基本光学原理.doc

基本光学原理 第一节 几何光学的基本原理 几何光学的含义及其范畴，是以光的直线传播性质为基础，研究光在透明介质中传播的光学。几何光学的理论基础，就是建立在通过观察和实验得到的几个基本定律。由于光的直线传播性对于光的实际行为只有近似的意义，所以，以它作为基础的几何光学，就只能应用于有限的范围和给出近似的结果。但这些对于了解与摄影有关的光学系统而言，已是足够的了。 一、光线 在几何光学中可用一条表示光传播的方向的几何线来代表光，并称这条线为光线。 二、光的传播定律 1.光的直线传播定律：光在均匀透明的介质中，光沿直线传播。 2.光的反射和折射定律：当光线由一均匀介质进入另一介质时，光线在两个介质的分界面上被分为反射光线和折射光线。这两条光线的进行方向，可分别由反射定律和折射定律来表述。 反射定律：反射线在入射线和法线所决定的平面上；反射线和入射线分别位于法线的两侧；反射角和入射角相等。 在反射现象里光路是可逆的。 折射定律：折射线在入射线和法线所决定的平面内；折射线和入射线分别位于法线的两侧 入射角i的正弦与折射角r的正弦的比，对于给定的两种媒质来说，是一个常数，叫做第二媒质对于第一种媒质的折射率，在这里我们用n21来表示。 前面所讲的n21是第二种媒质对于第一种媒质的折射率，叫做这两种媒质的相对折射率，即某种媒质对于真空的折射率叫做这种媒质的绝对折射率，简称媒质的折射率，用n表示。 因为光在空气中传播的速度与光在真空中传播的速度相差很小，所以通常用媒质对空气的折射率代替媒质的折射率。n=1。 光在任何媒质中传播的速度都小于在真空中的速度，所以，任何媒质的折射率都大于1。由此可以推论，光在一种媒质中传播的速度越小，这种媒质的折射率越大。两种媒质相比较如第一种媒质的折射率大于第二种媒质的折射率，则光在第一种媒质中的传播速度小于光在第二种媒质中的传播速度，相对而言第一种媒质称为光密媒质，第二种媒质称为光疏媒质。 当光线从光疏媒质射进光密媒质时 ∴Sini＞Sinr i＞r 这时，r＜i说明光线近法线折射。 当光从光密媒质射进光疏媒质时 ∴i＜r 这时r＞i 说明光线远法线折射。 在折射现象里，光路是可逆的。 光路的可逆性是几何光学中很重要的一条规律。 三、光的反射和折射 光线射到两种媒质的分界面上时，入射光线一般分为两部分，一部分返回原媒质产生反射；一部分进入第二媒质产生折射。反射光的强度随入射角的增大而增大；折射光的强度随入射角的增大而减小。在这部分里我们主要以平面镜和球面镜这两种和摄影直接相关的事物来分析光的反射现象。 1.平面镜成象 （1）象的概念和意义。由物体上某一点发出的光线，经过媒质界面的反射，反射光线如能交于一点，相交之点叫做物体上这一点的实象。如反射光线是发散的，不能相交，而反射线的反方向延长线交于一点，直接观察光线好像是从这一点发出的，这相交点就叫做物体上这一点的虚象。 一个物体是由很多个点组成的，这些点的象组成物体的象。实象可以直接用眼观察，也可以映在屏幕上显示出来。虚象只能直接用眼观察而不能映在屏幕上。 （2）平面镜成像。根据光的反射定律，可以得出发光点或物体在平面镜里的象。 取物体的端点A发出的任意两条光线，反射后它们的延长线交于一点，这一点就是物体端点A的象，如图1—3所示。同样，物体的任何一点，通过做图都可以得出它所对应的象。平面镜成的是直立的虚象，物体和象分别在镜面的两侧，并以镜面为对称，象和物大小相等，左右相反。 2.球面镜成象 （1）球面镜的概念。镜子的反射面是球面的一部分时，叫做球面镜。 凹面镜：用球的内表面做反射面。 凸面镜：用球的外表面做反射面。 顶点：镜面的中心点。 曲率半径：球面镜所属球面的半径。 曲率中心：球面镜所属球面的中心。 主轴：通过顶点和曲率中心的直线。 近轴光线：一般使用的球面镜，都是它所属球面的很小的一部分即图1—4中的θ角所对应的那部分球面，而镜前的物体又都放在主轴附近，这样射到镜面上的光线叫近轴光线。 （2）球面镜的 焦点和焦距。凹面镜：平行于主轴的近轴光线，射到凹面镜上，反射线相交于主轴上的一点，这一点叫做凹面镜的焦点，用F来表示，F是实焦点。凹面镜有实焦点说明它有会聚光线的作用（如图1—5）。焦点F到顶点0的距离，叫做焦距，用f表示。 一个凹面镜的焦距到底有多大，用直接测量的办法所得到的结果往往误差很大，但是，球面镜的曲率半径却是很容易得知的，用简单的几何方法很容易计算出一个球面镜的曲半径。根据圆弧上任意三点可确定圆心的方法求出圆心所在的坐标，圆心到圆的外缘任意一点就是这个圆的半径，而凹面镜的焦距等于它的曲率半径的一半，因此很方便的就可得知凹面镜的焦距。 分析图1—6，光AB平行于主轴，作B点的法线BC，根据光的反射定律∠CBD=∠ABC作反射线BD，BD交主轴于F。