几何光学的基本概念和定律
应用光学，工程光学经典习题，例题汇总
I、I ' ——由光线起转到法线；
——由光轴起转到法线。
6. 近轴光路计算公式（6 个）
答： i lru r
l'
r
ri ' u'
i'
n n'
i
u 2 u1'
u' u i i' l2 l1' d1
（1）垂轴放大倍率为多少？
（2）照相胶片离照相物镜像方焦点 F 多远？
解：根据题意，鱼先经水面成像，由公式（2-9）为
1 l'
1.33 1000mm
0
解之得
l' 751.88mm
然后再被照相物镜成像，其 x 值为
定的介质来 说，是一个和入射角无关的常数 n1 sin I1 n1 sin I 2 。
2、如何区分实物空间、虚物空间以及实像空间和虚像空间？是否可 按照空间位置来划分物空间和像空间？
答：实物空间：光学系统第一个曲面前的空间。虚物空间：光学系统第一个曲面 后的空间。实像空间：光学系统最后一个曲面后的空间。虚像空间：光学系统最 后一个曲面前的空间。物空间和像空间在空间都是可以无限扩展的，不能按照空 间进行划分。
统的组合焦距为： f ' 80mm
求像的方向有两种：
第一种方法：先对第一透镜成像，再对第二透镜成像。
图 1-23
首先对第一透镜成像，如图 1-23 所示，l1 50mm, f1' 100mm, 根据高斯成像公
式求得：
11 l1' l1
1 f1'
1 l1'
大学物理--几何光学
B
B
B
ndl n dl
A
A
而由公理：两点间直线距离最短 A
B
dl 的极小值为直线AB A
所以光在均匀介质中沿直线传播
2.光的反射定律
Q点发出的光经 反射面Σ到达P点
P’是P点关于Σ 面的对称点。
P，Q，O三点 确定平面Π。
直线QP’与反射 面Σ交于O点。
nQO OP
则易知当i’=i时，QO + OP为光程最短的路径。
•直接用真空中的光速来计算光在不同介质中通过一定 几何路程所需要的时间。
t nl ct cc
•光程表示光在介质中通过真实路程所需时间内,在真空
中所能传播的路程。
分区均匀介质:
k
nili
i 1
,
t
c
1 c
k i 1
nili
连续介质:
ndl (l)
二、费马原理
1.表述：光在空间两定点间传播时，实际光程为一特 定的极值。
'
nl
nl '
n r 2 r s 2 2 r r s cos
n
r 2
s '
2
r
2
r s '
r cos
A
l
i -i` l '
P
-u
-u`
C
P` -s` O
-r
-s
对给定的物点，不同的入射点，对应着不同
的入射线和反射线，对应着不同的 。
由费马原理可知 :当 d PAP' 0 时,
2. 光的折射反射定律：
(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
1.1_几何光学的基本定律
1.1_几何光学的基本定律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ref: 几何光学的发展先秦时代《墨经》330-260BC 欧几里德《反射光学》965-1038AD 阿勒·哈增《光学全书》十七世纪开普勒、斯涅尔、笛卡儿、费马折射定律的确立，使几何光学理论得到很快的发展。
1.光波、光线、光束light waves、raysand beams·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?各向同性介质: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·波前wave front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的?球面波：波面为球面的波，点光源平面波：无穷远光源柱面波：线光源光线：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同心光束平行光束ref: 像散光束·光线既不平行，又不相交，波面为曲面。
4.几何光学讲解
4.3.2 孔径光栏、入瞳和出瞳
物面中心点 A经系统成像于 A‘，其成像光束受限制的最小的圆 为 P，称为“孔径光栏”
P经系统前部的像为 P‘,称为入瞳，经后部的像为 P“，称为出瞳， 显然所有通过孔径光栏的光线必定都通过入瞳和出瞳。入瞳和出瞳互 为物像关系。
对于边缘的物点 B，通过入瞳的光线可能不能完全通过孔径光 栏和出瞳，称为有“渐晕”（见下文讨论），但对于一个设计得较好 的光学系统，渐晕不应该很大。
远心光路的一个用途是控制光束粗细，以适应光学元件的大小（如用在 有双折射滤光器的光路）；另一个用途是当存在失焦时，像点的中心距（A"-
B"）将不会改变，因此适合某些测量仪器。
4.4 近轴光路和理想光路的计算公式
4.4.1 同轴光路、近轴光路和理想光路
同轴光路是一种应用最广的光学系统，望远镜系统多属于同轴光 路。
实际的同轴光路计算要用三角函数。但如将孔径角和视场角均限 制得很小时，角度的正弦值或正切值可以用弧度值代替，于是光路计 算就大为简化，这样的光路称为“近轴光路”。
近轴光路对于光路的方案设计、外部参数计算（如焦距、截距、 像的高度、放大率、组合光学系统参数等）非常有利。
至于实际光路对于近轴光路在计算结果上的差异则可以归为光学 设计的"像差修正"的程度。
对于由多圈子镜组合起来的大型主镜，除中间一块子镜外，多数子 镜的对称轴与理论曲面的旋转轴是不重合的，称为“偏轴”曲面。
天文望远镜反射式光路常见的曲面及其组成的系 统
4.3 视场和孔径
如将光学系统看成一块没有厚度的透镜，则很容易区分“视场” 和“孔径”的不同概念。其区别在于：视场是从“镜头中心”出发向 观测物张开的角度，它表示可以观测的范围；而孔径是从物面（或像 面）上的一点出发向“镜头”张开的角度，它表示成像光束的粗细 （即反映光能量的集中程度）。
基本光学原理
