《几何光学》课件

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1、几 何 光 学 的 四 大 基 本 定 律1. 光 的 直 线 传 播 定 律 （ 局 限 性 ： 衍 射 ）2. 光 的 独 立 传 播 定 律 （ 局 限 性 ： 干 涉 ）3. 光 的 反 射 定 律4. 光 的 折 射 定 律 第 一 章几 何 光 学 光 的 一 些 基 本 知 识n 光 的 本 质 是 一 种 电 磁 波n 可 见 光 的 波 长 范 围 ： 380-780nmn 光 波 的 传 播 速 度 ： 3 108 m/sn 在 可 见 光 范 围 内 ， 太 阳 光 可 分 解 成 红 、橙 、 黄 、 绿 、 青 、 蓝 、 紫n 色 度 学 中 的 三 基 色 ： R

2、、 G、 B R、 Y、 B 几 何 光 学 的 理 解n 用 几 何 点 、 线 、 面 的 方 法 来 研 究 光 的 传 播及 光 学 系 统 的 成 象 特 性 的 一 门 课 程 。n 几 何 光 学 的 主 要 内 容 是 研 究 光 学 系 统 的 成像 问 题 ， 系 统 地 讨 论 物 、 像 和 光 学 系 统 的基 本 参 数 之 间 的 内 在 关 系 。 为 什 么 要 学 几 何 光 学 ？n 光 的 本 质 是 一 种 电 磁 波n 几 何 光 学 是 一 门 经 典 的 课 程n 目 前 我 所 从 事 的 光 学 工 程 （ 光 学 系 统 所组 成 的 光

3、学 仪 器 ） 绝 大 部 分 是 用 几 何 光学 的 知 识 来 完 成 的n 光 学 仪 器 的 设 计 还 是 采 用 几 何 光 学 方 法进 行 的 本 章 的 主 要 内 容 1 光 线 用 几 何 线 的 方 法 来 研 究 光 学 成 象 2 几 何 光 学 的 四 大 定 律 3 成 像 的 基 本 分 析 方 法 和 计 算 公 式n 理 想 光 学 系 统 近 轴 系 统n 符 号 规 则n 物 像 关 系 的 作 图 法 n 牛 顿 公 式 和 高 斯 公 式n 光 学 系 统 的 放 大 率 光 的 直 线 传 播 定 律n 几 何 光 学 的 基 础 ， 多 数

4、精 密 的 光 学 仪器 都 是 承 认 它 的 正 确 才 成 立 的 ；n 人 的 影 子n 日 蚀 、 月 蚀n 当 光 束 “ 挤 过 ” 很 小 的 孔 时 ， 光 就 开始 “ 拐 弯 ” 了 产 生 了 衍 射 。 光 的 独 立 传 播 定 律n 两 束 光 线 在 空 中 相 遇 保 持 独 立 传 播 ；n 相 遇 处 的 光 强 是 两 束 光 光 强 的 和 ；n 这 两 束 光 是 独 立 的 ， 没 有 “ 亲 缘 ” 关 系 ；n 如 果 这 两 束 光 有 “ 亲 缘 ” 关 系 ， 则 在 相遇 处 会 产 生 干 涉 。 光 的 反 射 定 律n 反 射 光

5、 和 入 射 光 在 同 一 个 平 面 内n 反 射 角 与 入 射 角 相 等 ， 方 向 相 反n 镜 面 反 射 使 得 物 与 像 的 坐 标 颠 倒 ： 奇 数 次 反 射 成 镜 像 ； 偶 数 次 反 射 成 物 像 。 反 射 棱 镜n 棱 镜 是 一 种 典 型 的 反 射 零 件n 在 光 学 工 程 中 用 得 很 多 ， 其 作 用 主 要 是折 转 光 路 、 转 像 、 倒 像 、 分 光 和 扫 描 等 。n 反 射 棱 镜 的 种 类 ： 简 单 棱 镜 、 屋 脊 棱 镜 、立 方 角 棱 镜 和 复 合 棱 镜 等 。 平 面 反 射 镜 与 棱 镜n 棱

