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《工程光学与技术》课件
智能制造
智能制造需要高精度、高效率的光学检测和测量技术，工程光学将大有可为。
医疗健康
光学成像、光谱分析等技术将为医疗健康领域带来更多创新。
THANK YOU
感谢各位观看
《工程光学与技术》ppt课件
目录
• 工程光学概述 • 光学基础知识 • 工程光学技术 • 现代光学技术 • 工程光学实验 • 工程光学前沿与展望
01
工程光学概述
光学的基本概念
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。
光的传播
光在真空中沿直线传播，在其他介质中传播方向会发生改变。
光的反射、折射和散射
04
现代光学技术
非线性光学
非线性光学效应
非线性光学效应是光与物质相互作用时产生的非线性现象，如倍频 、和频、差频等。
非线性光学材料
非线性光学材料是实现非线性光学效应的关键，如晶体、玻璃、聚 合物等。
非线性光学应用
非线性光学在激光技术、光电子学、光通信等领域有广泛的应用，如 光参量振荡器、光倍频器等。
光子学与光子技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光子学基本概念
光子学是研究光子的产生、传播、相互作用和应 用的科学。
光子器件
光子器件是实现光子技术的关键，如激光器、光 放大器、光调制器等。
光子技术的应用
光子技术在通信、信息处理、传感等领域有广泛 的应用，如光纤通信、光计算等。
光学信息存储与处理
01
光学信息存储
光学信息存储是利用光的干涉、 衍射等光学效应实现信息的存储 和读取。
工程光学的研究内容
光学系统设计
研究光学系统的基本理论和设 计方法，涉及光学仪器、摄影
镜头、显微镜等。
光学材料与制造
智能制造需要高精度、高效率的光学检测和测量技术，工程光学将大有可为。
医疗健康
光学成像、光谱分析等技术将为医疗健康领域带来更多创新。
THANK YOU
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《工程光学与技术》ppt课件
目录
• 工程光学概述 • 光学基础知识 • 工程光学技术 • 现代光学技术 • 工程光学实验 • 工程光学前沿与展望
01
工程光学概述
光学的基本概念
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。
光的传播
光在真空中沿直线传播，在其他介质中传播方向会发生改变。
光的反射、折射和散射
04
现代光学技术
非线性光学
非线性光学效应
非线性光学效应是光与物质相互作用时产生的非线性现象，如倍频 、和频、差频等。
非线性光学材料
非线性光学材料是实现非线性光学效应的关键，如晶体、玻璃、聚 合物等。
非线性光学应用
非线性光学在激光技术、光电子学、光通信等领域有广泛的应用，如 光参量振荡器、光倍频器等。
光子学与光子技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光子学基本概念
光子学是研究光子的产生、传播、相互作用和应 用的科学。
光子器件
光子器件是实现光子技术的关键，如激光器、光 放大器、光调制器等。
光子技术的应用
光子技术在通信、信息处理、传感等领域有广泛 的应用，如光纤通信、光计算等。
光学信息存储与处理
01
光学信息存储
光学信息存储是利用光的干涉、 衍射等光学效应实现信息的存储 和读取。
工程光学的研究内容
光学系统设计
研究光学系统的基本理论和设 计方法，涉及光学仪器、摄影
