工程光学全套完整ppt课件
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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
第二版工程光学分解课件
详细描述：当光从光密介质射向光疏介质时，如 果入射角大于临界角，光波将被完全反射回原介 质，不进入光疏介质，这种现象称为全反射。全 反射是光的波动性的一种表现。
02
光学系统与元件
透镜与光学镜头
透镜的分类
光学镜头的应用
根据透镜的形状和焦距，透镜可以分 为球面透镜、非球面透镜、双凸透镜 、双凹透镜和凸凹透镜等。
折反镜由反射镜和折射镜 组成，通过改变光路，将 光线聚焦在一点上。
折反镜的应用
在望远镜、显微镜和照相 机等光学仪器中广泛应用 ，用于改变光路和聚焦光 线。
滤光片与分光仪
滤光片的分类
根据滤光片的透过光谱， 滤光片可以分为可见光滤 光片、红外滤光片、紫外 滤光片等。
分光仪的结构
分光仪由棱镜或光栅等分 光元件和探测器组成，可 以将光谱分成不同的波段 。
非线性光学材料
研究和发展新型非线性光学材料，如有机晶体、 无机晶体、光折变晶体等，以提高非线性光学效 应的转换效率。
非线性光学应用
非线性光学在光通信、光信息处理、光计算等领 域有广泛应用，如光参量振荡、倍频、和频等。
光子学与光子技术
光子学基础
01
研究光子的产生、传播、相互作用等基本规律，以及光子与物
在摄影、摄像、显微镜、望远镜等领 域广泛应用，用于聚焦光线、改变光 路等。
光学镜头的基本参数
包括焦距、光圈、视场角、相对孔径 等，这些参数决定了镜头的光学性能 和使用范围。
反射镜与折反镜
01
02
03
反射镜的分类
根据反射面的形状，反射 镜可以分为平面反射镜、 凹面反射镜和凸面反射镜 等。
折反镜的结构
质的相互作用机制。
光子器件
02
02
光学系统与元件
透镜与光学镜头
透镜的分类
光学镜头的应用
根据透镜的形状和焦距，透镜可以分 为球面透镜、非球面透镜、双凸透镜 、双凹透镜和凸凹透镜等。
折反镜由反射镜和折射镜 组成，通过改变光路，将 光线聚焦在一点上。
折反镜的应用
在望远镜、显微镜和照相 机等光学仪器中广泛应用 ，用于改变光路和聚焦光 线。
滤光片与分光仪
滤光片的分类
根据滤光片的透过光谱， 滤光片可以分为可见光滤 光片、红外滤光片、紫外 滤光片等。
分光仪的结构
分光仪由棱镜或光栅等分 光元件和探测器组成，可 以将光谱分成不同的波段 。
非线性光学材料
研究和发展新型非线性光学材料，如有机晶体、 无机晶体、光折变晶体等，以提高非线性光学效 应的转换效率。
非线性光学应用
非线性光学在光通信、光信息处理、光计算等领 域有广泛应用，如光参量振荡、倍频、和频等。
光子学与光子技术
光子学基础
01
研究光子的产生、传播、相互作用等基本规律，以及光子与物
在摄影、摄像、显微镜、望远镜等领 域广泛应用，用于聚焦光线、改变光 路等。
光学镜头的基本参数
包括焦距、光圈、视场角、相对孔径 等，这些参数决定了镜头的光学性能 和使用范围。
反射镜与折反镜
01
02
03
反射镜的分类
根据反射面的形状，反射 镜可以分为平面反射镜、 凹面反射镜和凸面反射镜 等。
折反镜的结构
质的相互作用机制。
光子器件
02
课件工程光学-08典型光学系统.ppt
1.0
0.8
光谱光效率
为什么暗环境下能
0.6
做饭、洗衣，但不
0.4
能描龙绣凤？
0.2
2024/10/8
0.0 400 500 600 700 800
l(nm)
光谱光效率函数曲线
第七章 光度学基础
7
§8.1.5 眼睛的分辨率
眼睛刚能分辨开二个很靠近点的能力称为眼睛的分辨率。 二者成反 比
刚能分辨的二个点对眼睛物方节点的张角称为极限分辨角。
瞄准精度和前面讲到的分辨率是不是一个概念？
瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。
二实线重合 60
2024/10/8
二直线端部对准 叉线对准单线
（10～20）
10
第七章 光度学基础
双线对称夹单线 （5～10）
9
§8.1.7 眼睛的立体视觉
眼睛观察空间物体时，能区别它们的相对远近而具有立体视觉。简称体视。 C
若以50％渐晕点为界来决定线视场2 y
F
2 y 2B2F
f tanW2
f h d
250 f
2 y 500h d
W F
f 眼瞳
W3W2 W1 2a 2h
眼瞳
d
2024/10/8
第七章 光度学基础
14
讨论：
逢年过节，要买放大镜孝敬老人， 该如何选择其放大倍率？
2y h
2y 1
2y 1 d
（2）与照明光谱成份有关：单色光分辨率高（眼睛有色差）； （3）与视网膜上成像位置有关，黄斑处分辨率最高。
对眼睛张角小物体的要借助望远镜或显微镜等仪器，仪器 应有适当的放大率，使能被仪器分辨的也能被眼睛分辨。
《工程光学》-物理光学-课件
E 1 v B
