第一章几何光学基本定律与成像概念.docx
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第一章几何光学基本定律与成像概念.docx
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第一章几何光学基本定律与成像概念
工程光学教学方案
2006~2007学年第二学期)
郑州轻工业学院技术物理系
任宇芬编制
教学计划1
第一讲2
第二讲3
第三讲4
第四讲5
第五讲6
第六讲7
第七讲7
第八讲8
第九讲9
第十讲10
第十一讲10
第十二讲11
第十三讲12
第十四讲12
第十五讲13
第十六讲14
第十七讲14
第十八讲15
第十九讲16
第二十讲16
第二十一讲17
第二十二讲18
第二十三讲18
第二十四讲19
第二十五讲20
第二十六讲21
第二十七讲21
第二十八讲22
教学计划
主讲人:
任宇芬讲授时间:
2006~2007年第二学期计划总学时:
56讲授方法:
多媒体教学讲授内容及学时安排:
第一章几何光学基本定律与成像概念(4学时)第二章理想光学系统(4学时)
第三章平面与平面系统(4学时)
第四章
光学系统中的光束限制(4学时)
第七章
典型光学系统(6学时)
第八章
现代光学系统(4学时)
第十章
光的电磁理论基础(6学时)
第十一章
光的干涉和干涉系统(4学时)
第十二章
光的衍射(8学时)
第十三章
傅立叶光学(2学时)
第十四章
光的偏振和晶体光学基础(
4学时)
第十五章
导波光学基础(1学时)
第十六章
光的量子性和激光基础(
1学时)
任课班级:
电子科技05-01班(共61人)
使用教材:
《工程光学》郁道银谈恒英主编
学分:
3周学时:
4
机械工业出版社
普通高等教育“九五”国家级重点教材
考核办法:
期末考试(80%)
平时成绩(20%)(平时作业、考勤情况)
第一讲
几何光学主要是以光线为基础、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。
内容:
§1—1几何光学的基本定律
§1—2成像的基本概念与完善成像条件
具体讲述:
1、几何光学的基本概念
2、几何光学的基本定律(内容、表达式、现象解释)
1)光的直线传播定律
2)光的独立传播定律
3)光的折射定律与反射定律(全放射现象及其应用)
4)光路的可逆性
5)费马原理
6)马吕斯定律
3、光学系统与成像的基本概念
4、完善成像的条件(三种表述)
1)入射波面为球面波时,出射波面也为球面波;
2)入射光为同心光束时,出射光束也是同心光束;
3)对应物点和像点间的光程相等。
要求:
理解几何光学的基本概念;掌握几何光学的基本定律的内容,写出表达式并解释相关现象;理解和掌握完善成像条件的三种表述。
重点与难点:
重点:
各个定律的理解和应用难点:
费马原理的理解讲解方法:
联系中学的知识讲解,使内容变得浅显。
规范作图,使知识变得直观
课后作业:
1—2、1—3、1—4、1—6、1—7
第二讲
内容:
§1—3光路计算与近轴光学系统
§1—4球面光学成像系统
具体讲述:
1、应用光学中的符号规则(六条)
2、单个折射球面的光线光路计算公式(近轴、远轴)远轴:
sinI/lrsin(u)/r
nsinIn'sinI'uIu'IsinI'/L'rsinu'/r
近轴:
1)角度的正弦值用弧度值代替(luluh)
i(lr)u/ri'ni/n'u'uii'l'r(li'/u')
2)
n'(1/r1/l')n(1/r1/l)Q
h
nunu(nn)
r
n/ln'/l'(nn')/r
互求共轭物、像位置
3、单折射面成像公式(定义、公式、意义)
4、球面反射镜成像
5、共轴球面系统(过渡公式、成像放大率要求:
理解、掌握、灵活应用符号规则;能推导计算公式并掌握应用简化公式;会利用单个球面成像计算公式计算球面光学系统的成像问题。
重点与难点:
重点:
符号规则、计算公式的灵活应用
难点:
灵活应用符号规则、公式的推导
讲解要求:
详细讲解公式推导。
课后作业:
1—9、1—10、1—13、1—14、1—15
第三讲
本章主要介绍理想光学系统的主要光学参数、成像关系和放大率、理想光学系统的光组组合和透镜。
内容:
§2—1理想光学系统与共轴成像理论
§2—2理想光学系统的基点和基面
§2—3理想光学系统的物像关系
具体讲述:
1、理想光学系统概念
高斯光学、共轭、共线成像
2、共轴理想光学系统的成像性质(3个)
3、理想光学系统的基点和基面
1)无限远的轴上物点和它对应的像点
2)无限远的轴上像点和它对应的物点
3)物方主平面和像方主平面的关系
4、实际光学系统的基点位置和焦距的计算
