应用光学第二版胡玉禧课件第一章
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应用光学-第1章-几何光学基础
物空间与像空间可能重合
49
实物成实像 虚物成实像
实物成虚像
虚物成虚像
50
完善成像的条件
1.完善像的定义：每一个物点对应于唯一的一个像 点，该像点称为完善像点，物体上每个点经过光 学系统后所成完善像点的集合就是该物经过关学 系统后的完善像
2.完善成像的条件： ①入射波面为球面波时，出射波面也为球面波 ∵球面波对应同心光束(会聚或发散) ∴ ②入射光束为同心光束时，出射光束亦为同心 光束
34
5. 费马原理(P8)
• 几何光学的三个基本定律，说明了光从一点传
播到另一点的传播规律，而费马原理则从光程 的角度阐述光的传播规律
• 费马原理，不是建立在实验基础上的定律，也
不是从数学上导出的定理，而是一个最基本的 假设。
• 费马原理是几何光学中光传播的理论基础。很
多定律和对事物总图像的描述，均可由其得到 正确的结果，但不是一种计算工具。
35
• 费马原理：光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的
路径传播的。（1679年）
• 可推导光基本定律 • 费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径，不论光线
正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。因而借助于费马 原理可说明光的可逆性原理的正确性
• 对于光程取极大或常量的情况
旋转椭球凹面 反射镜
36
48
二 成像概念
物点：物光束的交点 像点：像光束的交点 成像：物点发出的同心光束、经光学系统后变为另一个同
心光束 实物、实像点：实际光线的会聚点 虚物、虚像点：由光线的延长线构成的物像点 共轭：物经光学系统后与像的对应关系（A、A′对称性） 物空间：物所在的空间（包括虚物） 像空间：物所在的空间（包括虚像）
49
实物成实像 虚物成实像
实物成虚像
虚物成虚像
50
完善成像的条件
1.完善像的定义：每一个物点对应于唯一的一个像 点，该像点称为完善像点，物体上每个点经过光 学系统后所成完善像点的集合就是该物经过关学 系统后的完善像
2.完善成像的条件： ①入射波面为球面波时，出射波面也为球面波 ∵球面波对应同心光束(会聚或发散) ∴ ②入射光束为同心光束时，出射光束亦为同心 光束
34
5. 费马原理(P8)
• 几何光学的三个基本定律，说明了光从一点传
播到另一点的传播规律，而费马原理则从光程 的角度阐述光的传播规律
• 费马原理，不是建立在实验基础上的定律，也
不是从数学上导出的定理，而是一个最基本的 假设。
• 费马原理是几何光学中光传播的理论基础。很
多定律和对事物总图像的描述，均可由其得到 正确的结果，但不是一种计算工具。
35
• 费马原理：光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的
路径传播的。（1679年）
• 可推导光基本定律 • 费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径，不论光线
正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。因而借助于费马 原理可说明光的可逆性原理的正确性
• 对于光程取极大或常量的情况
旋转椭球凹面 反射镜
36
48
二 成像概念
物点：物光束的交点 像点：像光束的交点 成像：物点发出的同心光束、经光学系统后变为另一个同
心光束 实物、实像点：实际光线的会聚点 虚物、虚像点：由光线的延长线构成的物像点 共轭：物经光学系统后与像的对应关系（A、A′对称性） 物空间：物所在的空间（包括虚物） 像空间：物所在的空间（包括虚像）
应用光学 第一章
应用光学
• • •
课程：应用光学
主讲：路绍军 电话：83208450 lushaojun1979@
绪 论
•光学是一门古老而又焕发着青春的学科 •光学老又新，前程端似锦。 • 一、光学现象 • 二、光学研究内容 • 三、光学的应用 • 四、参考资料
一、光学现象
佛光
彩 虹
海市蜃楼
2月6日，中国国防科工局发布了嫦娥二号获得的7米分辨率 月球表面全图。
( AB) n dl 0
A
B
三、费马原理的应用 （一）反射定律
（二）折射定律
§1.4 成像的概念 一、物和像 1、物：进入光学系统的同心光束的交点。 分为 实物：实际入射光线的 交点； 2、像：从系统出射的同心光束的交点。
延长线的交点。 虚物：实际入射光线的
交点； 分为 实像：实际出射光线的 延长线的交点。 虚像：实际出射光线的
第一章 几何光学的基本定律 和成像的概念
• 第一节 基本概念 • 一、光波 • 光是一种电磁波，其振动方向和光的传播方 向垂直，为横波。 • 波长在400~760nm范围内的电磁波能被 人眼所接受、所感觉，称为可见光。 • 光和其它电磁波一样，在真空中以同一速度 c传播，在空气中也近似如此。
•
c 3 10 m / s
传输
光的传输 （光和物 质相互作 用）
光学的主要研究内容
接收 光探 测器
照相底片（光化学作 用）、眼 睛（光生 理效 应） 、 光 电器件 （ 光电 效应）、热释电器件 （光热效应）
