(完整word版)第01章几何光学的基本概念和基本定律
(完整word版)郁道银主编-工程光学(知识点)(良心出品必属精品)
第一章小结（几何光学基本定律与成像概念）1 、光线、波面、光束概念。
光线：在几何光学中，我们通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线。
波面：发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。
光束：与波面对应所有光线的集合称为光束。
2 、几何光学的基本定律（内容、表达式、现象解释）1 ）光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播的。
2 ）光的独立传播定律：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 ）反射定律和折射定律（全反射及其应用）：反射定律：1、位于由入射光线和法线所决定的平面内；2、反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角和入射角绝对值相等，符号相反，即I’’=-I。
全反射：当满足1、光线从光密介质向光疏介质入射，2、入射角大于临界角时，入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生。
sinI m=n’/n，其中I m为临界角。
应用：1、用全反射棱镜代替平面反射镜以减少光能损失。
（镀膜平面反射镜只能反射90%左右的入射光能）2、光纤折射定律：1、折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；2、折射角的正弦和入射角的正弦之比与入射角大小无关，仅由两种介质的性质决定。
n’sinI’=nsinI。
应用：光纤4 ）光路的可逆性光从A点以AB方向沿一路径S传递，最后在D点以CD方向出射，若光从D点以CD方向入射，必原路径S传递，在A点以AB方向出射，即光线传播是可逆的。
5 ）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和反射，其光程为极值。
（光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的），也叫“光程极端定律”。
6 ）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。
折/反射定律、费马原理和马吕斯定律三者中的任意一个均可以视为几何光学的一个基本定律，而把另外两个作为该基本定律的推论。
第1章 几何光学的基本原理1
二、费马原理的原始表述： 光从空间的一点到另一点的实际路径是沿着
光程为极值的路径传播的。或者说，光沿着光 程为极大、极小或者常量的路径传播。
B
( AB) A n dl 0
在光线的实际路径上，光程的变分为0。
16
如果ACB代表光线的实际路径，如图,光线ACB 的光程（或者说所需的时间）与邻近的任何可能路 径 AC'B 相比为极值（极大、极小或常数）。
25
• 物空间和像空间不仅一 一对应，而且根据光的可 逆性，如果将物点移到原来像点的位置上，使光 线沿反反向射入光学系统，则它的像将成在原来 的物点上。这样的一对相应的点称为共轭点。
• 由费马原理可以得出一个重要结论：物点A和像 点 之间各光线的光程都相等，这便是物像之间的 等光程性。这里所说的像点是指完善像点。
当光线经过几个折射率为 n1, n2, n3, n4 的不同介质， 在各介质中经过的路程为l1, l2, l3, l4 ，从A，B，C，
D到达E时所需的时间为
tAE
i
li vi
i
nili ( ABCDE )
c
c
（ABCDE）称为光线ABCDE的光程，简写为(AE)。
( AE) ( ABCDE ) nili tAE c
28
•这一角度大于入射光线在斜面上的入射角45°所 以入射光线在斜面上不能全反射，如图所示，在斜 面AC上入射点 D处将有折射光线进入水中，其折 射角为
I2
sin
1
1.50sin 45 1.33
sin
1
0.797488
52.89096
29
第一章 作业
几何光学
