第一章 几何光学基本定律与物像概念.ppt

第一章 几何光学基本定律 与成像概念 * 主 要 内 容 以光线为对象用几何方法来研究：光 在介质中的传播规律，以及光学系统 的成像特性。 一、几何光学基本定律 二、成像的概念与完善成像条件 * §1.1 几何光学的基本定律 一、基本概念 光波 ● 光具有波粒二象性 ● 本质：电磁波，390～760nm ● 传播速度：c=3×108m/s，n=c/v ● 单色光和复色光 * 2. 光源 ● 光源（发光体）：任何能够辐射光能的物体。 例如：太阳、烛焰、钨丝白炽灯、日光灯、高压水 银荧光灯等。 ● 点光源：辐射光能的几何点。可看成几何上的 点，只有空间位置无体积的光源。 3. 光线 由发光点发出的光抽象为能够传输能量的几何线，它代表光的传播方向。 * 平面光波 球面光波 球面光波 任意曲面光波 平行光束 发散光束 汇聚光束 像散光束 4.波面与光束 ● 波面：振动位相相同的点在某一时刻所构成的 曲面。 ● 光束：与波面对应的法线束。 * 二、几何光学基本定律 1.光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线 传播 2. 光的独立传播定律：两束光在传播途中相遇时互不 干扰，即每一束光的传播方向及其他性质(频率、波 长、偏振状态)都不因另一束光线的存在而发生改变 3. 光的反射折射定律： * (1) 光的反射定律：反射线位于入射面内，反射线和入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即 (2) 光的折射定律：折射线位于入射面内,折射线与入射线分居法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一与入射角无关的常数，即 * 介绍 *漫射：当界面粗糙时,各入射点处法线不平行,即使入射光是平行的,反射光和折射光也向各方向分散开—漫反射或漫折射。 光的反射定律也可以由折射定律令 得到 * 三、折射率 平行光的折射 光在真空中的传播速度为c 折射率较大的介质称为光密介质， 折射率较小的介质称为光疏介质。 * 有 介质中的光频是否等于真空中的光频? 思 考 在线性介质的光场中，光的扰动频率仅由光源决定，它与传播的介质无关。同一谱线的光波在不同介质中虽然有不同速度，但其频率是不会改变的，均同于真空中的光频，即 n 1，介质中的波长变短了！ * 四、光的可逆性 由于折射定律的对称性,可得出光线传播的可逆性。 表明：当光线沿与原来方向相反的方向传播时，其路径不变。 * 五、全反射现象 当光从光密介质射到光疏介质时,一般情况下,折射角大于入射角,当入射角为某一临界角时,折射角为π/2,折射线沿界面传播。 若入射角再增大，就不再有折射光线了，此时光线将全部返回光密介质，且反射角等于入射角—全反射 * * 全反射现象的应用： * 六、费马原理 费马原理是一个描述光线传播行为的原理 两点之间光沿着所需时间为极值的路径传播 1. 光程:在均匀介质中,光程 s 为光在介质中通过的几何路程 l 与该介质的折射率 n 的乘积： s = nl 2. 费马原理：在A、B两点间光线传播的实际路径，与任何其他可能路径相比其光程为极值，极值为极大或极小或恒定值。即光线的实际路径上光程微分为零： * 3.费马原理的应用 根据直线是两点间最短距离这一几何公理,于真空或均匀介质,费马原理可直接得到光线的直线传播定律。 费马原理只涉及光线传播路径,并未涉及到光线的传播方向。若路径AB的路径取极值，则其逆路径BA的光程也取极值——包含了光的可逆性。 由费马原理导出光的反射定律 * AB的光程为 光程取极值 入射线和反射线应在xy平面内. 光程取极小值 * 六、马吕斯定律 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。 * 表明：垂直于波面的光线束经过任意多次的折、反射后，无论折、反射面形如何，出射光束仍垂直于出射波面。 * 折射定律、费马原理、马吕斯定律三者等价 * §1.2 光学系统的物像概念 一、光学系统与成像的概念 1. 光学系统： 通常是由若干光学元件组成，每个光学元件都是由表面为球面、平面或非球面且具有一定折射率的介质组成。 光学系统的作用：对物体成像，扩展人眼的功能。 光轴：各光学元件曲率中心的连线。 共轴光学系统：光轴为直线的光学系统。 * 2. 完善像点与完善像： 若一个物点对应的同心光束，经光学系统后仍为同心光束，则该光束的中心即为该物点的完善像点。 完善像即为完善像