• 古代就有记载 • 经典光学 17世纪------19世纪 • 近现代光学 1900----• Quantum Optics（量子光学）； • Nonlinear Optics（非线性光学）； • Integrated Optics（集成光学）； • Optical Communication（光通信）； • Holography（全息学）； • Photonics（光子学）；
• • •
课程：应用光学
主讲：路绍军 电话：83208450 lushaojun1979@
绪 论
•光学是一门古老而又焕发着青春的学科 •光学老又新，前程端似锦。 • 一、光学现象 • 二、光学研究内容 • 三、光学的应用 • 四、参考资料
一、光学现象
佛光
彩 虹
海市蜃楼
2月6日，中国国防科工局发布了嫦娥二号获得的7米分辨率 月球表面全图。
( AB) n dl 0
A
B
三、费马原理的应用 （一）反射定律
（二）折射定律
§1.4 成像的概念 一、物和像 1、物：进入光学系统的同心光束的交点。 分为 实物：实际入射光线的 交点； 2、像：从系统出射的同心光束的交点。
延长线的交点。 虚物：实际入射光线的
交点； 分为 实像：实际出射光线的 延长线的交点。 虚像：实际出射光线的
第一章 几何光学的基本定律 和成像的概念
• 第一节 基本概念 • 一、光波 • 光是一种电磁波，其振动方向和光的传播方 向垂直，为横波。 • 波长在400~760nm范围内的电磁波能被 人眼所接受、所感觉，称为可见光。 • 光和其它电磁波一样，在真空中以同一速度 c传播，在空气中也近似如此。
•
c 3 10 m / s
传输
光的传输 （光和物 质相互作 用）
光学的主要研究内容
接收 光探 测器
照相底片（光化学作 用）、眼 睛（光生 理效 应） 、 光 电器件 （ 光电 效应）、热释电器件 （光热效应）
• 古代就有记载 • 经典光学 17世纪------19世纪 • 近现代光学 1900----• Quantum Optics（量子光学）； • Nonlinear Optics（非线性光学）； • Integrated Optics（集成光学）； • Optical Communication（光通信）； • Holography（全息学）； • Photonics（光子学）；
应用光学课件-PPT
4)若视阑为长方形或正方形,其线视场按对角线计算。
5)入射窗、出射窗、视阑之间得相互共轭关系。
大家应该也有点累了,稍作休息
大家有疑问得,可以询问与交流
10
例:有一光学系统,透镜O1、O2得口径D1=D2=50mm,焦距 f1′= f2′=150mm,两透镜间隔为300mm,并在中间置一光 孔O3,口径D3=20mm,透镜O2右侧150mm处再置一光孔O4,口 径D4=40mm,平面物体处于透镜O1左侧150mm处。求该系统 得孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗得位 置与大小。
两正薄透镜组L1与L2得焦距分别为100mm与50mm,通光口径 分别为60mm与30mm,两透镜之间得间隔为50mm,在透镜L2之 前30mm处放置直径为40mm得光阑,问 1)当物体在无穷远处时,孔径光阑为哪个？ 2)当物体在L1前方300mm处时,孔径光阑为哪个？
4、说明: 1)物体位置改变,原孔阑可能失去控制轴上点孔径角得作用,要重复上述 三个步骤确定孔阑。
工具显微镜中(β 准确)被测物得像与刻度尺相比较,可测物之长度。
物体不论处于何位 置,发出得主光线 都不随物体位置得 移动而变化;读出 刻尺面上光斑得中 心示值,即可求出 准确得象高。
三、 象方远心光路
1、 概念: 某些大地测量仪器或投影仪器中,为了消除像平面与标尺分划刻
线面不重合而引起得测量误差,在物镜得物方焦平面上加入一个光 阑作为孔径光阑,出瞳则位于像方无穷远,称为“像方远心光路”。 2、 应用:
3)物点在无限远时,各光孔像中,直径最小者即为入瞳。入瞳对应得实际 光孔即为孔径光阑。
例:有两个薄透镜L1与L2 ,焦距分别为90mm与30mm,孔径分 别为60mm与40mm,相隔50mm,在两透镜之间,离L2为 20mm处放置一直径为10mm得圆光阑,试对L1前120mm处 得轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳得位置与大小。
5)入射窗、出射窗、视阑之间得相互共轭关系。
大家应该也有点累了,稍作休息
大家有疑问得,可以询问与交流
10
例:有一光学系统,透镜O1、O2得口径D1=D2=50mm,焦距 f1′= f2′=150mm,两透镜间隔为300mm,并在中间置一光 孔O3,口径D3=20mm,透镜O2右侧150mm处再置一光孔O4,口 径D4=40mm,平面物体处于透镜O1左侧150mm处。求该系统 得孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗得位 置与大小。
两正薄透镜组L1与L2得焦距分别为100mm与50mm,通光口径 分别为60mm与30mm,两透镜之间得间隔为50mm,在透镜L2之 前30mm处放置直径为40mm得光阑,问 1)当物体在无穷远处时,孔径光阑为哪个？ 2)当物体在L1前方300mm处时,孔径光阑为哪个？
4、说明: 1)物体位置改变,原孔阑可能失去控制轴上点孔径角得作用,要重复上述 三个步骤确定孔阑。
工具显微镜中(β 准确)被测物得像与刻度尺相比较,可测物之长度。
