光学总结第一章
第一章 傅里叶分析
信息光学的基本内容
▪ 在标量衍射的理论框架下，光波在不同的介质以及不同的光学系
统中的传播在一定条件下可以视为二维信息通过线性系统的过程。
光学系统方框图表示
输入 f（x,y）
系统
输出 g(x,y)(
光学中常用的几种初等函数
1.矩形函数 二维矩形函数 2.sinc函数 二维sinc函数 3.阶跃函数 4.符号函数 5.三角函数 6.圆域函数 7.高斯函数 二维高斯函数
f(0,0).这是广义函数的定义方式，具有普遍意义。Βιβλιοθήκη 维傅里叶变换F ( , )
f ( x, y) exp j 2 (x y) dxdy
F(ζ ,η)=F{f(x,y)}
逆变换
卷积及其相关物理意义
1.定义：
g（x,y）=f(α ，β )h(x-α ,y-β )dα dβ =f(x,y)*h(x,y)
u( P, t ) Re a( P)e j ( P)e j 2 t
复指数函数表示光振动的特点： 便于把相位中空间部分（P）和由时间变量决定的部分2t分开来。 复振幅定义：
U ( P) a( P)e j ( P)
P点光振动的振幅a(P)和初相位（P）
对于单色光波，由于频率恒定，由时间变量确定的相位因子exp(-j2 t)对于光场中各点来说均是相 同的。光场中光振动的空间分布完全由复振幅U随空间位置的变化所确定。
三种最基本的函数定义
定义A对函数给出了类似普通函数形式的定义，
然而定义式描述的图像并不普通，它是一个在原
点以外处处为零，而在原点处出现无穷大的函数。
定义 B 是把函数看作一些普 通函数构成的序列的极限。 定义C中f (x,y)在原点处连续。该式表明函数在
积分域中的作用就是赋与函数在x=0,y=0处的数值
表示卷积运算
求卷积的方法
折叠（使α变为-α）位移 相乘 积分
单色光波场的复振幅表示
单色光场中某一点P在时刻t的光振动可表示为：
u( P, t ) a( P) cos2 t ( P)
式中是光波的时间频率。a(P)和（P）分别是P点的光振动的振幅和初相位。 由欧拉公式得：
《现代光学》课件第1章
29
第1章 现代光学的数学物理基础
可将r0、r1和r的表达式作泰勒展开，取旁轴近似为 (1.1-29)
30
第1章 现代光学的数学物理基础
由于振幅随r的变化比较缓慢，故振幅因子中的r可作 近似： r≈d，于是得到旁轴近似条件下轴外点光源发出的 球面波在(x,y,z1)面上的复振幅分布的表达式为
(1.1-22)
21
第1章 现代光学的数学物理基础
3. 柱面波 均匀无限长同步辐射的线光源发出的光波为柱面波。 柱面波的特征是： 相位间隔为2π的等相面是一组等间距同 轴柱面，光波场中各点的振幅与该点到轴线的距离的平方 根成反比。
22
第1章 现代光学的数学物理基础
图1.1-3 柱面波示意图
23
第1章 现代光学的数学物理基础
复振幅为
令 (1.1-24)
25
第1章 现代光学的数学物理基础
对于给定的观察面，z1为常量，则U0也是与x、y无关 的常量。显然U0不影响该面上复振幅的相对分布。于是该 观察面上的复振幅可简写为
(1.1-25)
26
第1章 现代光学的数学物理基础
2. 球面光波场中任意平面上的复振幅 这里以发散球面波为例讨论。如图1.1-4所示，点光源 Q(x0,y0)在(x0,y0,z0)面内，观察点P(x,y)在(x,y,z1)面内，两平 面间距离为d=z1－z0。Q到P的矢径为r，z0到P的矢径为r0， Q到z1的矢径为r1，这些矢径的长度分别为
由式(1.1-4)与式(1.1-2)，可以给出相应的光学拉格朗 日函数定义：
(1.1-5) 此处，z可假定起着与拉格朗日力学中的时间相同的作用。 与经典力学中的情况类似，我们同样能够引入哈密顿量。 根据经典力学中广义动量p和q的定义:
光学第一章总结