6、 镜 的 各 个 固 定 角 度 稳 定 ， 而 反 射 镜 与反 射 镜 之 间 的 角 度 容 易 变 化 ；n 棱 镜 反 射 面 形 成 全 反 射 ， 没 有 光 能 损 失 ，而 反 射 镜 面 损 失 较 大 ；n 反 射 镜 镀 层 容 易 损 坏 ， 而 棱 镜 的 镀 层 容易 保 护 ；n 棱 镜 容 易 安 装 与 固 定 。 一 次 反 射 棱 镜 直 角 棱 镜 等 腰 棱 镜 道 威 棱 镜 像 的 旋 转 :当 绕 光 轴 旋 转 时 ， 反 射 像 同 方 向 旋 转 2 消 旋 仪 双 反 射 镜 跟 踪 经 纬 仪 的 消 旋 补 偿 112 电 影 经

7、纬 仪（ 小 毒 蛇 ） 应 用实 例周视瞄准仪 周视瞄准仪机械结构的设想 周 视 瞄 准 镜 结 构 图采 用 差 动 齿 轮 系 实现 直 角 棱 镜 与 道 威棱 镜 同 轴 旋 转 ， 两者 速 比 为 1： 2， 转动 过 程 中 速 比 不 变 需 要 解 决 2个 问 题1. 成 像 的 坐 标 与 原 物 一 致2. 像 旋 转 的 补 偿 道 威 棱 镜 的 作 用（ 道 威 棱 镜 只 能 在 平 行 光 路 中 应 用 ） 周 视 瞄 准 镜 的 用 途n 大 方 位 观 察 搜 索 目 标 ， 采 用 光 学 方 法 使望 远 镜 视 准 轴 在 水 平 面 内 扫 描

8、 ， 以 实 现全 方 位 观 察 周 视 。n 该 系 统 可 以 用 到 潜 望 镜 、 坦 克 瞄 准 镜 、炮 台 镜 、 双 反 射 镜 式 光 电 经 纬 仪 中 。 二 次 反 射 棱 镜a， 半 五 角 棱 镜 b， 30 直 角 棱 镜 c， 五 角 棱 镜 d， 直 角 棱 镜 e， 斜 方 棱 镜 二 次 反 射 棱 镜 的 特 性 n 出 射 光 线 与 入 射 光 线 的 夹 角 取 决 于 两 反射 面 的 夹 角 ， 是 两 反 射 面 夹 角 的 2倍 ；n 不 存 在 镜 像 （ 偶 次 反 射 ）n 装 调 方 便 ；n 转 向 角 与 入 射 角 的 倾

9、斜 不 敏 感 。 三 次 反 射 棱 镜 斯 密 特 棱 镜 ：1,奇 次 反 射 成 镜 像2,折 叠 光 路 ， 使 得仪 器 紧 凑 屋 脊 棱 镜 ：1） 增 加 一 个 反 射 面 2） 屋 脊 角 加 工 精 度 要 求 很 高 立 方 角 锥 棱 镜 ： ， 正 立 方 体 斜 切 一 角 所 成 ， 切 面 为 底 面 ， 呈 等 腰 三 角 形 ， 底 面 为 入 射 面 和 出 射 面 立 方 角 锥 棱 镜 的 外 型 ： 立 方 角 棱 镜 的 特 点 与 用 途n 特 点 是 出 射 光 与 入 射 光 平 行n 用 于 激 光 测 距 仪 中 当 合 作 目 标n

10、 在 靶 场 中 用 于 飞 行 目 标 表 面 的 合 作 目 标n 自 准 直 经 纬 仪 中 用 于 校 准 棱 镜n 月 球 表 面 的 反 射 镜 阵 列 校 准 棱 镜用 于 自 准 直 经 纬 仪 的 调 试 中 二 次 反 射 直 角 棱 镜在 导 弹 瞄 准 系 统 中 的 应 用 HM Hf HN LN LM 二 次 反 射 直 角 棱 镜 的 工 作 原 理 J A Z Z0 Y Y0X0X 从 井 下 发 射 “ 民 兵 ” 导 弹 时 的 瞄 准 布设 1控 制 反 射 镜 ； 2环 形 轨 道 ； 3瞄 准 经 纬 仪 俄 罗 斯“ 白 杨 ”导 弹 阿 波 罗 月