物体不论处于何位 置,发出得主光线 都不随物体位置得 移动而变化;读出 刻尺面上光斑得中 心示值,即可求出 准确得象高。
三、 象方远心光路
1、 概念: 某些大地测量仪器或投影仪器中,为了消除像平面与标尺分划刻
线面不重合而引起得测量误差,在物镜得物方焦平面上加入一个光 阑作为孔径光阑,出瞳则位于像方无穷远,称为“像方远心光路”。 2、 应用:
3)物点在无限远时,各光孔像中,直径最小者即为入瞳。入瞳对应得实际 光孔即为孔径光阑。
例:有两个薄透镜L1与L2 ,焦距分别为90mm与30mm,孔径分 别为60mm与40mm,相隔50mm,在两透镜之间,离L2为 20mm处放置一直径为10mm得圆光阑,试对L1前120mm处 得轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳得位置与大小。
应用光学第二版胡玉禧课件第二章
−l
β =
y' y
y' nl ' = β = y n ' l （2.15） -------垂轴放大率仅取决于共轭面的位置。
l'
第二章
高斯光学
四、近轴光学公式的实际意义 1、作为衡量光学系统成像质量的标准； 2、近似确定光学系统的成像尺寸。 例1.(习题1）一根长500mm， n =1.5的玻璃棒，两端面为凸 球面，半径分别为50mm和100mm，高1mm的物体位于左端 球面顶点之前200mm处，
图2.11 过节点的光线
第二章
高斯光学
B A′ A F H H′ F′ B′
§2-5 由基面、基点求理想像
一、作图法求像 1、典型光线及性质 2、用作图法求光学系统的理想像 1) 轴外 点B或 一垂 轴线 段AB 的像 （图2.14-5）
B′ B A′ F A N H M M ′ N′ H′ F′
M 2 ' A2 ' // N 2 ' F2 '
图（d）：为（a）、（b）、（c）的总结果图。
B′ A2 F2 H2 H F1′ 2′ A2′ F2′ A1′ A1 F1 M1′
M1 H1 F2
M2
M2′ A2′ F ′ 2
H1′ H2 F1′ 2′ H
图 (c)
图 (d )
第二章
二、解析法求像
高斯光学
3、作图注意几点(P.37）
图2. 16
作图法求轴上点的像
第二章
高斯光学
图（b）：同2）中法一；
轴上点经两个光组的像 图（a）：作A1M1 ；
M1
A F1 F2 H1 H1′H2 F ′H2′ 1 F2′ A1
最新物理光学与应用光学第一章 PPT课件ppt课件
物理光学与应用光学第 一章 PPT课件
一、课程性质、目的和任务
LOGO
1. 性质： 专业基础课
后续课： 激光原理、光纤通信原理与系统、光 电传感技术等
2. 目的： 基本原理
知识的应用
分析问题方法
3. 教学内容： 电磁场基本知识 光的干涉、衍射
晶体光学 光与物质的作用 课时分配 48课时
2013/2014(1)
2013/2014(1)
光电工程学院
3
LOGO
LOGO
LOGO
Ⅰ、萌芽时期
LOGO
对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究，制造了简单的光 学仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜)。
代表人物和成 A、就墨：翟：
在他和其弟子所著的 《墨经》中，对 光现象有八条定性记载
墨翟（公元前468～376年）
B、欧几里德： 在其著作 《光学》一书中提出触须学说：
德布罗意（法， 1892～1989 ）提出物质波假说，戴维孙 与革末的电子衍射实验证实电子具有波动性
实物粒子与光一样 具有波（Wave）、粒（Particle）二象性
10
Ⅴ 、现代光学时期
LOGO
自1960年梅曼（美，1927~2007）制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的
发展阶段，激光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光脑的设想、红
光电工程学院
2
一、课程性质、目的和任务 4. 成绩评定
LOGO
平时：（ 作业、到课率、答疑、课堂提问等） 30％
期末考试： 70％
5. 学习方法
掌握重点
培养兴趣
独立思考 主动质疑
6. 参考书
《物理光学》， 刘晨 . 合肥工业大学出版社. 2007年 《光学原理与应用》，廖延彪. 电子工业出版社. 2006年 《光学习题课教程》，郑植仁. 哈尔滨工业大学出版社. 2006年
一、课程性质、目的和任务
LOGO
1. 性质： 专业基础课
后续课： 激光原理、光纤通信原理与系统、光 电传感技术等
2. 目的： 基本原理
知识的应用
分析问题方法
3. 教学内容： 电磁场基本知识 光的干涉、衍射
晶体光学 光与物质的作用 课时分配 48课时
2013/2014(1)
2013/2014(1)
光电工程学院
3
LOGO
LOGO
LOGO
Ⅰ、萌芽时期
LOGO
对简单光现象进行了记载并做了不系统的研究，制造了简单的光 学仪器（如平面镜、凸面镜、凹面镜)。
代表人物和成 A、就墨：翟：
在他和其弟子所著的 《墨经》中，对 光现象有八条定性记载
墨翟（公元前468～376年）
B、欧几里德： 在其著作 《光学》一书中提出触须学说：
德布罗意（法， 1892～1989 ）提出物质波假说，戴维孙 与革末的电子衍射实验证实电子具有波动性
实物粒子与光一样 具有波（Wave）、粒（Particle）二象性