第一章 光和光的传播§1光和光学一、光的本性光是一种波长极短、频率极高的电磁波，具有波粒二象性: 光在传播过程中，表现出波动性；光在与物质相互作用过程中表现出光的粒子性（量子性）。
二、 光源与光谱（1）热（辐射）光源 热能转变为辐射的光源。
任何温度下，任何固体或液体中原子、分子热运动能量改变时辐射出各种波长的电磁波（光波）。
光波为连续谱。
如太阳，白炽灯等。
由于物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度，所以称为热辐射。
注意：1.物体由大量原子组成，热运动引起原子碰撞使原子激发而辐射电磁波。
原子的动能越大，通过碰撞引起原子激发的能量就越高，从而辐射电磁波的波长就越短。
2.任何物体在任何温度下都有热辐射，波长自远红外区连续延伸到紫外区（连续谱）。
（2）非热光源A 气体放电光源B 金属蒸气电弧光源C 固态发光体 —红宝石 蓝宝石 YAG 激光器D 同步辐射光源：高强度，宽波谱，高准直性，脉冲性，偏振性 三、热光源与非热光源的区别（1）本质上 在热光源中是原子、分子的热运动能量转化为光辐射；而非热光源是电子跃迁产生辐射。
（2）光谱上 热光源为连续谱；而非热光源是各原子独立发光，为分立的线光谱。
（3）温度上 热光源辐射的光谱与物质无关，强度与物质的表面温度有关；而非热光源与温度无关。
四、光强A.能流：单位时间内垂直通过某一面积 S 的能量.B.平均能流：能流也是周期性变化的，其在一个周期内的平均值称为平均能流。
能流(功率)单位：瓦特WC.能流密度 ( 光的强度 ) 单位时间，垂直通过单位面积的平均能量。
注意:在波动光学中常把振幅的平方所表征的光照度叫光强度。
五、 光谱W wSu =W wSu =WI S=u A 2221ωρ=2A I =光谱：非单色光的光强按波长的分布 i ~ λ.有连续光谱，线状光谱，带状光谱谱线宽度 Δλ：单位波长区间的光强，又称为谱密度。
六、光是电磁波的一部分（1）长波段表现出显著的波动性。
工程光学知识点整理
工程光学知识点整理-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN工程光学课件总结班级：姓名：学号：目录第一章几何光学基本原理 (1)第一节光学发展历史 (1)第二节光线和光波 (2)第三节几何光学基本定律 (5)第四节光学系统的物象概念 (10)第二章共轴球面光学系统 (11)第一节符号规则 (11)第二节物体经过单个折射球面的成像 (13)第三节近轴区域的物像放大率 (16)第四节共轴球面系统成像 (18)第二章理想光学系统 (21)第一节理想光学系统的共线理论 (21)第二节无限远轴上物点与其对应像点F’---像方焦点 (23)第三节理想光学系统的物像关系 1，作图法求像 (27)第四节理想光学系统的多光组成像 (33)第五节实际光学系统的基点和基面 (38)第六节习题 (41)第四章平面系统 (42)第一节平面镜 (42)第二节反射棱镜 (43)第三节平行平面板 (46)第四节习题 (48)第五章光学系统的光束限制 (49)第一节概述 (49)第二节孔径光栅 (51)第三节视场光栅 (54)第四节景深 (55)第五节习题 (56)第八章典型光学系统 (57)第一节眼睛的光学成像特性 (57)第二节放大镜 (62)第三节显微镜系统 (64)第四节望远镜系统 (70)第五节目镜 (74)第六节摄影系统 (76)第七节投影系统 (78)第八节光学系统外形尺寸计算 (80)第九节光学测微原理 (85)第一章几何光学基本原理光和人类的生产活动和生活有着十分密切的关系，光学是人类最古老的科学之一。
对光的每一种描述都只是光的真实情况的一种近似。
研究光的科学被称为“光学”（optics），可以分为三个分支：几何光学物理光学量子光学第一节光学发展历史1，公元前300年，欧几里得论述了光的直线传播和反射定律。