11、 球 反 射 器（ 宇 航 员 正 在 安 放 ） 阿 波 罗 月 球 反 射 器（ 宇 航 员 正 在 安 放 ） 阿 波 罗 月 球 反 射 器（ 安 放 在 月 球 表 面 上 ） 阿 波 罗 月 球 反 射 器（ 安 放 在 月 球 表 面 上 ） “月 球 ” 号 登 月 车 （ 俄 罗 斯 ）月 球 表 面反 射 器 分 光 棱 镜 分 色 棱 镜 : a 面 反 蓝 透 红 绿 膜 b 面 反 红 透 绿 膜 转 向 棱 镜 1,出 入 光 轴 2,平 行 完 全 倒 像 3,折 叠 光 路a)普 罗 棱 镜 b)普 罗 棱 镜 c)别 汉 棱 镜 反 射 棱 镜 展 开 以 后

12、 相 当 于 平 行 平 板 棱 镜 的 公 差n 角 度 偏 差 ： 影 响 成 像 质 量 （ 展 开 不 是 平 行 平 板 ） 、读 数 精 度 等 ， 一 般 可 以 在 装 配 时 摆 动 棱 镜 自 行 补 偿 。n 面 形 误 差 ：1. 透 射 面 误 差 （ 相 当 于 设 计 时 未 考 虑 到 的 一 个 透 镜 面 ）2. 反 射 面 误 差 （ 双 倍 影 响 ）n 屋 脊 角 误 差 产 生 色 差 和 双 像 ； 屋 脊 面 形 误 差 对 成 像质 量 具 有 4倍 影 响 。 n 棱 镜 的 塔 差 ： 棱 镜 的 棱 边 与 反 射 面 的 不 平 行 度

13、 ， 展开 后 不 是 平 行 平 板 。 光 的 折 射 定 律 InInnnII sinsinsinsin 或 折 射 率 ：描述光在介质中传播速度快慢的一个物理量nnIm sin vcn 全 反 射 ： 1， 从 光 密 到 光 疏 2， 入 射 角 大 于 临 界 角 nnIm sin 全 反 射 现 象 的 应 用全 反 射 棱 镜 光 纤 光 纤 的 基 本 工 作 原 理n 根 据 全 反 射 原 理 ， 使 光 线 限 制 在 纤 芯 中 传 播 。n n1n2，n 当 入 射 角 0（ 入 射 临 界 角 ） 时 ， 进 入 纤 芯 的 光 线 会在 芯 、 包 层 界 面

14、全 反 射 向 前 传 播 ；n 入 射 角 0时 ， 大 部 分 光 线 进 入 包 层 、 空 气 散 失 掉 。 图 1 子 午 光 线 在 阶 跃 光 纤 中 的 传 播n1n0受光角 n2 2a 2b 光 纤 光 学 特 性 参 量 ：n 1 相 对 折 射 率 差 ： 表 征 纤 芯 和 包 层 折 射 率 差 异 程 度 的 参 量 （ n1 n2） / n1n 2 数 值 孔 径 NA： 表 征 光 线 在 光 纤 中 耦 合 的 难 易 程 度 的 参 量 ， 即 光纤 接 收 入 射 光 能 力 的 参 量 n 3 规 一 化 频 率 或 波 导 参 数 VV 2aNA/反

15、 映 了 光 波 传 播 与 波 长 及 波 导 结 构 之 间 的 关 系 ， V值 越 大 所 能传 播 的 模 式 越 多 。 V2.4048时 ， 光 纤 为 单 模 光 纤 ， 只 传 导 基模 HE11模 式 。 2sin 122210 nnnNA 模 式 的 概 念 ：n 光 波 是 一 种 电 磁 波 ， 光 在 光 纤 中 传 播 就 是 交 变 的 电 场和 磁 场 在 光 纤 中 向 前 传 播 。 电 磁 场 的 各 种 不 同 分 布 形式 叫 做 “ 模 式 ” ， 或 简 称 为 “ 模 ” 。n 由 于 光 纤 的 直 径 （ 特 别 是 单 模 光 纤 ） 小