5、图解法求像(5条性质)
6、解析法求像
1)牛顿公式
2)高斯公式
7、由多个光组组成的理想光学系统的成像(过渡公式)
8、理想光学系统两焦距之间的关系
要求:
理解基本概念;
能利用追迹法找到实际光学系统的基点和基面掌握并灵活应用求像的图解法,和解析法
理解多光组理想光学系统的过渡公式
了解理想光学系统两焦距之间的关系
重点与难点:
重点:
概念的理解、图解法求像和解析法求像难点:
清楚把握追迹过程、灵活应用各方法课后作业:
2—2、2—4、2—5、2—7、2—9、2—10
第四讲
内容:
§2—4理想光学系统的放大率
§2—5理想光学系统的组合
§2—6透镜
具体讲述:
1、轴向放大率、角放大率、计算和物理意义
2、光学系统的节点
3、测量物镜焦距的原理和系统
5、两个光组组合分析(理想光学系统的组合公式)
6、多光组组合计算(正切计算法)
7、典型系统特性分析(组合公式的应用)
8、透镜的分类
9、透镜焦距和光焦度的计算
10、透镜性质的讨论
要求:
能推导证明各个关系式,能用其进行计算理解物镜焦距的测量原理掌握理想光学系统的组合公式理清多光组光学系统光路系统了解、认识四个系统的工作原理掌握透镜焦距和光焦度的计算公式、会应用了解各种透镜的性质
重点与难点:
重点:
公式的推导和应用、系统性质的理解难点:
理清多光组光学系统的光路、理想光学系统组合公式的推导
课后作业:
2—13、2—14、2—17
第五讲
平面光学系统作为光学成像系统的辅助元件,起到改变光路、使倒像转换为正像或产生色散用于光谱分析。
包括:
平面反射镜、平行平板、反射楞镜、折射棱镜和光契等。
内容:
§3—1平面镜成像
§3—2平行平板
§3—3反射棱镜
具体讲述:
1、平面镜的基本成像性质(完善像、物像对称)
2、平面镜旋转性质和应用(测量微小角度和位移)
3、双平面镜成像(结构性质、应用、连续一次成像)
4、平行平板的性质(方向不变、无缩放、产生侧向和轴向位移)
5、近轴区成像特性
6、平行平板的等效光学系统
7、反射棱镜的类型(四种)
8、棱镜系统的成像方向的判断
9、反射棱镜的等效作用
要求:
理解掌握平面镜成像和平行平板的性质
了解平行平板的等效光学系统的概念
掌握不同棱镜的成像性质
灵活应用棱镜系统的成像方向的判断
重点与难点:
重点:
掌握前三种平面光学系统的成像性质,棱镜系统的成像方向的判断难点:
反射棱镜成像光路的理解
课后作业:
习题3—2、3—4、3—5、3—6、3—7
第六讲
内容:
§3—4折射棱镜与光契
§3—5光学材料
前两章习题
具体讲述:
1、折射棱镜的作用及最小偏向角
2、光楔偏向角公式及应用
3、色散和相关概念
4、光学材料的分类
1)透射材料的特性、参数
2)反射材料
5、前两章部分习题
要求:
掌握折射棱镜和光楔的成像特性和最小偏向角的应用了解色散和相关概念、光学材料的分类、特性
重点:
折射棱镜和光楔的最小偏向角
课后作业:
习题3—9、3—10、3—11、3—13
第七讲
实际光学系统不是理想光学系统必须限制参与成像的光束宽度和成像范围,以保证成像的质量。
内容:
§4—1照相光学系统和光阑
§4—2望远镜系统中成像光束的选择
具体讲述:
1、照相系统的基本结构
2、概念
3、孔径光阑的作用
4、视场光阑、入射窗及出射窗
5、望远镜系统的基本结构和光学数据
6、望远系统中的光束限制
要求:
了解两种光学系统的基本结构
理解相关概念
掌握光阑及孔径光阑在望远镜系统中的作用重点与难点:
重点:
光阑的作用望远镜系统中成像光束的选择课后作业:
习题4—1、4—2
第八讲
内容:
§4—3显微镜系统中的光束限制与分析
§4—4光学系统的景深
具体讲述:
1、
简单显微镜系统中的光束限制
2、
远心光路
3、
场镜的应用
4)
光学系统的空间像
5、
光学系统的景深
要求:
了解显微镜系统的光路及远心光路、场镜的应用
理解景深的概念
掌握并会应用景深的计算公式
重点与难点:
重点:
景深概念的理解、公式的应用
讲解方法:
结合平时照相的经验讲解景深的概念
课后作业:
习题4—3、4—4
系统
第九讲
介绍典型光学系统的成像特性和设计要求,组成上述光学
的物镜和目镜的结构形式及主要光学参数等。
内容:
§7—1眼睛及光学系统
§7—2放大镜
具体讲述:
1、
眼睛的结构——成像光学系统
2、
眼睛的调整及矫正
3、
眼睛——辐射接收器
4、
眼睛的分辨率、景深
5、
双目立体视觉
6、
视觉放大率和线线视场
要求:
了解眼睛的结构、成像原理、非正常眼的概念和矫正方法掌握眼睛的最小分辨率和景深
了解双目立体视觉原理
理解并掌握放大镜的视觉放大率
提问:
讲眼睛的调整及矫正前提问日常提到的近视眼和远视眼的原因,我们配带的眼镜指那种透镜?
