西邮 应用光学 第一章
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应用光学-赵存华著-I-1-21章课件
1.1.2 电磁波谱
400～760nm
380～760nm 390～780nm
1nm 103 μm 106 mm 109 m
1.1.2 电磁波谱
在电磁波谱里，可见光大约在380～760nm之间，按波长从长到 短依次分别呈现红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种颜色。这七种 色光其实分界并不完全准确，因为两种色光之间的界限本身就不明 显，过渡是一种渐进的过程。
2. 遵照波动光学理论，圆孔衍射强度为
I
I
0
2
J1(Z Z
)
2
绘出上式的图形，可知其强度为同心圆环，其中同心亮斑集中了衍射圆环的大
部分能量，约占总能量的83.78%，称为爱里斑（Airy disc）。对于平行光入射情形，
爱里斑的半径为
r0
1.22
2a
f'
3.2.2 理想像的违背
sin
Ic
n' n
例子: 求光线从水中入射于空气中的全反射临界角
n’
n 4
3
n
3 n' 1
sin I c 4
Ic 48.6
2.7.2 全反射的应用
45
如果入射角是 45o ，玻璃的最 小折射率为
sin
Ic
n' n
Ic 45
n'
1
n
sin Ic sin 45
2 1.414
nI n'I'
I I' I n I n'n I
n' n'
结论: 界面两边折射率差越大偏折光线越大.
最新物理光学与应用光学第一章 PPT课件ppt课件
物理光学与应用光学第 一章 PPT课件
一、课程性质、目的和任务
LOGO
1. 性质： 专业基础课
后续课： 激光原理、光纤通信原理与系统、光 电传感技术等
2. 目的： 基本原理
知识的应用
分析问题方法
3. 教学内容： 电磁场基本知识 光的干涉、衍射
晶体光学 光与物质的作用 课时分配 48课时
2013/2014(1)
2013/2014(1)
光电工程学院
3
LOGO
LOGO
LOGO
Ⅰ、萌芽时期
LOGO
对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究，制造了简单的光 学仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜)。
代表人物和成 A、就墨：翟：
在他和其弟子所著的 《墨经》中，对 光现象有八条定性记载
墨翟（公元前468～376年）
B、欧几里德： 在其著作 《光学》一书中提出触须学说：
德布罗意（法， 1892～1989 ）提出物质波假说，戴维孙 与革末的电子衍射实验证实电子具有波动性
实物粒子与光一样 具有波（Wave）、粒（Particle）二象性
10
Ⅴ 、现代光学时期
LOGO
自1960年梅曼（美，1927~2007）制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的
发展阶段，激光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光脑的设想、红
光电工程学院
2
一、课程性质、目的和任务 4. 成绩评定
LOGO
平时：（ 作业、到课率、答疑、课堂提问等） 30％
期末考试： 70％
5. 学习方法
掌握重点
培养兴趣
独立思考 主动质疑
6. 参考书
《物理光学》， 刘晨 . 合肥工业大学出版社. 2007年 《光学原理与应用》，廖延彪. 电子工业出版社. 2006年 《光学习题课教程》，郑植仁. 哈尔滨工业大学出版社. 2006年
一、课程性质、目的和任务
LOGO
1. 性质： 专业基础课
后续课： 激光原理、光纤通信原理与系统、光 电传感技术等
2. 目的： 基本原理
知识的应用
分析问题方法
3. 教学内容： 电磁场基本知识 光的干涉、衍射
晶体光学 光与物质的作用 课时分配 48课时
2013/2014(1)
2013/2014(1)
光电工程学院
3
LOGO
LOGO
LOGO
Ⅰ、萌芽时期
LOGO
