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1、应用光学基础,此是一门重要的专业基础课本课程的基本内容目的要求参考书目,光学与视光学、眼科学的密切关系：,眼球的屈光系统就相当于精密而复杂的照相机。眼视光学中，从角膜至眼底的大部分检查、诊断、治疗仪器，如屈光、视野、眼压、眼底造影等方面，都要应用到光学技术。还有许多提高视觉机能的“光学药物”，如眼镜、接触镜、助视器、人工晶体等。,光是什么？,“光的微粒说”“光的波动说”,光的本性,光是一种电磁波，且具有波粒二象性。,光在传播过程中往往呈现出波动性较为明显，如干涉、衍射等。 光与物质互相作用时，其粒子性较为明显，如光的吸收、发射、光电效应等。,光学在各领域中的重要应用 （1）,望远镜用于观察远处
2、的物体；显微镜用于观察研究物质的微观结构；照相机(或摄像机)用来记录瞬间发生的现象光谱技术和仪器利用分析其光谱来研究物 质的分子和原子结构；,光学在各领域中的重要应用 （2）,光学计量技术各种物理量的高精度测量光电技术用于实现自动控制激光技术从20世纪六十年代初激光诞生以来， 建立形成了激光化学、激光生物学、 激光医学、激光光谱学、光全息学、 信息光学、集成光学等众多边缘学科 或交叉学科。,光学的几个重要基础分支,几何光学：以光线为基础来研究光在介质中 的传播。波动光学（或物理光学）：以光的波动性质 来研究光在介质中的传播。量子光学：由普朗克、爱因斯坦等人创立以光的波粒二象性来研究光在介质中的
3、传播。,第一章 几何光学基本原理,一、基本概念： 发光体与发光点：发光点即为一个无体积又无大小的几何 发光点。任何被成像的物体都是由 无数个这样的发光点所组成。 实际中，当一个发光体的直径大大小于 其光线直接传播的距离时，该发光体就可 近似认为一个发光点，如天上的星星。,2、光波与波面,光是一种横波，其波动方程为： E(t)=E0cos(2t/T)其中，波动周期为频率的倒数，即 T=1/,光波与可见光谱,可见光谱,可见光范围： 380 760 nm,图12,H,Na,He,H,768.2 656.3 589.3 546.1 486.1 435.9 404.7 587.6 434.1 A C D
4、 d e F g G h,红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫,750 700 650 600 550 500 450 400 (nm),光波的波速：, = / T = 真空中的波速：c 3.0108 m/s空气中的波速比真空中约慢 87 km/s光在透明介质中的传播速度随波长不同而改变；在同一介质中，波长长的波速快，波长短的则波速慢。,n = c / = / m 式中， 和 m分别是光经该介质时的波速和波长。此式表明：红光（C）： C C n C 蓝光（F ）： F F n F 即 n C n F n 值的大小表示了光学介质折光能力的强弱。,介质折射率：,The relationship betwee
5、n waves,wavefronts, and rays (1),The relationship between waves,wavefronts, and rays (2),3、光线与光束：,光线无直径、无体积而有一定方向的几何直线， 代表光能传播的方向。 光束有一定关系的无数条光线的集合。 会聚光束同心光束 发散光束 光束 平行光束非同心光束 像散光束 任意曲面波的光束,同心光束,发散光束,会聚光束,平行光束,球面波,平面波,像散光束,互为垂直的焦线,二、几何光学的四个基本定律,光的直线传播定律：光的独立传播定律： 光的反射定律光的折射定律,光经过两种介质界面时的折、反射现象：,入射光线
6、法线反射光线,I-I,I ,折射光线,n,n,3、光的反射定律：I = -I4、光的折射定律： sinI/sinI = n/n或 n sinI = n sinI 折射定律的推论： 若设n = -n，则有I= -I ，即反射定律是折射定律在n = -n 时的特例。因此，凡是由折射定律导出的公式，只要代入n = -n，便可应用于反射情况。,三、光路可逆原理：,任何一条光路都是可逆的。ANBPQ OC N ,四、光的全反射,满足条件: (1)光线由光密介质进入光疏介质； (2)入射角须大于临界角。 临界角： I m = sin1( n / n),全反射的应用,全反射从理论上说无光能损失，故优越于镜面
7、反射。常用全反射棱镜来转折光路；利用光学纤维进行导光和传像。I sin1Io= n12 n22,I Im,三、费马原理,光程： 光在介质中传播的几何路程与该介质的 折射率n的乘积，用字母s表示，即s = n l,其中l =t，则 s = n l = nt = c t,即光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。,光线由点A传到点B，经过任意多次折射或反射，其光程为极值（极大值或极小值）即光线的实际路径上光程变分为零又称极值光程定律,三、费马原理,变分为零的四种情况:,三、费马原理,横轴不同点表示不同的光线路径，纵轴表示光程,三、费马原理,1. 自由传播：直线，光程最短,2.