第一节 光的电磁性质 三、球面波（点光源）和柱面波（线光源） A 1、球面波 E＝ exp[i( kr t )] r ~ A 发散的球面波： E ＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的球面波： E ＝ e xp(ikr ) r A i( kr t )] 2、柱面波 E＝ e xp[ r ~ A 发散的柱面波： E＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的柱面波： E＝ e xp(ikr ) r
2 2
z z 令 ＝ t , t，则有 v v z z z z E＝f1 ( t ) f 2 ( t )，和 B＝f1 ( t ) f 2 ( t ) v v v v
第一节 光的电磁性质 （一）波动方程的平面波解
z z z z E＝f1 ( t ) f 2 ( t ) f1 和 f2 是以( t )和( t ) v v v v z z 为变量的任意函数。 B＝f1 ( t ) f 2 ( t ) v v z z f1 ( －t )表示沿 z轴正向传播， f 2 ( ＋t )表示沿 z轴负向传播。 v v z 取正向传播：E＝ f1 ( t ) －－行波的表示式。 v 源点的振动经过一定的时间 z B＝f1 ( t ) 推迟才传播到场点。 v
第一节 光的电磁性质 （二）平面简谐电磁波的波动公式
沿空间任一方向 k 传播的平面波的波动公式：
E＝A cos(k r t ) E＝A cosk x cos y cos z cos t
x P(x,y,z) k
平面波的复数形式： E＝A e xp[ i( k r t )] 复振幅： ~ E＝A e xp( ik r )
2 E 2 结果： E 2 0 t 2 B 2 B 2 0 t
第一节 光的电磁性质 三、球面波（点光源）和柱面波（线光源） A 1、球面波 E＝ exp[i( kr t )] r ~ A 发散的球面波： E ＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的球面波： E ＝ e xp(ikr ) r A i( kr t )] 2、柱面波 E＝ e xp[ r ~ A 发散的柱面波： E＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的柱面波： E＝ e xp(ikr ) r
2 2
z z 令 ＝ t , t，则有 v v z z z z E＝f1 ( t ) f 2 ( t )，和 B＝f1 ( t ) f 2 ( t ) v v v v
第一节 光的电磁性质 （一）波动方程的平面波解
z z z z E＝f1 ( t ) f 2 ( t ) f1 和 f2 是以( t )和( t ) v v v v z z 为变量的任意函数。 B＝f1 ( t ) f 2 ( t ) v v z z f1 ( －t )表示沿 z轴正向传播， f 2 ( ＋t )表示沿 z轴负向传播。 v v z 取正向传播：E＝ f1 ( t ) －－行波的表示式。 v 源点的振动经过一定的时间 z B＝f1 ( t ) 推迟才传播到场点。 v
第一节 光的电磁性质 （二）平面简谐电磁波的波动公式
沿空间任一方向 k 传播的平面波的波动公式：
E＝A cos(k r t ) E＝A cosk x cos y cos z cos t
x P(x,y,z) k
平面波的复数形式： E＝A e xp[ i( k r t )] 复振幅： ~ E＝A e xp( ik r )
2 E 2 结果： E 2 0 t 2 B 2 B 2 0 t
《工程光学基础》PPT课件_OK
中沿BO方向入射，则由反射定律可知，反射光线也一定沿OA方向出射。由
此可见，光线的传播是可逆的，这就是光路的可逆性。
13
• 5. 全反射现象 • 光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射与反射。但在一定
条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，没有折射光产生， 这种现象称为光的全反射现象。下面就来研究产生全反射的条件。
40
•
（2）角度
•
孔径角 U、U '
• 从光轴起算，光轴转向光线（按锐角方向），
顺时针为正，逆时针为负。
•
入射角、折射角
• 从光线起算，光线转向法线（按锐角方向）， 顺时针为正，逆时针为负。
• ③ 光轴与法线的夹角（如）
• 从光轴起算，光轴转向法线（按锐角方向）， 顺时针为பைடு நூலகம்，逆时针为负。
41
30
• 等光程面的例子：
•
（1）椭球面
•
椭球面对 A、 A'这一对
• 特殊点来说是等光程面，故
• 是完善成像。
• （2）抛物面
• 反射镜等光程面是以 A为
• 焦点的抛物面。无穷远物 • 点相应于平行光，全交于 • （或完善成像于）抛物面 • 焦点。
31
• 四、物、像的虚实