对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究，制造了简单的光 学仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜)。
代表人物和成 A、就墨：翟：
在他和其弟子所著的 《墨经》中，对 光现象有八条定性记载
墨翟（公元前468～376年）
B、欧几里德： 在其著作 《光学》一书中提出触须学说：
德布罗意（法， 1892～1989 ）提出物质波假说，戴维孙 与革末的电子衍射实验证实电子具有波动性
实物粒子与光一样 具有波（Wave）、粒（Particle）二象性
10
Ⅴ 、现代光学时期
LOGO
自1960年梅曼（美，1927~2007）制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的
发展阶段，激光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光脑的设想、红
光电工程学院
2
一、课程性质、目的和任务 4. 成绩评定
LOGO
平时：（ 作业、到课率、答疑、课堂提问等） 30％
期末考试： 70％
5. 学习方法
掌握重点
培养兴趣
独立思考 主动质疑
6. 参考书
《物理光学》， 刘晨 . 合肥工业大学出版社. 2007年 《光学原理与应用》，廖延彪. 电子工业出版社. 2006年 《光学习题课教程》，郑植仁. 哈尔滨工业大学出版社. 2006年
应用光学各章知识点归纳
第一章 几何光学基本定律与成像概念波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。
光的传播即为光波波阵面的传播，与波面对应的法线束就是光束。
波前：某一瞬间波动所到达的位置。
光线的四个传播定律：1）直线传播定律：在各向同性的均匀透明介质中，光沿直线传播，相关自然现象有：日月食，小孔成像等。
2）独立传播定律：从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响，各光线独立传播。
3）反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内，入射光线和反射光线在法线的两侧，反射角等于入射角。
4）折射定律：入射光线、法线和折射光线在同一平面内；入射光线和折射光线在法线的两侧，入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率之比，即nn I I ''sin sin = 光路可逆：光沿着原来的反射（折射）光线的方向射到媒质表面，必定会逆着原来的入射方向反射（折射）出媒质的性质。
光程：光在介质中传播的几何路程S 和介质折射率n 的乘积。
各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。
各向异性介质：单晶体（双折射现象）马吕斯定律：光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
费马原理：光总是沿光程为极小，极大，或常量的路径传播。
全反射临界角：12arcsinn n C = 全反射条件：1）光线从光密介质向光疏介质入射。
2）入射角大于临界角。
共轴光学系统：光学系统中各个光学元件表面曲率中心在一条直线上。
物点/像点：物/像光束的交点。
实物/实像点：实际光线的汇聚点。
虚物/虚像点：由光线延长线构成的成像点。
共轭：物经过光学系统后与像的对应关系。
（A ，A ’的对称性）完善成像：任何一个物点发出的全部光线，通过光学系统后，仍然聚交于同一点。
每一个物点都对应唯一的像点。
理想成像条件：物点和像点之间所有光线为等光程。
物理光学与应用光学第1章-
1.2.4 反射和折射的相位特性
1. 折射光与入射光的相位关系 2.反射光与入射光的相位关系
1. 折射光与入射光的相位关系
由图可以看出，在入射角 1.0
从 0 到 90 的 变 化 范 围 内 ， 不
tp
0.5
论光波以什么角度入射至界面，
ts
也不论界面两侧折射率的大小 0.0
θB
如何，s 分量和 p 分量的透射 -0.5
