应用光学第二版胡玉禧课件第一章

c n= v
（1-3）
第一章
几何光学基本定律与成像概念
一、光的传播现象的分类
灯泡
空气
玻璃
第一章
几何光学基本定律与成像概念
光的传播可以分类为：
1、光在同一种介质中的传播；
2、光在两种介质分界面上的传播。
第一章
几何光学基本定律与成像概念
二、几何光学基本定律 1、光线在同一种均匀透明介质中时：直线传播
第一章
几何光学基本定律与成像概念
二、费马原理（极值光程定律，光线传播规律的又 一种表述形式） 1、费马原理——光从一点传播到另一点，其间 无论经历多少次折射或反射，其光程为极值。
n
即 或
σs =σ∫ ndl= 0
A
B
B
dl
A
非均匀介质中的光线与光程
1 B δt = δ [ ∫ ndl] = 0 c A
光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起 来，满足一定的要求
第一章
几何光学基本定律与成像概念
光学系统分类
按有无对称轴分： 共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统：没有对称轴线 按介质分界面形状分： 球面系统：系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：系统中包含有非球面 共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一 条对称轴线 今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统
第一章
几何光学基本定律与成像概念
二、成像基本概念 1、透镜类型 正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚
透镜 会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转
负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散
透镜 发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转
2、透镜作用－－－成像（光学系统）
第一章
ຫໍສະໝຸດ Baidu
几何光学基本定律与成像概念
何谓几何光学？ 电磁波谱表——
x射线 γ射线 紫外 红外 微波 无线电波 长波
宇宙 射线
10-15 10-13 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 紫 靛 蓝 绿 黄 橙 红
1
102
104
106
波长m
波长 nm
第一章
几何光学基本定律与成像概念
N C O
I2
第一章
几何光学基本定律与成像概念
入射面：入射光线和法线所构成的平面 反射定律：反射光线位在入射面内； 反射角等于入射角 I1=R1。 折射定律：折射光线位在入射面内； 入射角正弦和折射角正弦之比，对两种一 定介质来说是一个和入射角无关的常数 。 Sin I1 Sin I2
= n1, 2
第一章
几何光学基本定律与成像概念
本章内容—— 概述，作业题， 复习练习题 §1-1 光波和光线 §1-2 光线的传播规律 §1-3 马吕斯定律和费马原理 §1-4 光路可逆和全反射 §1-5 光学系统及成像的基本概念 §1-6 理想像和理想光学系统
第一章
几何光学基本定律与成像概念
本章概述:几何光学的基本概念（如光线、波面、光束、全反射、 理想成像和理想光学系统等）；几何光学的基本定律（光的直线 传播定律、光的独立传播定律、光的反射定律 、光的折射定律等）； 费马原理和马吕斯定律及其物理含义。 学时分配： 0.5 + 0.5 + 1.0 + 0.5 + 0.5 + 1.0 = 4.0 学时 作业：习题（2）,补充题（1） 作业： 练习：习题（2） 练习： 例题：习题（2），据费马原理证明折射定律
第一章
几何光学基本定律与成像概念
Π S P
3、费马原理的应用 1）证明光的反射定律： ①先证明入射光线、反射 光线与法线在同一平面
Π
B
o
Σ B′
o′
图1
S
P I B b
②证明反射角等于入射角
o
h
x a
a-x
图2
o′
2）证明光的折射定律
第一章
§1-4
几何光学基本定律与成像概念
光路可逆和全反射
一、光路的可逆性
§1-6
几何光学基本定律与成像概念
Aˊ B
理想像和理想光学系统