10
Ⅴ 、现代光学时期
LOGO
自1960年梅曼（美，1927~2007）制成第一台红宝石激光器，光学进入了新的
发展阶段，激光物理、激光技术、全息摄影术、光纤的应用、光脑的设想、红
光电工程学院
2
一、课程性质、目的和任务 4. 成绩评定
LOGO
平时：（ 作业、到课率、答疑、课堂提问等） 30％
期末考试： 70％
5. 学习方法
掌握重点
培养兴趣
独立思考 主动质疑
6. 参考书
《物理光学》， 刘晨 . 合肥工业大学出版社. 2007年 《光学原理与应用》，廖延彪. 电子工业出版社. 2006年 《光学习题课教程》，郑植仁. 哈尔滨工业大学出版社. 2006年
物理光学与应用光学第1章-
1.2.4 反射和折射的相位特性
1. 折射光与入射光的相位关系 2.反射光与入射光的相位关系
1. 折射光与入射光的相位关系
由图可以看出，在入射角 1.0
从 0 到 90 的 变 化 范 围 内 ， 不
tp
0.5
论光波以什么角度入射至界面，
ts
也不论界面两侧折射率的大小 0.0
θB
如何，s 分量和 p 分量的透射 -0.5
若n1 < n2，1 ≈ 90°， |rs| = |rp| , rs < 0 ， rp < 0 。
因此，在入射点处，入射光矢量Ei与反射光矢量Er方向近似 相反，即掠入射时的反射光在n1 < n2时，将产生半波损失。
n1
n2
n1<n2
3) 薄膜上下表面的反射
n1 < n2
n1
n2
n1
1.0 0.5 0.0 -0.5
(a).光由光疏到光密( n1< n2 )
0.5
rp
0.0
-0.5
rs θB
rs
s分量
rp
-1.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
p分量
0
B
/2 1
rs＜0，s分量反相，或 者说存在一个相位突
变，即rs =
0
B
/2 1
1B, rp>0，p分量同相(rp = 0)；
Tp
n2 n1
cos2 cos1
tp2
sin21 sin22
sin2(1 2)cos2(1 2)
决定光在界面上的反射、透射特性的因素有：
物理光学与应用光学第二版课件及课后习题答案
由式（1-12）
2 所以有: ( E ) ) E
由式（1-16）得:
2
即 E 0
E 2 E 2 t
(1-17)
同理对式（1-15）两边 取旋度,得
2 2 D B E H ( D) 2 2 t t t t
即:
E E 2 t
2
（1-16）
利用矢量微分恒等式
2 ( A) ( A) A
有:
2 ( E ) ( E ) E
D 0
可知 E 0
同理,利用矢量微分恒等式,可得:
2 有以上两式得: H H 2 t
2
2 ( H ) H
(1-18)
v 令
1
可将式（1-17）式（1-18）变为:
2 1 2E 2 E 2 2 0 （1-19） 2 H 1 H 0 v t v 2 t 2
4.波动方程
麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律， 指出随时间变化的电场将在周围空间产生变化的磁 场，随时间变化的磁场将在周围空间产生变化的电 场，变化的电场和磁场之间相互联系，相互激发， 并且以一定速度向周围空间传播。因此，时变电磁 场就是在空间以一定速度由近及远传播的电磁波。
一、 电磁场波动方程：
D H j t
符号的意义：
哈密顿算符：
i j k x y z
具有矢量和求导的双重功能 Dx Dy Dz 散度： D D
x y z
应用光学 第一章
Q 出射光线
O
I’
N
即
sin I = n ab sin I '
33
nab:介质 b 对介质 a 的相对折射率，如果介质 a 为真空， 则介质 b 对真空的折射率也称为绝对折射率，用nb 表 示。
Applied Optics
也可表述为：
c nb = vb
c：在真空中光速，vb：在介质 b 中光速 两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的 速度表示 v
23 Applied Optics
一. 发光点 几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当 光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也 可认为是一个点。 天体 遥远的距离 观察者
24
Applied Optics
任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1、本身发光。 2、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成 像规律来推断整个物体的成像。
35 Applied Optics
（二）反射定律 （1）反射光线在由入 射光线和法线所决定的 平面内
入射光 线
法线 N I I” O
反射光线
（2）入射角 I和反射角I’’ 的绝对值相同，可表示为
I " = I
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
36 Applied Optics
第一章 几何光学基本原理
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
日用：扫描仪、光碟、 照相机
10
Applied Optics