2，公元前130年，托勒密列出了几种介质的入射角和反射角。
3，1100年，阿拉伯人发明了玻璃透镜。
工程光学第一章基本定律与概念
球面光学成像系统
3
§1-1
一、光波与光线
几何光学的基本定律
•一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其 它情况均可以将光看成是电磁波。
•可见光的波长范围：380-780nm •单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，称 之为单色光； •复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光； •白光是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。
1 2 l l r
（二）成像放大率 y nl l
分析可见： ①α <0，表明当物体沿光轴移动时，像总是以相反的方向移动。 ②球面镜的拉赫不变量： J uyn uy uyn uy ③当物位于球面镜球心时，即l=r时。
y nl l dl nl 2 l 2 2 2 2 dl n l l u l 1 u l
u u i i 光路计算 结果为： l r 1 i u
则当l 一定时,u不论为何值，l′为定植。 表明轴上物点在近轴区内以细光束成像 是完善的。
23
细光束成的完善像为高斯像。 通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯像面。其 位置由l′决定。 这样一对构成物像关系的点称为共轭点。
产生全反射的条件：
①光线从光密介质射向光疏介质，即: n n ②入射角大于临界角，即: I I m , sin I m n n 全反射有比一般反 射更优越的性能，
它几乎无能量的损 失，因此用途广泛。 光纤就是其中的一 种。
10
11
（五）光路的可逆性原理 即光线的传播是可逆的。
12
指在近轴区，角放大率为一对共轭点光线与光轴的夹角 的比值。 u l n 1 u l n
光学公式总结
频率相同 发生干涉的相干条件 振动方向相同
位相差恒定
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偏振光的检验：
肥龙出品，必属精品
(注：引用于 PPT)
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d
2n2
相邻两条明纹（或暗纹）对应的间距为：
L 2n2
麦克尔逊干涉仪
L d
当 M1 平移 d 时，干涉条纹移动 N 条，
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d N 2
光的干涉应用：
/2 1 d N
dN2Leabharlann s' f'
M2
25cm
f
' 2
第五章 光的偏振
偏振度：
P
I max I max
I min I min
马吕斯定律： I I0 cos2
自然光经过偏振片后的光强变化：
I
1 2
I0
布儒斯特定律：
tan i0
n2 n1
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象方焦距
f
'
lim s'
s
n n1
n2 n2
n
r1
r2
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第四章 光学仪器的基本原理
明视距离：25cm
1 配眼镜运用到高斯公式： s'
光学教程-总结
s in 1
0.61
R
1.22
D
艾里斑的线半径为： l 1.22 f
D
第二章 光的衍射
