乙型光学第1章光线(2015版).ppt

第1章 光线、光波与光量子 光的物理模型 光线模型 光波模型 光子模型 1.1.1 几何光学的光线模型 1. 几何光学是关于物体所发出的光线经光学系统后成像的理论。 2. 几何光学是建立在实验的基础之上的。 3. 几何光学中，光的物理模型是几何学上的线，即“光线”。 4. “光线”模型来自于物理实验 光的折射现象 反射定律、折射定律实验 1.1.2 几何光学的实验定律 实验定律 1. 光在均匀介质中的直线传播定律 2. 光在介质表面的反射定律 3. 光在透明介质分界面处的折射定律 光线的全反射 几何光学的基本原理 光的可逆性原理 光路是可逆的 1.1.3 费马原理 费马原理是对光实际传播路径的概括 The actual path between two points taken by a beam of light is the one which is traversed in the least time. 费马原理的表述 表述1：光传播的路径，是光程最小的路径 表述2：光传播的路径，是光程平稳的路径 费马原理的引论：物像之间等光程 物点与共轭像点之间的所有路径光程相等 从A点发出的所有光线，经过光学系统后，都会聚到A点，这些光线都是实际的光线 但极大值、或极小值，在其中只能有一个 所以只能取恒定值 三. 几何光学定律成立的条件 1．光学系统的尺度远大于光波的波长。 2．介质是各向同性的。 3．光强不是很大。 反射与折射的应用 光在平面上的反射 “虚光线”与“虚像” 光线并没有进入平面的下方 所以，像点并不是真实光线汇聚而成的 而是视觉上将反射光线反向延长后汇聚形成的 因而，这里反射光线的反向延长线就是“虚光线”，这样形成的像就是“虚像”。 虚光程 按照费马原理，物像之间应该是等光程的 光在平面上的折射 1．折射光 来自同一点光源的入射光，经平面折射后，其折射光线的反向延长线不再汇聚于同一点 因而严格说来，平面折射是不能成像的 不是不能成像，而是不能严格成像 2．棱镜 3．全反射 全反射临界角 光线从光密介质射向光疏介质，折射角比入射角大 入射角满足 就会出现全反射 4．全反射棱镜 棱锥反射体 从斜面射入、再经三个直角面全反射、最后从斜面出射的光，沿原路返回 关于棱锥反射体反射光的证明 建立以棱锥顶点为原点的直角坐标系 从斜面进入棱锥的光线，方向表示为 5. 光纤 * 光束沿直线传播 透明媒质界面处，同时发生反射与折射 实验和理论都证明：反射定律、折射定律是足够精确的 光线模型 用数学上的 几何线 描述光的行为 界面 入射面 入射、出射光线分别在法线两侧 反射光线、折射光线都在入射面内 规定：真空的折射率等于1 全反射，也称全内反射 全反射临界角 两点之间的光程 在非均匀介质中，光不沿直线传播 光程：光传播路径上的路程与折射率的乘积 一般情况下为折射率的路径积分 平稳：取极值（极大、极小）或恒定值 在数学上，用变分表示为 A A 物像之间的等光程性 物点A与像点A′之间的光程总是相等的。但由于两者是物像关系，所以，只有通过相同光具组的光线的光程才是相等的 上式对任意方向光线成立的条件为等式的值为0 则虚像所在的空间，即平面下方的折射率为 虚光线的光程称作虚光程 在平面反射的情形下，物与像点点对应，所以平面镜可以严格成像 白光入射 偏转角 有最小偏转角 如果 红光 黄光 蓝光 有可能 但 所以，当 时，折射光实际上不存在， 只有反射光 这种情况就是全反射，也称全内反射 全反射实例 出现全反射的最小入射角称作全反射临界角 倒转棱镜(阿米西棱镜） 屋脊形五棱镜 珀罗组合棱镜 其它类型的组合全反射棱镜 阿贝-科尼 组合棱镜 施密特-朴汉 组合棱镜 珀罗组合棱镜 珀罗-阿贝 组合棱镜 棱锥阵列反射器：阿波罗棱镜阵列、自行车尾灯、路牌、…… 这样的光线被xy平面反射后，仅有z分量反转 光线被yz平面反射后，仅有x分量反转 光线被zx平面反射后，仅有y分量反转 出射时射向斜面的光线的方向