若n1 < n2，1 ≈ 90°， |rs| = |rp| , rs < 0 ， rp < 0 。
因此，在入射点处，入射光矢量Ei与反射光矢量Er方向近似 相反，即掠入射时的反射光在n1 < n2时，将产生半波损失。
n1
n2
n1<n2
3) 薄膜上下表面的反射
n1 < n2
n1
n2
n1
1.0 0.5 0.0 -0.5
(a).光由光疏到光密( n1< n2 )
0.5
rp
0.0
-0.5
rs θB
rs
s分量
rp
-1.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
p分量
0
B
/2 1
rs＜0，s分量反相，或 者说存在一个相位突
变，即rs =
0
B
/2 1
1B, rp>0，p分量同相(rp = 0)；
Tp
n2 n1
cos2 cos1
tp2
sin21 sin22
sin2(1 2)cos2(1 2)
决定光在界面上的反射、透射特性的因素有：
应用光学 赵存华著 I 1-21章精选ppt课件
感度称为视见函数（vision function），用 V（ ） 表示，所以
V（55n5m ）1
V（ ） 1
图1.5 视见函数
1.2.1 光线和光束
人眼睛可以感受的光称为“可见光” 相同波长（或频率）的光颜色相同，称为“单色光” 不同波长光波的混合称为“复色光” 光在透明介质中行进的速度称为“光速” 光波传播时抽象的能传递能量的几何线称为“光线” 一束光线的集合称“光束”
当光线遇到障碍物时会发生光的衍射现象，从而偏离光线的直线 传播。
衍射
双折射
梯度折射率
2.2 光的独立传播定律
在光相交的区域可能发生叠加，甚至发生干涉。不管是哪一种情 况，在光离开相交区域后，光波继续沿着既定的方向向前传播，该 光波身上找不到其他光波对其产生的任何影响，此现象称为光的独 立传播定律。
德国科学家夫琅禾费 （Joseph von Fraunhofer）在研 究太阳光光谱时，把太阳光光 谱中在可见光区域内，某些明 显的线型用英文字母命名，称 为夫琅和费波长，列于右表。
波长/nm 404.6 435.8 480.0 486.1 546.1 587.6 589.3 643.8 656.3 706.5
由折射率定义
n' 1 n 2
sin I 1 sin I ' 2
nsiInn'siIn'
2.6.3 Snell定律的讨论
讨论:
nsiInn'siIn'
1. 如果 nn' 那么 sinIsinI'
所以 I I'
结论: 折射率小的一边相对法线夹角大.
2. 假定: 入射角很小
nIn'I'
如果光波在某种透明介质中的电容率（capacitivity）为ε，磁导率 （magnetoconductivity）为μ，该介质中的光速为
V（55n5m ）1
V（ ） 1
图1.5 视见函数
1.2.1 光线和光束
人眼睛可以感受的光称为“可见光” 相同波长（或频率）的光颜色相同，称为“单色光” 不同波长光波的混合称为“复色光” 光在透明介质中行进的速度称为“光速” 光波传播时抽象的能传递能量的几何线称为“光线” 一束光线的集合称“光束”
当光线遇到障碍物时会发生光的衍射现象，从而偏离光线的直线 传播。
衍射
双折射
梯度折射率
2.2 光的独立传播定律
在光相交的区域可能发生叠加，甚至发生干涉。不管是哪一种情 况，在光离开相交区域后，光波继续沿着既定的方向向前传播，该 光波身上找不到其他光波对其产生的任何影响，此现象称为光的独 立传播定律。
德国科学家夫琅禾费 （Joseph von Fraunhofer）在研 究太阳光光谱时，把太阳光光 谱中在可见光区域内，某些明 显的线型用英文字母命名，称 为夫琅和费波长，列于右表。
波长/nm 404.6 435.8 480.0 486.1 546.1 587.6 589.3 643.8 656.3 706.5
由折射率定义
n' 1 n 2
sin I 1 sin I ' 2
nsiInn'siIn'
2.6.3 Snell定律的讨论
讨论:
nsiInn'siIn'
1. 如果 nn' 那么 sinIsinI'
所以 I I'
结论: 折射率小的一边相对法线夹角大.