第一章几何光学的近轴理论§ 几何光学的基本概念一．几何光学是关于物体所发出的光线经光学系统后成像的理论。
二．几何光学中光的物理模型光线：任意一点可以向任一方向发出直线，称为光线。
光的直线传播、反射和折射都可以用直线段及其方向的改变表示。
对于光线，是无法从物理上定义其速度的。
三．几何光学的实验定律1.光的直线传播定律在均匀媒质中，光沿直线传播。
2.光的反射定律光线1入射到平面上的O点，反射光为1'。
O点处的法线为，由1和构成的平面为入射面。
则反射光线1'在入射面内。
1和1'与法线的夹角分别为和，则=。
3.光的折射定律为两种媒质的分界面。
光线1由介质1入射到介质2中，发生折射，沿2方向传播。
入射角和折射角分别为和。
则折射光2在入射面内,且有,和分别为两种媒质的折射率。
此为Snell定律（1621年）4.光路可逆原理在反射和入射定律中，光线如果沿反射和折射方向入射时，则相应的反射和折射光将沿原来的入射光的方向。
即光路是可逆的。
如果物点Q发出的光线经光学系统后在Q'点成像，则Q'点发出的光线经同一系统后必然会在Q点成像。
即物像之间是共轭的。
四．Fermat 原理关于光的传播，可用费马原理概括。
1．光程：折射率×光所经过的路程，即n S，n：折射率，或光学常数；S：沿光的路径的距离。
2．费马（Fermat）原理：两点间光的实际路径，是光程平稳的路径。
(1679年）平稳：极值（极大、极小）或恒定值。
在数学上，用变分表示为原理，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，是一切理论的出发点。
一切定理和定律都建立在它的基础之上，即原理是一切理论体系的出发点。
Fermat 原理不是定理，也不是定律，它是最基本的假设。
3．由Fermat原理导出几何光学的实验定律（1）光的直线传播定律在均匀媒质中，两点间光程最短的路径是直线。
几何光学基本定律与成像概念几何光学基本定律
第一章 几何光学基本定律与成像概念第一节几何光学基本定律一、光波与光线1、首先讲解光波性质性质：光是一种电磁波，是横波，我们说光源发光过程就是物体辐射电磁波的过6−程。
我们平常看到的光波属于可见光波，波长范围390nm—780nm,(1nm=10mm) 可见光波的可见是指能够引起人眼颜色感觉。
光波分为两种：①、单色光波――指具有单一波长的光波，λ＝555nm 钠黄光λ=632.8nm 激光②、复色光波――有几种单色光波混合而成，λ1，λ2……，如：太阳光，在可见区域内就有7种波长。
2、光波的传播速度ν光波的传播速度不是一个常数，而是一个变量，他与哪些因素有关？① 与介质折射率n有关，n不同，ν不同；即介质不同，传播速度不同，所以光在水中和空气中ν不同。
② 与波长λ有关系，不同λ，其ν不同，即使处于同一介质中，λ不同,ν不同。
ν＝c/n c:光在真空中的传播速度ν＝3×108m/s；n为介质折射率。
例题：已知对于某一波长λ而言，其在水中的介质折射率n＝4/3，求该波长的光在水中的传播速度。
8ν＝c/n ＝3×10/4/3＝2.25×108 m/s。
③ 光线――（是假想的、抽象的东西）是没有直径、没有体积却携有能量并具有方向性的几何线。
方向性是指光能的传播方向／波面的法线方向。
图1-1 平行光束④ 光束――同一光源发出的光线的集合。
会聚光束：所有光线实际交于一点（其延长线交于一点）图1-2 会聚光束发散光束：从实际点发出。
（其延长线通过一点）图1-3 发散光束需要说明的是：会聚光束可在屏上接收到亮点，发散光束不可在屏上接收到亮点，但却可为人眼观察到。
⑤ 波面――常见的有：平面波、球面波、柱面波。
平面波：有平行光形成。
平面波实际是球面波的特例，是R=∞时的球面波。
球面波：有点光源产生 柱面波：有线光源产生。
二、几何光学的基本定律可归纳为四个，即直线传播定律、独立传播定律、折射定律、反射定律。
第01章 几何光学的基本概念和基本定律
2.解：由vc n =得： 光在水中的传播速度:)/(25.2333.1)/(1038s m s m n c v =⨯==水水 光在玻璃中的传播速度:)/(818.165.1)/(1038s m s m n c v =⨯==玻璃玻璃 3.一高度为1.7米的人立于离高度为5米的路灯(设为点光源)1.5米处，求其影子长度。
