应用光学课件 (1)[46页]

1、光波:
本质：电磁波，380nm---780nm。
传播速度：c ≈3×108 m/s，在介质中 n(λ)=C/V(λ)
单色光（具有单一波长的光）和复色光（由不同的单 色光混合而组成的光）
2、光源与发光点：
光源（发光体）：能够辐射光能的物体。 发光点（点光源）：辐射光能量的几何点。
§1.1.1 基本概念
（2）入射角大于临界角。
应用：（1）光纤（图1-4）
（2）反射棱镜（图1-5）等
§1.1.3 费马原理
1、光程：
光在介质中传播的几何路程l与该介质折射 率n的积s，即：S=nl=cl/v=ct 见图1-6
2、原理内容：
光从一点传播到另一点时，其间无论进行了多少 次反射或折射，其光程为极值。光是沿着光程是极 值的方向传播的。
§1.2.2 完善成像条件
（见图1-9） 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。 表述三： 物点及像点之间的任意两条光路的光程相等。
n1A1E n1EE1 n2E1E2 nk ' Ek E'nk ' E' Ak ' n1;nk 'O' Ak ' C
§1.3.1 基本概念与符号规则
1、 基本概念
光轴：通过球心C的直线 顶点：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：顶点O到光线与光轴交点A的距离 物方孔径角：入射光线与光轴的夹角 像方截距： 像方孔径角：
§1.3.1 基本概念与符号规则
2、符号规则
1） 沿轴线段（L,L',r）：规定光线的方向自左向右，以折射面 顶点O为原点，由顶点到光线与光轴交点或球心的方向和光线 传播的方向相同为正，反之为负。
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。
4、波面与光束
波面：振动位相相同的点在一瞬间所构成的曲面
光束：与波面对应的法线束 光波的分类：（见图1-1）
§1.1.2 几何光学的基本定律
1、光的直线传播定律
在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线方向传播的
2、光的独立传播定律
➢ 主要内容： §1.1 几何光学的基本定律和原理 §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 §1.4 球面光学成像系统
总结
§1.1 几何光学的基本定律和原理
§1.1.1 基本概念 §1.1.2 几何光学的基本定律 §1.1.3 费马原理 §1.1.4 马吕斯定律
§1.1.1 基本概念
➢ 马吕斯定律描述了光经过任意多次折、反射后，光束与 波面、光线与光程之间的关系。
§1.2 成像的基本概念与完善成像条件
§1.2.1 光学系统与成像概念 §1.2.2 完善成像条件 §1.2.3 物、像的虚实
§1.2.1 光学系统与成像概念
1、光学系统的作用：
对物体成像，扩展人眼的功能。
2、完善像点与完善像：
§1.1.2 几何光学的基本定律
5、全反射及其应用（原理如图）
注意：
光密介质（折射率较高的介质）
光疏介质（折射率较低的介质）
临界角 （折射角等于90的入射角）
由折射定律可求出临界角Im
nsinI n'sin I ' (I ' 90） sinIm n'n
全反射条件： （1）光线从光密介质进入光疏介质；
若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍为同心 光束，该光 束中心即为该物点的完善像点。 完善像是完善像 点的集合。
3、物空间、像空间：
物所在的空间、像所在的空间。
4、共轴光学系统：
若光学系统中各个光学元件表面的曲率中心在一条直线上 ，则该光学系统是共轴光学系统。
5、光轴：
各光学元件表面的曲率中心的连线。
§1.2.3 物（像）的虚实
1、实物（像）：
由实际光线相交会聚所形成的的物（像）。
2、虚物（像）：
由光线的延长线相交所形成的物（像）。
图1-10分别表现了不同的情形。 请注意实物、实像、虚物、虚像以及物空间、
像空间。
§1.3 光路计算与近轴光学系统
§1.3.1 基本概念与符合规则 §1.3.2 实际光线的光路计算 §1.3.3 近轴光线的光路计算
工程光学上篇 几何光学
前言
第一章 几何光学基本定律与成像概念 第二章 理想光学系统 第三章 平面与平面系统 第四章 光学系统中的光束限制 第六章 光线的光路计算及相差理论 第七章 典型光学系统 第九章 光学系统的像质评价和像差公差
第一章 几何光学基本定律与成像概念
➢ 以光线为基础、用几何方法来研究： 光在介质中的传播规律 光学系统的成像特性
3、解释：
在均匀介质中，光沿着直线传播。在非均匀 介质中，光不再沿直线传播，此时折射率n为空 间位置的函数，其光程应有极值。
费马原理的验证
§1.1.4 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。这种正交性表明，垂直于波面的光线束 经过任意多次折、反射后，无论折、反射面形如何，出 射光束仍垂直于出射波面。
6）折射面间隔（d）：由前一面的顶点到后一面的顶点，顺光 线方向为正，反之为负。（折射系统中，d恒为正）
§1.3.2 实际光线的光路计算
已知：折射球面曲 率半径r，介质折射 率为n和n,及物方坐 标L和U。
sin(180 - I ) sin(U )
不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互 不影响，各光束独立传播
3、反射定律：（图1-2）
I"=-I
注意：光路的可逆性原理
§1.1.2 几何光学的基本定律
4、折射定律：（图1-2）
sinI n' 或 n sin I n'sin I ' sin I ' n
注意区别：绝对折射率、相对折射率
拓展：负折射率，隐形材料
2） 垂轴线段（h）：以光轴为基准，在其上为正，反之为负。 3）光线与光轴的夹角（U,U'）：用光轴转向光线所形成的锐角
来度量，顺时针为正，反之为负。
§1.3.1 基本概念与符号规则
4） 光线与法线的夹角（I，I'）：由光线以锐角转向法线， 顺时针为正，反之为负。
5）光轴与法线的夹角（Φ）：由光轴以锐角转向法线，顺时 针为正，反之为负。