光的本质
光的本质的认知过程 1666年 年 牛顿 微粒说 弹性粒子 1678年 年 惠更斯 波动说 以太弹性波 1905年 年 爱因斯坦 光子假设 1801年 年 托马斯杨 托马斯 杨 双缝实验
O
I’
N
即
sin I = n ab sin I '
33
nab:介质 b 对介质 a 的相对折射率，如果介质 a 为真空， 则介质 b 对真空的折射率也称为绝对折射率，用nb 表 示。
Applied Optics
也可表述为：
c nb = vb
c：在真空中光速，vb：在介质 b 中光速 两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的 速度表示 v
23 Applied Optics
一. 发光点 几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当 光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也 可认为是一个点。 天体 遥远的距离 观察者
24
Applied Optics
任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1、本身发光。 2、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成 像规律来推断整个物体的成像。
35 Applied Optics
（二）反射定律 （1）反射光线在由入 射光线和法线所决定的 平面内
入射光 线
法线 N I I” O
反射光线
（2）入射角 I和反射角I’’ 的绝对值相同，可表示为
I " = I
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
36 Applied Optics
第一章 几何光学基本原理
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
日用：扫描仪、光碟、 照相机
10
Applied Optics
光的本质
光的本质的认知过程 1666年 年 牛顿 微粒说 弹性粒子 1678年 年 惠更斯 波动说 以太弹性波 1905年 年 爱因斯坦 光子假设 1801年 年 托马斯杨 托马斯 杨 双缝实验
应用光学第二版胡玉禧课件第一章
I 1
玻璃 n=1.5 空气 n=1
I1 c 空气 n小 玻璃 n大 空气 Fra bibliotek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。
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
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
应用光学课件完整版
由一点A发出的光线经过光学系统后聚交或近似的聚 交在一点A′，则A为物点， A′为物点A通过光学系统 所成的像点。物与象之间的对应关系称为“共轭”。
一个物点，总是发出同心光束，与球面波相对应； 一个像点，理想情况应该由球面波对应的同心光束汇交 而成，称这种像点为完善像点。
3. 成完善象的条件 发光体每一物点发出球面波，通过光学系统后仍为
反射定律可表示为 I I ''
4. 光的折射定律
折射定律可归结为：入射光线、折射光线和投射点
的法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角正弦
之比与入射角大小无关，而与两介质性质有关。对一定 波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一
常数，等于折射光线所在介质的折射率与入射光线所在
介质折射率之比。
0 i arcsin n12 n2 2 n0
n0 ＝1
n0 sin i n1 cos ic n12 n22
5. 费马原理（光程极值原理）
1）光程— 光在介质中经过的几何路程l与该介质折射率n的乘积。
s=n • l
均匀介质
m层均匀介质
连续变化的非均匀介质
s=n • l=c • t
m
s
波面可分为：平面波、球面波、任意曲面波。 波面法线方向即为光传播方向。
光源
光线
波面
5. 光束— 与波面对应的法线集合。
同心光束— 波面为球面，聚于一点。 发散光束— 光线在前进方向上无相交趋势。 会聚光束— 光线在前进方向上有相交趋势。
平行光束— 波面为平面。 象散光束— 波面为曲面，不聚于一点。
1. 共轴球面系统的结构参量： 各球面半径：r1 、 r2 …… rk-1 、 rk 相邻球面顶点间隔：d1 、 d2 …… dk-1 各球面间介质折射率：n1 、 n2 …… nk-1 、 nk n 、 k+1
一个物点，总是发出同心光束，与球面波相对应； 一个像点，理想情况应该由球面波对应的同心光束汇交 而成，称这种像点为完善像点。
3. 成完善象的条件 发光体每一物点发出球面波，通过光学系统后仍为
反射定律可表示为 I I ''
4. 光的折射定律
折射定律可归结为：入射光线、折射光线和投射点
的法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角正弦
之比与入射角大小无关，而与两介质性质有关。对一定 波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一