基本光学原理第一节几何光学的基本原理几何光学的含义及其范畴;是以光的直线传播性质为基础;研究光在透明介质中传播的光学..几何光学的理论基础;就是建立在通过观察和实验得到的几个基本定律..由于光的直线传播性对于光的实际行为只有近似的意义;所以;以它作为基础的几何光学;就只能应用于有限的范围和给出近似的结果..但这些对于了解与摄影有关的光学系统而言;已是足够的了..一、光线在几何光学中可用一条表示光传播的方向的几何线来代表光;并称这条线为光线..二、光的传播定律1.光的直线传播定律：光在均匀透明的介质中;光沿直线传播..2.光的反射和折射定律：当光线由一均匀介质进入另一介质时;光线在两个介质的分界面上被分为反射光线和折射光线..这两条光线的进行方向;可分别由反射定律和折射定律来表述..反射定律：反射线在入射线和法线所决定的平面上；反射线和入射线分别位于法线的两侧；反射角和入射角相等..在反射现象里光路是可逆的..折射定律：折射线在入射线和法线所决定的平面内；折射线和入射线分别位于法线的两侧入射角i的正弦与折射角r的正弦的比;对于给定的两种媒质来说;是一个常数;叫做第二媒质对于第一种媒质的折射率;在这里我们用n21来表示..前面所讲的n21是第二种媒质对于第一种媒质的折射率;叫做这两种媒质的相对折射率;即某种媒质对于真空的折射率叫做这种媒质的绝对折射率;简称媒质的折射率;用n表示..因为光在空气中传播的速度与光在真空中传播的速度相差很小;所以通常用媒质对空气的折射率代替媒质的折射率..n=1..光在任何媒质中传播的速度都小于在真空中的速度;所以;任何媒质的折射率都大于1..由此可以推论;光在一种媒质中传播的速度越小;这种媒质的折射率越大..两种媒质相比较如第一种媒质的折射率大于第二种媒质的折射率;则光在第一种媒质中的传播速度小于光在第二种媒质中的传播速度;相对而言第一种媒质称为光密媒质;第二种媒质称为光疏媒质.. 当光线从光疏媒质射进光密媒质时∴Sini＞Sinr i＞r这时;r＜i说明光线近法线折射..当光从光密媒质射进光疏媒质时∴i＜r这时r＞i 说明光线远法线折射..在折射现象里;光路是可逆的..光路的可逆性是几何光学中很重要的一条规律..三、光的反射和折射光线射到两种媒质的分界面上时;入射光线一般分为两部分;一部分返回原媒质产生反射；一部分进入第二媒质产生折射..反射光的强度随入射角的增大而增大；折射光的强度随入射角的增大而减小..在这部分里我们主要以平面镜和球面镜这两种和摄影直接相关的事物来分析光的反射现象..1.平面镜成象1象的概念和意义..由物体上某一点发出的光线;经过媒质界面的反射;反射光线如能交于一点;相交之点叫做物体上这一点的实象..如反射光线是发散的;不能相交;而反射线的反方向延长线交于一点;直接观察光线好像是从这一点发出的;这相交点就叫做物体上这一点的虚象..一个物体是由很多个点组成的;这些点的象组成物体的象..实象可以直接用眼观察;也可以映在屏幕上显示出来..虚象只能直接用眼观察而不能映在屏幕上..2平面镜成像..根据光的反射定律;可以得出发光点或物体在平面镜里的象..取物体的端点A发出的任意两条光线;反射后它们的延长线交于一点;这一点就是物体端点A的象;如图1—3所示..同样;物体的任何一点;通过做图都可以得出它所对应的象..平面镜成的是直立的虚象;物体和象分别在镜面的两侧;并以镜面为对称;象和物大小相等;左右相反..2.球面镜成象1球面镜的概念..镜子的反射面是球面的一部分时;叫做球面镜..凹面镜：用球的内表面做反射面..凸面镜：用球的外表面做反射面..顶点：镜面的中心点..曲率半径：球面镜所属球面的半径..曲率中心：球面镜所属球面的中心..主轴：通过顶点和曲率中心的直线..近轴光线：一般使用的球面镜;都是它所属球面的很小的一部分即图1—4中的θ角所对应的那部分球面;而镜前的物体又都放在主轴附近;这样射到镜面上的光线叫近轴光线..2球面镜的焦点和焦距..凹面镜：平行于主轴的近轴光线;射到凹面镜上;反射线相交于主轴上的一点;这一点叫做凹面镜的焦点;用F来表示;F是实焦点..凹面镜有实焦点说明它有会聚光线的作用如图1—5..焦点F到顶点0的距离;叫做焦距;用f表示..一个凹面镜的焦距到底有多大;用直接测量的办法所得到的结果往往误差很大;但是;球面镜的曲率半径却是很容易得知的;用简单的几何方法很容易计算出一个球面镜的曲半径..根据圆弧上任意三点可确定圆心的方法求出圆心所在的坐标;圆心到圆的外缘任意一点就是这个圆的半径;而凹面镜的焦距等于它的曲率半径的一半;因此很方便的就可得知凹面镜的焦距..分析图1—6;光AB平行于主轴;作B点的法线BC;根据光的反射定律∠CBD=∠ABC作反射线BD;BD交主轴于F..∵∠FBC=∠CBA;∠BCF=∠CBA平行线内错角相等∴∠FBC=∠BCF BF=CF等腰三角形又∵AB是近轴光线;BO之间相距很近∴BF=OF OF=CF凸面镜：平行于主轴的近轴光线射到凸面镜上;反射光线向外散开;这一现象说明凸面镜有发散光线的作用..反射光线的反向延长线交在主轴的一点F如图1—7所示..这一点也叫焦点;是虚焦点..OF是它的焦距;用f表示..当光从光密媒质进入光疏媒质时Sini＜Sinr r＞i所以光线远离法线折射..入射角增大;折射角也随之增大..当入射角增加到某一值时;折射角增加到90°..入射角再增加;就没有折射现象发生了..在这种情况下;入射光线全部反射回到原媒质..这就是全反射现象.. 使全反射现象发生的入射光线的入射角叫做临界角;用字母A 表示..SinA=Sin90·n21SinA=n21由此可见;临界角是由两种媒质决定的..反射现象和折射现象是摄影实践中经常会遇到和利用的情况;只要我们对这一现象有一定的了解;就能在实践中避免它或利用它..四、透镜折射面是两个球面或一个球面;一个平面的透明体;叫透镜..1.透镜的种类1凸透镜..中央部分比边缘厚的透镜叫凸透镜..凸透镜能会聚光线;也叫会聚透镜..2凹透镜..中央部分比边缘薄的透镜叫凹透镜..凹透镜能发散光线;也叫发散透镜.. 2.关于透镜的一些基础概念薄透镜如果一片透镜的厚度;比该透镜两折射面所属球面半径小得很多;这片透镜叫做薄透镜..我们一般见到和使用的透镜都是薄透镜..以下所介绍的也只限于薄透镜..主光轴两个折射面球心的连线叫做透镜的主光轴..光心：在主光轴上有一个特殊点叫光心;射入透镜的光线通过光心;光进行的方向不改变;即射出透镜的光线和射入透镜的光线保持平行..副光轴：通过光心的其它直线叫副光轴..凸透镜的焦点和焦距：跟凸透镜主轴平行的平行光束经凸透镜折射后会聚在主轴上的一点F;叫凸透镜的主焦点;主焦点到光心的距离叫焦距;用f表示..平行光可以从凸透镜的两方入射;所以在它的两方各有一个主焦点F1和F2;因此有相对应的两个焦距f1和f2..只要透镜两边是相同的媒质;f1=f2=f如图1—8..