16、 到 可 以 和 光 波长 相 比 ， 光 的 波 动 特 性 就 很 明 显 。 只 有 具 有 确 定 空 间 、时 间 分 布 的 电 磁 场 模 式 才 能 在 光 纤 中 存 在 。 传 输 模 式与 光 纤 参 数 、 入 射 光 频 率 和 涂 敷 层 性 质 有 关 ， 它 是 麦克 斯 韦 （ Maxwell） 方 程 的 满 足 光 纤 边 界 条 件 的 特 解 。 单 模 光 纤 和 多 模 光 纤 ：n 对 于 一 定 的 光 纤 结 构 和 光 波 长 ， 在 光 纤 中 能 够 传 播 的 模 式 数 目 是有 限 的 。 可 以 传 播 的 模 数 为 ，n M

17、 V/(/2)2 / 2n 其 中 V是 规 一 化 频 率 。 当 0 V2.4048时 ， 只 有 HE11模 能 够 传 播 。通 常 将 HE11模 称 为 主 模 或 基 模 。n 由 于 V与 光 波 长 有 关 ， 则 当 光 纤 结 构 与 特 性 一 定 后 ， 对 于 某 个 波长 的 光 来 说 是 单 模 工 作 的 光 纤 ， 对 于 另 外 的 比 其 波 长 还 要 短 的 光来 说 就 有 可 能 传 播 多 个 传 输 模 ， 而 成 为 多 模 光 纤 了 。 n 在 多 模 光 纤 中 传 输 的 各 个 不 同 模 式 沿 轴 向 的 传 播 速 度 不

18、 同 ， 传 输模 的 阶 次 越 高 ， 传 输 速 度 越 慢 。 光 纤 的 基 本 结 构 由 纤 芯 、 包 层 和 涂 敷 层 构 成 ， 是 一多 层 介 质 结 构 的 对 称 圆 柱 体涂 敷 层纤 芯 包 层 图 2 单 根 光 纤 结 构 简 图 光 纤 结 构 参 量n 1 纤 芯 直 径 2a；n 2 外 径 ： 研 究 光 纤 弯 曲 损 耗 及 评 价 光 纤 机 械 强 度 时 的 重 要 参 量 ； n 3 芯 径 非 圆 率 、 外 径 非 圆 率 ： 纤 芯 外 周 及 包 层 外 周 与 圆 柱 的 差 别 程 度 ， 用以 评 价 接 续 损 耗 ；n

19、 4 偏 心 率 ： 纤 芯 与 包 层 外 圆 圆 心 的 偏 离 程 度 ， 用 以 评 价 接 续 损 耗 。 光 纤 的 应 用n 光 纤 传 感 ： 光 纤 自 身 是 一 个 敏 感 元 件 ， 光 纤 对 外 界 参 数 有 一 定 的 效 应 ，因 此 可 以 利 用 这 些 效 应 实 现 对 外 界 被 测 参 数 的 “ 传 ” 和“ 感 ” 。n 光 纤 通 信 ： 损 耗 低 ， 目 前 石 英 光 纤 的 损 耗 已 降 至 0.2dB/km以 下 ； 带 宽 宽 ， 光 纤 传 输 的 是 光 ， 频 率 特 别 高 ， 因 而 光 纤 具 有 极 宽 的 频 带

20、 ， 是 理 想 的 信 息 传 输 介 质 。 这 两 个 特 性 决 定 了 光 纤 在 通 信 中 广 泛 应 用 。 光 纤 通 信 对 光 纤的 要 求 主 要 是 损 耗 、 色 散 值 。 n 其 他 应 用 ： 传 光 、 传 像 光 纤 传 感 器 的 优 点 ：n 灵 敏 度 高 、 频 带 宽 ；n 是 无 源 器 件 ， 对 被 测 介 质 影 响 小 ；n 抗 电 磁 干 扰 、 电 绝 缘 ， 耐 腐 蚀 ， 可 用 于 恶 劣 环 境 ；n 重 量 轻 、 体 积 小 ， 外 形 灵 活 可 变 ；n 测 量 对 象 广 泛 ， 可 以 制 成 传 感 不 同 物