8、 透镜成像：物像等光程,三、费马原理,3. 椭圆面反射,费马原理又称光程（或时间）极值原理,三、费马原理,4. 梯度（渐变）折射率媒质中光线的弯曲,光在分层均匀介质中的传播,梯度折射率介质中光线的传播,1-2 成像概念：,透镜分正、负透镜 柱镜分正、负柱镜 棱镜分反射棱镜和折射棱镜1、光学元件： 反射镜分平面镜、凸面镜和凹面镜 平行平板 滤光镜（或称滤光片） ,2、透镜种类：,双凸 平凸 正弯月 等厚,a)圆柱透镜,b)正柱面透镜,c)负柱面透镜,柱镜种类,1-2 成像概念,正柱镜 负柱镜,y,y,柱镜成像,3、光学系统：,共轴球面系统 球面系统光学系统 非共轴球面系统 非球面系统,4、完善（
9、理想）成像：,入射为同心光束，出射系统后仍为同心光束。此时，物点与像点具有一一对应关系（也称共轭关系）。条件：一对共轭点之间的所有光线为等光程。,5、成像类型：,6、物空间与像空间：,物空间和像空间是相对一定的光学系统而言，而且，物空间和像空间都是可以向整个空间无限扩展的。由于规定光线自左向右传播，所以对于薄透镜而言，可以认为：透镜的左方空间为实物空间，也是虚像空间；而透镜的右方空间为实像空间，同时也是虚物空间。,谢谢听讲！,作业： 1-1 ， 1-2 ， 1-3。,学习本课程的重要性：,通过本课程的学习，可以为进一步学习和正确解答视光学基础验光学眼镜学眼视光器械学以及隐形眼镜学等后续课程中出
10、现的光学问题，打下一个良好的光学基础。,返回,本课程的基本内容：,几何光学（第15章）光度学和色度学基础（第6章）像差概念（第7章）基本光学仪器理论（第8章）激光技术基础（讲座）,返回,目的要求：,要求学生能够掌握应用光学中的基本成像概念、规律和公式、以及一些最基本的实用光学技术。要求学生能运用这些知识和技能来正确地进行各种成像计算和作图、简单的光路计算以及相应的光路图绘制。,课程考核： 总成绩=理论考试(70%)+实验成绩(15%)+平时作业(15%),返回,参考书目:,应用光学 张以谟 主编 机械工业出版社应用光学 安连生 主编 北京理工大学出版社几何光学.像差.光学设计李晓彤 岑兆丰编著
11、 浙江大学出版社应用光学习题集 顾培森 机械工业出版社,人眼剖面图,返回,裂隙灯显微镜,检眼镜（Ophthalmoscopes）,眼底照相机 电脑验光仪,手术显微镜,综合验光仪,国产同视机 角膜曲率计,焦度计 （也称查片机）,返回,光的微粒说:,由物理学家牛顿创立光的直线传播定律爱因斯坦的光电实验建立了几何光学,+ R ,P,N,硅光电池,小孔,物,像,光,back,光的波动说:,由惠更斯首次提出托马斯.杨和菲涅尔：光的干涉与衍射麦克思韦和赫兹证实了光是一种电磁波产生了物理光学（也称波动光学）,back,1、光的直线传播定律：,在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播的。日常例子：如影子的形成，日蚀和月蚀等实验证明： 小孔成像实验问题思考：在不均匀介质中，光的传播途径如何变化？,Back,2、光的独立传播定律：,当各条不同的光线以不同的方向通过某点时，彼此互不影响，通过相交处后，仍各自独立的传播，但在相交处光能量相叠加。日常例子：如两手电筒光束相交；舞台上多种灯光相交等实验证明： 两条非相干光束相交实验,Back,56,谢谢！,57,
