1、2019/9/2,南京工程学院自动化学院,1,应用光学,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,2,考试成绩组成：,期末考试卷面成绩: 70% 平时成绩 : 10% 实验成绩： 20%注意： 缺勤一次扣5分，三次和三次以上缺勤者，不准参加期末考试 平时成绩包括出勤、作业和课堂提问等,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,3,本门课程的主要参考教材,1、应用光学 安连生 主编 北京理工大学出版社出版社 2、应用光学概念题解与自测李林 主编 北京理工大学出版社出版社,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,4,光-Light，是我们最熟悉的现象之一，没有光，人类就无法生存。,万物生长靠太阳
2、！,地球上的主要能源都是直接或间接来自太阳能！,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,5,生活中，大自然中有关光的现象无处不在,佛光,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,6,彩虹,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,7,海市蜃楼,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,8,日晕,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,9,你还能举些有关光的现象么？,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,10,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。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,11
3、,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：,傅立叶光学,薄膜光学,集成光学,纤维光学,全息光学,红外与微光技术,等等,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,12,光学的应用领域越来越广泛,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,车身模型数字化系统,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,13,农业：收割、除草、叶面与果实的检测,叶面积仪,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,14,军事：望远镜、夜视仪、导弹制导、激光测
4、距、无人驾驶侦探机、平视显示器等等,红外侦察,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,15,激光制导,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,16,潜望镜,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,17,红外雷达和平视显示器,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,18,医学：CT、胃镜、虹膜检测、生物检测,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,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,19,哈勃太空望远镜,2019/9/
5、2,南京工程学院自动化学院,20,“哈勃”太空望远镜拍摄的狮子座“NGC 3370”螺旋星系的照片,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,21,哈勃望远镜2002年5月到12月拍摄到的太空神秘发光星体图片,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,22,人们还在不断研究光的应用领域,宇宙1号太阳帆,宇宙1号的太阳帆面积为530.93平方米，由光压获得的推力为255克。如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方米，由光压获得的推力即为0.034吨。根据理论计算，这一推力可使重约0.5吨的航天器在200多天内飞抵火星,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,23,应该指出的是，人
6、们对光的认识还远未完结，对光的本性、传播规律以及光与物质相互作用的研究还在不断继续。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,24,世博之光英国馆,英国馆最大的亮点是由6万根蕴含植物种子的透明亚克力杆组成的巨型“种子圣殿”这些触须状的“种子”顶端都带有一个细小的彩色光源，可以组合成多种图案和颜色。所有的触须将会随风轻微摇动，使展馆表面形成各种可变幻的光泽和色彩。“种子圣殿”周围的设计也寓义深远，它就像一张打开的包装纸，将包裹在其中的“种子圣殿”送给中国，作为一份象征两国友谊的礼物。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,25,世博之光光学生物传感器,中科院上海光学精密机械研究所信息光学与
7、光电技术实验室研制的光学生物传感器是通过检测生物分子之间微观特异性反应所产生的光学信号来检测微量目标被检物的一种光学仪器，具有灵敏、特异、稳定及适合于现场快速检测等优点。 用于奥运会和世博会的安保检查,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,26,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。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,
8、27,几何（应用）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,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。,几何（应用）光学的研究目的,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,28,光切显微镜,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,29,第一章 几何光学的基本原理,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,30,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。
9、,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！,1-1 光波和光线,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,31,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！,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,32,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。,问题变得简单而且实用！,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,33,几何光学：以光线为基础，
10、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,由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子性的研究方法只是一种对真实情况的近似处理方法。必要时要辅以波动光学理论。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,34,一. 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,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,35,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
11、点的成像规律来推断整个物体的成像。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,36,二、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。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,37,三、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,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,38,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,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,
12、39,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,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,40,1-2 几何光学基本定律 (1-2,1-3),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。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,41
13、,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。,（一）折射定律,I：入射角,I：折射角,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,42,（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nab,即,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,43,也可表述为：,两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示,对上式变换,两种介质的相对折射率等于两介质的绝对折射率之比,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,44,将上式代入 并设,有：,真
14、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。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,45,（2）入射角 I和反射角I的绝对值相同，可表示为,（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,符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,46,全反射现象,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。,可知,即折射光线较入射光线偏离法线,由公
15、式,当光由光密介质射向光疏介质时,1-3 光路可逆和全反射 (1-4, 11-1,11-2),2019/9/2,南京工程学院自动化学院,47,不可能大于1，此时入射光线将不能射入另一介质。,按照反射定律在介面上全部被反射回原介质,对应于 的入射角 被称为临界角,记为,可知,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,48,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；,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。,（2）制造光导纤维。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,49,光导纤维号称现代信息系统的神经,由内层折射率较高的纤芯和外层折射
16、率较低的包层组成,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,50,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。,S,B,A,当,大于临界角时，就发生全发射。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,51,根据折射定律，又有：,可以得到：,由 得,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,52,定义 为光纤的数值孔径,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。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,53,思考： 1、游泳者由水底仰望水面是否为全亮？ 2、有时看到窗户玻璃上映射的太阳光特别耀眼，这是否因为窗玻璃表面发生了全反射？,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,54,光的直线传播定律、独立传播定律、折射和反射定律、费马原理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要原理光路的可逆性原理。利用这一原理，可以由物求像，也可以由像求物。,2019/9/2,南京工程学院自动化学院,55,马吕斯定律：与某一曲面垂直的一束光线，经过任意次折反射后，必定与另一曲面垂直，而且位在这两个曲面之间的所有光线光程相等 费马原理：实际光线沿着光程为极值的路线传播，即沿着光程为极大、极小或常量的路径传播,1-3 马吕斯定律和费马原理,