重点与难点:
重点:
眼镜的结构、成像原理及放大镜的视觉放大率课后作业:
习题7—1
第十讲
内容:
§7—3显微镜系统
§7—4望远镜系统
具体讲述:
1、显微镜的结构
2、显微镜的视觉放大率、线视场、出瞳直径、分辨率和有效放大率
3、显微镜的景深、照明方法和物镜
4、望远镜的结构、视觉放大率、分辨率、工作放大率和视场要求:
了解显微镜的结构、照明方式和物镜构造掌握显微镜的成像特性和相关参数了解望远镜的结构及成像特性
重点与难点:
重点:
显微镜的成像特性和相关参数难点;显微镜景深的推导
课后作业:
习题7—3、7—4
第十一讲
内容:
§7—5目镜
§7—6摄影系统
§7—7投影系统
§7—8光学系统的外形尺寸
具体讲述:
1、基本概念、基本结构
2、摄影系统、投影系统的光学特性
重点与难点;
重点:
目镜、摄影系统和投影系统的结构和光学特性
提问:
1、为何调节显微镜时镜筒作整体移动,而不改变筒长,调节望远镜时则需要调节目镜相对物镜的距离?
2、通常说将望远镜调节到对无穷远聚焦,这是什么意思?
如何利用自聚焦法调节望远镜,使之聚焦于无穷远?
课后作业:
习题7—6、7—7
第十二讲
经典光学系统光的成像、光的传输是建立在几何光学基础之上,而随着激光技术、光纤技术和光电技术的发展,现代光学系统问世,它的传输特性和成像机理有自己的特点。
内容:
§8—1激光光学系统
§8—2傅里叶变换光学
§8—3扫描光学系统
具体讲述:
1、高斯光束的特性、传播、透镜变换、聚焦和准直
2、光学透镜的傅里叶变换特性和傅里叶变换物镜的光学设计要求及结构形式
3、扫描方程式、光学扫描系统、扫描物镜
要求:
了解激光光束的特性及传播、聚焦、准直、光学透镜的傅里叶变换特性掌握高斯光束的透镜变换公式、傅里叶变换物镜的光学设计要求及结构形式了解扫描光学系统的结构
会应用扫描方程式
重点与难点:
重点:
高斯光束的透镜变换公式、扫描方程式的应用
课后作业:
预习本章后半部分内容
第十三讲
内容:
§8—4阶跃型光纤光学系统
§8—5梯度折射率光纤光学系统
§8—6光电光学系统
具体讲述:
1、阶跃型光纤光学系统的基本原理、阶跃型光纤光学系统
2、阶跃型光纤束的传光、传像特性
3、径向梯度折射率光纤、自聚焦透镜的特性和成像特性
4、红外夜视光学系统和光电检测系统
要求:
本讲内容只要求作了解
第十四讲
内容:
总结复习前几章几何光学的内容
讲解前几章部分课后习题
重点掌握内容:
第一章几何光学基本规律、完善成像条件、光路计算及近轴近似、球面折、反成像
系统
第二章理想光学系统的基点和基面、理想光学系统的物像关系、垂轴、沿轴和角放大率概念及其关系
第三章平面镜成像、平行平板、反射棱镜及其展开
第四章照相系统中的光阑、光瞳及其性质
第七章眼睛系统、放大镜系统、望远系统和显微系统
第十五讲
几何光学实际上是波长趋于零时物理光学的一种近似,光的传播是一种电磁现象,光波就是电磁波。
内容:
§10—1光的电磁性质
具体讲述:
1、电磁场的波动性、平面电磁波及其性质
2、球面波和柱面波、光波的辐射和辐射能
要求:
明确光波的电磁性质
掌握电磁波传播速度的计算公式、平面、球面、柱面简谐电磁波的波动公式和平面电磁波的性质
了解光波的辐射和辐射能
重点与难点:
重点:
平面电磁波及其性质
难点:
波动方程的平面波解
课后作业:
习题10—1
第十六讲
内容:
§10—2光在电介质分界面上的反射和折射
§10—3光在金属表面的反射和透射
具体讲述:
1、电磁场的连续条件
2、光在两电介质分界面上的反射和折射
3、菲涅耳公式及其讨论
4、全反射
5、金属中的光波、金属表面的反射
要求:
掌握菲涅耳公式
了解光在介质表面的反射和折射
重点与难点:
位相、传播方向以
反射光和折射光的偏
用菲涅耳公式分析光在电介质分界面上的反射和折射时光的振幅、
及偏振态的变化
提问:
线偏振光从一种介质以不同的入射角入射到另一种介质表面时,
振状态的变化?
