几何光学2015(第1课)分解.ppt

哈工大光电测控技术与装备研究所 哈工大光电测控技术与装备研究所 几何光学：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。 点：光源、焦点、物点、像点 线：光线、法线、光轴 面：物面、像面、反射面、折射面 由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子性的研究方法只是一种对真实情况的近似处理方法。必要时要辅以波动光学理论。 一. 发光点 几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也可认为是一个点。 天体 遥远的距离 观察者 任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1、本身发光。 2、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成像规律来推断整个物体的成像。 二、光线 发光点向四周辐射光能量，在几何光学中将发光点发出的光抽象为带有能量的线，它代表光的传播方向。 三、光束 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光向四周传播，形成以发光点为球心的球面波。 某一时刻相位相同的点构成的面称为波面 波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方向，波面上的法线束称为光束 同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波 平行光束：光线彼此平行，是平面波 像散光束：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。 在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元件中的传播途径，这个途径称为光路 实际做法：从光束中取出一个适当的截面，再求出其上几条光线的光路，即可解决成像问题。这种截面称为光束截面 §1-2 几何光学基本定律(§1-2,1-3) 一、光的直线传播定律 在各向同性的均匀介质中，光线沿直线传播。 二、光的独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼此互不影响。在光线的相会点上，光的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后，各个光束按原方向传播。 三、折射和反射定律 光的折射和反射定律研究光传播到两种均匀介质的分界面 时的定律。 （一）折射定律 na 出射光线 入射光线 法线 I I’ O N Q nb I：入射角 I’：折射角 （二）反射定律 反射光线 入射光线 法线 I N I” O 全反射现象 一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发生反射和折射现象。 当光由光密介质射向光疏介质时, §1-3 光路可逆和全反射(§1-4, §11-1,11-2) 全反射的两个条件： （1）光密到光疏介质； （2）入射角大于临界角； 全反射的应用： （1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代替平面反射镜。 （2）制造光导纤维。 光导纤维号称现代信息系统的神经 由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包层组成 进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连续发生全发射，直至另一端出射。 S B A 当 大于临界角时，就发生全发射。 根据折射定律，又有： S B A 可以得到： 当入射角 时，可以全反射传送， 当 时，光线将会透过内壁进入包层 由 得 三条定律成立的条件 （1）必须是均匀介质，即同一介质的折射率处处相等，折射率不是位置的函数。 （2）必须是各向同性介质，即光在介质中传播时各个方向的折射率相等，折射率不是方向的函数。 （3）光强不能太强，否则巨大的光能量会使线性叠加原理不再成立而出现非线性情况。 （4）光学元件的线度应比光的波长大得多，否则不能把光束简化为光线。  光程:光在介质中传播时，光传播的几何路程与介质折射率之乘积称为光程。 光沿着光程为极值的路径传播，费马原理的一般表达式为   四、费马原理 1 共轴光学系统 2 完善成像条件 3 物、像的虚实 五、成像的基本概念与完善成像条件 * * ※掌握光学传播的三个基本定律（光的直线传播定律、独立传播定律、折射和反射定律），以及成立的条件，它是几何光学研究光线传播和成像问题的基础。 ※掌握光路的可逆性原理。利用这一原理，可 以由物求像，也可以由像求物。 小结 ※掌握全反射现象产生的条件并能用作图表示。 ※掌握几何光学成象的近轴条件和物像的虚实判断。 哈工大光电测控技术与装备研究所 哈工大光电测控技术与装备研究所