21、 理 量 的 传 感 器 ； n 便 于 多 点 复 用 ， 便 于 成 网 ， 实 现 分 布 式 测 量 。 光 纤 通 信 的 优 点 ：n 传 输 频 带 极 宽 ， 通 信 容 量 大 ；n 衰 减 小 ， 传 输 距 离 远 ；n 串 扰 小 ， 信 号 传 输 质 量 高 ；n 光 纤 抗 电 磁 干 扰 ， 保 密 性 好 ； n 光 纤 尺 寸 小 ， 重 量 轻 ， 便 于 运 输 和 铺 设 ；n 由 石 英 拉 制 而 成 ， 原 材 料 丰 富 ， 节 约 大 量 金 属 。 光 纤 传 感 器n 光 波 在 光 纤 中 传 播 时 ， 表 征 光 波 的 特 征 参

22、 量 因 外 界 因素 的 作 用 可 直 接 或 间 接 地 发 生 变 化 ， 从 而 可 将 光 纤 用作 传 感 元 件 来 探 测 各 种 物 理 量 。光 纤 出 射 光 波外 界 因 素 ： 温 度 、 压 力 、 电磁 场 、 位 移 等振 幅 、 相 位 、 偏 振 态 、耦 合 效 率 等入 射 光 波 光 纤 传 感 原 理 示 意 图 光 纤 传 感 器 分 类n 按 光 纤 中 的 光 被 调 制 的 原 理 分 有 ： 光强度调制型、光相位调制型、光偏振态调制型、光频率调制型（Doppler）、光波长调制型(Bragg grating)。n 按 测 量 参 量 分

23、有 ： 光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤流量传感器、光纤压力传感器、光纤速度传感器、光纤磁场传感器、光纤电流传感器、光纤电压传感器等。 光 纤 温 度 传 感 器 n 根 据 普 朗 克 黑 体 辐 射 定 律 ， 理 想 黑 体 辐 射 的 光 谱 能 量 为 ：M（ ， T） C1 5/（ e C2 /T 1）式 中 ： M（ ， T） 是 光 谱 辐 射 亮 度 ；C1、 C2是 辐 射 常 数 ； 为 光 谱 辐 射 波 长 ；T为 辐 射 温 度 实 现 非 接 触 式 测 量 ； 响 应 速 度 快 ， 1ms左 右 ； 精 度 高 、 重 复 性 好 ； 可 进 行 高 温

24、测 量 （ 5000C 25000C） M（ ， T） 900K 800K700K600K 500K黑 体 光 谱 亮 度 同 波 长 与 温 度 关 系 示 意 图 4 光 纤 传 感 器 GXW系 列 光 纤 温 度 传 感 器 外 形 图 我 所 的 光 纤 发 展 史n 60年代龚祖同老所长带领开始光纤技术的研究，国内首家。n 70年 代 ， 西 安 光 机 所 拉 制 出 我 国 第 一 根 玻 璃 光 纤 。n 光 学 学 会 光 学 纤 维 专 业 委 员 会 挂 靠 我 所 n 以 变 折 射 率 光 纤 器 件 、 光 纤 传 感 器 为 主 打 产 品 的 飞 秒公 司 是

25、 我 所 第 一 个 上 规 模 产 业 化 的 企 业 光 通 信 给 光 纤 技 术 带 来 了 巨 大发 展 空 间n 光 纤 通 信 正 以 惊 人 速 度 向 更 高 级 阶 段 发 展 ， 全 光 网 络是 发 展 方 向 。n 要 实 现 全 光 网 络 则 必 须 实 现 波 分 复 用 技 术 （ 特 别 是 密集 波 分 复 用 DWDM） 和 全 光 节 点 技 术 ， 构 成 一 个 完 整 的光 纤 传 输 系 统 ， 除 了 光 源 、 光 探 测 器 及 光 纤 外 ， 还 需要 众 多 无 源 或 有 源 的 光 学 器 件 。 n 光 纤 网 络 中 所 需