任何具有空间周期性的衍射屏都可以叫衍射光栅。
I
p
Ap2
s in 2 u2
u
sin2 N(d sin
sin2(d sin )
)
I0
s in 2 u2
u
sin2 Nv sin2 v
第二章 光的衍射
光栅衍射的强度分布 I / I0
B
r s
第三章 几何光学基本原理
近轴光线条件下球面反射的物像公式
1 1 2 s s r
对于r一定的球面，只有一个s
P
和给定的s对应，此时存在确定的像点。
这个像点是一个理想的像点，称为高
斯像点。s称为物距， 称s为 像距
1 1 1 s s f
C P O
这个联系物距和像距的公式称为球面反射物像公式。
人眼的分辨本领是描述人眼刚刚能区分非常靠近的两个物点的能 力的物理量。
瞳孔的分辨极限角为
U0
0.610
R
0.610
555 10 7 cm 0.1cm
3.4 10 4 rad
1
望远镜物镜的分辨极限常以物镜焦平面上刚刚能够分辨开的两个 象点之间的直线距离来表示，这极限值为
y
f 1
1.220
d
/ f
显微镜是用以观察在其物镜第一焦点附近（靠外）的物体的光学
系统。物体经物镜折射后在中间像面上所产生的艾里斑与平行光束 衍射时有几乎同样大小的角半径。
y 0.610
n sin u
第四章 光学仪器的基本原理
第一章 光学基础知识
第一章 光学基础知识肉眼能感觉到的光称为可见光，它来自各种自然光源和人造光源。
光实质是电磁波，可见光的电磁波波长在380nm ～760nm 之间。
研究可见光的物理现象有：1、光是直线传播的：人影、小孔成像、木工观察平面直不直时都是该现象的验证；2、光是独立传播的；3、光路是可逆的；4、光到达两个介质的介面时，光要产生反射和折射。
第一节 光的反射和球面镜成像一、光的反射当光线投射到两种介质的分界面上时，一部分光线改变了传播方向，返回第一媒质里继续传播，这种现象称为光的反射。
自然界的反射分为：漫反射（不规则反射） 镜面反射（规则反射）当介质的分界面（反射面）粗糙凹凸不平时，即使入射光线是平行的，反射光线并不平行，这种反射称为漫反射（不规则反射）。
当介质的分界面（反射面）光滑平整时，入射光是平行的，反射光仍然平行的反射，称为镜面反射（规则反射）。
二、反射定律1、反射光线在入射光线与法线所决定的平面内，反射光与入射光线分居在法线两侧；2、反射角等于入射角：i 1＝i 2 。
i 1i 2入射角法线反射角入射光线反射光线入射点三、平面镜成像像的性质：①虚像②正立③等大根据等大的性质，可以证明AO＝A′O当验光室长度尺寸达不到国家规定的5米－6米的距离时，可以利用反射镜成像的原理，将长度尺寸压缩一半。
四、球面镜成像镜的反射面为球面的一部分称做球面镜反射面为球形的凹面——凹面镜反射面为球形有凸面——凸面镜1、凹面镜的成像：凸面镜A镜面的几何中心点O ，称镜面的顶点。
镜面的曲率中心C ，称镜面的球心。
过球心与顶点的连线——称为主光轴，简称为主轴。
当一束平行于主轴的光线入射，经凹面镜反射后相交于镜前主轴上的一点F ，F 点称为焦点。
焦距到顶点的距离FO 称为焦距，用f 表示。
可以证明：f = r 为曲率半径求凹面镜的成像问题（已知物体位置，求像的位置），可以用二种办法解决。
①公式计算法如图，假设物体AB ，离凹面镜距离（物距）S ；像A ′B ′，离凹面镜距离（像距）S ′；则有如下等式：－ ＋ ＝符号规则：a 、 入射光线自左向右为正，反之为负；反射光线自右向左为正，反之为负；b 、物坐标以球面镜顶点为原点，向右为正，向左为负；c 、 像、曲率中心和焦点的坐标也以球面镜顶点为原点，向左为正，向右为负；d 、物点和像点在主轴上方时，其坐标为正，反之为负；e 、 图中要表示长度字母时，若要表示负数，应在其前加以负号。
光学公式总结