2. 假定: 入射角很小
nIn'I'
如果光波在某种透明介质中的电容率（capacitivity）为ε，磁导率 （magnetoconductivity）为μ，该介质中的光速为
应用光学 第一章
Q 出射光线
O
I’
N
即
sin I = n ab sin I '
33
nab:介质 b 对介质 a 的相对折射率，如果介质 a 为真空， 则介质 b 对真空的折射率也称为绝对折射率，用nb 表 示。
Applied Optics
也可表述为：
c nb = vb
c：在真空中光速，vb：在介质 b 中光速 两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的 速度表示 v
23 Applied Optics
一. 发光点 几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当 光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也 可认为是一个点。 天体 遥远的距离 观察者
24
Applied Optics
任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1、本身发光。 2、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成 像规律来推断整个物体的成像。
35 Applied Optics
（二）反射定律 （1）反射光线在由入 射光线和法线所决定的 平面内
入射光 线
法线 N I I” O
反射光线
（2）入射角 I和反射角I’’ 的绝对值相同，可表示为
I " = I
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
36 Applied Optics
第一章 几何光学基本原理
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
日用：扫描仪、光碟、 照相机
10
Applied Optics
光的本质
光的本质的认知过程 1666年 年 牛顿 微粒说 弹性粒子 1678年 年 惠更斯 波动说 以太弹性波 1905年 年 爱因斯坦 光子假设 1801年 年 托马斯杨 托马斯 杨 双缝实验
O
I’
N
即
sin I = n ab sin I '
33
nab:介质 b 对介质 a 的相对折射率，如果介质 a 为真空， 则介质 b 对真空的折射率也称为绝对折射率，用nb 表 示。
Applied Optics
也可表述为：
c nb = vb
c：在真空中光速，vb：在介质 b 中光速 两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的 速度表示 v
23 Applied Optics
一. 发光点 几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当 光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也 可认为是一个点。 天体 遥远的距离 观察者
24
Applied Optics
任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1、本身发光。 2、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成 像规律来推断整个物体的成像。
35 Applied Optics
（二）反射定律 （1）反射光线在由入 射光线和法线所决定的 平面内
入射光 线
法线 N I I” O
反射光线
（2）入射角 I和反射角I’’ 的绝对值相同，可表示为
I " = I
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
36 Applied Optics
第一章 几何光学基本原理
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
日用：扫描仪、光碟、 照相机
10
Applied Optics
光的本质
光的本质的认知过程 1666年 年 牛顿 微粒说 弹性粒子 1678年 年 惠更斯 波动说 以太弹性波 1905年 年 爱因斯坦 光子假设 1801年 年 托马斯杨 托马斯 杨 双缝实验
应用光学2010(第一章)
通信：光缆通讯
航天：资源勘探、星际探索
哈勃号太空望远镜是被送入 轨道的口径最大的望远镜。总长 12.8米，镜筒直径4.28米，主镜直 径2.4米，连外壳孔径则为3米， 全重11.5吨
日用：扫描仪、光碟、照相机
2021/4/6
18
哈勃太空望远镜
2021/4/6
19
2021/4/6
“哈勃”太空 望远镜拍 摄的狮子 座“NGC 3 370”螺旋 星系的照 片
2021/4/6
25
世博之光——光谱仪
• 光纳科技研制食品安全检 测仪——高精度便携式拉 曼光谱仪为世博会提供食 品安全检测和服务
• 该光谱仪可透过透明的玻 璃或其他透明材质的容器 直接（不打开瓶盖）将激 光照射到容器内的液体上 并将散射光有效地传输回 光谱仪中。在几秒钟内对 散射光谱进行分析并决定 被测容器内是否含有可疑 化学物质，比如爆炸物或 易燃液体等。