跟主轴成一定角度与某一副轴平行的平行光束;经凸透镜折射后会聚在副轴上的一点;叫副焦点..很明显副焦点有很多..对于近轴光线;副焦点都在通过主焦点与主轴垂直的平面内;这个平面叫做焦平面如图1—8..每个凸透镜都有两个焦平面..凹透镜的焦点和焦距：凹透镜和凸透镜相似;也有主焦点、副焦点和焦平面..所不同的是凹透镜发散光线;平行光束经过它的折射散开的光线不能交于一点;而在光线的反向延长线上交于一点F;这一点也叫焦点;是虚焦点;从焦点到光心的距离叫焦距f如图1—9..一般为区别焦点的实虚;凸透镜的焦距取正值;凹透镜的焦距取负值..3.透镜成象规律1凸透镜成象..凸透镜成象可运用几条特殊光线来描述：经过光心的光线不改变方向；平行于主轴的近轴光线折射后通过焦点..通过焦点的光线折射后平行于主轴..求一发光点S的象S’..求一物体AB的象A’B’..u和f是正值;如果v是正值;象就是实象;v是负值;象就是虚象..凸透镜成象公式是利用相似三角形对应边成比例的关系得出的..同理也可得出放大率公式..放大率公式：结合上图可知式中：U=OB 叫物距;V=OB’叫象距;f=OF是焦距..当K＞1时;说明象比物长；当K＜1时;说明象比物短..2凹透镜成象..凹透镜成象可用以下几条特殊光线来描述：经过光心的光线不改变方向..平行于主轴的近轴光线折射后;它的反方向延长线交于虚焦点..通过虚焦点的光线折射后平行于主轴..凹透镜成象作图法如图1—13、1—14..因透镜有两个焦点;作图时必须注意什么情况要用哪一侧的焦点;所以凹透镜应特别注意求一发光点S的象S’；求一物体AB的象A’B’..凹透镜成象公式：式中u是正值;v和f是负值放大率公式：凸透镜的成象公式和凹透镜的成象公式以及放大率公式是完全相同的..因此;这两个公式只要在不同的情况下u、v、f取不同的符号即能适应两种透镜各种情况..一般将实物放在镜前;因此u取正值..f的正负;决定于焦点的实虚..凸透镜：f＞0；凹透镜：f＜0..V的正负;决定象的实虚..V＞0：成实象..V＜0；成虚象..3透镜象的各种情况凸透镜：凸透镜的成象情况可用表1—1说明：表1-1在第5种情况中;u=f;v=∞;可以说在无限远成象..u=f是凸透镜成实象和成虚象的分界点..凹透镜：实物放在凹透镜前无论什么地方都成正立缩小的虚象..第二节色度学原理色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学..每个人的视觉并不是完全一样的..在正常视觉的群体中间;也有一定的差别..目前在色度学上为国际所引用的数据;是由在许多正常视党人群中观测得来的数据而得出的平均结果..就技术应用理论上来说;已具备足够的代表性和可靠的准确性..一、颜色的确切含意在日常生活中;人们习惯把颜色归属于某一物体的本身;把它作为某一物体所具有的属于自身的基本性质..比如人们所常讲的那是一块红布;那是一张白纸等等..但在实际上;人们在眼中所看到的颜色;除了物体本身的光谱反射特性之外;主要和照明条件所造成的现象有关..如果一个物体对于不同波长的可视光波具有相同的反射特性;我们则称这个物体是白色的..而这物体是白色的结论是在全部可见光同时照射下得出的..同样是这个物体;如果只用单色光照射;那这个物体的颜色就不再是白色的了..同样的道理;一块红布如果是我们在白天日光下得出的结论;那同样是这块布在红光的照射下;在人们眼中反映出的颜色就不再是红色的而是白色的..这些现象说明;在人们眼中所反映出的颜色;不单取决于物体本身的特性;而且还与照明光源的光谱成分有着直接的关系..所以说在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果..我们用色度学来评价的结论就是这种综合效果..二、色彩三要素任何色彩的显示;实际上都是色光刺激人们的视觉神经而产生感觉;我们把这种感觉称之为色觉..色别、明度和饱合度是色彩的三个特征;也是色觉的三个属性;通常将色别、色彩明度和色饱合度称为“色彩三要素”..1.色别色彩所具有的最显着特征就是色别;也称色相..它是指各种颜色之间的差别..从表面现象来讲;例如一束平行的白光透过一个三棱镜时;这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带;形成这条光带的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色;就是不同的色别..从物理光学的角度上来讲;各种色别是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的;色别即色相的形成取决于该光谱成分的波长.. 我们所讲的光是电磁波谱中的一小部分;波长范围大约为400～700毫微米;在这个范围内各种波长的光呈现出各种不同的色彩..在自然界中所呈现出的各种色彩大都是由不同波长和强度的光波混合在一起而显示出来的;有的则是某个单一波长的固有特性色彩..总之;色别就是指不同颜色之间质的差别;它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志..2.明度明度是指色彩的明暗程度..每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别;我们知道;物体的各种颜色;必须在光线的照射下;才能显示出来..这是因为物体所呈现的颜色;取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能..前面提到的红布之所以呈现红色;是由于它只反射红光;吸收了红光之外的其余色光..白色的纸之所以呈现白光;是由于它将照射在它表面上的光的全部成分完全反射出来..如果物体表面将光线中各色光等量的吸收或全部吸收;物体的表现将呈现出灰色或黑色..同一物体由于照射在它表面的光的能量不同;反射出的能量也不相同;因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别.. 白颜料属于高反射率物质;无什么颜色掺入白颜料;可以提高自身的明度..黑颜料属于反射率极低的物质;因此在各种颜色的同一颜色中黑除外掺黑越多明度越低..在摄影中;正确处理色彩的明度很重要;如果只有色别而没有明度的变化;就没有纵深感和节奏感;也就是我们常说的没层次..3.饱和度饱和度是指构成颜色的纯度;它表示颜色中所含彩色成分的比例..