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1、关于光学基本知识讲座第一页，本课件共有45页几何光学基本知识l一.基本概念l 发光点l 光线l 光束第二页，本课件共有45页二.光线传播的基本定律l1.光的直线传播定律l2.光的独立传播定律l3.光的折射定律l4.光的反射定律第三页，本课件共有45页1.光的直线传播定律l在各向同性的均匀介质中，光在两点之间沿直线传播第四页，本课件共有45页2.光的独立传播定律l以不同途径传播的光，同时在空间某点相遇时，彼此互不影响，各自独立地传播第五页，本课件共有45页3.光的折射定律l折射光线与入射光线在同一平面内，折射角与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两介质的性质决定,当压力、温度和光的波长一定
2、时，其比值为常数：lnSin(I)=nSin(I)第六页，本课件共有45页4.光的反射定律l反射光线与入射光线和法线在同一平面内，入射光线与反射光线分别位于法线的两侧，与法线夹角相同l I”=-I第七页，本课件共有45页光的全反射l当光线由光密介质向光疏介质传播时，根据折射定律可知，因nI,当 SinIm=n/n时，这些光线不再折射到另一介质，而按反射定律在界面上被全部反射第八页，本课件共有45页三.物像的基本概念l1.光学仪器和激光头的光学系统都由一系列折射面和反射面组成l2.光轴：各个表面的曲率中心均在同一直线上的光学系统称为共轴光学系统，这条直线称为光轴第九页，本课件共有45页物像的基本
3、概念l3.成像：以A为顶点的入 射光束经光学系统一系列表面折射和反射后，变为以A点为顶点的出射光束，称A为物点，A为像点，A为物点A的像；物所在的空间称为物空间 像所在的空间称为像空间第十页，本课件共有45页物像基本概念l4.同心光束与光程 一个发光点或实物点总是发出同心光束，它与球面波相对应 一个像点如果由对应的同心光束汇聚而成，这样的像点称为完善像点 要成为完善像点，必须使入射波面与出射波面之间光程是相等的：n d=const n 介质折射率 d 光线所经过的实际长度第十一页，本课件共有45页四.材料与色散l光学成像要通过光学零件的折射和反射来实现的。l1.透射材料：光学玻璃和光学塑料。材
4、料主要特性有：l 各特征谱线的折射率l 各谱线的透过率l 光学稳定性l 化学稳定性l 另外，还有均匀性、气泡、条纹、划伤、麻点等l2.反射材料：在反射表面镀上高反射率的薄膜l 主要的反射膜材料：铝、银第十二页，本课件共有45页光的色散l介质的折射率对不同波长（颜色）的光波是不同的l目视仪器用人眼观察，黄光（Na）D 589.3nm 青光（H）F 486.1nm 红光（H）C 656.3nm D对人眼最敏感 F、C位于人眼灵敏极限的两端 由于白光是各色光混合而成，经棱镜折射，因不同波长的折射率不同而出现分光现象。长波的红光在上，短波的紫光在下。这就是色散。第十三页，本课件共有45页五.理想光学系
5、统l1.定义：理想光学系统就是能对任意宽空间内的点，以任意宽的光束成完善像的光学系统，理想系统是能与系统等价的抽象模型。它主要描述为：l 1）物空间的中的一点对应与像空间中唯一的一点，这一对点称为共轭点；l 2）物空间中的一条直线对应与像空间中唯一的一条直线，这一对直线称为共轭线；l 3）如物空间中一点位于直线上，其在像方空间中的共轭点必位于该直线的共轭线上。l 此假设1841年由高斯建立，故称为高斯光学。第十四页，本课件共有45页2.理想光学系统的基点、焦距l平行于光轴的入射光线AE,经系统后，沿GF方向射出，交于像方F点，沿光轴入射的光线经系统后仍沿光轴出射。由于像方的出射光线GF和OkF
6、分别与物方的入射光线AE1和FO1共轭，故像方F点在物方的共轭点必是光线AE1、和FO1的交点，它位于左方无穷的光轴上，故F即为无穷远轴上点的像，称为光学系统的像方焦点。第十五页，本课件共有45页理想光学系统的基点、焦距l如以相反方向作一平行于光轴的光线，可得到一个与光轴的焦点F,称为光学系统的物方焦点。第十六页，本课件共有45页理想光学系统的基点、焦距l像方焦平面：过像方焦点F的垂l 轴平面l物方焦平面：过物方焦点F的垂l 轴平面l像方主点：像方主面与光轴的交l 点l物方主点：物方主面与光轴的交l 点l像方焦距：像方主点到像方焦点l 的距离l物方焦距：物方主点到物方焦点l 的距离第十七页，本
