МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
C.А. Родионов
ОСНОВЫ ОПТИКИ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
z
T|| 
t
n′ |
|
|
ε′ |
T |
|
|
|
εr |
x |
||
n A |
|| |
|
ε |
R |
|
i |
A |
||||
|
|
r |
|||
|
|
|
R|| |
||
Санкт-Петербург
2000
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
C.А. Родионов
ОСНОВЫ ОПТИКИ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Санкт-Петербург
2000
Родионов С.А. Основы оптики. Конспект лекций. – СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2000. - 167 с.
Излагаются фундаментальные основы геометрической оптики. На основе уравнений Максвелла рассматриваются основные свойства световых полей и их математическое описание. Излагается теория идеальных оптических систем, рассматриваются реальные оптические системы и их отличия от идеальных. Излагаются основы теории аберраций, характеристики и критерии качества оптического изображения, и влияние на них аберраций.
Для студентов оптических направлений подготовки и специальностей.
Конспект лекций подготовлен на кафедре прикладной и компьютерной оптики Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета) на базе материалов многолетнего чтения лекций заведующим кафедрой прикладной и компьютерной оптики, д.т.н., профессором Родионовым С.А.
Составители: д.т.н., доц. Вознесенский Н.Б.; к.т.н., доц. Иванова Т.В.
Рецензенты : к.т.н., проф. Шехонин А.А.; д.т.н., проф. Путилин Э.С.
Одобрено на заседании кафедры Прикладной и компьютерной оптики 30 ноября 2000 г., протокол № 2.
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники для межвузовского использования, протокол №15 от 30 ноября 2000 г.
Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет), 2000
С.А.Родионов, 2000
Введение
Дисциплина «Основы оптики» посвящена изучению законов распространения и преобразования светового поля, то есть электромагнитного поля в оптическом диапазоне частот. «Основы оптики» охватывают настолько обширный и глубокий по содержанию материал, что по праву считаются фундаментальной дисциплиной, являющейся неотъемлемой компонентой оптического образования.
Изучение всех вопросов данной дисциплины важно как для усвоения базовых понятий, активно используемых в других более специальных дисциплинах, так и для получения достаточно полного представления об основных научных концепциях современной оптики.
Вся дисциплина «Основы оптики» состоит из двух больших частей – геометрической и физической оптики. В данном конспекте лекций рассматривается геометрическая оптика – наука о законах распространения света в оптических системах и формировании оптического изображения. Изложение материала базируется на классической электродинамике и уравнениях Максвелла. В данном пособии рассматриваются только линейные явления в оптике, а взаимодействие света с препятствиями рассматривается только в виде амплитудно-фазовых превращений. Явления перехода одного вида энергии в другой обсуждаются лишь в связи с регистрацией интенсивности света. Квантовомеханические явления также не рассматриваются, а дифракционные процессы излагаются в рамках классической теории дифракции Релея-Зоммерфельда.
Впервой части пособия (главы 1 – 6) рассматриваются основные свойства световых полей и их математическое описание, а также понятия световых волн, световых лучей и пучков. Излагается теория идеальных оптических систем в классической и матричной форме.
Вглаве 1 рассматривается вывод волнового уравнения для комплексной амплитуды поля – уравнения Гельмгольца, а в главе 4 – вывод основного уравнения геометрической оптики – уравнения эйконала.
Вглаве 2 рассматриваются энергетические характеристики светового поля, которые разделяются на собственно энергетические и световые.
Законы геометрической оптики, рассматриваемые в главе 4, вытекают из основного положения этой дисциплины – приближения коротких длин волн, при котором длина волны считается пренебрежимо малой величиной по сравнению с неоднородностями среды и самого поля. Волновые свойства света
3
учитываются только в области фокусов пучков лучей, а также при описании прохождения света через границу двух сред (глава 3).
Теория идеальных оптических систем (глава 5) излагается вначале в классической форме Ньютона-Гаусса, а затем с использованием матричного аппарата и соответствующих понятий матриц преобразования координат нулевых лучей (глава 6).
Вторая часть пособия (главы 7 – 9) посвящена основам теории образования изображения в реальных оптических системах. Теория реальных оптических систем охватывает понятие реальных лучей, ограничение пучков лучей в оптических системах, систему обобщенных (канонических) характеристик (глава 7), а также аберрации, их типы и порядки (глава 8). В главе 9 рассматриваются критерии и характеристики качества изображения безаберрационных оптических систем, теоретические пределы разрешения, влияние аберраций на характеристики качества и разрешение, а также понятие дифракционно-ограниченных и геометрически-ограниченных оптических систем.
4