常数，等于折射光线所在介质的折射率与入射光线所在
介质折射率之比。
0 i arcsin n12 n2 2 n0
n0 ＝1
n0 sin i n1 cos ic n12 n22
5. 费马原理（光程极值原理）
1）光程— 光在介质中经过的几何路程l与该介质折射率n的乘积。
s=n • l
均匀介质
m层均匀介质
连续变化的非均匀介质
s=n • l=c • t
m
s
波面可分为：平面波、球面波、任意曲面波。 波面法线方向即为光传播方向。
光源
光线
波面
5. 光束— 与波面对应的法线集合。
同心光束— 波面为球面，聚于一点。 发散光束— 光线在前进方向上无相交趋势。 会聚光束— 光线在前进方向上有相交趋势。
平行光束— 波面为平面。 象散光束— 波面为曲面，不聚于一点。
1. 共轴球面系统的结构参量： 各球面半径：r1 、 r2 …… rk-1 、 rk 相邻球面顶点间隔：d1 、 d2 …… dk-1 各球面间介质折射率：n1 、 n2 …… nk-1 、 nk n 、 k+1
应用光学第1章2
作业：
13页：2，3，4
1.2成像的基本概念与完善像
一.光学系统与成像概念
二.完善成像条件
1. 透镜对波面的作用与透镜成像
2. 透镜对光线的作用与透镜成像
如果P点成像于P′点，则P点到P′点之间的光程是相等的
P点发出的球面波经透镜变换成了另一个球面波，既然光从一个波 面传播到另一个波面所需的是同一个时间，则意味着波面之间的 光程是相等的，而P点到入射球面波波面上各点的光程是相等的， 因为它就是入射球面波的球心，同理出射球面波波面上各点到P′ 点的光程也是相等的，所以物点P到像点P′之间是等光程的。
在光线的实际路径上，光程的变分为0。
光程的意义： 光程的意义：
光在某介质中走过一段几何路程所需的时 间内，光在真空中所走的路程就是光程， 简言之，光程是等效真空程 。
由费马原理推导折射定律 证明： 证明：
（1）作图
∑
Q h i1 1
Q'
n1
M
x
M
Π
'
p−x
P'
（2）入射面上的光程最 小
Π
h2
n2
Q h1 i1
n1
Mp− xP'
∑
Q'
x
M'
h2
由光程取极小值条件 d(QMP) / dx = 0 即得
n2
Π
i2
P
n1 sin i1 = n2 sin i2
由费马原理推导折射定律
由费马原理推导反射定律
3. 费马原理的启迪
费马原理对于物理学的发展起过重要的推动作用，它 表明关于光的传播规律还存在另外一种表述形式，它 摆脱了光传播有如反射、折射、入射面、入射角、反 射角等的一些细节，而是指明实际光线是各种可能的 光线中满足某个条件，即光程取极值的那一条。由于 它比较抽象和含蓄，因而概括的面也就更广阔，这一 点曾启发物理学家探索物理规律的其他形式，于是找 到了被称之为最小作用原理(哈密顿变分原理)，它可表 述为系统的各种相邻的经历中，真实经历使作用量取 极值。
应用光学第一章
第一章
◆晶体
不可能有紫外到 红外都具有良好 的光学性质
晶体：具有晶格结构的固体。即构成晶体的 内部质子以点阵的形式在三维空间作 有规律的重复排列。例如：石英、岩 盐、萤石和其他碱金属卤化物的 块单晶体。
优点： 大部分的光学玻璃仅局限与紫外和可见 光波段，但有些晶体的透过范围看以从 紫外到红外，因此可以用来制作传播宽 波段电磁辐射的元件
实际光线沿着光程为极值的路线传播。
s ndl 极值
A b
（极大值，极小值或恒定值）
取极值的条件为：
S ndl 0
A
B
第一章
◆光的可逆性原理
内容：假定某一条光线，沿着一定的路线由Ａ
点传播到Ｂ点。如果在Ｂ点沿着出射光线按照 相反的方向投射一条光线，则此反向光线仍沿 着同一条路径，由Ｂ点传播到Ａ点。
第一章
发光点
概念：光源作为光的辐射体，当光源直径远 小于光源辐射的作用距离时，我们 称光源为发光点。 类似于
物理中 的质点
特点：把光源当作一种无尺寸无大小的几何点 注意：任何被成像的物体都有无数发光点组成
第 一章
光线
当光束的直径＜＜其辐射距离时， 称该光束为光线，其方向沿着光的传播方向。 光线：携带能量的几何线，其方向为能量传 播的方向。
共轴球面光学系统：如果各光学元件均由球面组成，所 有的球心均位于同一条直线上，这样的光学系统就叫做 共轴球面光学系统。该直线就是整个系统的对称轴线， 为光轴。
第一章
透镜——光学系统正透镜：双凸，平凸，正月牙 透 镜 负透镜：双凹，平凹，负月牙
沿轴厚度比 边缘厚度大
第一章
小孔成像。
注意：衍射现象
物理光学与应用光学第二版课件及课后习题答案
干涉条件
相干光波、有相同的频率、有恒 定的相位差、有相同的振动方向 。
双缝干涉与多缝干涉
双缝干涉
两束相干光波分别通过两个平行狭缝 后，在屏幕上产生的明暗交替的干涉 条纹。
多缝干涉
多个狭缝产生的相干光波在屏幕上产 生的明暗交替的干涉条纹。
薄膜干涉与干涉滤光片
薄膜干涉
光波在薄膜表面反射和透射时产生的干涉现象，常用于增反 膜和增透膜的设计。
摄像机的原理
摄像机通过镜头将光线聚焦在电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（ CMOS）传感器上，记录下动态影像。
照相机与摄像机的比较
照相机和摄像机在结构和工作原理上存在差异，但它们都是用于记录影像的光学仪器。
光学信息处理系统
1 2
光学信息处理系统的原理
光学信息处理系统利用光的干涉、衍射、全息等 原理对信息进行处理。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