实际光线相交所形成的点为实物点或实像点 光线的延长线相交所形成的点为虚物点或虚像点
• 通常写为: •
sinI ' n (1-3s)inI n'
• 若在此式中令
，则式(1-3)成为
•
,此结果在形式上与反射定律的式
•(1-2) 相同。
n'sin I ' nsin I
n' n
此可见，光线的传播是可逆的，这就是光路的可逆性。
13
• 5. 全反射现象 • 光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射与反射。但在一定
条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，没有折射光产生， 这种现象称为光的全反射现象。下面就来研究产生全反射的条件。
40
•
（2）角度
•
孔径角 U、U '
• 从光轴起算，光轴转向光线（按锐角方向），
顺时针为正，逆时针为负。
•
入射角、折射角
• 从光线起算，光线转向法线（按锐角方向）， 顺时针为正，逆时针为负。
• ③ 光轴与法线的夹角（如）
• 从光轴起算，光轴转向法线（按锐角方向）， 顺时针为பைடு நூலகம்，逆时针为负。
41
30
• 等光程面的例子：
•
（1）椭球面
•
椭球面对 A、 A'这一对
• 特殊点来说是等光程面，故
• 是完善成像。
• （2）抛物面
• 反射镜等光程面是以 A为
• 焦点的抛物面。无穷远物 • 点相应于平行光，全交于 • （或完善成像于）抛物面 • 焦点。
31
• 四、物、像的虚实
实际光线相交所形成的点为实物点或实像点 光线的延长线相交所形成的点为虚物点或虚像点
• 通常写为: •
sinI ' n (1-3s)inI n'
• 若在此式中令
，则式(1-3)成为
•
,此结果在形式上与反射定律的式
•(1-2) 相同。
n'sin I ' nsin I
n' n
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.ppt
孔径光阑的判断
例5-2：如图5-6a所示，L1，L2是两个直径 相等的正薄透镜，A为物点，P是光孔，已 知透镜的焦距 f1' 20mm ，f2'10mm，物距 l1 100mm，间距 d1 40mm，直径 D1 D2 6mm， DP 2mm ，求此系统的孔径光阑。
L
L
1
P
2
A
100
40
20
D1=6
图5-6a
D =2 P
D2=6
孔径光阑的判断
解 求出所有器件在物空间的像。为此将整个系统 翻转180，首先，光孔P经透镜L1成像：
1 l'
1 40
1 20
，得：
l'
40(mm)
l' l
40 40
1
，得：DP '
DP
2(mm)（表示直径大小可不考虑符号）
再将透镜L2对透镜L1成像：
1 1 1 l' 60 20
第一节 概述
▪孔径光阑：
光学系统中用于限制成像光束大小的光阑称 为孔径光阑，如照相机中的可调光圈就是该系 统的孔径光阑。
在光学系统中，描述成像光束大小的参量称 为孔径，系统对近距离物体成像时，其孔径大 小用孔径角U表示，对无限远物体成像时，孔 径大小用孔径高度h表示，如图5-1所示。
孔径光阑
视场光阑
第二节 孔径光阑
❖光学系统的所有元件都有有限的通 光口径，其中必有一个元件的口径 限制着给定轴上物点所能进入系统 的最大光束，这就是孔径光阑。
▪ 1、光束限制的共轭原则 ▪ 2、孔径光阑的判断 ▪ 3、入射光瞳和出射光瞳
光束限制的共轭原则
所谓光束限制共轭原则是指，当一条光线 被其所在介质空间的某一元器件的口径所限 制，则该光线的共轭光线也将被器件共轭像 的口径所限制，如图5-3 。
《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
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符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
下面大家来做一道练习题：
在水中深度为 y 处有一发光点 Q，作QO垂直于水面，求射出水面 折射光线的延长线与QO交点Q＇的 深度与入射角i的关系。
（注：水相对空气的折射率为 n=4/3 ）
四、光的全反射
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。
va nab vb
对上式变换
va C na nb nab vb C nb na
两种介质的相对折射率等于两介质的绝 对折射率之比
（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
法线
入射光线
N I I”
反射光线
O
（2）入射角 I和反射角 I’’的绝对值相同，可 表示为
I" I
由公式
n sin I n' sin I '
可知，若： n
n
则：
sin I sin I '
即折射光线较入射光线偏离法线，下 面我们来看看全反射现象的发生
θ
C
n1 n2