彩色比例越大;该色彩的饱和度越高;反之则饱和度越低..从实质上讲;饱和度的程度就是颜色与相同明度有消色的相差程度;所包含消色成分越多;颜色越不饱和..色彩饱和度与被摄物体的表面结构和光线照射情况有着直接的关系..同一颜色的物体;表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大；强光下比阴暗的光线下饱和度高.. 不同的色别在视觉上也有不同的饱和度;红色的饱和度最高;绿色的饱和度最低;其余的颜色饱和度适中..在照片中;高饱和度的色彩能使人产生强烈、艳丽亲切的感觉；饱和度低的色彩则易使人感到淡雅中包含着丰富..三、三原色和三补色之间的关系自然界中各种物体所表现出的不同色彩;都是由蓝色、绿色和红色光线按适当比例混合起来即作用不同的吸收或反射而呈现在人们眼中的..所以;蓝色、绿色和红色就是组成各种色彩的基本成分..因此我们把这三个感色单元称为三原色..三原色的光谱波长如下：435.8Nm波长约400～500毫微米的范围属蓝光范围；546.1Nm波长约500～600毫微米的范围属绿光范围；700Nm波长约600～700毫微米的范围属红光范围..这三个原色的光波在可见光光谱中各占三分之一..三个原色中的一个与另外两个原色或其中一个原色等量相加;就可得到其它的色彩;其规律可用下式表示：由此可见;三原色的构成和叠加可以概括为以下四点：1.自然界的色彩是由三原色为基本色构成的;三原色按不同的比例相混合可以合成出自然界中的任何颜色..2.蓝、绿、红这三种原色是互相独立的;它们中的任何一种颜都不能用另外两种颜色混合得到..3.三种原色的混合比例决定色别..4.混合色光的亮度等于各原色光的亮度和..根据上述色光叠加的规律;我们分别将123式代入到4式中..可得由R+G=Y得 R=Y-G55代入4得Y-G+G+B=WY+B=W 黄光+蓝光=白光由R+B=M得 R=M-B66代入4得M-B+G=B=WM+G=W 品红光+绿光=白光由 G+B=C得G=C-B77代入4得R+C-B+B=WR+C=W 红光+青光=白光两种色光相加后如果得到白光;则该两色光互为补色..与蓝光、绿光和红光互为补色的三色光分别为黄色、品红光和青光..我们通常称这三色光为“三补色”..这三个补色;在可见光谱中;各约占三分之二..第三节亮度与照度摄影离不开光线;光的本质实际上就是以光源发射出的能被人眼看到的辐射能..摄影镜头实际上是一个收集光能并把景物清晰的成象在感光胶片上的工具..而真正需要在光能量的作用下发生化学变化的是感光胶片;照相机只不过是一台控制光通量的阀门..怎样才能控制好这台起阀门作用的机器;使得感光胶片上所得到的光能恰到好处的使感光乳剂发生变化呢光讲要正确的曝光;这个概念实际上是很模糊的..要科学的解答这个问题;就应从光的本质和表示光能强度等方面有一个了解..通过对色度学原理的介绍;我们知道光的本质是在整个电磁频谱中的一小部分;波长范围约为400～700毫微米..我们知道电磁波是同热能、电能一样也是能量的一种表现形式;所以;光具有光能也是不容置疑的了..有一个小实验可以证明光是具有能量的..将一片硅光电池的两极接上一只电流表;当没有光照在硅光电池上时;电流表指针指示为零；当把一束光照在硅光电池上时;电流表的指针偏移..根据实验和能量守恒规律可以说明;当电流表的指针发生偏移时;说明有电流通过电流表;这个电流从哪里来;无疑是从光电转化元件硅光电池中来;硅光电池中的电流从何产生;那就是光能使硅电池内部的电子发生了流动..所以说光也是能量的一种表现方式.. 光既是一种能量的表现形式;就必然有度量它强弱的标准;这个标准就是我们所要讲的亮度和照度以及它们之间的关系..一、亮度与照度的概念在讲亮度与照度前;我们先引进几个相关的物理量..1.光通量：光通量是在单位时间内通过的辐射能量;用符号Ω表示..在光度学中它是按强弱来度量的一种辐射能;以“流明”为单位..2.立体角：立体角是球面上任一面积相对球心所张的角度;用符号Ω表示..S：球面上任一球面积R：球的半径单位：立弧立体弧度3.发光强度：发光强度是光源发出的光能量在观察方向上的强弱程度;用单位立体角范围内发出的光通量来度量;用符号I表示..发光强度的单位称为“烛光”..下面我们就介绍一下什么叫亮度;什么叫照度以及它们之间的关系如图1—18..亮度是发光物体表面或被照射物体的反光表面;在人眼观察方向所看到的亮暗程度..用符号B表示..在这里S表示发光表面的面积;α代表观察方向与发光表面垂线的夹角..面积上接收到的光通量来度量..用符号E表示..S：表示被照明面积的大小照度的单位称为“勒克斯”流明/米2 LX..二、常见物体照度和亮度表三、常见的光源亮度表。
光学第三章几何光学
联系光与电磁波
3、λ ——光波长
是否趋近于零 区分几何光学与波动光
学 4、χ ——介质的电极化率
其对光场响应是线性与非线性区分线性 与非线性光学
费马原理
一、费马原理：光在指定的两点间传播时，
实际的光程总是一个极值。其数学表达式为：
B nds 极值（极大值、极小值或恒定值） A
射光束都是单心光束的成像。这也是我们
着重研究的情况。
3、物、像与人眼
问题：
‘
这里的像就是人眼视网膜上所成的
像吗？人眼能否区分物与像？
结论：
对人眼来所，物与像都是进入瞳孔的发
射光束的顶点。物、像、虚像人眼不能分辨。
但对于像，其光束有一定的限制，必须在特定
的范围才能观察到。
光在平面界面上的反射和折射 光学纤维 棱镜
第 三 章 几 何 光 学
三角形孔夫琅禾费衍射图像
本章内容
光线的概念 几何光学的基本定律 费马原理 光束 实象和虚像 平面反射和折射，棱镜的最小偏向角，光
学纤维 光在球面界面上的反射和折射、符号法则 近轴物点近轴光线成像的条件 薄透镜 理想光具组的基点和基面
光线的概念、几何光学的基本定律
B
或： nds 0 A
或：t 1
B
nds 0
ccA
二、几何光学的基本实验定律与费马原理
1、几何光学的基本实验定律或费马原理都可以 作为几何光学出发点，从而建立几何光学内容 体系。 2、由费马原理可以推导几何光学的基本实验 定律。 （1）、光在均匀介质中的直线传播
S
1
l = （[ - r）2 +（r - s）2 + （2 - r）( r - s）cos ] 2
(完整版)几何光学基本定律和成像概念
物点及其像点之间任意两条光路的光程相等
n1 A1O n1OO1 n2O1O2
...
