工程光学

这是一篇关于大学工程光学的思维导图，主要内容包括：光的量子性 激光，光的吸收 色散和散射，第十五章 光的偏振和晶体光学基础，第十三章 光的衍射，第十二章 光的干涉和干涉系统，第十一章 光的电磁理论基础，第四章 光学系统重点光阑与光束限制，第三章 平面与平面系统，第二章 理想光学系统，第一章 几何光学基本定律与成像概念。

工程光学

• 第一章 几何光学基本定律与成像概念
  • 几何光学基本定律与成像概念
    • 基本概念
      • 光波
        • 电磁波 380nm--780nm
        • 传播速度 c=3*10^8m/s 介质中v=c/n
        • 单色光 具有单一波长的光。是一种理想光源，现实中并不存在。
        • 复色光 不同单色光混合而成。
      • 光源和发光点
        • 光源（发光体） 能够辐射光能的物体
        • 发光点（点光源） 辐射光能量的集合点
    • 基本问题
      • 光的直线传播定律
        • 在各向同性均匀介质中，光是沿直线传播的。
      • 光的独立传播定律
        • 从不同光源发出的光线在空间相遇时，彼此互不影响，独立传播。
      • 反射定律
        • 光路的可逆性
      • 折射定律
        • 全反射现象:在一定条件下，入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生。
        • 光疏介质:两种介质的中折射率低的介质
        • 光密介质:两种介质的中折射率高的介质
        • 全反射发生的条件: -光密介质射向光疏介质入射角大于全反射临界角i。
      • 费马原理
        • 实际光线所受的一种约束或所应遵循的规律-可以从几何上可能的光线路径中“筛选”出物理上实际可行的光线路径这种筛选过程是自然界随时随地都在自行完成的。
        • 费马原理对诸多实验规律的概括:
          • 直线传播定律:根据两点间直线距离最短这一公理，对于均匀介质或真空，费马原理直接可以导出直线传播定律。
          • 光路的可逆性原理:费马原理只涉及光线传播的路径，并未涉及光线的传播方向。若路径AB的光程取极值，则其逆路径BA的光程亦取极值。该原理可以很自然地导出。
          • 由费马原理导出光的反射定律
          • 由费马原理导出光的折射定律
      • 马吕斯定律
        • 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
  • 成像的基本概念和完善成像的条件
    • 1.光学系统的作用
      • 对物体成像，扩展人眼的功能
    • ·2.完善像点与完善像
      • 若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍为同心光束，该光束的中心即为该物点的完善像点。完善像是完善像点的集合。
    • ·3.共轴光学系统和光轴
      • 组成光学系统的各个光学元件的表面曲率中心都在同一直线上。该直线称为光轴。
  • 成像的基本原理（基本概念，成像公式，作图法）
  • 物像的虚实
    • 实物/实像:实际光线相交所形成的点。
      • 实物:发出发散球面波的实际物点;
      • 实像:可以用屏直接接收观察的会聚成像波的交点·
    • 虚物/虚像:光线的延长线相交所形成的点。
      • 虚物:入射会聚球面波的交点
      • 虚像:出射发散球面波，出射光反向延长线的交点·
    • 物/像空间:物体/像所在的空间。
  • 光路计算 近轴光学系统
    • 基本概念
      • 共轴球面光学系统
        • 折射球面:r(曲率半径)
        • 反射球面:-r(曲率半径)
        • 平面：r趋近于无穷
    • 符号规则
      • 顺正逆负
      • 上正下负
      • 同正反负
    • 光路计算
  • 球面光学系统成像
    • 单个折射面成像
      • 垂轴放大率轴向放大率角放大率
    • 球面反射镜成像
    • 共轴球面系统
• 第二章 理想光学系统
  • 理想光学系统与共线成像理论
    • 理想光学系统
      • 近轴→任意大空间成完善像
      • 物理模型
    • 共轴理想光学系统的成像性质
      • 共轭: 物像对应关系。
      • 共线成像:点对应点、直线对应直线.平面对应平面的关系。
    • 理想光学系统的成像形状
      • 光轴上的物点对应的共轭像点必然位于光轴上:
        • 过光轴的某一截面内的物点对应的共轭像点必付于该平面的共轭像面内:过光轴的任意截面成像性质都相同。 共轭即为按一定的规律相配的一对。 可以用一个过光轴的截面来代表一个共轴系统
      • 垂直于光轴的物平面，它的共轭像平面也必然垂直于光轴，且平面物与其共轭平面像的几何形状完全相似，即:在垂直于光轴的同一平面内，物体的各部分具有相同的放大率.