镜头、显微镜等。
光学材料与制造
1工程光学讲稿(球面)
（2）入射角的正弦与折射角的正弦之比和入射角的大小无关，只与两种
介质的折射率有关。折射定律可表示为:
siInn' 或nsiIn n'siIn ' siIn ' n
I I''
n
在折射定律中，若令n’ = -n,则得到反射定律，因此 n'
I'
可将反射定律看成是折射定律的一个特例。根据这一特点
，在光线反射的情况下，只要令 n’ = -n，所有折射光线传播的计算均适
1工程光学讲稿 (球面)
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上篇 几何光学与成像理论
第一章 几何光学基本定律与成像概念
第一节 几何光学的基本定律 第二节 成像的基本概念与完善成像条件 第三节 光路计算与近轴光学系统 第四节 球面光学成像系统
2
一、光学 - 简介
光学真正形成一门科学，应该 从建立反射定律和折射定律的时代 算起，这两个定律奠定了几何光学 的基础。 光学 - 定义
费马原理：
B
s A ndl
dl A
光线从一点传播到另一点，无论经过多少次折射和反射，其
光程为极值（极大、极小、常量），也就是说光是沿着光程为极
值的路径传播。
利用费马原理，可以导出光的直线传播定律和反射、折射定17 律。
利用费马原理证明反射定律 设：A为点光源（x1，0，z1）
B为接受光源（x2，0，z2） P为光线的入射点（x，y，0） 由费马原理求光程的极值得：
合反射光线。
12
例题：一个圆柱形空筒高16cm，直径12cm。人眼若在离筒侧某处能见到筒 底侧的深度为9cm；当筒盛满液体时，则人眼在原处恰能看到筒侧底。求该 液体的折射率。
最新1工程光学教学PPT 作者 郁道银 第一章_PPT课件
球面光波对应的同心光束按光的传播方向不同又分为 会聚光束和发散光束。如图1-1所示。会聚光束所有光线实 际通过一个点。同心光束经实际光学系统后，由于像差的作 用，将不再是同心光束，与之对应的光波则为非球面光波。 与平面波相对应的是平行光束，是同心光束的一种特殊形式
波面与光束 a)平面光波与平行光束 b)球面光波与发散光束
在各向同性介质中，光沿着波面法线方向传播，所以可以 认为光波波面法线就是几何光学中的光线。
5、光束
与波面对应的法线（光线）的集合，称为光束，对应于波 面为球面的光束称为同心光束。
球面光波对应的同心光束按光的传播方向不同又分为会聚 光束和发散光束。会聚光束所有光线实际通过一个点。
与平面波相对应的是平行光束，是同心光束的一种特殊形 式
利用这一规律，使得对光线传播情况的 研究大为简化。
3.光的折射定律和反射定律
如图所示，入射光线AO入射到 两种介质的分界面PQ上，在O点发生 折反射，其中，反射光线为OB，折 射光线为OC， NN' 为界面上O点处 的法线。入射光线、反射光线和折射
光线与法线的夹角 I、 I" 和 I '分别称
为入射角、反射角和折射角，它们均 以锐角度量，由光线转向法线，顺时 针方向旋转形成的角度为正，反之为 负。
加屋脊棱镜转像光学系统 加Porro棱镜转像的光学系统（望远镜）
三、费马原理
光从空间的一点到另一点的实际路径是沿 着光程为极值的路径传播的。或者说,光沿着 光程为极大、极小或常量的路径传播。 数学表达式：
(AB )A B ndl0
费马原理的应用
前面讲的反射定律 和折射定律均可由 费马原理导出 1、由费马原理导出 反射定律
c)球面光波与会聚光束
工程光学讲稿(平面)(完整)
n
43 4
人垂直注视水面，看到水底的物体到水面的
距离为3/4d
2. 一层2cm厚的乙醇（n=1.36)浮在4cm的水 （n=1.33）面上，若沿着正入射方向往下看， 水底乙醇上表面的视见深度为多少？