26、各 种 光 学 器 件 有 ： 光 发 射 /接 收 器 、 光波 分 复 用 /解 复 用 器 、 波 长 转 换 器 、 光 分 插 复 用 器 、 光纤 滤 波 器 、 光 纤 放 大 器 以 及 高 速 通 信 系 统 中 的 色 散 补偿 器 等 。 光 通 信 中 的 典 型 器 件n 实 现 上 述 器 件 功 能 ， 需 要 研 究 更 基 本 的 器 件 单元 ， 通 过 这 些 单 元 的 组 合 设 计 来 实 现 较 高 一 级的 功 能 。n 典 型 器 件 ：n 光 纤 Bragg光 栅 n 光 纤 面 板n 自 聚 焦 透 镜n 微 小 透 镜 阵 列 光 纤 光

27、 栅n FBG是 在 光 纤 纤 芯 内 折 射 率 周 期 调 制 的 光 学 元 件 ， 利用 光 纤 材 料 的 光 敏 感 性 在 纤 芯 内 形 成 空 间 相 位 光 栅 。n FBG是 最 近 几 年 发 展 最 为 迅 速 的 光 纤 无 源 器 件 之 一 ，在 光 纤 通 信 、 光 纤 传 感 领 域 都 有 广 阔 应 用 前 景 。 n 纤 芯 Bragg 光 栅 ZZ1 Z2 均 匀 Bragg光 栅 结 构 原 理 示 意 图B输 入 宽 谱 光反 射 光 透 射 光 光 纤 光 栅 的 工 作 原 理n 宽 带 光 通 过 光 纤 光 栅 时 ， 将 反 射 回

28、 一 窄 带 信 号 ， 窄 带 信 号 的 波 长 与 纤 芯折 射 率 和 光 栅 常 数 有 关 。 n B 2n式 中 ： B 为 Bragg中 心 反 射 波 长 ， n为 纤 芯 的 有 效 折 射 率 ， 光 栅 常 数 。 n 光 纤 光 栅 作 用 实 质 上 是 在 纤 芯 内 形 成 一 个 窄 带 的 （ 透 射 或 反 射 ） 滤 光 器或 反 射 镜 ， 反 射 的 窄 脉 冲 宽 度 达 到 纳 米 量 级 ， 正 符 合 密 集 波 分 复 用 的 要求 。 由 公 式 知 ， n与 的 改 变 均 会 引 起 反 射 光 波 长 的 改 变 。 因 而 能 导

29、 致 n与 改 变 的 物 理 量 ， 均 可 以 用 FBG作 为 传 感 元 件 如 应 力 、 温 度 和 压 力 等 。n 灵 敏 度 和 线 性 度 也 非 常 好 。 光 纤 光 栅 的 用 途n 采 用 FBG作 为 腔 反 馈 和 模 式 选 择 的 单 频 光 纤 激 光 器 或 混合 集 成 式 耦 合 腔 半 导 体 激 光 器 ， 都 可 将 光 激 射 限 制 在特 定 波 长 或 者 特 定 梳 状 波 长 ， 这 样 就 可 有 效 用 于 密 集波 分 复 用 （ DWDM） 通 信 系 统 。n 由 FBG的 选 频 作 用 能 制 作 出 性 能 优 异 的

30、 光 纤 带 通 或 带 阻滤 波 器 、 高 质 量 多 功 能 全 光 纤 激 光 器 与 光 纤 放 大 器 等各 种 全 光 纤 集 成 器 件 。 n FBG能 十 分 有 效 地 压 窄 由 于 色 散 而 展 宽 的 光 脉 冲 ， 从 而降 低 系 统 误 码 率 ， 因 而 是 很 有 发 展 潜 力 的 色 散 补 偿 器 光 纤 光 栅 传 感 器 n 光 纤 光 栅 传 感 器 不 仅 可 靠 性 高 、 抗 电 磁 干 扰 、 抗 腐 蚀 性 能 好 ， 还具 有 测 量 精 度 高 、 动 态 范 围 大 、 线 性 度 好 等 优 良 特 性 。n 由 于 光 纤

