几何光学的基本定律
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3
入射激光束
1物
2 传输过来的像
3 可弯曲的纤维束
3600平面光束的形成
A
I
-I”
B
分划板照明
n
c
5、光路的可逆性
I’
n
n n
13
6、费马原理: 光从一点传播到另一点，其光程为极值。
s nl ct
s ndl 0
A
B
几何光学的基本定律 n B dl A
s ndl 0
21
光路计算与近轴光学系统
二、实际光线和近轴光线的光路计算
L
L’ ——折射面或反射面到像的距离（像方截距）
U——入射光线和光轴倾斜的角度（物方孔径角） U’ ——出射光线和光轴倾斜的角度（像方孔径角）
f ——光轴与法线的夹角
20
光路计算与近轴光学系统
2、符号规则 （一）光线行进方向从左向右。 （二）沿轴线段：以球面顶点O为原点，与光线行进方向 相同者为正，与光线行进方向相反者为负。 （三）垂轴线段：以光轴为界，在光轴之上为正，在光轴 之下为负。 (四）角度符号（一律以锐角来衡量）： (1) 光线与光轴的夹角：光轴转向光线，顺时针为正， 逆时针为负。 (2) 光线与法线的夹角：光线转向法线，顺时针为正， 逆时针为负。 (3) 光轴与法线的夹角：光轴转向法线，顺时针为正， 逆时针为负。
工程光学
王红敏
1
工
程
光
学
• 绪论 • 第1章 几何光学基本定 律与成像概念 • 第2章 理想光学系统 • 第3章 平面与平面系统 • 第4章 光学系统中的光 束限制
• 第5章 光度学基础 • 第6章 光线的光路计 算及像差理论 • 第7章 典型光学系统 • 第8章 现代光学系统 • 第9章 光学系统的像 质评价
面为球面。（会聚光束、发散光束） 6、平行光束——没有聚交点而互相平行的光线束．对应的波面为平面．
7、像散光束——不聚交于同一点或不是由同一点发出的光束．对应的波面 形状为非球面。
同心光束
平行光束
像散光束
9
几何光学的基本定律
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、光的反射和折射定律——两种介质
I’
A
I
-I”
B
n
c
n
n n
I I
n sin I n sin I
n’=-n
10
反射定律：
几何光学的基本定律
① 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面；
② 反射光线和入射光线位于法线两侧，且反射角与入射角绝对值相等， 符号相反。
折射定律：
① 折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内； ② 折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅取决于
工程光学的研究内容及应用 工业、农业、医疗、航空航天、国防等
6
第1章 几何光学基本定律 与成像概念
• §1.1 几何光学的基本定律 • §1.2 成像的基本概念与完善成像条件 • §1.3 光路计算与近轴光学系统
7
几何光学的基本定律
第一章
几何光学的基本原理
§1.1几何光学的基本定律
一、几个基本概念
电磁波名称 中波（ MF ） UHF 超高频 微波 红外线（ IR ） 红色光 可见光 紫色光 紫外线（ UV ） X- 光 伽玛射线
主要用途 收音机 电视 雷达、微波炉 红外线照相
杀菌 分析、诊断 治疗等民生应用
5
几何光学及其适用范围
光学一直在发展之中并会有更大的发展
（1）初级光学阶段 （2）经典光学阶段 （3）近代光学阶段
2
绪论
红 外
>770
A’
b 红
C
C’ 橙
D 黄
d
e 绿
F 青
g
G’ 兰
h 紫
紫 外
<400
3
766.5 709.5 656.3 643.9 589.3 587.6 546.1 486.1 435.8 434.1 404.7
4
波长（cm） 104 102 1 10-3 0.76×10-4 0.76 ×10-4~0.38×10-4 0.38×10-4 千万分之 1 （10-7） 一亿分之 1 （10-8） 百亿分之 1 （10-9） 千亿分之 1 （10-10）
A
B
稳定值
A N
极大值
B
d1
A
I
O
O
O’
C
Z
L
n n’
d2
I’
A’
Z
L
B
14
几何光学的基本定律
7、马吕斯定律：光线与波面的正交性。入、出射波面对应点间光程为定值。
生活中光的应用实例
海市蜃楼
彩色喷泉
钻石
15
几何光学的基本定律
16
成像的基本概念与完善成像条件
§1.2
成像的基本概念与完善成像条件