o d
A’ A
解：若把折射平面看成是曲率半径为r=∞的折射面，那么，近轴区平面 折射的物象公式可写成
n' n n'n 0 l' l r n' n l' l
分析： 平板测微器是根据平行平板使光线产生侧向位移这一特点而设计的。
在读数望远镜物镜后而设置一块平行平板。OA’为系统的光轴，当平行平 板垂直于光轴时，轴上物点经物镜所成的像落在A’点。在分划板上通常它 位于刻尺的两条刻线之间，如果要确定它位于一格的百分之几位置，则
可转动测微平板，使像点从A’移到某一点A”而与一条刻线重合由图可见， 平板转过的角度α就是光线在平板第一面的入射角i1。而A’A”就是平板因倾 斜而产生的侧向位移。当α很小时，根据公式
点不同，亦即同心光束变成了非同心光束，因此，平行平板
不能成完善像。
2、成象特性： 1）光线经平行平板折射后光线方向不变； 2）平行平板不使物体放大或缩小, 其放大率β＝1, 且象与物始终在同一侧； 3）光线经平行平板后虽方向不变，但却要产生一定位移； 4）同心光束经平板后变为非同心光束（平行平板成像是不完善的）， 越大， 不完善程度也越大；
关。因此，平行平板在近轴区以细光束成像是完善的。
例题：一架显微镜已对一个目标调整好物距进行观察，现将一块厚7.5mm， 折射率1.5的平板玻璃压在目标上，问此时通过显微镜还能看清楚目标，如何 调整？
解：由于在显微镜下放入玻璃板厚，必然使原来调好的焦距发生变化，因为 玻璃板的加入，会产生轴向位移使原来清晰的像便的模糊。
工程光学课件第01章
波面：发光点发出的光波向四周传播时， 某一时刻其振动位相相同的点所构成的 面称为波阵面，简称波面。光的传播即 为光波波阵面的传播。 光束：几何波面与几何光线的关系：在 各项同性介质中，波面上某点的法线即 代表了该点处光的传播方向，即光沿着 波面法线方向传播，因此，波面法线即 为光线。与波面对应的所有光线的集合， 称为光束。
时，可以全反射传送，
i i0
时，光线将会透过内壁进入包层
26
定义 na sin i0 为光纤的数值孔径
够传送的光能越多。
i0
越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是光纤能
这意味着光信号越容易耦合入光纤。
27
三、费马原理
费马原理与几何光学的基本定律一样，也是描 述光线传播规律的基本理论。 它以光程的观点描述光传播的规律，涵盖了光 的直线传播和光的折、反射规律，具有更普遍 的意义。 根据物理学，光在介质中走过的几何路程与该 介质折射率的乘积定义为光程。设介质的折射 率为n，光在介质中走过的几何路程为l，则光程 s表示为
同心光束：通常波面可分为平面波、
球面波和任意曲面波。与平面波对应的光
束成为平行光束，与球面波对应的光束称
为同心光束。
平行光束与同心光束
平面波面
球形波面
同心光束
平行光束
各类光束及对应的波面
返回
折射率：折射率是表征透明介质光学 性质的重要参数。我们知道，各种波长的 光在介质中的传播速度会减慢。介质的折 射率正是用来描述介质中光速减慢程度的 物理量，即：
c n v
这就是折射率的定义。
10
二、几何光学的基本定律
几何光学的基本定律决定了光线在一般 情况下的传播方式，也是我们研究光学 系统成像规律以及进行光学系统设计的 理论依据。 几何光学的基本定律有三大定律：
工程光学 典型光学系统PPT课件
眼睛及其光学系统
放大镜 显微镜系统 望远镜系统
目视 光学系统
目镜
第一节 眼睛及其光学系统
一、眼睛(Eyes)的结构
调节肌
1、巩膜：包围眼球的白色 不透明外层，D≈25mm.