Incident beam Reflected beam Refringent beam
sin I ' 不可能大于1，此时入射光线将不能射入
绪
光学的发展史 光学的分类
论
本课程在测控领域的应用
课题引入：生活中，大自然中有关光的现象无处不在
彩 虹
日晕
提问环节
光学的分类
几何光学
物理光学
量子光学
现代光学
工程光学在测控领域的应用
精密仪器设计及制造
潜望镜
红外雷达和平 视显示器
运 动 员 脚 下 的 秘 密
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。
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。
问题变得简单 而且实用！
几何光学：以光线为基础，用几何的方法
来研究光在介质中的传播规律及光学系统 的成像特性。
点：光源、焦点、物点、像点 线：光线、法线、光轴 面：物面、像面、反射面、折射面
下面我们来分别认识它们吧！
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。
（一）折射定律
I：入射角 I’：折射角
I’ N
入射光线
法线
I
O
na nb
Q
出射光线
入射光线
法线
I O
na nb
Q
出射光线
（1）折射光线位于由入射光线和法线 所决定的平面内，折射光线和入射光 线分居法线两侧。 （2）入射角的正弦和折射角的正弦 之比与两角度的大小无关，仅决定于 介质的性质，为一恒量 ab
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。
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。
I’ N
n
即
sin I nab sin I '
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
也可表述为：
c nb vb
v b ：在介质 b 中光速
C：在真空中光速，
两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示
（2）制造光导纤维。
五、光路的可逆原理
光的直线传播定律、独立传播定律、折射 和反射定律是几何光学的基本定律，是研 究光线传播和成像问题的基础。 ‴从上述定律可以得到光线传播的一个重
工程光学
本课程的基本情 况
专业基础课
实验学时：16
总学时：64 其中：理论学时：48
教材及参考书 考核方式
实验20% 平时10%
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
闭卷考试 总评成绩比例：卷面70%
另一介质。 按照反射定律在介面上全部被反射回原介质 对应于sin I ' 1 的入射角 记为 I m ,可知
I 被称为临界角
n' sin I m n
重点：全反射的两个条件
（1）光密到光疏介质；
（2）入射角大于临界角；
下面我们来看看全反射的应用：
（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代替平面反射 镜。
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。
好累！太不方便 了！
按照近代物理学的观点，光具有波粒二
象性，那么如果只考虑光的粒子性，把 光源发出的光抽象成一条条光线，然后 按此来研究光学系统成像。
§1.3
§1.4
光路计算与近轴光学系统
球面光学成像系统
§1.1
几何光学的基本定律
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。 光学系统：千差万别,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。
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！
光学的研究目的
通过本门课程的学习，使大家了解在光电 测量仪器设计中所需的一些基本概念、基本设 计术语、基本设计方法等等。
光学的研究内容 采用光的直线传播概念，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。
第一章
几何光学的基本原理
本章内容
§1.1
§1.2
几何光学的基本定律
成像的基本概念与完善成像条件
下面大家来做一道练习题：
在水中深度为 y 处有一发光点 Q，作QO垂直于水面，求射出水面 折射光线的延长线与QO交点Q＇的 深度与入射角i的关系。
（注：水相对空气的折射率为 n=4/3 ）
四、光的全反射
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。
va nab vb
对上式变换
va C na nb nab vb C nb na
两种介质的相对折射率等于两介质的绝 对折射率之比
