应用光学第1章.pdf

第一章 几何光学的基本定律 与成像概念 basic laws of geometrical optics and basic imaging concepts 第一节几何光学的基本定律 • 几何光学是以光线的概念为基础，采用几何的方 法研究光在介质中的传播规律和光学系统的成像 特性 • 按几何光学的观点，光经过介质的传播问题可归 结为四个基本定律：光的直线传播定律、光的独 立传播定律、光的反射定律和折射定律 1.光波、光线、光束 • 光波 光波是一种电磁波，是一定频率范围内的电 磁波，波长比一般的无线电波的短。 • 可见光：400nm-760nm • 紫外光：5-400nm • 红外光：780nm-40µm • 近红外：780nm-3µm • 中红外：3µm －6µm • 远红外：6µm －40µm 光学概念 • 光源light sources – 光源：任何能辐射光能的的物体 – 点光源：无任何尺寸，在空间只有几何位置的光源 实际中是当光源的大小与其辐射光能的作用距离相比可 忽略不 计，则视为点光源 • 光学介质optical mediums – 光学介质：光从一个地方传至另一个地方的空间。空气、水、玻璃 – 各项同性介质:光学介质的光学性质不随方向而改变 – 各向异性介质：单晶体（双折射现象） – 均匀介质：光学介质的不同部分具有相同的光学性质 均匀各向同性介质 光波light wave – 波前：某一瞬间波动所到达的位置构成的曲面 – 波面：传播过程中振动相位相同的各点所连结成的曲面 在任何的时刻都只能有一个确定的波前；波面的数目则是 任意多 – 球面波：波面为球面的波 – 平面波：无穷远光源 • 光线：传输光能的有方向的几何线 – 在各向同性介质中，光沿着波面的法线方向传 输，所以波面的法线就是光线 • 光束 – 光束：具有一定关系的光线的集合 – 同心光束：同一个发光点发出或相交于同一点 – 平行光束：发光点位于无穷远，平面光波 – 像散光束：既不相交于一点，又不平行，但有 一定关系的光线的集合，与非球面的高次曲面 光波相对应 2.几何光学基本定律 • 光的直线传播定律 – 各向同性的均匀介质 – 局限性 当光经过尺寸与光波长接近或更小的小孔或狭缝 时，光的传播将偏离直线，“光的衍射” 。 当光在非均匀介质中传播时，是沿曲线传播的。 • 光的独立传播定律 – 从不同光源发出的光线，在空间某点相遇 时，彼此互不影响，各光线独立传播 – 利用这条定律，研究某一光线传播时，可 不考虑其它光线的影响。大大简化我们对 光线传播的研究 • 光的反射和折射定律 光传播到两种不同介质 I -I ′′ n ′ n 的光滑分界面上时，继 续传播的光线或返回原 I ′ 介质，或进入另一介质。 前者称为光的反射，后 者为光的折射。 反射定律：