2、角膜(Cornea)：眼球前突出的透明球面膜，
r≈8mm，n ≈1.38；
——主要折射成像界面(角膜—空气)
眼球横切面
3、前室：角膜后水晶体前的空间，充满透明水状液n =1.336。
1、调焦（对准）平面上的物点——视网膜上的点像
2、远景、近景平面上的物点——视网膜上的像为弥散斑
若弥散斑可看作一像点， 则要求其对人眼张角小于极限分辨角。
八、双目立体视觉
1,视差角
A
A
A
B
l
B
a1
a2 b2a2源自b1 a1b视觉基线
2,视差、体视锐度
视差：
视差越大，两物体的纵向 深度越大，反之越小
二、瑞利判据 ：等亮度的两个物点，其一衍射图样的中央 极大与另一衍射图样的第一级极小重合时，认 为刚好能分辨这两个物点。
——能分辨的两个等亮度点间的距离对应于艾里斑半径。
无限远物点被理想光学系统成衍射图案： 第一暗环半径对出瞳中心的张角：
=1.22 / D,入瞳直径D的函数
——能分辨的二点间的最小角距离
2、眼睛+目视光学仪器：视角可被目视光学仪器放大。 观察物体所需分辨率×目视光学仪器的放大率=眼睛分辨率
★ 不同的目视光学仪器，通常选择的物距为： 1）放大镜、显微镜：观察物位于明视距离附近； 2）望远镜：观察物位于远处或无穷远。
第二节 放大镜 （The Magnifying Glass）
一、放大镜的成像原理
《工程光学》课件
光学信号处理原理
光学信号处理概述 简要介绍了光学信号处理的基本 概念和原理，包括光波的干涉、 衍射、傅里叶变换等方面的知识 。
全息术与光学信息处理 简要介绍了全息术的基本原理和 应用，以及光学信息处理技术的 发展和应用前景。
干涉测量技术 详细介绍了干涉测量技术的基本 原理和应用，包括干涉仪的结构 和工作原理、干涉图样的分析和 解释等方面的知识。
的发展提供了新的机遇和挑战。
工程光学在各领域的应用
能源领域
太阳能利用、激光焊接、激光切割等 。
通信领域
光纤通信、光网络技术等。
环境监测领域
光谱分析、大气污染监测等。
生物医学领域
医学成像、光谱诊断、激光医疗等。
CHAPTER 02
工程光学基础知识
光的本质与传播
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。 其电磁场振动方向与传播方向垂直， 表现出横波的特征。
显微镜
介绍了显微镜的基本原理和结构，包括透射光显微镜和反 射光显微镜等类型，以及显微镜的性能参数和选择方法。
激光器
简要介绍了激光器的基本原理和结构，包括气体激光器、 固体激光器、光纤激光器等类型，以及激光器的性能参数 和应用领域。
光学系统设计原理
光学系统设计基础
介绍了光学系统设计的基本概念和原则， 包括光学材料、光学镀膜、光学元件加工
光学信息处理实验
研究光学信息处理技术，如傅里叶 变换、光学图像处理等，掌握光学 信息处理系统的基本构成和操作方 法。
光学系统设计与制造实践
光学系统设计实践
通过实践了解光学系统设计的基本原理和方法，掌握光学设 计软件的使用技巧，熟悉光学元件的选择和加工工艺。
光学制造工艺实践
工程光学完整课件1上课讲义
工程光学
本课程的基本情 况
专业基础课
总学时：64 其中：理论学时：48 实验学时：16
教材及参考书
教 材： 《工程光学》 郁道银 谈恒英 机械工业出版社 参考书：《应用光学》 胡玉禧 安连生 中国科技大学出版社
《应用光学》 王文生 华中科技大学出版社
考核方式
闭卷考试 总评成绩比例：卷面70% 实验20% 平时10%
天体
遥远的距离
观察者
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。
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。
sin I sin I '
nab
n ab :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 n b 表示
也可表述为：
nb
c vb
C：在真空中光速， v b ：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
n ab
va vb
重点：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。
三、折射和反射定律
光的折射和反射定律研究光传播到两 种均匀介质的分界面时的定律。
本课程的基本情 况
专业基础课
总学时：64 其中：理论学时：48 实验学时：16
教材及参考书
教 材： 《工程光学》 郁道银 谈恒英 机械工业出版社 参考书：《应用光学》 胡玉禧 安连生 中国科技大学出版社
《应用光学》 王文生 华中科技大学出版社
考核方式
闭卷考试 总评成绩比例：卷面70% 实验20% 平时10%
天体
遥远的距离
观察者
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。
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。
sin I sin I '
nab
n ab :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 n b 表示