（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
法线
入射光线
N I I”
反射光线
O
（2）入射角 I和反射角 I’’的绝对值相同，可 表示为
I" I
由公式
n sin I n' sin I '
可知，若： n
n
则：
sin I sin I '
即折射光线较入射光线偏离法线，下 面我们来看看全反射现象的发生
θ
C
n1 n2
Incident beam Reflected beam Refringent beam
sin I ' 不可能大于1，此时入射光线将不能射入
绪
光学的发展史 光学的分类
论
本课程在测控领域的应用
课题引入：生活中，大自然中有关光的现象无处不在
彩 虹
日晕
提问环节
光学的分类
几何光学
物理光学
量子光学
现代光学
工程光学在测控领域的应用
精密仪器设计及制造
潜望镜
红外雷达和平 视显示器
运 动 员 脚 下 的 秘 密
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。
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。
问题变得简单 而且实用！
几何光学：以光线为基础，用几何的方法
来研究光在介质中的传播规律及光学系统 的成像特性。
点：光源、焦点、物点、像点 线：光线、法线、光轴 面：物面、像面、反射面、折射面
下面我们来分别认识它们吧！
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。
（一）折射定律
I：入射角 I’：折射角
I’ N
入射光线
法线
I
O
na nb
Q
出射光线
入射光线
法线
I O
na nb
Q
出射光线
（1）折射光线位于由入射光线和法线 所决定的平面内，折射光线和入射光 线分居法线两侧。 （2）入射角的正弦和折射角的正弦 之比与两角度的大小无关，仅决定于 介质的性质，为一恒量 ab
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。
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。
I’ N
n
即
sin I nab sin I '
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
也可表述为：
c nb vb
v b ：在介质 b 中光速
C：在真空中光速，
两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示
（2）制造光导纤维。
五、光路的可逆原理
光的直线传播定律、独立传播定律、折射 和反射定律是几何光学的基本定律，是研 究光线传播和成像问题的基础。 ‴从上述定律可以得到光线传播的一个重
工程光学
本课程的基本情 况
专业基础课
实验学时：16
总学时：64 其中：理论学时：48
教材及参考书 考核方式
实验20% 平时10%
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
闭卷考试 总评成绩比例：卷面70%
另一介质。 按照反射定律在介面上全部被反射回原介质 对应于sin I ' 1 的入射角 记为 I m ,可知
I 被称为临界角
n' sin I m n
重点：全反射的两个条件
（1）光密到光疏介质；
（2）入射角大于临界角；
下面我们来看看全反射的应用：
（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代替平面反射 镜。
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。
好累！太不方便 了！
按照近代物理学的观点，光具有波粒二
象性，那么如果只考虑光的粒子性，把 光源发出的光抽象成一条条光线，然后 按此来研究光学系统成像。
§1.3
§1.4
光路计算与近轴光学系统
球面光学成像系统
§1.1
几何光学的基本定律
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。 光学系统：千差万别,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。
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！
光学的研究目的
通过本门课程的学习，使大家了解在光电 测量仪器设计中所需的一些基本概念、基本设 计术语、基本设计方法等等。
光学的研究内容 采用光的直线传播概念，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。
第一章
几何光学的基本原理
本章内容
§1.1
§1.2
几何光学的基本定律
成像的基本概念与完善成像条件