        • 一般总是使物平面垂直于共轴系统的光轴，在讨论共轴系统的成像性质时，也总是取垂直于光轴的物平面和像平面。
      • 一个共轴理想光学系统，如果已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率，以及轴上两对共轭点的位置，则其他一切物点的共轭像点都可以根据这些已知的共轭面和供轭点来表示。
  • 理想光学系统的基点与基面
    • 无限远的轴上物点对应的像点F'
    • 无限远的轴上像点对应的物点F
    • 像方主平面和物方主平面为共轭面，且垂轴放大率为+1
    • 基点与基面：一对主点和主平面、一对焦点和焦平面
  • 理想光学的物像关系
    • 图像法：轴外点或一垂轴线段、轴上点
      • 可选择的典型光线和可利用的性质：
        • 平行于光轴入射的光线，经过系统后过像方焦点；
        • 过物方焦点的光线，经过系统后平行于光轴：
        • 倾斜于光轴入射的平行光束，经过系统后会交于像方焦平面上的一点：
        • 自物方焦平面上一点发出的光束，经过系统后成倾斜于光轴的平行光束：
        • 共轭光线在主面上的投射高度相等。
    • 解析法
      • 牛顿公式（以焦点为原点）
      • • 说明
          • (1)垂轴放大率β与物体的位置有关，某一垂轴放大率只对应一个物体位置：
          • (2)对于同一共轭面，β是常数，因此平面物与其像相似；
          • (3)理想光学系统的成像性质：位置、大小、虚实、正倒。
          • 利用上述公式可描述任意位置物体的成像问题；
          • (4)工程实际中有一类问题是寻求物体放于什么位置，可以满足合适的倍率。
      • 高斯公式（以主点为原点）
    • 多光组成像
    • 两焦距之间的关系：F'/F=-n'/n
    • 子主题
  • 理想光学系统的放大率
    • 垂轴放大率β=±1
    • 轴向放大率α=(n'/n)*β²
    • 角放大率γ=(n/n')*(1/β)
    • 节点
    • 两光组组合分析
    • 多光组组合分析：正切计算法
  • 透镜
    • 基本概念：
      • 透镜：两个折射面包围一种透明介质所形成的光学零件
    • 透镜的分类
      • 按对光线的作用分：
        • 正透镜（会聚透镜）：光焦度为正
        • 负透镜（发散透镜）：光焦度为负
      • 按形状分
    • 计算公式
      • 像方焦点：l'=F'
      • 物方焦点：l=F
      • 光学间隔δ=d-F'+F
      • 物方焦距与像方焦距F'/n'=-F/n
      • 忽略厚度不计的称为薄透镜
• 第三章 平面与平面系统
  • 平面镜成像
    • 成像原理
      • 镜像：由于对称性，使一个右手坐标系的物体变换成左手坐标系的像。
      • 物像大小相等，形状不同
      • ·奇数次反射成镜像，偶数次反射成与物一致的像。
      • 当物体旋转时，其像反方向旋转相同的角度。、
    • 旋转特性
    • 双平面镜成像
  • 平行平板
    • 平行平板：由两个相互平行的折射平面构成的光学元件。
    • 实例：分划板、测微平板、保护玻璃
    • 反射棱镜展开后，在光路中的作用等效于一个平行玻璃平板。
    • 成像特性
    • 等效光学系统
  • 反射棱镜
    • 类型
      • 简单棱镜
        • 子主题
        • 二次反射棱镜·相当于一个双面镜
          • ·半五角棱镜 30°直角棱镜 ·五角棱镜 二次反射直角棱镜 ·斜方棱镜
          • 出射光线与入射光线的夹角取决于两反射面的夹角，像与物一致，不存在镜像
      • 屋脊棱镜
      • 立方角椎棱镜
      • 复合棱镜
        • 子主题
    • 棱镜系统成像方向的判断
      • 判断原则
        • 1.O'z'坐标轴和光轴的出射方向 一致。
        • 2.垂直于主截面的坐标轴O'y视屋脊面的个数 而定。
          • 如果有奇数个屋脊面，则其像坐标轴方向与物坐标轴Oy 方向相反； 如果没有屋脊面或屋脊面个数为偶数，则像坐标轴方向与 物坐标轴方向一致。
        • 3.平行于主截面的坐标轴0'x'的方向视反射面 个数（屋脊面算二个反射面）「 而定。
          • 如果物坐标系为右手坐标系，当反射面个数为偶数时， O'X坐标轴按右手坐标系确定； 当反射面个数为奇数时，O''坐标轴依左手坐标系确 定。
      • 补充
        • 判断原则必须在同一主截面上使用.。