n
' k
Ok
O
'
n
' k
O
'
Ak'
n1 A1E n1EE1
n2 E1E2
... nk' Ek E '
nk' E ' Ak'
C
3. 物（像）的虚实
根据同心光束的汇聚和发散，像物有虚实之分 实像：
由实际光线相交所形成的点为实物点或实像点 虚像：
实物成实像 虚虚物物成成实实像像
实物成虚像 虚虚物物成成虚虚像像
1.3 光路计算与近轴光学系统
一、基本概念与符号规则！！！（图示）
光轴：通过球心C的直线。 顶点O：光轴与球面的交点。 子午面：通过物点和光轴的截面。 物方截距L：顶点O到光线与光轴交点A的距离。 物方孔径角U：入射光线与光轴的夹角。 像方截距L’：顶点O到出射光线与光轴的交点的距离。 像方孔径角U’：出射光线与光轴的夹角
物空间和像空间： 分别指的是物和像所在的空间。
共轴光学系统： 若光学系统中各个光学元件的表面曲率中心在一条直线上， 则该光学系统称为共轴光学系统。
光轴： 各光学元件表面曲率中心的连线为光轴。
2. 完善成像条件
表述一：
入射波面是球面波时，出射波面也是球面波
表述二：
入射光是同心光束时，出射光也是同心光束
平面光波与 平行光束
球面光波与 发散光束
球面光波与 会聚光束
二、 几何光学的基本定律
1 光的直线传播定律
描述光在同一介质中的传播规律
在各向同性的均匀介质中光沿直线进行传播。
几何光学
令： 用 φ 1、
f —系统的等效焦距
φ2分别示两镜的焦度， 则有 φ=φ1+φ2
焦度透镜密接，使
例：测某一镜片焦度，可用已知焦度的透镜与未知
φ 1+ φ
2
2
=0
则
φ
1
= -φ
例10-3 凸透镜L1和凹透镜L2的焦距分别为20cm和 -40cm，组成共轴系统，相距40cm，在凸透镜前30cm 处放一物体，求像的位置？
v=40cm
实像。
4.折射率为1.5的透镜，一面是平面，另一面是半径为0.2m的凹面， 将此透镜水平放置，凹面一方充满水（n=1.33），求系统的焦距。 解：薄透镜组合
n n0 1 1 1 f1 f 2 f [ ( )] n0 r1 r2
Ⅰ：n=1.33, r1=∞, r2 = - 0.2m. Ⅱ：n=1.5, r1=- 0.2m, r2 =∞ 得：f=-1.2m
推广可得过渡关系：
un1 dn( n1) vn
例10-2 玻璃球(n=1.5)半径为10cm，一点光源放在球前40cm处 。求近轴光线通过玻璃后所成的像。
解：
O
P1
0.40m
对第一折射面
n=1.5
0.20m
P2 0.114m I2 0.40m
I1
u1= 0.4m, r = 0.1m, n1=1, n2=1.5
n1 n2 n2 n1 u v r
1 1.5 1.5 1 v1 4
I：
=> v1=12cm
II:
u2=20-12=8cm => v2=-16cm
1.5 1 1 1.5 8 v2 -4
几何光学的基本概念和定律
1、共轴球面光学系统－光学系统及其完善像
(1) 球面光学系统 各光学元件表面均为球面或者平面的光学系统。 (2)共轴球面光学系统：球面光学系统中，各光学元件表面的 曲率中心在同一直线上的光学系统。 (3)光轴：共轴球面光学系统中各光学元件表面的曲率中心所 在的直线。 (4)子午面：共轴球面光学系统中，通过光轴的平面。
说明 (1) N0方向从入射介质指向折射介质, 判断方法—A﹒N0>0 (2) |A|=n
(4) 反射定律的矢量形式—光的反射折射定律
A' ' A Γ r N0 Γ r为反射偏向常数 Γ r 2A N
0
A=nA0
-I I
n
A=n A0 N0 n t
A' ' A 2( A N0 )N0
I
-I n n I 反射和折射定律
说明 (a) 上面结论i和ii即为反射定律，结论i和iii为折射定律；
(b) 反射定律可以看作折射定律的特殊形式； n－>n＝－n，I－>I； (c) 介质界面及曲率半径均较波长大得多，反射和折射定律在曲面的 局部仍适用。
(3) 折射定律的矢量形式—光的反射折射定律
(1) 实验
(a) 开普勒实验(1611年) (b) 斯涅耳实验 (1621年)
(2) 内容 (3) 折射定律的矢量形式
A' A Γ t N 0 A [ n'2 n 2 ( A N 0 ) 2 A N 0 ]N 0
(4) 反射定律的矢量形式
A' ' A Γ r N0 A 2(A N0 )N0
A=n A0
A' A Γ t N ,
第十一章 几何光学181212
n1 n2 n2 n1
uv
r
f2
n2 r n2 n1
f1
n1 r n2 n1
f2
n2 r n2 n1
①f1 、f2可正可负， F1、F2可以是实焦点，也可 以是虚焦点，单球面对光线可以起到会聚作用， 也可以起到发散作用。
②当f1 、f2为正时， F1、F2是实际光线交汇点， 就是实焦点，对光线起会聚作用；
1 1 n 1( 1 1 )
uv
r1 r2
透镜有两个焦点；若薄透镜两侧介质n不同时，
两焦距不等；当薄透镜两侧介质n相同时，两焦
距也相等。
薄透镜焦距公式
f
n
n0 n0
1 ( r1
1 1
r2
)
比
薄透镜公式 1 1 n n0 ( 1 1 )
较
例11-2 从几何光学的角度来看，人眼可简化为 高尔斯特兰简化眼模型。这种模型将人眼成像归 结成一个曲率半径为5.7mm、媒质折射率为1.33 的单球面折射成像。⑴试求这种简化眼的焦点位 置和焦度；⑵若已知某物在膜后24.02mm处视网 膜上成像，求该物应放在何处。
解⑴：已知n1=1.0, n2=1.33, r=5.7mm
ur
a.从F1到折射面顶点的距离(物距)叫第一焦距，f1 u=f1，v =∞
n1 n2 n2 n1
uv
r
f1
n1 r n2 n1
n1
n2
平行主光轴光线成像 于F2处，F2称为折 射面的第二焦点。
F2
v r
b.从F2到折射面顶点的距离(像距)叫第二焦距，f2
u= ∞ ，v =f2
应用光学公式
应用光学公式第一章 几何光学的基本概念和基本定律 1.折射定律：'sin 'sin n I n I=2.全反射：光线由光密介质向光疏介质：'sin Im n n=3.矢量形式：N ：沿法线的单位矢量A ：长为N 的入射光线矢量 A ’：长为n ’的折射光线矢量A ’’：反射光线折射定律：cos P n I='A A PN=+(cos ||||A NI A N ⋅=⋅)反射定律：2()P N A =-⋅''2()A A N N A =-⋅4.费马原理：光程s=nl ，光沿极大、极小、常量光程的路径传播。