2021/4/6
33
一. 发光点
几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。 当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时， 也可认为是一个点。
彩 虹
6Leabharlann 海市蜃楼2021/4/6
7
日晕
2021/4/6
8
2021/4/6
9
几何光学发展最为迅速，荷
兰数学家斯涅尔发现的准确
的折射定律对于光学仪器的 设计和改进具有重要意义！ 为研究整个光学系统提供了 计算的可能。
2021/4/6
10
光学开始进入了一个新的时期，以致于 成为现代物理学和现代科学技术前沿的 重要组成部分。
二十世纪六十年代，激光问世。
从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许 许多多新兴的光学学科，如：
航天：资源勘探、星际探索
哈勃号太空望远镜是被送入 轨道的口径最大的望远镜。总长 12.8米，镜筒直径4.28米，主镜直 径2.4米，连外壳孔径则为3米， 全重11.5吨
日用：扫描仪、光碟、照相机
2021/4/6
18
哈勃太空望远镜
2021/4/6
19
2021/4/6
“哈勃”太空 望远镜拍 摄的狮子 座“NGC 3 370”螺旋 星系的照 片
2021/4/6
25
世博之光——光谱仪
• 光纳科技研制食品安全检 测仪——高精度便携式拉 曼光谱仪为世博会提供食 品安全检测和服务
• 该光谱仪可透过透明的玻 璃或其他透明材质的容器 直接（不打开瓶盖）将激 光照射到容器内的液体上 并将散射光有效地传输回 光谱仪中。在几秒钟内对 散射光谱进行分析并决定 被测容器内是否含有可疑 化学物质，比如爆炸物或 易燃液体等。
2021/4/6
33
一. 发光点
几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。 当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时， 也可认为是一个点。
彩 虹
6Leabharlann 海市蜃楼2021/4/6
7
日晕
2021/4/6
8
2021/4/6
9
几何光学发展最为迅速，荷
兰数学家斯涅尔发现的准确
的折射定律对于光学仪器的 设计和改进具有重要意义！ 为研究整个光学系统提供了 计算的可能。
2021/4/6
10
光学开始进入了一个新的时期，以致于 成为现代物理学和现代科学技术前沿的 重要组成部分。
二十世纪六十年代，激光问世。
从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许 许多多新兴的光学学科，如：
应用光学第一章
2 1
2
sin I ,
h ( p x)
2 2
2
二、马吕斯--杜平定理
光锥构成法线束，同心球面(波前)与此光束的各条光线都正交。 1808 年，马吕斯证明：直线光线的同心光束经曲面折射或反射后，所形成 的光束(一般不再是同心光束)将仍旧构成一法线束。 1916年，杜平等人推广为马吕斯—杜平定理：一法直线束经任意次折 射或反射后仍然是一法线束。 根据马吕斯—杜
应 用 光 学 ， 2016 ， 李 大 海 ，
相对折射率
3.光的折射定律(Snell’s Law)
4.反射定律
相对折射率定义为在第一种 介质中光的传播速度和在第 二种介质中光的传播速度之
折射率
比
光在真空中传播速度与介质中传 播速度的比值就是该介质的折射 率。
n1 2
1 c 2 2
c
1
n2 n1
n
c
介质对空气的相对折射率作
为该介质的绝对折射率，简
称折射率 。 空气的折射率n=1.000273
8
折射率数值的倒数就是光速被减
慢的程度。普通玻璃中光的速度 大约是空气中光速的2/3 。
（续: ）
折射定律和反射定律(Snell’s Law， 1621年)
A C
光线是如何被介 质折射的?
2.波前照片
Optics(3rd), E.Hecht,1998， P159
6
二、光束----光波波前的法线束
波前 波前 波前
曲率半 径无限 大.
(a)
界面 波前
应 用 光 学 ， 2016 ， 李 大 海 ，
(c)
2
sin I ,
h ( p x)
2 2
2
二、马吕斯--杜平定理
光锥构成法线束，同心球面(波前)与此光束的各条光线都正交。 1808 年，马吕斯证明：直线光线的同心光束经曲面折射或反射后，所形成 的光束(一般不再是同心光束)将仍旧构成一法线束。 1916年，杜平等人推广为马吕斯—杜平定理：一法直线束经任意次折 射或反射后仍然是一法线束。 根据马吕斯—杜
应 用 光 学 ， 2016 ， 李 大 海 ，
相对折射率
3.光的折射定律(Snell’s Law)
4.反射定律
相对折射率定义为在第一种 介质中光的传播速度和在第 二种介质中光的传播速度之
折射率
比
光在真空中传播速度与介质中传 播速度的比值就是该介质的折射 率。
n1 2
1 c 2 2
c
1
n2 n1
n
c
介质对空气的相对折射率作
为该介质的绝对折射率，简
称折射率 。 空气的折射率n=1.000273
8
折射率数值的倒数就是光速被减
慢的程度。普通玻璃中光的速度 大约是空气中光速的2/3 。
（续: ）
折射定律和反射定律(Snell’s Law， 1621年)
A C
光线是如何被介 质折射的?