肥龙出品，必属精品光学公式总结——肥龙出品，必属精品第一章 光的干涉2211n r n r δ=-221122n r n r πδπϕλλ∆==-0r y nd λ∆=可见度：max min 1222max min 122I I A A V I I A A -==++单色平行光垂直入射劈尖：相邻两条明纹（或暗纹）对应薄膜厚度差为：22d n λ∆=相邻两条明纹（或暗纹）对应的间距为：22L n λα∆=L d α∆=∆麦克尔逊干涉仪当M 1平移d ∆时，干涉条纹移动N 条，2022(21)2j n d j λλδλ⎧⎪=-=⎨-⎪⎩明纹暗纹肥龙出品，必属精品2d Nλ∆=光的干涉应用：/21d Nλ= 2d N λ=⋅d ：空气薄膜厚度 N ：条纹移动数目λ：入射光波长第二章 光的衍射-⎫⎬⎭惠更斯引入子波惠更斯菲涅尔原理菲涅尔利用子波干涉求半波带数目k2011()h R k r Rλ=+111(),k 21(),k 2k k ka a P A a a ⎧+∈⎪⎪=⎨⎪-∈⎪⎩奇数点合振幅偶数如果是平行光照射，即R →∞h R =单缝衍射：sin 1sin +2b k b k θλθλ==最小值（）次最大sin k tg bλθθθ=≈≈ k y ftg f bλθ==中央亮纹的线宽度：22y ftg fbλθ∆==夫琅禾费圆孔衍射： 中央亮斑的半角宽度：10.611.22RDλλθ∆==光栅常数：d a b =+ 1d为光栅密度透光缝数N 的平面光栅中央主极大的光强是单缝衍射中央主极大光强的N 2倍，通过N 个缝的总能量是通过单缝的N 倍。
主最大（亮纹） 多缝干涉最大值s i n jdλθ=谱线的缺级：亮纹级次：d j k b= 如第三级缺级 则d=3b 光栅方程：sin d j θλ=谱线的半角宽度：cos Nd λθθ∆=平行光倾斜地入射到光栅上：0(sin sin )d j θθλ±=第三章 几何光学基本原理反射定律：'11i i =折射定律：1122sin sin n i n i =全反射现象，临界角：21arcsin c n i n =球面反射成像公式：'112s sr +=球面折射成像公式：'''n n n ns s r --=高斯物象公式：''1f fs s -=其中：'''n f r n n =- 'n f r n n=-- 牛顿物象公式：''xx ff =横向放大率：'''''y s n s y s n fβ==⋅=- 薄透镜的高斯公式''1f fs s -='12f n n then f f==-薄透镜的物像公式：2112''12n n n n n ns s r r ---=+物方焦距'11212lim s n f s n nn n r r →∞==---+象方焦距''21212lim s n f s n n n n r r →∞==--+第四章 光学仪器的基本原理明视距离：25cm配眼镜运用到高斯公式：''111s s f-= 其中'1f 为光焦度Φ，单位为D ，屈光度=光焦度*100显微镜的放大本领=物镜横向放大率X 目镜放大本领12M M β=⋅其中'1's f β=- 2'225cm M f =第五章 光的偏振偏振度：max minmax min I I P I I -=+马吕斯定律：2cos I I θθ= 自然光经过偏振片后的光强变化：012I I '=布儒斯特定律：201tan n i n =o 光，e 光仅在晶体内部才有意义 用惠更斯作图法作图时光轴平行入射面 o 光：圆 e 光：椭圆 光轴垂直入射面 o 光：圆 e 光：圆 正晶体：石英 e o o e n n v v >≥ 负晶体：方解石 e oo e n n v v <≤波片：1. 1=(n )442o e n d λπδϕ-=±∆=±波片2. =(n )2o e n d λδϕπ-=±∆=±半波片3. =(n )k 2o e n d k δλϕπ-=±∆=±全波片1=421==45421=42x y A A πϕπϕθπϕ∆±∆±︒⇒=∆±线偏振光波片正椭圆偏振光线偏振光波片，振动方向和光轴夹角圆偏振光圆偏振光波片线偏振光111142λλ某石英对为波片则对为半波片sin 0sin 0ϕϕ∆>⎧⎨∆<⎩右旋偏振光左旋偏振光⎧⎪⎨⎪⎩频率相同发生干涉的相干条件振动方向相同位相差恒定偏振光的检验：(注：引用于PPT)。