解：根据光的直线传播。
设其影子长度为x ,则有x x +=5.157.1可得x =0.773米 4.一针孔照相机对一物体于屏上形成一60毫米高的像。
若将屏拉远50毫米，则像的高度为70毫米。
试求针孔到屏间的原始距离。
解：根据光的直线传播,设针孔到屏间的原始距离为x ，则有x x 605070=+可得x =300（毫米） 5. 有一光线以60°的入射角入射于的磨光玻璃球的任一点上， 其折射光线继续传播到球表面的另一点上，试求在该点反射和折射的光线间的夹角。
解：根据光的反射定律得反射角''I =60°，而有折射定律I n I n sin sin ''=可得到折射角'I =30°，有几何关系可得该店反射和折射的光线间的夹角为90°。
6、若水面下200mm 处有一发光点，我们在水面上能看到被该发光点照亮的范围(圆直径)有多大？解：已知水的折射率为 1.333,。
由全反射的知识知光从水中到空气中传播时临界角为：n nm I 'sin ==333.11=0.75，可得m I =48.59°，m I tan =1.13389，由几何关系可得被该发光点照亮的范围(圆直径)是2*200*1.13389=453.6(mm)7、入射到折射率为 的等直角棱镜的一束会聚光束(见图1-3)， 若要求在斜面上发生全反射，试求光束的最大孔径角解：当会聚光入射到直角棱镜上时，对孔径角有一定的限制，超过这个限制，就不会 发生全反射了。
1几何光学的基本定律
I" I
光的折射定律： ①折射光线与入射光线和法线在同一平面内； ②折射角与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两介质的性 质决定，当温度、压力和光线的波长一定时，其比值为一常数，等于 前一介质与后一介质的折射率之比，即
sin I' nsin I / n' 总存在
当光密——>光疏，及n>n’时，sin I'
可能大于1，此时全反射。
当sin I'1 时，I ' 900 ，此时的 I Im
称为临界角
全反射的应用
①等腰直角棱镜
– 当2U在某范围内 时,斜面上发生全反射,则 透明介质界面上不需要 镀反射膜
②光导纤维
I>Im时全反射,用于 传像和传光
二、光的独立传播定律：以不同的途径传播的光同时在空间某 点通过时，彼此互不影响，各路光好像其他光线不存在似地独 立传播。而在各路光相遇处，其光强度是简单地相加，总是增 强的。
屏上被两发光点同时照亮区 域的照度等于二发光点产生 的照度之和。
三、反射定律与折射定律
AO——入射光线 I ——入射 OC——反射光线 I” ——反射 OB——折射光线 I’——折射 NN’——法线
5. 实物(像)点——实际光线的交点(屏上可接收到) 虚物(像)点——光线的延长线的交点(屏上接收不到,人眼可感受
6. 物(像)空间——物(像)所在的空间，可从-∞到+∞ 实物(像)空间——实物(像)可能存在的空间 虚物(像)空间——虚物(像)可能存在的空间
二、完善成像条件
一球面波在某时刻t1形成一波面，该波面经光学系统仍 为一球面波，它在某一时刻t2形成一波面。波面之间的 光程总是相等的，等光程条件。
几何光学基础 光的基本概念和基本定律 几何光学基本定律
二、几何光学原理
全反射原理
• 表示入射光线由光密介质射向光疏介质，当入射 角大于临界角时，折射光线不再存在，入射光线 全部反射回原介质中。
• 临界角（全反射角）指折射角等于90°时对应的入
射角。
n
i'
n'
i i
im
i i
n sin im n
二、几何光学原理
全反射原理 例：光线由水中射向空气，临界角是多少？
• 垂轴线段（向上为正，向下 为负）
• 以光轴为原点
• 角度（顺时针正，逆时针负）
• 入射角、反射角、折射角， 以法线为起始边
• 孔径角，以光线为起始边
教学目的
思政元素 教学目标 知识目标 能力目标
专业—敬业、细心—耐心 掌握几何光学的基本定律、原理 几何光学基本定律和原理 会运用几何光学的基本定律和符号规定
PART 01
几何光学基本定律
一、几何光学基本定律
光的直线传播定律
各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播 的。这一定律可以解释很多自然现象。
法 线
入射光线
反射光线
n
i -i”
n
’