2.波前照片
Optics(3rd), E.Hecht,1998， P159
6
二、光束----光波波前的法线束
波前 波前 波前
曲率半 径无限 大.
(a)
界面 波前
应 用 光 学 ， 2016 ， 李 大 海 ，
(c)
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光轴
顶点
Applied Optics
常见光学零件 1 、反射镜
Applied Optics
2 、透镜 （ 1 ）正透镜：中心比边缘厚度大，起会聚作用 （ 2 ）负透镜：中心比边缘厚度小，起发散作用
正透镜 （会聚透镜）
负透镜 （发散透镜）
Applied Optics
正透镜
双凸
正月牙
平凸
Applied Optics
Applied Optics
一 . 发光点 几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当光 源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也可认 为是一个点。 天体 遥远的距离 观察者
Applied Optics
任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1 、本身发光。 2 、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成像 规律来推断整个物体的成像。
nab =
a
vb
对上式变换
va C na nb nab = = = vb C nb na
Applied Optics
两种介质的相对折射率等于两介质的绝对折射率之比
将上式代入 有：
n sin I = n' sin I '
sin I = nab sin I' 并设
n a = n, nb = n ′
真空折射率为 1 ，在标准压力下， 20 摄氏度时空 气折射率为 1.00028 ， 通常认为空气的折射率也 为 1 ，把其他介质相对于空气的折射率作为该介质 的绝对折射率。 提示：但是在设计高精度的太空中的光学仪器 时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。
Applied Optics
（二）反射定律
入射光 （ 1 ）反射光线在由入 线 射光线和法线所决定的 平面内
法线 N I I” O
反射光线
（ 2 ）入射角 I 和反射角 I’’ 的绝对值相同，可表示 为
I " = −I
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
Applied Optics
第一章 几何光学基本原理
光波和光线 几何光学基本定律 光路可逆和全反射 光学系统类别和成像的概念 理想像和理想光学系统
Applied Optics
1-1
在工农业、科学技术以及人类生活的各个领域，使用着种类 繁多 的的光学仪器， 如 望远镜，显微镜， 投影 仪等。 但是其基本 功能是共 同 的：传输 光 能或对 所 研究的目标 成像。
日用：扫描仪、光碟 、照相机
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光的本质
光的本质的认知过程 1666 年 牛顿 微粒说 弹性粒子 1678 年 惠更斯 波动说 以太弹性波 1905 年 爱因斯坦 光子假设 双托 缝马 实斯 验杨年 · 1873 年 麦克斯韦 电磁场理论
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1801
1 可以得到： i0 = arcsin( na
当入射角 i < i0
n − n' )
2 2
时，可以全反射传送，
当 i > i0 时，光线将会透过内壁进入包层
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定义
na sin i0
为光纤的数值孔径
i0 越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是光纤 能够传送的光能越多。
这意味着光信号越容易耦合入光纤！
光波和光线 几何光学基本定律 光路可逆和全反射 光学系统类别和成像的概念 理想像和理想光学系统
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1-4 光学系统类别和成像的概念
※ 光学系统 的作用之一是对物体成像，因此必须 搞清物像的基本概念和它们的关系。 ※ 物体通过光学系统（光组）成像，光学系统 ( 各种光学仪器 ) 由一系列光学零件 组成。。 ※ 光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线， 称为光轴。这种系统被称为“共轴系统” 光轴
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光轴与透镜面的交点称为：顶点
顶点
顶点
顶点
顶点
具有对称轴（光轴）的系统成为共轴光学系统。 没有对称轴的系统称为非共轴光学系统。
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由两个球面构成的透镜中，通过两球面球心的直 线为光轴。
光轴
顶点
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若有一个面为平面，则光轴通过球面的球心与平 面垂直。
光波和光线
光学系统：千差万 别
研究光的传播和光学成像的规律对于设计 光学仪器具有本质的意义！
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从本质上讲，光是电磁波，它是按照波动理论进 行传播。 • 但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系 统是的传播规律或成像问题时将会造成计算 和处理上的很大困难，在实际解决问题时也 不方便。
进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连续发生 全发射，直至另一端出射。 na
i0
n A
n'
π − i'0 2
BHale Waihona Puke i '0S
π − i'0 大于临界角时，就发生全发射。 当 2
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na
i0
n
n'
π − i '0 2
B
i '0
A
S na sin i0 = n sin i'0 根据折射定律，又有：