一、共轴理想光学系统成像性质 1、共轴理想光学系统 2、共轴理想光学系统成像性质
A
Bˊ
过光轴的截面
1）轴上物点对应的共轭像点在光轴上; 2)位于过光轴的某一截面内的物点，其对应的像点也一 定在该平面内； 3)过光轴的任意截面成像性质都是相同的; 4）垂直于光轴的物平面的共轭像面也一定垂直光轴；
n= c v c v= n
得
火石玻璃 加拿大树胶
c 3 ×108 v1 = = = 1.818 ×108 (m / s ) n1 1.65 c 3 ×108 v2 = = = 1.966 ×108 (m / s ) n2 1.526
课堂练习：判断光线如何折射
I 1
空气 n=1 水 n=1.33 I 2
第一章
§1-1 一、光波
几何光学基本定律与成像概念
光波和光线
1、光波——电磁波，波长范围：10～106nm ； 2、可见光（400-760nm)；红外光（760nm1mm) ；紫外光（400-10nm) ；真空光波 (c=300000km/s)；介质中v<c； 3、单色光——只有一种波长的光； 复色光——不同单色光混合而成的光；
I 1
玻璃 n=1.5 空气 n=1
I1 c 空气 n小 玻璃 n大 空气 n小 玻璃 n大
第一章
几何光学基本定律与成像概念
§1-3 马吕斯定律和费马原理 一、马吕斯定律 1、“光程”概念
L=nS=ct L = ∫ ndl （1-6）
n S
2、马吕斯定律 对光线传播规律的另一种形式。 与某一曲面（波面）垂直的一束光线，经任意次的 折射、反射后，必定与另一曲面垂直，并且在这两 个曲面之间的所有光线的光程相等。 两个波面之间的所有光线的光程都相等。
n1,2称为第二种介质相对于第一种介质的折射率
第一章
几何光学基本定律与成像概念
对于不均匀介质
可看作由无限多的均匀介质组合而成，光线 的传播，可看作是一个连续的折射
第一章
几何光学基本定律与成像概念
例1(习题1部分)．已知真空中的光速c=3 108m/s,求光在火石玻 璃（n=1.65)和加拿大树胶（n=1.526)中的光速。 解：根据折射率与光速的关系
物空间：物所的空间
实物空间：系统第一面以前的空间 虚物空间：系统第一面以后的空间 整个物空间包括实物和虚物空间
注意： 虚物的产生 虚像的检测
物像空间折射率确定 物空间折射率： 按实际入射光线所在的空间折射率计算 像空间折射率 按实际出射光线 所在的空间折射率计算
第一章
第一章
几何光学基本定律与成像概念
二、发光体与发光点
1、发光体（光源）（含自发光和反射光的物体） 2、发光点（点光源） 三、波面 即 波阵面——光振动相位相同的点构成的曲面
第一章
四、光线
几何光学基本定律与成像概念
t + Δt 时刻 t 时刻波面
（图a） 光线是波面的法线 波面是所有光线的垂直曲面
五、光束 平行光 ←→ 平面波（图b）， 同心光束 ←→ 球面波 （图c，d）
负透镜是否一定成虚像？
名词概念
像：出射光线的交点 实像点：出射光线的实际交点 虚像点：出射光线延长线的交点 • 物：入射光线的交点 • • 实物点：实际入射光线的交点 虚物点：入射光线延长线的交点
A A′ A′ A
像空间：像所在的空间
实像空间：系统最后一面以后的空间 虚像空间：系统最后一面以前的空间 整个像空间包括实像和虚像空间
第一章
几何光学基本定律与成像概念
作业题： 1．（习题1部分）已知真空中的光速c=3 108m/s,求光在 水中（n=1.333)和冕牌玻璃（n=1.51)中的光速。 2 ． （ 补 充 ） 一 厚 度 为 200mm 的 平 行 平 板 玻 璃 （ 设 n=1.5），下面放一直径为1mm的金属片。若在玻璃板上 盖一圆纸片，要求在玻璃板上方任何方向都看不到该金属 片，问纸片直径应为多少？ 3.习题6 复习练习题： 1．几何光学基本定律；（习题2,4） 2．全反射及其应用； 3．共轴理想光学系统具有哪些成像性质？ 4．由费马原理导出反射定律和折射定律。
——光沿所需时间为 极值的路径传播。
第一章
2、说明——
几何光学基本定律与成像概念
S P Q M T
1)光程为极值，可以是极 小值，极大值或常量。
F
F′
2)费马原理是描述光线传播的基本规律。 3)费马原理在物理学的发展曾经起过重要的推动作用。 最小作用原理（或哈密顿变分原理） 是综合整个物理学的真正的基本原理，物理学家们利用 它来探索未知领域的基本定律。
特 点 不考虑光的本性，把光认为是光线
第一章
几何光学基本定律与成像概念