也可表述为：
nb
c vb
C：在真空中光速， v b ：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
n ab
va vb
重点：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。
三、折射和反射定律
光的折射和反射定律研究光传播到两 种均匀介质的分界面时的定律。
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1、光波
（1）光是一种电磁波,其在空间的传播和在界面的行为遵从电磁波的一般 规律。
10-10
10-8
10-6
宇宙射线 Γ射线
10-4 10-2 1
102 104 106
108
1010
x射线 光 波
短波 中 长波
波
λ/μm
软x射线
10-3
真空
紫可 外见
近红
紫外线 线 光 外线
中红外线
远红外线
λ/μm
103
（2）可见光波长λ为380nm—760nm。对于不同波长的光，人们感受到的 颜色不同。
（3）光在真空中的传播速度c为：30万公里/秒，在介质中的传播速度小
于c，且随波长的不同而不同。
7
（4）单色光：具有单一波长的光。 （5）复色光：不同波长的单色光混合而成的光。 2、光线 （1）光源（发光体）：能够辐射光能的物体。如日光灯、太阳、白炽灯、 碘钨灯、钠灯、激光器等。当光源的大小与它的作用距离相比可忽略时， 此光源可称为点光源或称为发光点。 （2）光线：由发光点发出的光抽象为许多携带能量并带有方向的几何线。 3、波面：由发光点发出的光波向四周传播时，在某一时刻其振动位相相同 的各点构成的曲面。 4、光束：与波面对应的法线束。 5、光波的分类：平面波、球面波（发散光波和汇聚光波）、任意曲面波
上篇 几何光学与成像理论
第一章 几何光学基本定律与成像概念
第一节 几何光学的基本定律 第二节 成像的基本概念与完善成像条件 第三节 光路计算与近轴光学系统 第四节 球面光学成像系统
1
一、光学 - 简介
光学真正形成一门科学，应该 从建立反射定律和折射定律的时代 算起，这两个定律奠定了几何光学 的基础。 光学 - 定义
（2）入射角的正弦与折射角的正弦之比和入射角的大小无关，只与两种
介质的折射率有关。折射定律可表示为:
sin I n' 或 n sin I n'sin I ' sin I ' n
I I''
n
在折射定律中，若令n’ = -n,则得到反射定律，因此 n'
I'
可将反射定律看成是折射定律的一个特例。根据这一特点
AO
12
且 I2 DOC 900 AOC 53.140
I1
BC arctg(
OC
)
12 arctg( )
16
36.860
，在光线反射的情况下，只要令 n’ = -n，所有折射光线传播的计算均适
合反射光线。
11
例题：一个圆柱形空筒高16cm，直径12cm。人眼若在离筒侧某处能见到筒 底侧的深度为9cm；当筒盛满液体时，则人眼在原处恰能看到筒侧底。求该 液体的折射率。
在ΔAOD中，根据几何关系有
AOD arctg( AD ) arctg( 9 ) 36.860
三、教学的内容及学时安排
讲授教材的几何光学和物理光学。 课堂教学50学时＋6学时的实验课，总计56学时。
4
第一章 几何光学基本定律与成像概念
教学内容
几何光学的基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律、反 射定律和折射定律（全反射及其应用）、光路的可逆性、费马原理（最 短光程原理）。 完善成像条件的概念和相关表述。 应用光学中的符号规则，单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、 远轴）。 单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率β、轴向放大率α、角放 大率γ、拉赫不变量等公式。 球面反射镜成像 共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）。
2
光学 - 分类 人们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
光学 - 內容 几何光学
不考虑光的波动性以及光与物质的相互作用，只以光线的概念为基础， 根据实验事实建立的基本定律，通过计算和作图来讨论物体通过光学系统的 成像规律。它得出的结果通常是波动光学在某些条件下的近似或极限。 物理光学
是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以 也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振， 以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。 量子光学
量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传 输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。
3