7、课件共有45页3.物像位置、放大率l物像位置：可相对于焦l 点或主点来定义l如图所示，l 以焦点来定义的物像公式是：l xx=ffl 以主点来定义的物像公式是：l 1/l-1/l=1/f第十八页，本课件共有45页物像位置、放大率l根据上面的成像关系式，可以导出物像l 之间放大倍率的计算公式l 1）横向放大率：=l/ll 2)轴向放大率：=(n/n)l 3)角放大率：=n/n/第十九页，本课件共有45页4.光学系统的图解求像l 光学系统的位置确定后，对于任何位置的点、线、面可以方便地用作图法求出其像方共轭的点、线、面。l 图解方法的原理是应用光学系统基点和基面的性质，主要是：l 1.平行于光轴的
8、光线，经系统后通过像方焦点；l 2.通过物方焦点的光线，经系统后平行于光轴；l 3.光线与主面的交点，其高度相同；l 4.倾斜于光轴的平行光束，经系统后汇交于像方焦面。l 等等l 第二十页，本课件共有45页5.透镜l透镜：由两个折射面所限定的透明体，它 l 是构成光学系统最基本的元件。l 透镜根据其不同的光学特性可分为：l 1.凸透镜：中心厚度大于边缘厚度，f 0,具有正l 光焦度，对光束起会聚作用l 2.凹透镜：中心厚度小于边缘厚度，f 0,具有正 光 焦度，l 对光束起会聚作用l2.凹透镜：中心厚度小于边缘厚度，l f 0,具有负光焦度，l 对光束起发散作用第二十二页，本课件共有45页6.
9、光学系统中光束的限制l 任何光学系统除了要实现一定的放大倍率和物像距要求外，还要求有一定的成像范围和以一定孔径角的光束来成像。l 1.孔径光阑：限制成像光束的立体角典型的孔径光阑，如照相机的光圈，它常用相对孔径或数值孔径来表述；l 2.视场光阑：限制物平面或物空间能被系统成像的范围。第二十三页，本课件共有45页光学基本知识l第二部分 像差知识第二十四页，本课件共有45页像差知识介绍l像差：由光线传播定律决定，从光路实 际计算表明，l 任意组合的光学系统只能对近轴物点以细光束l 成像。随着视场和孔径的增大，成像光束的同l 心性将遭到破坏，产生各种成像缺陷。这种成l 像缺陷就是像差。l像差分类：l
10、 对单色光：球差、彗差、象散、场曲、畸变l 对多色光：位置色差、倍率色差l l 第二十五页，本课件共有45页1.球差l 由轴上一点发出的光线经球面折射后所得的截距L,随入射光线与光轴夹角U或入射光线在球面上的入射点的高度而异，原来的同心光束将不复为同心光束。不同倾角的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点位置有不同的偏离。这就是单色光成像缺陷之一球差，它是轴上点像差。l L=L-l第二十六页，本课件共有45页2.彗差l定义两个平面l1。子午平面：入射光线和光轴组成的平面l2。弧矢平面：通过入射光线并垂直于子午平面的平面 l 为方便起见，彗差分为子午彗差和弧矢彗差，分别对应于子午平面和弧矢平面
11、内不同光线对的成像缺陷。第二十七页，本课件共有45页子午彗差l子午彗差：l 轴外点B发出三条子午光线Ba、Bp、Bb，它们在球面上的入射点相对于辅轴有不同的高度，使原本对称于主光线的上下光线经球面折射以后失去了对称性，交点Bt相对于主光线有一偏离量Kt，它的大小反映了子午光束失对称的程度，称为子午彗差。l Kt=1/2(ya-yb)-yp第二十八页，本课件共有45页弧矢彗差l弧矢彗差：l 类似地，对于弧矢平面上具有相同孔径的一对弧矢光线，由于它们对称于子午平面，经球面折射后交于辅轴上，这一对光线交点Bs,同样偏离主光线，其偏离量用Ks表示，称为弧矢彗差。第二十九页，本课件共有45页3.像散和场
