不定期进行修改和完善；
D B E H H E E j E H t t 又由矢量计算公式有： E H H E (E H ) D B 1 1 而 E H E D H B we wm t t t 2 2 t 1 场中每一点 w ED 式中 e 2 的电能密度 1 和磁能密度 wm H B 2
光学历史
公元前400年,就有关于反射成像的研究成果: 1、中国的《墨经》（公元前400至470年）上，对光传输的 几何性质，已较完全的记载了八条光学光学方面的性质。 2、古希腊欧几里德（Euclid，公元前323-385年）在其书中 就描述了反射定律 。
3、古罗马哲学家塞内加最早指出彩虹的七种颜色和玻璃片的 七种颜色是同一种道理
发射 光源
光学的主要研究内容
经典光学：几何光学，物理光学，分子 光学等 近代光学：（激光问世后）： 1.大空间范围：干涉：相干光学、统计 光学、薄膜光学；衍射：付里叶光学、 衍射光学、二元光学；偏振：晶体光学、 偏振光学；其它：矩阵光学 、激光束光 学、海洋光学大气光学、生理光学、组 织光学 2.小空间范围：导波光学、光纤光学、 二元光学、微光学、近场光学 3.大光能量（高光能密度）：非线性光 学、强光光学、自适应光学 4.非均匀介质：非均匀介质光学、散射 光学，组织光学
光学历史
传说，早在古希腊和 罗马战争的时候，阿 基米德安排几百个士 兵用金属镜子聚集太 阳光还点燃了罗马的 战船。
古代反射光的应用
光学历史-- 17世纪欧洲光学
伽利略 (1564-1642) 用望远镜看到了木 星和月亮. 斯涅尔(1591-1626) 发现了折射定律。
光学历史--开普勒(1571–1630)
目录
第5章 光的吸收、色散和散射
5.1 概述 5.2 光和物质相互作用的经典理论 5.3 光的吸收 5.4 光的色散
5.5 光的散射
ch.5 小结
绪论
物理光学 课程内容 课程目的 课程学习 教材及参考书
绪论
什么是物理光学?
光的本质：波动性、粒子性 （二重性）进一步研究 物理光学：涉及光的基本属性、传播规律、与物质的相
双折射效应
惠更斯原理中的波阵面
牛顿 (1642-1727)
棱镜色散
①研究光的色散; Isaac Newton ②总结薄透镜成像规律; ③制作反射式天文望远镜。
18、19世纪的光学
1、欧拉 (1707-1783) 发展 了光波动理论和设计了消色 差透镜。 2、托马斯杨解释了干涉和 彩色条文的产生原因。 3、菲涅尔(1788-1827) 通 过实验，应用光波动理论来 解释光波的反射和折射
Albert Einstein
20世纪60年代—激光出现
古典光学获得新生。在短短的几十年中，就出现了一大 批光学新成果。它涉及大能量、高相干性光源的传输以 及光和物质的相互作用等问题，并由此派生出一系列光 学领域的新分支。
右图为染料激光器
光学的主要研究内容
光学的研究主要涉及三个方面：光波的发射、传 输和接收 固体发光 、电光源 、 气 体放电、化学光源、 电致发光 、光致发 光 、 激光、半导体光源 （黑体辐射，激光原理， 半导体物理）
传输
光的传输 （光和物 质相互作 用）
光学的主要研究内容
接收 光探 测器
照相底片（光化学作 用）、眼 睛（光生 理效 应） 、光 电器件 （ 光电 效应）、热释电器件 （光热效应）
光学的基本参量
1.折射率 2.光波波长 3.光波能量 4.光波偏振态
光学的基本参量
折射率n是左右光学传播规律的基本参量。
目录
第3章 光的衍射
3.1 概述 3.2 衍射的基本理论
3.3 夫琅和费单逢衍射 3.4 夫琅和费圆孔衍射 3.5 巴俾涅原理 3.6 夫琅和费多缝衍射 3.7 典型圆孔的夫琅和费衍射计算举例 3.8 菲涅耳衍射 3.9 衍射光栅 Ch.3 小结
目录
第4章 晶体光学基础
4.1 晶体的介电张量 4.2 单色平面光波在晶体中的传播特性 4.3 单色平面光波在晶体表面上的反射和折射 4.4 偏振器件 4.5 通过光学元件后光强的计算 4.6 偏振光的干涉 4.7 物质的旋光性 4.8 偏光仪器 ch.4 小结