31、 光 栅 将 被 测 信 息 转 化 为 其 响 应 波 长 的 移 动 ， 即 波 长 编 码 ，传 感 得 到 的 信 息 直 接 由 波 长 变 化 表 示 ， 与 光 源 能 量 、 光 纤 连 接 及耦 合 时 所 带 来 的 衰 减 无 关 ， 即 不 受 光 源 功 率 波 动 和 系 统 损 耗 的 影响 。n 光 纤 光 栅 传 感 网 络 可 以 实 现 多 点 实 时 监 测 。n 由 于 光 纤 光 栅 自 身 的 小 巧 结 构 它 还 可 以 制 成 光 纤 灵 巧 结 构 （ Smart Structure） 传 感 器 。 如 美 国 将 67个 FBG传 感

32、头 埋 于 桥 梁 各 个 梁 中 ，用 于 实 时 监 测 桥 梁 各 处 的 受 力 应 变 n 通 过 设 计 各 种 机 敏 结 构 ， 光 纤 光 栅 可 以 实 现 对 应 力 、 应 变 、 温 度 、流 量 、 位 移 、 微 振 动 、 磁 场 、 电 场 、 电 流 等 多 种 物 理 量 的 测 量 。 光 纤 传 像 元 件由 光 纤 制 成 的 大 面 阵 、 无 源 成 像 器 件n 将 光 学 图 像 从 一 端 传 递 给 另 一 端 。 它 是 由 大 量 光 纤 排 列 压 制 在 一 起 ， 经 切 、 磨 、抛 等 工 艺 制 成 可 传 递 二 维 图

33、 像 的 光 学 元 件 。n 1 光 纤 面 板 ： 可 将 二 维 图 像 1:1进 行 传 递 。 每 根 光 纤 传 输 图 像 的 一 个 象 素 ， 用 足 够多 、 足 够 细 的 光 纤 获 得 理 想 的 图 像 传 输 。 在 医 疗 、 工 业 、 军 事 上 都 有 很 大 用 途 。 n 2 传 像 束 ： 采 用 10m外 径 光 纤 ， 象 素 光 纤 需 2 4万 根 。n 3 光 纤 光 锥 ： 一 头 大 、 一 头 小 ， 可 将 输 入 图 像 放 大 或 缩 小 。 用 来 将 面 板 输 出 图 像耦 合 到 CCD等 成 像 器 件 上n 4 光

34、纤 扭 像 器 ： 可 将 输 入 图 像 扭 转 180度 （ 倒 像 ） 。 可 将 反 像 变 为 正 像 ， 有 利 于 人眼 的 观 察 习 惯 。n 5， 密 码 器 几 何 光 学 第 三 节 成 像 的 基 本 分 析 方 法 和 计 算 公 式n 符 号 规 则n 理 想 光 学 系 统 近 轴 系 统n 物 像 关 系 的 作 图 法n 牛 顿 公 式 和 高 斯 公 式 n 光 学 系 统 的 放 大 率 几 何 光 学 的 符 号 规 则 ：1， 截 距 、 孔 径 角 、 孔 径 高 度 ， 物 高 和 像 高2， 符 号 的 规 定 几 何 光 学 的 符 号 规

35、则 ：n 光 线 自 左 向 右n 以 顶 点 为 起 始 点 ， 与 光 线 传 播 方 向 一 致为 正 ， 反 之 为 负n 垂 轴 线 段 ， 上 为 正 ， 下 为 负n 夹 角 ： 顺 时 针 为 正 ， 逆 时 针 为 本 负n 焦 距 ： 以 焦 点 为 起 始 ， 顺 光 线 为 正 ， 逆光 线 为 负 单 个 折 射 球 面 成 不 完 善 像截 距 是 入 射 角 和 孔 径 角 的 函 数 )sinsin1( UIrL 近 轴 系 统 孔 径 角 U很 小 ， 相 应 的 U， I， I 也 很 小 ， 它 们 的正 弦 可 以 用 弧 度 表 示 (用 小 写 表