第二章 球面和球面系统1.结构参数：n ，n ’，r物方参数：U(物方倾斜角)，L(物方截距)像方参数：U ’(像方倾斜角)，L ’(像方截距)夹角：光轴>光线>法线：顺正逆负2.单个折射球面基本公式sin sin sin 'sin '''sin ''sin 'L r I U r n I I n U U I I I L r r U -⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪=+-⎪⎪=+⎪⎩近轴'''''''l ri u r n i i n u u i i i l r r u -⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪=+-⎪⎪=+⎪⎩①'''n n n nl l r --=(光焦度)：主要用于成像位置计算② 1111'()()'n n Q r l r l-=-=阿贝不变量：主要用于验算 ③ '''n nn u nu h r--=，h=lu=l ’u ’，主要用于角度计算3.光焦度'n nrϕ-=：+会聚-发散'''n f r n n=-'nf r n n-=-''''n n f f f f n n ϕ⎫==-⎪⎪⎬⎪=-⎪⎭对于任何光学系统普适'f f r +=对于折射球面适用4. 靠近光轴很小垂轴平面（忽略像面弯曲）以细光线成完善像① 横向放大率：''''''y l r nl nu y l r n l n u β-====- ② 轴向放大率：2''dl n dl nαβ== ③ 角度放大率：'1''u l n u l n γβ=== ④ αγβ=⑤ 拉氏不变量：'''nyu n y u J == 5. 反射球面：n=-n ’计算焦点物像位置：112''2l l rr f f ⎧+=⎪⎪⎨⎪==⎪⎩光焦度和拉氏：2''n rJ yu y u ϕ⎧=-⎪⎨⎪==⎩ 放大率：'l lβ=-2αβ=- 1γβ=-6. 共轴球面系统11''k k n u n u β=，21'k n n αβ=，11'k n n γβ=，k k k J n y u =第三章 平面系统1. 平面镜',1l l β=-=物像虚实不一致双平面镜：2βα=2. 平行平板：1'(1)l d n∆=- d ：厚度3. 反射棱镜：结构常数dK D=，D ：通光直径，d ：光轴展开长度 4. 折射棱镜：minsin()sin22n αδα+= α：顶角m i nδ：最小偏向角 双光契：2(1)cos 2n ϕδα=-α：顶角 ϕ：两主截面夹角5. 色散555nm 人眼最灵敏，可见400-700nm ；波长短折射率大。
几何光学
当|β|＞1时，系统成一放大的像。 当|β|＜1时，系统成一缩小的像。
角放大率为一对共轭光线与主光轴夹角的比值 角放大率表示折射面改变同心光束张角 大小的能力。在近轴条件下，
h P h P
u P u P
角放大率与垂轴放大率的关系：
u P u P
（7）折射率：沿光轴方向传播的光线，对 应的折射率都为正，反之为负。
二、单折射球面成像
M n d h r
n´
Q
-P
O
D
P´
C
Q´
根据费马原理光程 LQMQ´=光程 LQOQ´， 即光程取稳定值。 LQMQ n QM n MQ LQOQ n QO n OQ n( P ) nP
M
n
d Q -P O h r
n´
D P´
C
Q´
由△MDC可得：
h r (r d ) r (r d 2rd ) 2rd d 由△QMD可得：
2 2 2 2 2 2
2
QM ( P d ) 2 h 2 P 2 d 2 2 Pd h 2 P 2 d 2 2 Pd 2rd d 2 P 2 2d ( r P )
光沿反方向传播，必定沿原光路返回。 二、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。 三、光学成像系统的物与像 物：一个本身发光或受到光照的物体。
高中物理光学复习要点_光学知识点公式
高中物理光学复习要点_光学知识点公式高中物理光学复习要点提高高三物理做题效率高中物理光学部分公式总结高中物理光学复习要点一、重要概念和规律(一)、几何光学基本概念和规律1、基本规律光源：发光的物体.分两大类：点光源和扩展光源. 点光源是一种理想模型，扩展光源可看成无数点光源的集合. 光线——表示光传播方向的几何线. 光束通过一定面积的一束光线.它是通过一定截面光线的集合. 光速——光传播的速度。
光在真空中速度最大。
恒为C=3×108 m/s。
丹麦天文学家罗默第一次利用天体间的大距离测出了光速。
法国人裴索第一次在地面上用旋转齿轮法测出了光这。
实像——光源发出的光线经光学器件后，由实际光线形成的. 虚像——光源发出的光线经光学器件后，由发实际光线的延长线形成的。
本影——光直线传播时，物体后完全照射不到光的暗区. 半影——光直线传播时，物体后有部分光可以照射到的半明半暗区域.2.基本规律(1)光的直线传播规律：先在同一种均匀介质中沿直线传播。
小孔成像、影的形成、日食、月食等都是光沿直线传播的例证。
(2)光的独立传播规律：光在传播时虽屡屡相交，但互不扰乱，保持各自的规律继续传播。
(3)光的反射定律：反射线、入射线、法线共面;反射线与入射线分布于法线两侧;反射角等于入射角。
(4)光的折射定律：折射线、入射线、法线共面，折射线和入射线分居法线两侧;对确定的两种介质，入射角(i)的正弦和折射角(r)的正弦之比是一个常数.介质的折射率n=sini/sinr=c/v。
全反射条件①光从光密介质射向光疏介质;②入射角大于临界角A，sinA=1/n。
(5)光路可逆原理：光线逆着反射线或折射线方向入射，将沿着原来的入射线方向反射或折射.3.常用光学器件及其光学特性(1)平面镜：点光源发出的同心发散光束，经平面镜反射后，得到的也是同心发散光束.能在镜后形成等大的、正立的虚出，像与物对镜面对称。
(2)球面镜：凹面镜：有会聚光的作用，凸面镜：有发散光的作用.(3)棱镜：光密介质的棱镜放在光疏介质的环境中，入射到棱镜侧面的光经棱镜后向底面偏折。