          • 若系统包含不同的主截面，要分步进行判断;如复合棱镜。
          • 物镜成倒像，目镜成正像 整个光学系统成像的正倒是由透镜成像特性和棱镜转像特性共同决定的。
        • .应综合考虑透镜成像关系
    • 反射棱镜的等效作用与展开
      • 子主题
      • 子主题
    • 折射棱镜与光楔
      • 折射棱镜的工作面：2个折射面。
      • ·折射棱镜的棱：两个折射面的交线
      • 折射棱镜的折射角：两个折射面间的二面角
      • ·折射棱镜的主截面：垂直于折射棱的平面
      • 子主题
        • 子主题
        • 子主题
    • 光学材料
• 第四章 光学系统重点光阑与光束限制
  • 光阑
    • 定义
    • 分类
      • 孔径光阑
        • 入瞳 出瞳
        • 孔径光阑的定义：
          • 1)限制轴上物点成像光束孔径角u的大小，或者说限制轴上物点成像光束宽度；
          • 2)并有选择轴外物点成像光束的位置作用的光阑。
      • 视场光阑
        • 1、视场光阑：
          • 物方视场：能够清晰成像的物面范围；
          • 像方视场：相应的能够清晰成像的像面范围：
          • 定义：在物/像面上安放的、限定光学系统成像范围的光阑。
        • 2、入射窗与出射窗
          • 入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）
          • 出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）
        • 3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物像关系。
  • 光阑（基本概念，确定孔径光阑、视场光阑、入射窗、出射 窗的方法）
  • 照相系统中的光阑
    • 1.照相系统根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置，大致位置在物镜的某个空气间隔中。
    • 2.在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅由孔径光阑的口径确定，还和渐晕光阑的口径有关。
    • 3.照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。
  • 望远镜系统中的成像光束的选择
    • 1.两个光学系统连用时，一般应满足光瞳衔接原!则
    • 2.目视光学系统的出瞳一般在外，且'>6mm
    • 3.望远系统的孔径光阑大致在物镜左右,
    • 4.若放分划板，则分划板框为望远系统的视场光阑。
  • 显微镜系统的光束的限制
    • 1.一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微物镜上;一次实像面处安放系统的视场光阑;
    • 2.当显微镜系统用于测量长度时，为了消除测量误差，孔径光阑安放在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远心光路”
    • 3.在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径
• 光的吸收 色散和散射
  • 光的吸收
    • 吸收定律
    • 吸收与波长的关系
  • 光的色散
    • 吸收与波长的关系
    • 反常色散、正常色散及其规律（相速度、群速度不考)
  • 光的散射
    • 散射的分类
    • 日常生活中的散射现象
• 光的量子性 激光
  • 黑体辐射的实验规律，与经典理论的矛盾
  • 光的波粒二象性
  • 光电效应的实验规律与解释
  • 激光：产生激光的基本原理，激光器的组成及工作过程
• 第十一章 光的电磁理论基础
  • 光的电磁波性质
    • 电磁场的波动性
    • 平面简谐电磁波的波函数
      • 子主题
    • 球面简谐电磁波的波函数
    • 柱面波的波函数
  • 光在电介质界面上的反射和折射
    • 反射与折射的振幅关系
    • 相位变化
      • 正入射 仅外反射有半波损失
      • 掠入射 θ=90°
    • 半波损失
    • 光强度
    • 反射比和透射比
    • 偏振特性
      • 布儒斯特角
    • 全反射
      • 临界角
  • 波函数的实数表达和复振幅表达（单色平面波、球面波）， 柱面波不考 时空周期性的参数及计算，光强的计算 波的叠加（光驻波，光学拍，椭圆偏振光） 光的偏振态：分类，分解和合成（相位差），偏振度 半波损的条件