课后作业:
习题10—6、10—7、10—9、10—11
第十七讲
内容:
§10—4光波的叠加
具体讲述:
1、波的叠加原理
E(P)E1(P)E2(P)
2、两个频率相同、振动方向相同、垂直的单色光波的叠加
3、两个不同频率的单色光波的叠加
要求:
掌握几种不同条件下光波的叠加以及光的各种偏振态
重点与难点:
1、两个频率相同、振动方向相同单色光波的叠加
2、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加课后作业:
习题10—19、10—21、10—23、10—25
第十八讲
光的干涉现象是光的波动性的重要特征。
内容:
§11—1光波干涉的条件
§11—2杨氏干涉实验
§11—3干涉条纹的可见度
具体讲述:
1、干涉条件
频率相同、振动方向相同、相位差恒定
2、干涉图样的计算、两个单色相干点源在空间形成的干涉场
3、可见度的定义及影响可见度的因素
要求:
明确干涉条件对于光波干涉的重要性
会分析在杨氏干涉实验中实验条件的变化对干涉条纹的影响
掌握影响光的可见度的因素以及可见度的求解掌握光的空间相干性和时间相干性
重点与难点:
重点:
光波的干涉条件、杨氏干涉实验和光源的宽度、非单色性对相干性的影响提问:
除三个必须保证的相干条件外,还需要什么样的条件,才能使干涉条纹清晰可见?
课后作业:
习题11—2、11—3、11—4、11—6、11—7
第十九讲
内容:
§11—4平板的双光束干涉
§11—5典型的双光束干涉系统及其应用
具体讲述:
1、平行平板产生的等倾干涉
2、楔形平行平板产生的等厚干涉
3、斐索干涉仪、迈克耳逊干涉仪、泰曼-格林干涉仪和数字波面干涉术、傅里叶变换光谱仪、马赫-曾德干涉仪
要求:
掌握平行平板的等倾干涉和等厚干涉掌握几种典型的双光束干涉系统及其应用
重点与难点:
重点:
等倾干涉和等厚干涉和双光束干涉的应用
课后作业:
习题11—8、11—10、11—11、11—14
第二十讲
衍射现象的基本问题:
已知照明光场和衍射屏的特性求屏幕上衍
射光场的分布;已知衍射屏上衍射光场的分布探索照明光场的特性;
特别是已知照明光场及屏幕上所需要的衍射光场分布、设计、计算衍射屏的结构和制造衍射光学元件。
内容:
§12—1光波的标量衍射理论
具体讲述:
1、惠更斯-菲涅耳原理
2、菲涅耳-基尔霍夫衍射公式
3、基尔霍夫衍射公式的近似
要求:
掌握惠更斯-菲涅耳原理及基尔霍夫衍射公式掌握夫琅和费衍射公式了解菲涅耳衍射与夫琅和费衍射的区别重点与难点:
惠更斯-菲涅耳原
夫琅和费衍射公式
课后作业:
习题12—1、12—2、12—4
第二十一讲
内容:
§12—2典型孔径的夫琅和费衍射
具体讲述:
1、夫琅和费衍射公式的意义、矩孔衍射
2、单缝衍射和圆孔的夫琅和费衍射
要求:
了解夫琅和费衍射公式的意义
掌握矩孔衍射及单缝衍射重点与难点:
矩孔衍射
提问:
1、在夫琅和费单缝衍射中,为保证在衍射场中至少出现强度的一级极小,单缝的宽度不能小于多少?
