第一章-几何光学基本定律(s).ppt

应 用 光 学 课程：应用光学 主讲教师：刘 钧 电话 光信息科学与技术系 课程内容及安排： 一、几何光学的基本定律与成像概念 二、球面和球面系统 三、理想光学系统 四、平面和平面系统 五、光学系统中的光束限制 六、光度学基础 七、光线的光路计算 八、光学系统的像差 九、眼睛 十、放大镜、显微镜及望远镜 十一、摄影及投影系统 课程说明 一、本课程的性质和任务 应用光学是一门专业基础课。 不涉及光的波动本性，以光的直进、独立传播、折射、反射等实验定律为基础，把光的传播看成是光线的传播，在光学系统中进行光路追迹，研究光学系统的成像特性、应用及初步设计的课程，为以后的光学类课程的学习打下基础。 二、课程教学的基本要求 1．系统掌握几何光学的基础理论，包括基本定律、球面和共轴球面系统理论、理想光学系统理论，平面镜与棱镜系统理论和光学系统中光阑的概念。 2．了解光度学的基本概念及光能在光学系统中的传递过程。 3．掌握光学系统像差的基本概念、产生原因、危害和校正方法，了解像差的计算。 4. 掌握四种典型的光学系统，即：显微系统、望远系统、摄影及投影系统。 三、与其他课程的联系 之前需预修高等数学和大学物理等课程； 本课程的后续课程有：物理光学、光学测量、光学检测、光学设计、光纤技术、激光技术、光学工艺、光电仪器设计、付里叶光学等专业基础课和专业课； 是学习后续光学类课程和进行光学实验的基础，在专业中的地位十分重要。 四、教材 《工程光学》 韩军 刘钧 国防工业出版社 五、参考书目 1、《应用光学》 张以谟 电子工业出版社 2、《工程光学》 郁道银 机械工业出版社 3、《应用光学例题与习题》顾培森 机械工业出版社 绪论 人类对光的研究，可以分为两个方面： 一方面是研究光的本性，并根据光的本性来研究各种光学现象，称为“物理光学”； 另一方面是研究光的传播规律和传播现象，称为“几何光学”。 几何光学中研究光的传播，并不把光看作是电磁波，而是“能够传输能量的几何线”，即光线。 第一章 几何光学的基本定律 和成像的概念 第一节 基本概念 一、光波 光是一种电磁波，其振动方向和光的传播方向垂直，为横波。 波长在400~760nm范围内的电磁波能被人眼所接受、所感觉，称为可见光。 光和其它电磁波一样，在真空中以同一速度c传播，在空气中也近似如此。 而在水、玻璃等透明介质中，光的传播速度比在真空中慢，且速度随波长不同而改变，其速度、波长和频率的关系如下： 二、光源 本身发光或被其他光源照明后发光的物体称为发光体（或光源）。 在讨论光的传播时，常用发光体上某些特定的几何点来代表这个发光体，这些特定的点为发光点或点光源。这些发光点被认为既无体积又无线度，所以能量密度应为无限，而这只是一种假设。 三、光线 在几何光学中，光线被抽象为既无直径又无体积而有方向的几何线，其方向代表光能的传播方向。 四、波面 在某一瞬时，其振动位相相同的各点所构成的曲面称为波面。 或：从同一点光源发出的光振动，经相同时间后的点连在一起所成的面称为波面。 波面可分为平面波、球面波或任意曲面波。 光线是波面的法线，光线和波面垂直。（在各向同性的介质中） 五、光束 与波面对应的法线（光线）集合称为“光束”。 对应于波面为球面的光束称为同心光束。 对于波面为非球面的曲面，它所对应的光线束称为像散光束。 第二节 几何光学基本定律 一、几何光学三大基本定律： （一）光的直线传播定律 在各向同性的透明、均匀介质中，光是 沿着直线传播的。 （二）光的独立传播定律 当多束光线通过空间某点时，各光线传播不受其它光线的影响，称为光的独立传播定律。 （三）光的折射和反射定律 1.反射定律 （1）反射光线必与入射光线和界面投射点处的法线共面。 （2）入射角和反射角绝对值相等，但符号相反，即 。 2.折射定律 （1）折射光线与入射光线和界面投射点处法线共面； （2）入射角正弦和折射角正弦之比为两介质折射率之比，为一常数。 二、全反射 全反射原理的重要应用 根据全反射原理，可以作出全反射棱镜和光学纤维，前者可将光路转折 ，后者用于内窥光学系统和光通讯。 全反射棱镜 光学纤维 三、光路可逆性原理 当光线逆向行进时，它将顺着同一路径传播，这个具有普遍性的结论称为光路可逆性