光线的概念 能够传输能量的几何线，具有方向 采用光线概念的意义： 1.用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影 子、日食、月食 2.绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设 计的
第一章
几何光学基本定律与成像概念
光线是能够传输能量的几何线，具有方 向 光波的传播问题就变成了几何的问题, 所以称 之为几何光学 当几何光学不能解释某些光学现象，例如 干涉、衍射时，再采用物理光学的原理
0
H
A
性，即与水面趋于平行的光线在水面折射进入水中一点A，其折 射角为I0（临界角）。故以水中一点A为锥顶，半顶角为I0 的 圆锥范围内，水面上的光线可以射到A点（入射角不同）。因 此，游泳者向上仰望，不能感觉整个水面都是明亮的，而只 能看到一个明亮的圆，圆的大小与游泳者所在处水深有关 1 如图示。满足水与空气分界面的临界角为 sin I = 1 . 33 = 0 . 75
第一章
几何光学基本定律与成像概念
y' y
β 5）垂直于光轴的同一平面上的各部分具有相同放大率。 =
成分均匀 透光
2、光线在两种均匀介质分界面上传播时: 反射定律，折射定律
第一章
AO: 入射光线 OB: 反射光线 OC: 折射光线
几何光学基本定律与成像概念
A N B
I1
R1
NN: 过投射点所做的分界面法线 I1: 入射光线和分界面法线的夹角 ，入射角 R1: 反射光线和分界面法线的夹角 ， 反射角 I2: 折射光线和分界面法线的夹角 ，折射角
图a
图c 图b 图d
第一章
几何光学基本定律与成像概念
像散光束：不严格交于一点，波面为非球面
第一章
几何光学基本定律与成像概念
平行光束
波面为平面
第一章
几何光学基本定律与成像概念
§1-2 光线的传播规律——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、光的反射定律 I″= I （1-1） 4、光的折射定律 n′sinI′= nsinI （1-2） 绝对折射率（表征透明介质光学性质的重要参数）
0
即 I 0 = 48°36' ，若水深为H，则明亮圆的半径
R = H tgI0
第一章
几何光学基本定律与成像概念
§1-5 光学系统及成像的基本概念 一、光学系统的基本概念
光学系统 光学仪器 光学零件 光学零件的种类： 光学系统的作用：对物体成像。
A A
′ A A ′
第一章
几何光学基本定律与成像概念
第一章
几何光学基本定律与成像概念
用棱镜代替反射镜：减少光能损失
第一章
几何光学基本定律与成像概念
n0=1 n=1.33 R I I00 I>I
例2(习题5 )．游泳者在水中向上仰望，能否 感觉整个水面都是明亮的？(作图说明). 解：设水中一点A发出的光线射到水面。
若入射角为I0（sinI0=n空/ n水 ）， 则光线沿水面掠射；据光路可逆
A A A n n B n′ n′ n″ B B
图1.12
第一章
2、应用
几何光学基本定律与成像概念
光路可逆： 求焦点 光学设计中，逆向计算：目镜，显微 物镜等
第一章
二、全反射 1、现象：
几何光学基本定律与成像概念
I2 O1 I1 R1 O2 O3 I0 O4
空气
水
A 2、条件： 必要条件： n1>n2 由光密介质进入光 疏介质 充分条件： I1>I0 入射角大于全反射角 3、应用：反射棱镜，光纤，阿贝折射仪测折射率原理。
A
A’
A’点称为物体A通过透镜所成的像点。而把A称为 物点 A′ 为 实 际 光 线 的 相 交 点 ， 如 果 在 A′ 处 放 一 屏 幕，则可以在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称 为实像点。 A和A′称为共轭点。 A’与A互为物像关系，在几 何光学中称为“共轭”。
思考：
正透镜是否一定成实像？
一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待。 波长：
λ
第一章
几何光学基本定律与成像概念
光的本质是电磁波 光的传播实际上是波动的传播
物理光学： 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象。 几何光学： 研究光的传播规律和传播现象
第一章
几何光学基本定律与成像概念
几何光学的研究对象和光线概念:
研究对象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象