36、示 近 轴 系 统 ) uirrl iuiu inni ur rli uirrl iuiu inni ur rli 物 象 关 系 的 作 图n 物 像 关 系 是 几 何 光 学 的 基 本 内 容 ；n 用 几 何 作 图 的 方 法 来 理 解 光 学 成 像 ；n 在 制 定 光 学 系 统 方 案 时 ， 经 常 用 几 何 作图 法 进 行 成 像 关 系 的 分 析 ；n 给 定 光 学 系 统 的 焦 距 和 物 体 的 位 置 、 大小 、 方 向 ， 求 像 的 的 位 置 、 大 小 和 方 向 ；反 过 来 也 一 样 。 物 像 关 系 的 作 图 法 1：通 过 焦

37、 点 平 行 光 轴 ， 平 行 光 轴 通 过 焦 点 物 像 关 系 的 作 图 法 2：焦 面 上 一 点 平 行 光 束 ，平 行 光 束 焦 面 上 一 点 。 物 像 关 系 的 作 图 法 3：通 过 主 点 的 光 线 方 向 不 变H H 物 像 关 系 的 作 图 法 4：共 轭 光 在 主 面 上 同 位 置H H 牛 顿 公 式fll 111 ffxx 高 斯 公 式 fll 111 Abbe不 变 量 ：单 个 折 射 面 ， 物 方 与 像 方 的（ n/r） -（ n/l） 具 有 不 变 量 形 式根 据 上 式 可 以 导 出 以 下 单 个 折 射 面 物

38、像 成 像 关 系 式 ： )11()11( lrnlrnQ r nnlnln 单 个 折 射 面 的 成 像 公 式r nnlnln 计 算 题 1：玻 璃 棒 一 头 磨 成 R10的 半 球 ， 求 A点 D 的像 A 计 算 题 2：已 知 透 镜 的 参 数 和 物 体 的 位 置 ， 求 像 的 位 置 计 算 过 程 ： 利 用 公 式 ， ， ， 7.10 ,105.110015.1 ll 512 ll 7.4 10 5.117.5 5.11 ,22 2 222222 ll r nnlnln r nnlnln 成 像 光 学 系 统 中 的 放 大 率1. 垂 直 放 大 率n

39、 0， 正 像 ； 0， 倒 像 。n 1， 放 大 ； 1， 缩 小 n 在 摄 影 、 显 微 等 系 统 中 很 有 用 。H llyy llyy 成 像 光 学 系 统 中 的 放 大 率2， 轴 向 放 大 率 ：在 计 算 光 学 系 统 的 轴 向 移 动 （ 调 节 ） 量 时 很 有 用2 nn 2 nn 成 像 光 学 系 统 中 的 放 大 率n 角 放 大 率 ： 光 学 系 统 把 光 束 变 宽 或 变 细的 能 力 1 nnuu 有 一 照 相 物 镜 ， 焦 距 ， 求 照 远的 人 体 需 要 调 焦 多 少 ？ 请 分 别 用 高 斯 公 式 和 牛 顿公

40、式 计 算 . 计 算 题 的 符 号 理 想 光 学 系 统 的 组 合 在 一 个 光 轴 上 的 多 个 光 学 系 统 可以 组 合 成 一 个 新 的 、 等 效 的 光 学 系 统 ，便 于 分 析 问 题 。 这 个 光 学 系 统 具 有 新 的 焦 距 ， 新的 焦 点 位 置 ， 新 的 主 点 位 置 。 两 光 学 系 统 的 组 合H、 H为 组 合 后 的 新 的 光 学 系 统 的 主 点 位 置 ，F、 F 为 组 合 后 的 新 的 光 学 系 统 的 焦 点 位 置其 光 路 同 样 符 合 几 何 作 图 原 则 组 合 焦 距通 过 牛 顿 公 式 可 以 推 导 出 两 组 光 学 系 统 组 合 的 焦 距 21 fff 21 fff 组 合 系 统 的 主 点 位 置 d fflH 1 dfflH 2 多 光 组 的 组 合n 追 迹 一 条 高 度 为 h1的 平 行 于 光 轴 的 光 线 ， 计算 出 出 射 光 线 与 光 轴 的 夹 角 （ 孔 径 角 ） Uk，则 可 求 出 多 光 组 的 组 合 焦 距 1 kUtghf 作 图 1 作 图 1 作 图 1， 2 作 图 3， 4 作 图 2 作 图 3 作 图 4 Thats All for today