2.1,几何光学的四大定律
消旋仪
道维棱镜
Φ
Φ/2
双反射镜跟踪经纬仪的消旋补偿
w w
双反射镜跟踪经纬仪的消旋补偿
112电影经经纬仪（小毒蛇）
w w
应用 实例
周视瞄准仪
2w
周
视
瞄
准
仪
机
械
结
构
的
设
w
想
周视瞄准镜 结构图
采用差动齿轮系实 现直角棱镜与道威 棱镜同轴旋转，两 者速比为1：2，转 动过程中速比不变
几何光学的四大基本定律
1. 光的直线传播定律（局限性：衍射） 2. 光的独立传播定律（局限性：干涉） 3. 光的反射定律 4. 光的折射定律
为什么要学几何光学？
• 光的本质是一种电磁波 • 几何光学是一门经典的课程 • 目前我所从事的光学工程（光学系统所组
成的光学仪器）绝大部分是用几何光学的 知识来完成的 • 光学仪器的设计很多还是采用几何光学方 法进行的。
平面反射镜与棱镜
在光路中的作用几乎是一样的， 但是他们之间在采用何种零件还是有差别的。 • 棱镜的各个固定角度稳定，而反射镜与反射镜之间的角度 容易变化；反射镜面易变形，而棱镜表面较为稳定。
• 棱镜反射面形成全反射，没有光能损失，而反射镜面损失 较大；
• 反射镜镀层容易损坏，而棱镜的镀层容易保护； • 棱镜容易安装与固定。
• 不存在镜像（偶次反射） • 装调方便； • 转向角与入射角的倾斜不敏感。这一点在许
多自准直瞄准系统中特别有用。
三次反射棱镜
斯密特棱镜：
1,奇次反射成镜像 2,折叠光路，使得
仪器紧凑
屋脊棱镜：
由一整块光学玻璃制成，从原理上看，是一种直角棱镜叠加在
几何光学
3.符号法则
1．物距：物与入射光线在界面的同侧，S为正，实 物；反之，S为负，虚物。 2．像距：像与出射光线在界面的同侧，S′为正， 实像；反之，S′为负，虚像。 3．曲率半径R、焦距 f ：曲率中心C与出射光线在 界面的同侧，R、f 为正(如：凹球面镜)，反之为 负(如：凸球面镜)。 4．垂直于光轴的横向线段：光轴上方为正，光轴 下方为负。
则不能把光束简化为光线。
4
5、费马原理
光沿着光程为极值（可以是极大值、 极小值，也可以是常量）的路径传播。 数学表达式为： 或
B
A
ndr 极值
ndr 0
A
B
费马原理是一个确定光线传播轨迹的原理。 从理论上可以取代前述的三定律而作为几何 光学的基础。
5
5、费马原理
由费马原理导出几何光学定律
凸透镜是最简单的放大镜，用于放大物对人眼的张角。 人眼的近点约在距眼睛25cm处——明视距离
h 25cm
h f
角放大率：
25cm m f
25
2.显微镜
——可获得较大的放大率以观察微小物体的双会聚透镜系统。 物体紧靠在物镜第一焦点的外侧。
fo s1 其中物镜横向放大率 m s1 fo
单球面折射成像公式
15
例9.1：在油液（折射率为1.33）中有一圆柱状长玻璃棒， 棒的一端为曲率半径R=3cm半球面，玻璃的折射率为 1.52，在棒轴上距端点9cm的P处有一点状物体，求像的 位置。PFra bibliotek P解：
n1 n2 n2 n1 S S' R
1.33 1.52 1.52 1.33 9 S' 3
几何光学
几何光学的基本定律
m
s
ni li
i 1
B
s A ndl
2）费马原理：光线从A到B，经过任意屡次折射或反射，其光程为极值。 （对s旳一次微分为零）
B
s A ndl 0
能够解释光旳直线传播、反射、折射定律。
2024/9/22
11
4. 马吕斯定律（波面与光束、波面与光程旳关系）
垂直于波面旳光线经过任意次折射、反射，出射波面仍与出射光 束垂直，且入射波面与出射波面相应点之间光程相同。
第一章 几何光学旳基本定律与成像概念
一、基本概念(光波、光源、光线、波面、光束)
1. 光波— 电磁波（横波）
2024/9/22
1
可见光波长：400nm—760nm 4000Å－7600 Å 0.4μm—0.76μm
在可见光范围内，不同波长引起不同颜色感觉。 单色光— 具有单一波长旳光。 几种单色光混合而成为“复色光”。 真空中光速 c=3×108m/s 介质中光速 v=c/n
与入射光线所在介质折射率之比。
折射定律可表达为：
sin I sin I
n n
或： n sin I nsin I
若令 n n，得 I I ，即为反射定律。
这表白反射定律能够看作为折射定律旳一 种特例。
2024/9/22
7
两种现象：光路旳可逆性及全反射 光路旳可逆性：假定某一条光线，沿着一定旳路线。由A传播到B， 假如我们在B点沿着出射光线，按摄影反旳方向投射一条光线，则此 反向光线仍沿着此同一条路线，由B传播到A。光线传播旳这种性质， 叫做“光路可逆性”。
n1 QQ n2 OO QQ OQ sin I1
OO OQ sin I 2
n1 sin I1 n2 sin I 2
几何光学三定律
线所确定。
反射光线和入射光线分居法线两侧
02
反射光线不会与入射光线重合，而是分别位于法线的两侧。
反射角等于入射角
03
反射角是反射光线与法线的夹角，入射角是入射光线与法线的
夹角。根据反射定律，这两个角度是相等的。
镜面反射与漫反射
镜面反射
发生在光滑的表面上，如镜子。反射 光线遵循反射定律，形成规则的反射 图像。
优点与应用
光纤通信具有传输速度快、容量大、抗干扰能力强等优点，广泛应用于电话、电视、互联 网等领域。
THANKS
感谢观看
射率之比。
三定律在光学中的地位和作用
光的直线传播定律是几何光学的基础，它解释了光在均匀介质中的传播行为。
光的反射定律和折射定律则是研究光在不同介质间传播时的基本规律，对于理解光 的传播、成像以及光学仪器的设计等方面具有重要意义。
三定律在光学中具有重要的地位和作用，它们是研究光学现象的基础，也是解决光 学问题的关键。
光纤通信
利用光的全反射原理，在光纤中传 输信息。这是现代通信领域的重要 技术之一。
03
光的折射定律
折射定律内容
折射光线位于入射光线和法线所决定 的平面内，且折射光线和入射光线分 别位于法线的两侧。
入射角的正弦和折射角的正弦之比等 于光在两种介质中的速度之比，或等 于光在两种介质中的波长之比。
折射现象的解释
全反射的应用与防止
全反射的应用
光纤通信利用全反射原理，使光线在光纤内不断全反射而传输信号；全反射棱镜用于改变光路方向；全反射现象 还用于制作各种光学仪器和装置。