工程光学 将光学理论应用在工程领域的学科——工程光学。
二、课程的性质、任务和内容
工程光学是测控技术与仪器专业必修的技术基础课，在专业培养方案中 是非常重要的技术基础课。本课程主要讲授几何光学中的高斯光学理论、典 型光学系统实例及应用；物理光学中的干涉、衍射、偏振的光学现象、原理 和它们在工程中的应用，通过本课程的学习使学生能够掌握工程光学的基本 概念、基本原理，初步掌握测量仪器的光学元件、光学系统的设计，同时为 专业课的学习打下一个良好的基础。
S2
若1=2、位相差不随时间变化, 且不是垂直相交此区内的光强分布将呈 现为相干分布。
10
3、反射定律和折射定律
反射定律：
（1）入射光线、反射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面内
（2）入射角和反射角的绝对值相等而符号相反，即入射光线和反射光线
位于法线的两侧，即： I = - I"
折射定律：
（1）入射光线、折射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面内。
非同心光束
发散光束 会聚光束 平行光束
8
二、几何光学的基本定律
1、光的直线传播定律 在各向同性பைடு நூலகம்均匀介质中，光是沿直线传播的。
9
2、光的独立传播定律 从不同光源发出的光线，以不同的方向经过某点时，各光线独立传播
着，彼此互不影响。
一般情况下，在交汇区总光
S1
强是两束光单独存在时光强
2
之和。
I=I1+I2 1
光是一种电磁波，在物理学中， 电磁波由电磁学中的麦克斯韦
方程组描述。同时，光又具有波粒二象性。
狭义来说，光学是关于光和视见的科学，早期只用于跟眼睛和视见相 联系的事物。
广义来说，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广 波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相 互作用的科学。
5
重点内容
几何光学的基本定律； 单个折射球面的符号规定； 单个折射球面的物象位置和大小的关系； 共轴球面系统的物象位置和大小的关系。
教学要求
掌握几何光学的基本定律、成象的基本概念； 理解完善像的条件； 掌握单个折射球面的光线光路计算； 掌握球面镜的光学计算。
6
§1.1 几何光学的基本定律
一、光波与光线
（1）光是一种电磁波,其在空间的传播和在界面的行为遵从电磁波的一般 规律。
10-10
10-8
10-6
宇宙射线 Γ射线
10-4 10-2 1
102 104 106
108
1010
x射线 光 波
短波 中 长波
波
λ/μm
软x射线
10-3
真空
紫可 外见
近红
紫外线 线 光 外线
中红外线
远红外线
λ/μm
103
（2）可见光波长λ为380nm—760nm。对于不同波长的光，人们感受到的 颜色不同。
（3）光在真空中的传播速度c为：30万公里/秒，在介质中的传播速度小
于c，且随波长的不同而不同。
7
（4）单色光：具有单一波长的光。 （5）复色光：不同波长的单色光混合而成的光。 2、光线 （1）光源（发光体）：能够辐射光能的物体。如日光灯、太阳、白炽灯、 碘钨灯、钠灯、激光器等。当光源的大小与它的作用距离相比可忽略时， 此光源可称为点光源或称为发光点。 （2）光线：由发光点发出的光抽象为许多携带能量并带有方向的几何线。 3、波面：由发光点发出的光波向四周传播时，在某一时刻其振动位相相同 的各点构成的曲面。 4、光束：与波面对应的法线束。 5、光波的分类：平面波、球面波（发散光波和汇聚光波）、任意曲面波
上篇 几何光学与成像理论
第一章 几何光学基本定律与成像概念
第一节 几何光学的基本定律 第二节 成像的基本概念与完善成像条件 第三节 光路计算与近轴光学系统 第四节 球面光学成像系统
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一、光学 - 简介
光学真正形成一门科学，应该 从建立反射定律和折射定律的时代 算起，这两个定律奠定了几何光学 的基础。 光学 - 定义
（2）入射角的正弦与折射角的正弦之比和入射角的大小无关，只与两种
介质的折射率有关。折射定律可表示为:
sin I n' 或 n sin I n'sin I ' sin I ' n
I I''
n
在折射定律中，若令n’ = -n,则得到反射定律，因此 n'
I'
可将反射定律看成是折射定律的一个特例。根据这一特点
AO
12
且 I2 DOC 900 AOC 53.140
I1
BC arctg(
OC
)
12 arctg( )
16
36.860
，在光线反射的情况下，只要令 n’ = -n，所有折射光线传播的计算均适
合反射光线。
11
例题：一个圆柱形空筒高16cm，直径12cm。人眼若在离筒侧某处能见到筒 底侧的深度为9cm；当筒盛满液体时，则人眼在原处恰能看到筒侧底。求该 液体的折射率。
在ΔAOD中，根据几何关系有
AOD arctg( AD ) arctg( 9 ) 36.860
三、教学的内容及学时安排
讲授教材的几何光学和物理光学。 课堂教学50学时＋6学时的实验课，总计56学时。