第一章 几何光学
以光线概念为基础研究光的 传播和成像规律
§1.1 光线传播的基本定律
一.几何光学的实验定律
1.光的直线传播定律。（各向同性介质中）
共面
2.反射定律和折射定律：
分于法线两侧 角度关系
3.光的独立传播定律和光路可逆原理（各向同性介质中）
几何光学中常用的器件-----棱镜
作用：改变光路 色散分光
s
2 2 2
n (s r)
n
s
/2
/2
0
/ 2
(s r )
1 n (s r )
2
n
1
/2
0
(s r)
/
求出上两式联立方程的解，可得一对特殊的共轭点， 称为球面折射的齐明点或不晕点 对一对齐明点，宽光束经球面折射仍能成像。
（二）把光束限制在傍轴区，即
则有：
2
cos 1
共轴球面系统的基点基面
(1) 焦点与焦平面
焦平面的普遍意义：顶点位于焦平面上的光束，其共轭光束为平行光束； 顶点位于焦点上的光束，其共轭光束与主光轴平行。 物（像）方焦点F（ F'）：与无限远处像（物）点共轭的轴上物（像）点。 物（像）方焦平面：过物（像）方焦点F（ F' ）的垂轴平面。
2
在傍轴区d<<s，s/，|r|；略去二阶以上无穷小量得
d (r s) PM s 1 2 s
d (r s' ) M P s ' 1 2 s'
因此，光程
d (r s) d (r s' ) [ PMP ' ] ns 1 2 2 ns ' 1 s s'
物理光学复习第一章知识总结
红色部分为老师提到的考点。
第一章 光波的基本性质1.1光的电磁理论1.1.1 麦克斯韦方程组和物质方程 1． 积分形式的麦克斯韦方程组光的电磁理论可归纳为一组与E B D H 四个矢量有关的方程组，即麦克斯韦方程组ds t Bdl E c A ⋅∂∂-=⋅⎰⎰⎰法拉第电磁感应定律的积分公式。
意义：变化的磁场可产生电场。
⎰⎰⎰⎰⎰=⋅vAdv ds D ρ电场高斯定律的常用形式。
意义：自体积V 内部通过闭合曲面向外流出的电通量等于A 包围的空间中的自由电荷的总数。
0=⋅⎰⎰Ads B磁场的高斯定律。
意义：通过闭合曲面A 流出和流入的磁通量相等磁场没有起止点。
ds t DJ dl H A C ⋅∂∂+=⋅⎰⎰⎰)(麦克斯韦——安培定律。
意义：描述了电荷流动会在周围产生环形磁场的事实。
其中 E ：电场强度 B ：磁感应强度 D ：电位移 H ：磁场强度 J ：电流密度tD∂∂：位移电流密度2.微分形式的麦克斯韦方程组tD J H B D t BE ∂∂+=⨯∇=∙∇=∙∇∂∂-=⨯∇ρ3.物质方程为了描述电磁场的普遍规律，除了利用上述涉及E D B H J 各矢量关系的麦克斯韦方程组的四个等式外，还要结合一组与电磁场所在空间媒资有关的方程，即物质方程。
EJ B H E D σμε===14.电磁波的产生及传播当波源处存在着振荡偶极子或其他变速的带电粒子时，由于偶极子内正负电荷的振动，造成了随时间不断变化的电场，按照麦克斯韦电磁理论，它会在周围空间产生随时间变化的磁场，后者又会在周围产生变化的电场。
变化的电场和磁场互相依存、交替产生，循环往复，便形成了以一定速度由近及远传播的电磁波。
1.1.2电磁波的波动微分方程讨论电磁波在无限扩展的均匀、各向同性、透明、无源媒质中传播的波形。
“均匀”“各向同性”意味着εμσ,,等物质常数均是与位置无关的标量；“透明”意味着0=σ，J=0，否则电磁场在媒质中的交变就会引起电流，消耗电磁波的能量；“无源”意味这0=ρ。