全反射的防止
在某些情况下，需要避免全反射的发生，例如在眼镜、相机镜头等光学器件中，通过采用多层膜技术或特殊材料 来减少或消除全反射引起的眩光和鬼影等问题。
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I -I n n
I 反射和折射定律
说明 (a) 上面结论i和ii即为反射定律，结论i和iii为折射定律；
(b) 反射定律可以看作折射定律的特殊形式；
n－>n＝－n，I－>I；
(c) 介质界面及曲率半径均较波长大得多，反射和折射定律在曲面的 局部仍适用。
(3) 折射定律的矢量形式—光的反射折射定律
A=n A0
A' A ΓtN0,
Γ
为折射偏向常数
t
Γt n'2 n2 (A N0 )2 A N0
A’=n’A’0 I’
I
N0
t
n n’
A' A [ n'2 n2 (A N0 )2 A N0 ]N0 折射定律矢量表示
说明 (1) N0方向从入射介质指向折射介质, 判断方法—A﹒N0>0 (2) |A|=n
§7.1几何光学的基本概念和定律
一、几何光学的基本概念 二、几何光学的基本定律
1、光的直线传播定律 2、光的独立传播定律 3、反射和折射定律 4、费马(Fermat)原理(1661年提出) 5、马吕斯(Malus)定律(1808年提出)
三、光学系统及其完善像
一、几何光学的基本概念－§7.1基本概念和定律
(1) 光程 (2) Fermat原理内容 (3) 推导光的直线传播定律 (4) 推导光的反射定律 (5) 推导光的折射定律
(1) 光程－费马原理
光程 指光在介质中经过的几何路径和介质折射率的
乘积，以字母L表示。
均匀介质中：L＝n×s
其中n为介质的折射率，s为光经过的几何路径。
非均匀介质中
(4) 反射定律的矢量形式—光的反射折射定律
A'' A ΓrN0
Γ
为反射偏向常数
r
Γr 2A N0 A' ' A 2(A N0 )N0
A=nA0
-I
I
n
A=n A0
N0 t
n
折射定律矢量表示
说明: (1) N0方向从入射介质指向折射介质, 判断方法—A﹒N0>0 (2) |A|=n
(5) 连续质介中光波的传播—光的反射折射定律
I n
I
n
n’ I’
n=n’, I=I’
n’ I’
n<n’, I>I’
结论: 光在介质中传播时,有偏向折射率
较高一侧的趋势
根据上述定性结论,可以对渐变介质中 光波传播作定性的分析
I n
n’ I’
n>n’, I<I’
4、费马(Fermat)原理－几何光学的基本定律
1、光源
能够辐射光能的物体。
点光源：光源的大小相对辐射光能的作用距离小得可以 忽略时，光源可以视为点光源；
2、波阵面 某一时刻，同一光源辐射场的位相相同的点构
成的曲面。
一、几何光学的基本概念－ § 7.1基本概念和定律
3、光线
光线特征：
(1) 光线无直径、无体积，能量密度无限大 (2)在同一点，同一光源的光线和波面垂直，即波面
的法线方向为光线的方向
4、光路：光线的传播路径。
一、几何光学的基本概念－§7.1基本概念和定律
5、光束：和同一波面对应的 会聚的同心光束
平行光束
像散光束
1、光的直线传播定律－几何光学的基本定律 内容：
在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播。
说明： (1)光线为直线;
实验装置:和Kepler实验装置基本相同。
结
论: 比值OS/OS恒为常数。
OS OP / cosa, OS' OP/cosb OS / OS' cosb / cosa
a OP
b
S
S’
Snell实验结果图
(上面定义的入射角和折射角和平时定义的正好互余，所 以OS/OS相当于平时定义的折射角和入射角的正旋比。)
A
说明: 该处极值可以是极大值、极小值或常值.
Fermat原理的极值问题
极值可以是极大值、极小值或常值.
A
B
L2
A
BL1
A
B
常值
极大
Fermat原理取极值的几种情况
极小
随遇平衡
不稳平衡
稳定平衡
5、马吕斯(Malus)定律－几何光学的基本定律
A1 B2
C3
1’
A’
光 学
2’ B’
系
3’ C’
统
p1
B
L n(s)ds
A
光程为光在介质中传播的时间和真空中光速的乘积.
L
B
n(s)ds
B
cds / v(s)
tB cdt ct
A
A
tA
(2) Fermat原理内容－费马原理
光线从任一点A传播到另一点B，是沿光程为极值
的路径传播。
数学表示： L
B
n(s)ds 0
Malus定律的解释图
p2
(1)内容 垂直于入射波面的入射光束，经过任意次的反射和
折射后，出射光束仍然垂直于出射波面，并且在入射波面和 出射波面间所有光路的光程相等。
(2)数学表示
A'
B'
A'' A ΓrN0 A 2(A N0 )N0
(5) 连续质介中光线的传播
(1)-a 开普勒实验(1611年)—光的反射折射定律
L
M
B
C N
D
b
E
J
F
G
a
H
开普勒比较入射角和折射角 的实验装置
tana CJ
JG
tan b CJ
JF
(1)-b斯涅耳实验(1621年)—光的反射折射定律
B
P
A
3、光的反射折射定律－几何光学的基本定律
(1) 实验
(a) 开普勒实验(1611年) (b) 斯涅耳实验 (1621年)
(2) 内容 (3) 折射定律的矢量形式
A' A ΓtN0 A [ n'2 n2 (A N0 )2 A N0 ]N0
(4) 反射定律的矢量形式
(2)光的传播速度(相速)： v 1/
(3)介质的折射率：n c / v rr 。
A
2、光的独立传播定律－几何光学的基本定律
内容： 沿不同方向传播的光线，通过空间一点，彼此 互不影响，各光线独立传播。
光线和电力线、磁力线比较： 光线——无叠加定理，可以相交；
电力线和磁力线——有叠加定理，不能相交。
— (2) 内容 光的反射折射定律
光线从折射率为n的介质入射到折射
率为n的介质中，设入射角、反射角和折 射角分别为I、I和I，如果规定光线按照
锐角旋转到法线方向，顺时针为正，逆 时针为负，则
(i)入射光线和反射光线、折射光线分 居法线两侧，并且它们和法线共面；
(ii) I= -I； (iii) n sinI=n sinI。