一、光学系统与物像概念 完善像点 系统 光轴 完善像 物空间 像空间 光学系统 共轴光学
1、 发光点：一个既无大小又无体积的几何点。 2、 发光体（光源）：能辐射光能量的物体。 许多发光点组成 3、光线: 无直径、无体积携带光能带有方向的几何线，代表光的传播方向。 4、 波面：同一时刻振动位相相同的点构成的等相位面。 光束
8
几何光学的基本定律
5、同心光束：——相交于同一点或由同一点发出的一束光线．其对应的波
两种介质的性质。
4、光的全反射： ① 光线从光密介质射向光疏介质； ② 入射角大于临界角。
sin I m n sin I n n sin 90o n n n
11
几何光学的基本定律
A
n
n
Im
n n
减少光能损失
全反射棱镜、光导纤维、分划板照明、3600平面光束仪
12
几何光学的基本定律
二、完善成像条件
入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。
或
或
入射光为同心光束时，出射光也为同心光束。
物点A1和像点Ak’之间任意两条光路的光程相等。
17
成像的基本概念与完善成像条件
共轴光学系统
w
E1
Ek
w’
A1
01
02
0k
Ak
18
三、物像的虚实
成像的基本概念与完善成像条件
四、物像的相对性 A’B’相对镜子成像来说它是像；相对人眼成像来说它又是物；而对 整个光组(包括镜子和人眼)成像来说，A’B’为中间像。 所以，人眼从镜子里看物体，实际上经过了二次成像。 凡研究成像过程中谈及物像关系时，均需指出它们所针对的光组。 共轭性：共轭点、共轭线、共轭面。
19
§1.3 光路计算与近轴光学系统
一、基本概念与符号规则 1、常用符号：
wenku.baidu.com
光路计算与近轴光学系统
n
y
U
I
h
I
n
n 、n’ ——折射率
r ——球面的曲率半径 y—— 物体的大小
o
U
r
L
y
y’—— 像的大小
I——光线的入射角 I’——光线的折射角 L——物体到折射面或反射面的距离（物方截距）
入射激光束
1物
2 传输过来的像
3 可弯曲的纤维束
3600平面光束的形成
A
I
-I”
B
分划板照明
n
c
5、光路的可逆性
I’
n
n n
13
6、费马原理: 光从一点传播到另一点，其光程为极值。
s nl ct
s ndl 0
A
B
几何光学的基本定律 n B dl A
s ndl 0
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光路计算与近轴光学系统
二、实际光线和近轴光线的光路计算
L
L’ ——折射面或反射面到像的距离（像方截距）
U——入射光线和光轴倾斜的角度（物方孔径角） U’ ——出射光线和光轴倾斜的角度（像方孔径角）
f ——光轴与法线的夹角
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光路计算与近轴光学系统
2、符号规则 （一）光线行进方向从左向右。 （二）沿轴线段：以球面顶点O为原点，与光线行进方向 相同者为正，与光线行进方向相反者为负。 （三）垂轴线段：以光轴为界，在光轴之上为正，在光轴 之下为负。 (四）角度符号（一律以锐角来衡量）： (1) 光线与光轴的夹角：光轴转向光线，顺时针为正， 逆时针为负。 (2) 光线与法线的夹角：光线转向法线，顺时针为正， 逆时针为负。 (3) 光轴与法线的夹角：光轴转向法线，顺时针为正， 逆时针为负。
工程光学
王红敏
1
工
程
光
学
• 绪论 • 第1章 几何光学基本定 律与成像概念 • 第2章 理想光学系统 • 第3章 平面与平面系统 • 第4章 光学系统中的光 束限制
• 第5章 光度学基础 • 第6章 光线的光路计 算及像差理论 • 第7章 典型光学系统 • 第8章 现代光学系统 • 第9章 光学系统的像 质评价
面为球面。（会聚光束、发散光束） 6、平行光束——没有聚交点而互相平行的光线束．对应的波面为平面．
7、像散光束——不聚交于同一点或不是由同一点发出的光束．对应的波面 形状为非球面。
同心光束
平行光束
像散光束
9
几何光学的基本定律
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、光的反射和折射定律——两种介质
I’
A
I
-I”
B
n
c
n
n n
I I
n sin I n sin I
n’=-n
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反射定律：
几何光学的基本定律
