第三章--几何光学.ppt

第三章 几何光学的基本原理 几何光学的基本概念 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 一、几何光学的实验定律 1．? 光的直线传播定律 在均匀媒质中，光沿直线传播。 如果介质是非均匀的，则光的传播将会发生偏折，即不再沿着一条直线传播。 但是，总可以设法发现光传播的路径，这条路径是折线或曲线。 根据这一事实，也可以得出这样的结论，既然在媒质中，光总是沿直线、折线、或曲线传播，那么就可以用一条几何上的线来描述和研究光的传播，这就是“光线”。 几何光学的局限 几何光学是关于光的唯象理论。 不涉及光的物理本质。 对于光线，是无法从物理上定义其速度的。 在几何光学领域，也无法定义诸如波长、频率、能量等物理量。 2．? 光的反射律 光的反射定律 1）反射光在入射面内 2）反射角等于入射角 3、光的折射定律 光的色散 一束平行的白光（复色光）从一种媒质（例如真空或空气）射入另一种媒质时，只要入射角不等于0，不同颜色的光在空间散开来。 说明不同颜色的光具有不同的折射角，即不同的折射率。 4、光路可逆原理 光线如果沿原来反射和折射方向入射时，则相应的反射和折射光将沿原来的入射光的方向。 原理与定律 可以由Fermat原理导出几何光学的实验定律 所以可以说，Fermat原理是更基本的 一般来说，任何一门学科，都有着无法证明的（指从理论上无法证明）最基本的假设，这就是原理，是这一学科所建立的基础。 物像之间的等光程性 物点Q与像点Q′之间的光程总是平稳的，即不管光线经何路径，凡是由Q通过同样的光学系统到达Q′的光线，都是等光程的。 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，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 出现全反射的最小入射角 称作全反射临界角 4．全反射棱镜 5. 光纤 变折射率光学 不均匀的媒质，其折射率是各处不同的，例如大气层，受到重力、温度、湍流等因素的影响，是变折射率介质 对于渐变折射率介质，可以导出光线的基本方程 设在直角坐标系中，折射率只在y方向变化 将媒质分成一系列薄层，设每一层中的折射率是均匀的 例10.4.1一条笔直平坦的高速公路上方空气的折射率随高度y的变化规律 ，式中 ，是地面处空气的折射率。一个人站在公路上向远处观察，他的眼睛离地面的高度为H=1.6m，问此人能看到公路上最远的距离是多少？ 近轴光在单球面上的成像 物与像的虚实性 1．? 同心光束 从同一点发出的或汇聚到同一点的光线束，称为同心光束。 物和像都是由一系列的点构成的，物点和像点一一对应。 成像的最基本条件是要满足同心光束的不变性。 从整个物和像的对应关系看，还必须要满足物像间的相似性。 空间上，各个点之间的相互位置要一一对应，同时每一对物像点的颜色要一一对应。 要求成像的光学系统不产生畸变，没有像差、色差等等。 2． 光具组：若干反射面或折射面组成的光学系统。 3. 理想光具组 精确成像的必要条件是物上一点与像上一点对应。 使同心光束保持其同心性不变的光具组为理想光具组 理想光具组是成像的必要条件 4．物方和像方 物点所在的空间为物方空间 像点所在的空间为像方空间 5． 实物与虚物，实像与虚像 发出同心光束的物点，为实物点；物方同心光束延长后汇聚所成的点，为虚物点。 经过光具组后的同心光束，汇聚在像方形成的点，为实像点；像方发散的同心光束反向延长后汇聚的点，为虚像点。 1.轴上物点成像 从Q点发出的光线QM折射后变为MQ′ 欲使折射光线保持同心性，必须(1)满足近轴（傍轴）条件 ，即 像的横向放大率 焦点与焦平面 平行于光轴的入射光线经过球面折射后，汇聚于像方焦点。 在傍轴条件下，上述像方焦点可以看作是处于一个平面上，这就是折射球面