光学的应用
1、构成各种光学仪器：利用光波的传播规律可构成 各种成像光学仪器。其中包括：显微镜；望远镜；照相 机、投影仪等。而利用一些光的效应则可进一步构成红 外夜视仪、像增强器、高速摄影机等
通过红外装置能够透过烟雾看见物体
光学的应用
哈勃望远镜
红外制导导弹
光学的应用
2、构成各种光学检测、计量仪器，以及各类光学检 测方法：利用光的传输特性以及光和物质相互作用的各 种效应构成的各种光学检测、计量仪器，则是人们认识 和观测世界的重要手段
后的干涉、偏振器和补偿器、电光效应、 弹光效应 磁光效应、
绪论:课程内容
承上起下：
科学研究 生产实践 深入学习
和普通物理中光学的关系
普物：基本概念
物光：基本概念的应用及注意点
绪论
如何学习物理光学？
预习 基本概念、基本定律、基本参量、典型 应用 讨论、习题、答疑
绪论
教材及参考书 教材--- 光学原理与应用，廖延彪，电子工业出版社，2006 参考书--- Principles of Optics，Max Born and Emil Wolf, 世界图书出版公司北京公司，2001 物理光学，梁铨庭，机械工业出版社，1980 物理光学与应用光学，石顺祥等，西安电子科技大 学出版社，2000
激光共焦显微镜
干涉显微镜
光学的应用
3、构成各种光学加工和光学医疗系统：利用光和物 质相互作用的热效应，可构成一系列的光学加工机（其 加工用的光学能量大到一万瓦量级，小到瓦量级）、光 学医疗系统
激光焊接
Ch.1 光波的基本性质
本课程主要是讨论光的波动性。光是电磁波，因此，要了解 光的波动性，就必须首先知道电磁波有些什么基本性质。诸如； 电磁波的传播方向、能量密度以及偏振态等。
开普勒发表了《折光学》一书，阐 述了光的折射原理 最早提出了光线和光束的表示法 出版了《光学》，阐述了近代望远 镜理论，把伽利略望远镜的凹透镜 目镜改成小凸透镜，这种望远镜被 称为开普勒望远镜。 发现大气折射的近似定律
惠更斯(1629-1695)
Hale Waihona Puke 惠更斯发展了光学波动学说-惠更斯 原理 他意识到光在进入密度更大的介质 时会变慢 他解释了偏振和双折射效应
1-1 电磁场基本方程
光是电磁波，它具有电磁波的通性，符合麦克斯韦方程
D H J t B E t B 0 D
麦克斯韦方程
（1） 在真空中：J 0 0 （2）
（3） （4）
D E H 0 r t t B H E 0 t t B 0 H 0 D 0 E 0
•
•
透明电介质，= 0, =0, r = 0
电荷守恒定律 j t
（8）
1-1 电磁场基本方程
能量定律，坡印廷矢量-Poynting vector 光波的麦克斯韦方程的E、D、B、H 4个基本量，但对实际光学问 题而言，这几个量只有辅助意义. 由麦克斯韦方程组得:
目录
第2章 光的干涉
2.1 光波的叠加 2.2 分波面的双光束干涉 2.3 分振幅的双光束干涉 2.4 驻波 2.5 平行平板的多光束干涉 2.6 低相干光源干涉术(白光干涉) 2.7 光的相干性 2.8 典型双光束干涉仪 2.9 典型多光束干涉仪---法布里-珀罗干涉仪 2.10 光纤干涉仪 2.11 光学薄膜 ch.2 小结
5. 希望各位教师，根据自己经验，和教学需要，给我 们提出修改意见。
目录
绪 论
0.1 光学的发展及主要研究内容 0.2 光学的基本参量 0.3 光学的应用
第1章 光波的基本性质
1.1 电磁场基本方程 1.2 光波与电磁波 1.3 平面光波在各向同性介质分界面上的反射和折射 1.4 光波在金属表面上的反射和折射 1.5 光波在负折射率介质中的传播 ch.1 小结
1865年Maxwell建立了经典的电磁理论，同时把光和电磁现象相 结合，指出光是一种电磁波——产生了光的电磁理论。它是掌握 现代光学的重要基础。本章主要介绍光的电磁理论：