① 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面；
② 反射光线和入射光线位于法线两侧，且反射角与入射角绝对值相等， 符号相反。
折射定律：
① 折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内； ② 折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅取决于
工程光学的研究内容及应用 工业、农业、医疗、航空航天、国防等
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第1章 几何光学基本定律 与成像概念
• §1.1 几何光学的基本定律 • §1.2 成像的基本概念与完善成像条件 • §1.3 光路计算与近轴光学系统
7
几何光学的基本定律
第一章
几何光学的基本原理
§1.1几何光学的基本定律
一、几个基本概念
电磁波名称 中波（ MF ） UHF 超高频 微波 红外线（ IR ） 红色光 可见光 紫色光 紫外线（ UV ） X- 光 伽玛射线
主要用途 收音机 电视 雷达、微波炉 红外线照相
杀菌 分析、诊断 治疗等民生应用
5
几何光学及其适用范围
光学一直在发展之中并会有更大的发展
（1）初级光学阶段 （2）经典光学阶段 （3）近代光学阶段
2
绪论
红 外
>770
A’
b 红
C
C’ 橙
D 黄
d
e 绿
F 青
g
G’ 兰
h 紫
紫 外
<400
3
766.5 709.5 656.3 643.9 589.3 587.6 546.1 486.1 435.8 434.1 404.7
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波长（cm） 104 102 1 10-3 0.76×10-4 0.76 ×10-4~0.38×10-4 0.38×10-4 千万分之 1 （10-7） 一亿分之 1 （10-8） 百亿分之 1 （10-9） 千亿分之 1 （10-10）
A
B
稳定值
A N
极大值
B
d1
A
I
O
O
O’
C
Z
L
n n’
d2
I’
A’
Z
L
B
14
几何光学的基本定律
7、马吕斯定律：光线与波面的正交性。入、出射波面对应点间光程为定值。
生活中光的应用实例
海市蜃楼
彩色喷泉
钻石
15
几何光学的基本定律
16
成像的基本概念与完善成像条件
§1.2
成像的基本概念与完善成像条件
一、光学系统与物像概念 完善像点 系统 光轴 完善像 物空间 像空间 光学系统 共轴光学
1、 发光点：一个既无大小又无体积的几何点。 2、 发光体（光源）：能辐射光能量的物体。 许多发光点组成 3、光线: 无直径、无体积携带光能带有方向的几何线，代表光的传播方向。 4、 波面：同一时刻振动位相相同的点构成的等相位面。 光束
8
几何光学的基本定律
5、同心光束：——相交于同一点或由同一点发出的一束光线．其对应的波
两种介质的性质。
4、光的全反射： ① 光线从光密介质射向光疏介质； ② 入射角大于临界角。
sin I m n sin I n n sin 90o n n n
11
几何光学的基本定律
A
n
n
Im
n n
减少光能损失
全反射棱镜、光导纤维、分划板照明、3600平面光束仪
12
几何光学的基本定律
二、完善成像条件
入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。
或
或
入射光为同心光束时，出射光也为同心光束。
物点A1和像点Ak’之间任意两条光路的光程相等。
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成像的基本概念与完善成像条件
共轴光学系统
w
E1
Ek
w’
A1
01
02
0k
Ak
18
三、物像的虚实
成像的基本概念与完善成像条件
四、物像的相对性 A’B’相对镜子成像来说它是像；相对人眼成像来说它又是物；而对 整个光组(包括镜子和人眼)成像来说，A’B’为中间像。 所以，人眼从镜子里看物体，实际上经过了二次成像。 凡研究成像过程中谈及物像关系时，均需指出它们所针对的光组。 共轭性：共轭点、共轭线、共轭面。
19
§1.3 光路计算与近轴光学系统
一、基本概念与符号规则 1、常用符号：
wenku.baidu.com
光路计算与近轴光学系统
n
y
U
I
h
I
n
n 、n’ ——折射率
r ——球面的曲率半径 y—— 物体的大小
o
U
r
L
y
y’—— 像的大小
I——光线的入射角 I’——光线的折射角 L——物体到折射面或反射面的距离（物方截距）