为何用X光而不用可见光衍射作晶体结构的分析?
2、在单缝衍射中,分别上下移动单缝和透镜,衍射条纹会发生变化吗?
课后作业:
习题12—5、12—8、12—13、12—15
第二十二讲
内容:
§12—3夫琅和费衍射和傅里叶变换
§12—4光学成像系统的衍射和分辨本领
具体讲述:
1、夫琅和费衍射的意义
2、夫琅和费衍射图样的特点
3、在像面观察的夫琅和费衍射
4、成像系统的分辨率
要求:
了解理想的夫琅和费衍射系统是一个傅里叶频谱分析器,进而了解夫琅和费衍射图样的特点。
了解光的衍射对成像的影响。
重点与难点:
重点:
夫琅和费衍射与傅里叶变换的关系
第二十三讲
内容:
§12—5多缝的夫琅和费衍射
§12—6衍射光栅
§12—7二元光学元件具体讲述:
1、强度分布公式、多缝衍射图样
2、光栅的分光性能
3、正弦光栅
4、闪耀光栅
5、正弦相位光栅
6、二元光学元件的结构
7、二元光栅夫琅和费衍射强度分布及特点
8、二元光学元件制造方法
要求:
掌握多缝的夫琅和费衍射
掌握光栅在光谱分析中的应用
了解光栅的类型、了解二元光学元件的结构及制作方法
重点与难点:
衍射屏上有大量缝宽相同、但间距无规则分布的缝,它的夫琅和费衍射图样应该是什么样的?
在光谱仪中为何爱用反射镜而不用透镜?
课后作业:
习题12—16、12—19、12—20
第二十四讲
内容:
§13—1平面波的复振幅分布和空间频率
§13—2透镜的傅里叶变换性质和成像性质
§13—7全息术
具体讲述:
1、平面波的复振幅分布和空间频率
2、透镜的透射函数、透镜的傅里叶变换性质、透镜的成像性质
3、全息术的原理、分类、特点和应用
要求:
掌握平面波的复振幅分布和空间频率掌握透镜的透射函数、透镜的傅里叶变换性质、透镜的成像性质了解全息术的相关知识
重点与难点:
重点:
平面波的复振幅分布和空间频率、透镜的透射函数、透镜的傅里叶变换性质、透镜的成像性质
课后作业:
自学本章剩余的内容
第二十五讲
内容:
§14—1偏振光的概述
§14—2光在晶体中的传播
§14—4光波在晶体表面的折射和反射
具体讲述:
1、偏振光和自然光
2、产生偏振光的方法
3、马吕斯定律和消光比
4、晶体的双折射现象
5、晶体的各向异性和介电张量
6、单色平面波在晶体中的传播
7、光在晶体表面的折射和反射定律
8、光在单轴晶体中传播方向的确定
要求:
掌握光的各种偏振态
掌握光在各向异性晶体中的传播规律掌握光在晶体表面的折射和反射定律和光在单轴晶体中传播方向的确定方法
重点与难点:
重点:
双折射现象及其应用、惠更斯作图法
课后作业:
习题14—1、14—2
第二十六讲
内容:
§14—5晶体的偏振器件
§14—9磁光、电光和声光效应
具体讲述:
1、旋光和磁光效应2、电光效应
3、声光效应
要求:
了解各类偏振器件了解磁光、电光和声光效应及其应用
重点与难点:
难点:
偏片的特性
/4的光轴方向时,
提问:
在一对正交的偏振片之间放一块/4片,以自然光入射,转动
出射光的强度有何变化?
课后作业:
自学本章剩余内容
第二十七讲
内容:
§15—1光在光导纤维中的传播
§16—1光量子性
具体讲述:
1、光纤的结构和类型
2、光纤的结构参数
3、光纤的传输损耗与色散
4、光电效应与爱因斯坦光子学说
5、光的波粒二相性
6、光发射与吸收的量子模型及激发方式要求:
了解光纤的结构类型、参数掌握光发射和吸收的量子模型
重点与难点:
重点:
光发射和吸收的量子模型难点:
光在光纤中传播的理论分析
第二十八讲
内容:
总复习
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- 关 键 词:
- 第一章 几何 光学 基本 定律 成像 概念