04
光学仪器及应用
透镜与成像原理
透镜的分类
01
根据透镜的形状和焦距，可以将透镜分为凸透镜、凹透镜和凹
凸透镜等。
成像原理
02
透镜通过改变光线的传播路径，使光线会聚或发散，从而形成
实像或虚像。
像距与物距
03
透镜成像时，像距与物距之间的关系遵循“1/f = 1/u + 1/v”
干涉滤光片
利用薄膜干涉原理设计的滤光片，具有特定波长范围的透过 或反射特性。
干涉系统的应用
光学干涉仪
干涉光谱技术
利用光的干涉原理测量长度、角度、表面 粗糙度等物理量。
通过干涉原理分析物质吸收、发射和散射 光谱，用于物质成分分析和光谱测量。
相干光波、有相同的频率、有恒 定的相位差、有相同的振动方向 。
双缝干涉与多缝干涉
双缝干涉
两束相干光波分别通过两个平行狭缝 后，在屏幕上产生的明暗交替的干涉 条纹。
多缝干涉
多个狭缝产生的相干光波在屏幕上产 生的明暗交替的干涉条纹。
薄膜干涉与干涉滤光片
薄膜干涉
光波在薄膜表面反射和透射时产生的干涉现象，常用于增反 膜和增透膜的设计。
摄像机的原理
摄像机通过镜头将光线聚焦在电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（ CMOS）传感器上，记录下动态影像。
照相机与摄像机的比较
照相机和摄像机在结构和工作原理上存在差异，但它们都是用于记录影像的光学仪器。
光学信息处理系统
1 2
光学信息处理系统的原理
光学信息处理系统利用光的干涉、衍射、全息等 原理对信息进行处理。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
04
光学仪器及应用
透镜与成像原理
透镜的分类
01
根据透镜的形状和焦距，可以将透镜分为凸透镜、凹透镜和凹
凸透镜等。
成像原理
02
透镜通过改变光线的传播路径，使光线会聚或发散，从而形成
实像或虚像。
像距与物距
03
透镜成像时，像距与物距之间的关系遵循“1/f = 1/u + 1/v”
干涉滤光片
利用薄膜干涉原理设计的滤光片，具有特定波长范围的透过 或反射特性。
干涉系统的应用
光学干涉仪
干涉光谱技术
利用光的干涉原理测量长度、角度、表面 粗糙度等物理量。
通过干涉原理分析物质吸收、发射和散射 光谱，用于物质成分分析和光谱测量。
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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
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
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。
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。
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）
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′Leabharlann o′图1S
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
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
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
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。
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；
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。 =
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
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）
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
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
§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；
——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。
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
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）
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
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。
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
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
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。
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。
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）
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′Leabharlann o′图1S
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
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
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
A A A n n B n′ n′ n″ B B
图1.12
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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
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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。
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§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；
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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。 =
特 点 不考虑光的本性，把光认为是光线
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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
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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
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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）
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
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
§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；
——光沿所需时间为 极值的路径传播。
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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。
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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
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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
图a
图c 图b 图d
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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
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几何光学基本定律与成像概念
平行光束
波面为平面
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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）
N C O
I2
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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
0
即 I 0 = 48°36' ，若水深为H，则明亮圆的半径
R = H tgI0
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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。