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二、光线 发光点向四周辐射光能量，在几何光学中将发光 点发出的光抽象为带有能量的线，它代表光的传 播方向。
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三、光束 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光向四 周传播，形成以发光点为球心的球面波。 某一时刻相位相 同的点构成的面 称为波面 波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方向 ，波面上的法线束称为光束
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课程内容
第一章 第二章 第三章 第四章 几何光学基本原理 共轴球面系统的物像关系 眼睛和目视光学系统 平面镜棱镜系统
第五章 光学系统中成像光束的选择
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几何光学基本原 理
第一章
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第一章 几何光学基本原理
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
农业：收割、除草、 叶面与果实的检测
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光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
军事：望远镜、夜视 仪、导弹制导、激光 测距、无人驾驶侦探 机、平视显示器等等
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光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
现在 波粒二象性
光的本质
光具有波粒二象性。一般看作电磁波
可见光波长： 400~760nm
物理光学 几何光学
波动性 粒子性
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应用光学研究内容
研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的 原理和应用。 “ 应用”包含两层意思： 1 、作为粒子看待 2 、涉及具体的光学系统
应用光学
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课程要求
教材：《应用光学》 安连生编著 B313
授课时间、 地点：每周四 (3 、 4 节 )
辅导答疑时间、 地点：每周一下午 2 ： 30~4 ： 30 ， 3 号实验楼 206 办公室 考核方式：闭卷考试 计分方式： 平时成绩 30% 考勤 + 作业 期末成绩 70% 卷面成绩 班级：科技 0901-0904 总学时： 32 Tel : 15094099649
天文：资源勘探、星 际探索
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光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
医学： CT 、胃镜、虹 膜检测、生物检测
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光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
通信：光缆通讯
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光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
Q
N
出射光线
sin I = nab sin I '
nab: 介质 b 对介质 a 的相对折射率，如果介质 a 为真空，则介质 b 对真空的折射率也称为绝对折射 率，用 nb 表示。 Applied Optics
也可表述为：
c nb = vb
c ：在真空中光速， vb ：在介质 b 中光 速 两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的 速度表示 v
研究光的意义
自然界中的光学现象
•佛光
•彩虹
•日晕
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光学的应用领域越来越广泛 工业 通信 日用 医学 天文
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农业 军事
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
工业：显微镜、汽车 车身的检测、机器人 视觉、材料金相结构 等等
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同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波
平行光束：光线彼此平行，是平面波
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像散光束：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。
在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元 件中的传播途径，这个途径称为光路 实际做法：从光束中取出一个适当的截面，再求出其 上几条光线的光路，即可解决成像问题。这种截面称 为光束截面
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第一章 几何光学基本原理
光波和光线 几何光学基本定律 光路可逆和全反射 光学系统类别和成像的概念 理想像和理想光学系统
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几何光学基本定律
一、光的直线传播定律 在各向同性的均匀透明介质中，光线沿直线传播。 二、光的独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼此互 不影响。在光线的相会点上，光的强度是各光束的 简单叠加，离开交会点后，各个光束按原方向传播 。