i i
一、几何光学基本定律
光的折射定律
• 入射光线、折射光线和法线三者位于同 一平面内
• 入射角和折射角的正弦之比为一个常数， 即为两种介质的折射率之比
sin i n 或 nsini n'sini' sin i n
• 入射光线和折射光线分别位于法线的两 侧
传播 • 鱼在水中看水面物体时，视角增大，是因为水中折射角小
水
PART 02
几何光学原理
二、几何光学原理
光学教程几何光学部分
以光线概念为基础、 用三大实验定律和几何 方法讨论光的传播及光 成像的规律。
1
第4章 几何光学基础
几何光学的基本定律 物像基本概念 球面和球面系统 平面和平面系统 光学材料（自学）
2
1.1 几何光学的基本定律
基本概念 发光点与发光体
当发光体（光源）的大小和其辐射作用距离 相比可略去不计时，该发光体可视为是发光 点或点光源。 任何发光体（光源）可视为由无数个这样的 发光点的集合。
28
1.2 物像基本概念
光
Q
具
组
实物成实像
Q 光 具 组
虚物成实像
QQ '
光 具 Q' 组
实物成虚像
Q
Q'
'
光
具
Q
组
虚物成虚像
29
1.2 物像基本概念
物与像：
物视为无数物点的集合，若每一物点经光学系 统后都有对应的像点，像点的集合就称为光学系 统对该物所成的完善像（理想像）。 物和像的对应关系光学
47
1.3 单球面和共轴球系统的傍轴成像
轴向放大率
dl dl
由物像公式 nnnn l l r
得 dlnl2n2
dl nl2 n
恒为正值，表示物点沿轴移动，其
像点以同方向沿轴移动。
48
1.3 单球面和共轴球系统的傍轴成像
当物点沿轴移动有限距离
l l
2
1
l l
2
1
由
nnnnnn l2 l2 r l1 l1
1.3 单球面和共轴球系统的傍轴成像
符号规则
光路方向 规定光线从左到右的传播方向为 正，即正向光路，反之为反向光路。
(完整版)几何光学基本定律和成像概念
物点及其像点之间任意两条光路的光程相等
n1 A1O n1OO1 n2O1O2
...
n
' k
Ok
O
'
n
' k
O
'
Ak'
n1 A1E n1EE1
n2 E1E2
... nk' Ek E '
nk' E ' Ak'
C
3. 物（像）的虚实
根据同心光束的汇聚和发散，像物有虚实之分 实像：
由实际光线相交所形成的点为实物点或实像点 虚像：
实物成实像 虚虚物物成成实实像像
实物成虚像 虚虚物物成成虚虚像像
1.3 光路计算与近轴光学系统
一、基本概念与符号规则！！！（图示）
光轴：通过球心C的直线。 顶点O：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L：顶点O到光线与光轴交点A的距离。 物方孔径角U：入射光线与光轴的夹角。 像方截距L’：顶点O到出射光线与光轴的交点的距离。 像方孔径角U’：出射光线与光轴的夹角
物空间和像空间： 分别指的是物和像所在的空间。
共轴光学系统： 若光学系统中各个光学元件的表面曲率中心在一条直线上， 则该光学系统称为共轴光学系统。
光轴： 各光学元件表面曲率中心的连线为光轴。
2. 完善成像条件
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
平面光波与 平行光束
球面光波与 发散光束
球面光波与 会聚光束
二、 几何光学的基本定律
1 光的直线传播定律
描述光在同一介质中的传播规律
在各向同性的均匀介质中光沿直线进行传播。
第1章 几何光学基本定律与成像概念.
物方孔径角
A 球心• C
•
顶点O
光轴
一、基本概念与符号规则
注意：习惯上，一般取光线的方向自左向 右进行
第二节：成像的基本概念与完善成像条件
一、光学系统与成像概念 物点发出的球面波（同心光束）经光学系统后仍
为球面波（同心光束），则其中心为物点的完善像点。 物体上每个点的完善成像点的集合即为物体的完善像。
物所在空间称物空间，像所在空间称像空间。
下面介绍成像的几个基本概念： 光束的分类； 物像与光束的对应关系； 完善成像的条件。
几何光学波面只是垂直于光线的几何曲面。
几何光学就是应用几何光线的概念来研 究光在不同条件下传播特性的一门学科！
二、几何光学基本定律
几何光学以下面几个基本定律为基础：