12、曲l像散：l 随着视场的增大，远离光轴的物点，即使是主光线周围的细光束成像也会明显地失去对称性，在不同方向上有不同的曲率，其曲率随方向而渐变，分别形成子午像点和弧矢像点。l 两个像点之间的距离就用来描述像散的大小。l xts=xt-xsl场曲：l 即使子午像点和弧矢像点重合，但像面仍然弯曲，这就是场曲。第三十页，本课件共有45页4.畸变l 理想光学系统，一对共轭面上的放大率是常数。l 实际光学系统，当视场变大时，像的放大率随视场而变，使像相对于物体失去了相似性，这种使像变形的成像缺陷称为畸变。l y/y0=(yp-y0)/y0 100%无畸变枕形桶形第三十一页，本课件共有45页5.色差l色差：
13、l 由于同一介质对不同颜色的光有不同的折射率，所以在成像时，不同颜色的光成像在不同的位置，且具有不同的放大倍率。l色差分类：l 1.位置色差l 2.倍率色差第三十二页，本课件共有45页位置色差l表述轴上点用不同色光成像时，其像点的位置差异。l 由于色差的存在，光轴上一点即使以细光束成像也得不到清晰的像。它的值用下式描述：l lch=lF-lC l 第三十三页，本课件共有45页倍率色差l 不同色光有不同的折射率，各色光焦距不等，所以对同一物体成像大小也不等，这就产生了倍率色差，其值用下式表征：l ych=yF-yC第三十四页，本课件共有45页6.波像差l 上面所提到的像差均以光线为讨论基础的，统
14、称为几何像差。l 光是电磁波，光线是波面的法线。如光学系统是理想的，经系统形成一个新的球面波，但实际上，由于光学系统存在成像缺陷，不可避免地使波面变了形，这个变了形实际波面与相对于理想波面的偏离，就是波像差。第三十五页，本课件共有45页7.像质评价l 光学系统设计时必须校正像差，如何评判设计质量的好坏就要用适当的方法来进行。l 目前最常用的方法有：l 1.瑞利判断：实际波面与参考球面之间的最大偏离量，即波像差小于1/4波长时，认为系统是满意的。此法常用于小像差系统，如显微镜物镜；l 2.点列图：计算大量光线，在像面上形成弥散图形，即点列图。点的分布代表了能量的分布。可用于分析照像物镜；l 3.
15、波像差：以波像差作为像质的评判依据，激光头物镜的设计中常以此为评价标准；l 4.光学传递函数：把物的亮度分布函数展开为傅里叶级数或傅里叶积分，光学系统的特性就表现为它对各种频率正弦波的传递和反应能力，于是出现了较全面评价光学系统的新的评价手段-光学传递函数。在照相物镜设计中已得到普遍采用。第三十六页，本课件共有45页光学基本知识l第三部分 波动光学第三十七页，本课件共有45页概述l 光通常指人眼所感受到的一定波段的电磁波，即所谓的可见光。其波长范围在390760nm之间，广义地说，光还包括红外线和紫外线。l 光既然是电磁波，必定具有波动的基本特征光的干涉和衍射。l 第三十八页，本课件共有45页
16、一.光的干涉l 当两列光波在空间传播时，满足一定条件情况下，在两列光波的交叠区，某些地方振动始终加强，而某些地方振动始终减弱，这就是光的干涉。l 两列波相遇时，必须满足下述条件才能发生干涉：l 1.频率相同；l 2.振动方向相同；l 3.具有恒定的相位差。l右图称为牛顿环，是光干涉的典型例子。第三十九页，本课件共有45页二.光的衍射l 波在传播过程中，当遇到障碍物就会偏离直线传播的现象，犹如声音可以绕过大墙，无线电波能够跨越高山。光在一定条件下也偏离直线，这就是光的衍射。l 右图为单缝衍射的光强分布。第四十页，本课件共有45页三.光栅l光栅：l 实质上就是在空间具有周期性结构的衍射屏。l 在透
17、明的平行平板上刻有大量相互平行等宽的刻痕，每毫米几十条到上千条。第四十一页，本课件共有45页第四部分 激光头的光学原理l1.原理：l 按功能，光路可分成两部分：l 1）入射光路：激光束经光栅分光，又经反射、准直、会聚，在光盘上形成主光斑和 1级光斑；l 2）反射光路：光斑经信道调制后，又经系统返回，透过半透半反镜投射在光电探测器上，成为数据信号和误差信号。第四十二页，本课件共有45页光栅l 光栅主要参数：l 1.光栅常数(栅格周期)d；l 2.缝宽l 光栅主要作用：l 分光，产生衍射光斑。第四十三页，本课件共有45页2.光头光学设计实例l介绍TOP 66A设计方案第四十四页，本课件共有45页感感谢谢大大家家观观看看2/28/2023第四十五页，本课件共有45页