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第一章 几何光学基本定律与成像概念
教学内容
几何光学的基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律、反 射定律和折射定律（全反射及其应用）、光路的可逆性、费马原理（最 短光程原理）。 完善成像条件的概念和相关表述。 应用光学中的符号规则，单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、 远轴）。 单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率β、轴向放大率α、角放 大率γ、拉赫不变量等公式。 球面反射镜成像 共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）。
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光学 - 分类 人们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
光学 - 內容 几何光学
不考虑光的波动性以及光与物质的相互作用，只以光线的概念为基础， 根据实验事实建立的基本定律，通过计算和作图来讨论物体通过光学系统的 成像规律。它得出的结果通常是波动光学在某些条件下的近似或极限。 物理光学
是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以 也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振， 以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。 量子光学
量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传 输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。
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工程光学 将光学理论应用在工程领域的学科——工程光学。
二、课程的性质、任务和内容
工程光学是测控技术与仪器专业必修的技术基础课，在专业培养方案中 是非常重要的技术基础课。本课程主要讲授几何光学中的高斯光学理论、典 型光学系统实例及应用；物理光学中的干涉、衍射、偏振的光学现象、原理 和它们在工程中的应用，通过本课程的学习使学生能够掌握工程光学的基本 概念、基本原理，初步掌握测量仪器的光学元件、光学系统的设计，同时为 专业课的学习打下一个良好的基础。
S2
若1=2、位相差不随时间变化, 且不是垂直相交此区内的光强分布将呈 现为相干分布。
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3、反射定律和折射定律
反射定律：
（1）入射光线、反射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面内
（2）入射角和反射角的绝对值相等而符号相反，即入射光线和反射光线
位于法线的两侧，即： I = - I"
折射定律：
（1）入射光线、折射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面内。
非同心光束
发散光束 会聚光束 平行光束
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二、几何光学的基本定律
1、光的直线传播定律 在各向同性பைடு நூலகம்均匀介质中，光是沿直线传播的。
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2、光的独立传播定律 从不同光源发出的光线，以不同的方向经过某点时，各光线独立传播
着，彼此互不影响。
一般情况下，在交汇区总光
S1
强是两束光单独存在时光强
2
之和。
I=I1+I2 1
光是一种电磁波，在物理学中， 电磁波由电磁学中的麦克斯韦
方程组描述。同时，光又具有波粒二象性。
狭义来说，光学是关于光和视见的科学，早期只用于跟眼睛和视见相 联系的事物。
广义来说，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广 波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相 互作用的科学。
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重点内容
几何光学的基本定律； 单个折射球面的符号规定； 单个折射球面的物象位置和大小的关系； 共轴球面系统的物象位置和大小的关系。
教学要求
掌握几何光学的基本定律、成象的基本概念； 理解完善像的条件； 掌握单个折射球面的光线光路计算； 掌握球面镜的光学计算。
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§1.1 几何光学的基本定律
一、光波与光线