第十六章几何光学础详解

第十六章 几何光学
16－2 光在球面上的反射和折射
一、实像与虚像 实物与虚物
1. 同心光束：各光线本身或其延长线相交于一点，这样 的光束称为同心光束(concentric beam).
2. 光具组：变换入射同心光束的反射面或折射面的组合 叫做光具组. 3. 物和像
实物 未经光学系统变换的发散同心光束的中心. 虚物 未经光学系统变换的会聚同心光束的中心. 实像 经光学系统变换后的会聚同心光束的中心. 虚像 经光学系统变换后的发散同心光束的中心.
折射角 i2
介质2
折射光线
n1 sin i1 n2 sin i2
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大学物理学
第十六章 几何光学
n12
n2 n1
第2种媒质相对于第一种媒质的折射率.
n1
c v1
, n2
c v2
折射率越大，传播速度越小。
sin i1 v1 sin i2 v2
临界角(critical angle) ic 相对 于90°折射角的入射角.
r
n2
i
ic
ic
n1
全反射(total reflection) 当入射角 i 大于临界角 ic 时， 将不会出现折射光，入射光的能量全部反射回原来介质
的现象.
ic
arcsin
n2 n1
sin r n1 sin i 1
n2
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S 会聚同 心光束
S
见教材P170图
18-2-1
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二、光在单球面上的折射
傍轴光线(paraxial ray) 与光轴夹角较小，并靠近光轴的光线.
傍轴光线条件下，近似成像是可能的.
u
n
p
iM
hs 2
n
i
p
u'
Q
AH r C
Q'
sin i
n2
n1
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产生全反射的条件： 1. 光需由光密介质射向光疏介质. 2. 入射角大于临界角.
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水柱引导光线的行进
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n n Φ
r Φ 0 会聚，Φ 0 发散
单位：m-1
0,n' n,i' i,聚 0, n' n,i' i,散
屈光度 D (diopter) Φ 的非法定计量单位
Leabharlann BaiduOctober 1, 2020
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光焦度表示单球面屈折光线的本领
实线相交为实，虚线相交为虚。
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发散同 心光束
S
实物(real object)实像(real image)
会聚同 心光束
S
会聚 同 心光 束
虚物(virtual object )实像
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➢与球面两边介质折射率差 n' n 成正比
➢与球面半径成反比，球面越“屈”，半径越小，光焦度越大
一旦球面半径r确定，球面两边介质(n, n’)确定
➢物距s和相距s’要受给定条件(r, n, n’)限制 n n ' n ' n s s' r
➢给定s，光焦度越大，光线弯曲越厉害，s’越小 ➢给定光焦度，s越大，s’越小
几何光学 以光的直线传播性质为基础，研究光在 透明介质中的传播问题的光学.
波动光学 以光的波动性质为基础，研究光的传播及 其规律的光学理论.
量子光学 以光和物质相互作用时表现出的粒子性和 量子性为基础而建立的光学理论.
物理光学
波动光学 复杂振动
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介质 金刚石 玻璃 水晶 岩盐
冰
几种介质的折射率
折射率
介质
2.42 1.50 ~ 1.75
水 酒精
1.54 ~ 1.56
乙醚
1.54
水蒸气
1.31
空气
折射率 1.33 1.36 1.35 1.026 1.0003
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r , n n 0 单个平面折射成像公式 s s
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第十六章 几何光学
16－1 几何光学基本定律 16－2 光在球面上的反射和折射 16－3 薄透镜
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16－1 几何光学的基本定律
一、几何光学的基本定律 1. 光的直线传播定律：光在真空 或均匀介质中沿直线传播.
2. 光的独立传播定律：来自不 同方向或不同物体发出的光线 相交，对每一条光线的独立传 播不发生影响.
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s
s'
傍轴条件 h2 s2, s2, r 2; u2,u2, 2 1
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傍轴区域(paraxial region) 的物象关系：
n n n n 可由费马定理推导 s s r
光焦度(focal power)：表征球面屈折光线本领的常数.
介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光波波长有 关. 在同一种介质中波长越短的光折射率越大. 故同一介质 对紫光折射率最大，对红光折射率最小.
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二、全反射
n1 sin i n2 sin r 当 n1 n2 有 i r
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3. 光的反射与折射定律： (1) 反射线与折射线均在入射面内.
i1 i1
(2) 反射角等于入射角. (3) 折射角与入射角正弦之比 入射光线
法线 反射光线
与入射角无关，是一个与媒介 有关的常数.
入射角 i 反射角i1’ 介质1
sin i1 n2 sin i2 n1