北京理工大学应用光学大全李林

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
应用光学讲稿
A
AO: 入射光线 OB: 反射光线 OC: 折射光线 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
像散光束：不严格交于一点，波面为非球面
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平行光束
波面为平面
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第二节 几何光线基本定律
一、光的传播现象的分类
灯泡
空气
玻璃
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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。
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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 几何光学基本原理
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本章要解决的问题：
光是什么？－－光的本性问题 光是怎么走的？－－光的传播规律 像与成像的概念 对成像的要求
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第一节 光波与光线
研究光的意义: 90%信息由视觉获得,光波是视觉的载体
光是什么？弹性粒子－弹性波－电磁波－波粒二象性 1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子 1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波 1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波 1905年：爱因斯坦提出光子假设 20世纪：人们认为光具有波粒二象性
，折射角
N B
I1
R1
O I2
C N
应用光学讲稿
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
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第一节 光波与光线
一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待，光波
波长：
λ
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• 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
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可见光：波长在400-760nm范围 红外波段：波长比可见光长 紫外波段：波长比可见光短
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光线的概念
能够传输能量的几何线，具有方向
光线概念的缺陷
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
应用光学讲稿
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
一种介质对另一种介质的折射率
2、绝对折射率
介质对真空或空气的折射率n c v
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3、相对折射率与绝对折射率之间的关系
相对折射率：
n υ1
1, 2 =
υ2
C
第一种介质的绝对折射率： n 1 = υ1
C
第二种介质的绝对折射率： n 2 = υ2
所以
n2
n 1, 2 =
n1
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三、用绝对折射率表示的折射定律
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可见光：400-760nm 单色光：同一种波长 复色光：由不同波长的光波混合而成
频率和光速，波长的关系 c
在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变
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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
特点
不考虑光的本性，把光认为是光线
空气 n小
玻璃 n大
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第四节 光路可逆和全反射
一、光路可逆 1、现象
A
B
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2、证明
直线传播：
A
B
反射：I1=R1
A
R1=I1
折射：
n1 Sin I1 = n2 Sin I2
n2 Sin I2 = n1 Sin I1
B I1 R1
I2 C
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3、应用 光路可逆：
求焦点 光学设计中，逆向计算：目镜，显微物 镜等
n
1.5 1.52 1.54 1.56 1.58 1.60 1.62 1.64 1.66
I0
41°4 41°8’ 40°3 39°5 39°1 38°4 37°7’ 37°7’ 37°3’
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v1 v2
n1,2
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SinI1 υ1
=
n = 1, 2
SinI2 υ2
第二种介质对第一种介质折射率等于第一种介质中的 光速与第二种介质中的光速之比。
折射率的物理意义
折射率与光速之间的关系
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sin I1 sin I2
v1 v2
n1,2
二、相对折射率与绝对折射率
1、相对折射率：
由
n Sin I1
Sin I2
＝
1, 2
n2
n 1, 2 =
n1
有
Sin I1 Sin I2
n2
=
n1
或 n1 Sin I1 = n2 Sin I2
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课堂练习：判断光线如何折射
I1 空气 n=1 水 n=1.33
I2
I1 玻璃 n=1.5 空气 n=1
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I1 空气 n小
c 玻璃 n大
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二、全反射 1、现象
空气
I2
O1
O2
水
I1 R1
A
O3
O4
I0
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2、发生全反射的条件
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
sin
I0
n2 n1
1870年，英国科学家丁达尔全反射实验
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当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻 璃的折射率不同、对应的临界角不同
n1,2称为第二种介质相对于第一种介质的折射率
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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
直线传播定律 反射定律 折射定律 几何光学的基本定律
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第三节 折射率和光速
一、折射定律和折射率的物理意义
折射定律：
折射光线在入射面内
n Sin I1
Sin I2
＝
1, 2
n1,2 : 第二种介质相对于第一种介质的折射率
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A
NQ
I1
P
Q´
1
O
2
I2
12 O´
N´
QQ '
OO '
QQ' v1t OO' v2t sin I1 OQ' sin I2 OQ'
sin I1 sin I2
QQ ' OO '
n1,2
sin I1 sin I2
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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光线与波面之间的关系 • 波面：波动在某一瞬间到达的各点组成的面
t + Δt 时刻 t 时刻 A
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光线是波面的法线 波面是所有光线的垂直曲面 同心光束：由一点发出或交于一点的光束；
对应的波面为球面
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