  • 光波的叠加
    • 叠加原理
      • 同频率、振动方向相同
        • 代数加法
          • 子主题
        • 复数加法
          • 子主题
        • 相幅矢量加法
          • 子主题
      • 同频率、振动方向相同、传播方向相反（驻波）
        • 子主题
      • 同频率、振动方向垂直、传播方向相同（偏振光）
        • 子主题
      • 频率接近。振动方向相同，传播方向相同（光学拍）
        • 子主题
• 第十二章 光的干涉和干涉系统
  • 光波干涉的条件
    • 频率相同
    • 相同的振动方向
    • 相位差恒定
    • 两束光的光程差小于光波的波列长度
  • 杨氏干涉实验
    • 干涉条纹分析
      • 子主题
    • 两单色相干点源
      • 子主题
  • 干涉条纹的可见度
    • 定义
      • 子主题
    • 影响因素
      • 振幅比
      • 光源大小
      • 空间相干性
      • 光源非单色体
      • 时间相干性
  • 相干条件，干涉条纹衬比度，相干光束的产生方法 杨氏双缝干涉的动态变化 光场的空间和时间相干性 条纹定域的概念 等倾、等厚干涉的光源，干涉条纹形成及特点 双光束干涉和多光束干涉的不同 法布里-珀罗干涉仪的工作原理，分光特性 增透膜、增反膜的工作原理，材料选择 本章会有计算题
  • 平行平板的双光束干涉
    • 干涉条假的定域
    • 等倾干涉
      • 里疏外密
    • 等厚干涉
  • 平行平板的多光束干涉
    • 多光束干涉
    • 法布里-珀罗干涉仪
      • 原理和内部结构光谱俅的超精细结构
    • 光学薄膜与干涉滤光片
      • 低膜增透
      • 高膜增透
• 第十三章 光的衍射
  • 光波衍射
    • 衍射的分类
  • 菲涅耳衍射的分析
    • 菲涅耳半波带法
    • 菲涅耳元波带法
    • 菲涅耳圆孔衍射
    • 菲涅耳圆屏衍射
    • 菲涅耳波带片菲涅耳透镜)
  • 典型孔径的夫琅和费衍射
    • 矩孔衍射
    • 单缝衍射
    • 圆孔孔衍射
  • 衍射的分类 菲涅尔衍射的分析（半波带、元波带法） 给定图形的衍射场光强计算 菲涅尔波带片的特性 夫琅禾费衍射的分析（单缝、矩孔、圆孔） 多缝衍射的分析（光强曲线作图法，缺级） 不同空间夫琅禾费衍射的分析 光栅（光栅方程，光栅常数，分光性能） 4.6.2 闪耀光栅、阶梯光栅及三维光栅不考 光栅、法-珀干涉仪分光性能的比较（棱镜光谱仪的分光性 能不考） 本章会有计算题
  • 多缝的夫浪和费衍射
    • 强度分布公式
    • 光强分布曲线作图法
    • 缺级
    • 子主题
  • 衍射光珊
    • 光栅方程
    • 光栅的色散
    • 光栅的色分辨本领
    • 光栅的自由光谱区
    • 光栅：
      • 能对入射光波的振幅或相位进行空间周期性调制，
      • 或对振幅和相位同时进行空间周期性调制的光学元件
    • 光栅分类：
      • 按调制方式：振幅型和相位型
      • 按工作方式：透射型和反射型
      • 按工作表面：平面型和凹面型
      • 调制空间：二维平面光栅、三维体积光栅
      • 制作方法：机刻光栅、复制光栅、全息光栅
    • 光栅作用：分光作用
    • 光栅应用：光栅光谱仪
• 第十五章 光的偏振和晶体光学基础
  • 偏振光概述
    • 光的分类
      • 自然光
      • 部分偏振光（自然光+完全偏振光）
      • 偏振光
        • 线
        • 圆
        • 椭圆
    • 马吕斯定律和消光比
      • I=I'cosθ
  • 晶体的双折射现象
    • 寻常光线(o光)
      • 与光轴方向平行
    • 非常光线(e光)
      • 与光轴方向垂直
    • 光轴
    • 正负晶体
      • 正单轴晶体（石英）,ne>no,vo>ve
      • 负单轴晶体（方解石）ne<no,vo<ve
    • 主折射率
  • 晶体双折射：一些基本概念（o光，e光，光轴，正负晶体， 主折射率等等） 晶体光学器件：偏振片（其他棱镜类的不考），波片（补偿 器不考），圆偏振器和检偏器 光通过波片后偏振态的变化 偏振光的检验 本章会有计算题
  • 晶体偏振仪器
    • 偏振片
    • 玻片（相位延迟器）
      • 光通过后偏振态的变化
    • 偏振光的检验
    • 圆偏振器和检偏器
• 23功能材料3班李杨云