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 4. 光的折射定律
N
A
B
I I
Pn
Q
n O
N I C
n siIn n siIn
以上四个基本定律是几何光学研究各种光的 传播现象和规律以及光学系统成像特性的基础！
二、几何光学基本定律
角度的符号： (1) 均以锐角度量； (2) 由光线转向法线，顺时 针方向形成的角度为正，逆 时针方向为负。
N
A
B
I I
Pn
Q
n O
N I C
定律的局限性：例如当光经过小孔时会出现衍射， 不再沿直线传播；当两束相干光相遇时，会出现干 涉；
回顾
• 几何光学的基础：折、反定律，费马原理和吕马 斯定律三者可以互相推导出来，因此，三者之中任 一个可以作为几何光学的基本定律，而其他二者可 以作为推论！
几何光学1
2
称为阶跃型光纤的数值孔径
CH 1-2
费马原理
principle of Fermat
费马生于法国南部，在大学里学的是法律，以后以律师为职业，是图卢兹 市法院法律顾问，并被推举为议员。费马的业余时间全用来读书，哲学、文 学、历史、法律样样都读。30岁时迷恋上数学，直到他64岁病逝，一生中有 许多伟大的发现。 费马有一种特殊令人沮丧的习惯，就是他不发表著作，而是在书的边缘上 写下一些草率的注记或者偶尔把他的发现写信告诉他的朋友。结果他失掉了 发现解析几何的优先权。他和笛卡儿各自独立地发现了解析几何，事实上， 笛卡儿的形式分析只涉及到二维的情形，而费马还考虑了三维的情形。费马 也丢掉了发明微积分的某些特性的优先权，这些特性后来启发了牛顿发明了 微积分。（然而，他可能并不在乎。他从事数学研究主要是出于自己的兴趣 和取得的成就。）不过，他极少公开发表论文、著作，主要通过与友人通信 透露他的思想。在他死后，由儿子通过整理他的笔记和批注挖掘他的思想。 好在费马有个‚不动笔墨不读书‛的习惯，凡是他读过的书，都有他的圈圈 点点，勾勾画画，页边还有他的评论。他利用公务之余钻研数学，并且成果 累累。后世数学家从他的诸多猜想和大胆创造中受益非浅，赞誉他为‚业余 数学家之王‛。 费马对数学的贡献包括：与笛卡尔共同创立了解析几何；创造了作曲线切 线的方法，被微积分发明人之一牛顿奉为微积分的思想先驱；通过提出有价 值的猜想，指明了关于整数的理论——数论的发展方向。他还研究了掷骰子 赌博的输赢规律，从而成为古典概率论的奠基人之一。
根据费玛留下的无整数解为出发点，约一个世纪後,欧拉修改了费玛 的方法，证明了三次方也无整数解,由欧拉和费玛证明的3次和4次的 证明,可以推论到3和4的倍数(3,6,9,12...)(4,8,12,16...)都能成立,剩下的 必须要证明素数(质数)的成立,这样就能把无穷的整数系都得证,所以接 下来只需要证明n=5,7,11,13,17,19,...的成立就能得证了。 (在此对於质 数就不多做谈论)索菲.热尔曼 针对(2p+1)这样的素数,例如 5 也是这样 的素数,她找出了特别的方法和高斯通信分享,证明了n=5也是成立 的。 14年後,法国数学家 加布里尔.拉梅 对热尔曼的方法做了更进一 步的补充,并且证明了n=7也是成立的。 接下来,还有很多的数学家都 被费玛最後定理深深著迷,进而追随前人的脚步不断去将定理的证明 一一找出,虽然都没能全部解开,但都为後代数学家留下更多可引用的 定理,怀尔斯就是从这些数学家的错误中寻找蛛丝马迹。
第1章-几何光学
光学部分
§1 几何光学
1-1 几何光学的基本定律
1．光的直线传播 ．
光的直线传播定律 光在各向同性的均匀介质中沿直线传播。 光在各向同性的均匀介质中沿直线传播。
2. 光的反射
当光沿某一方向传播的过程中遇到两种介质的分 界面时会发生一部分光被反射的现象。 界面时会发生一部分光被反射的现象。 镜面反射： 镜面反射： 界面光滑， 界面光滑，反射光束中的各条光线 相互平行，沿同一方向传播。 相互平行，沿同一方向传播。 漫反射：界面粗糙， 漫反射：界面粗糙，反射光线可以有各 种不同的传播方向。 种不同的传播方向。
R
P′
p′
n1 sin i = n2 sin r →n1i = n2r 几何关系： 几何关系： ϕ =r +β i = α +ϕ 解得 n1α + n2β = (n2 − n1)ϕ
h α ≈ tanα ≈ p
h β ≈ tan β ≈ p′
(傍轴条件下 傍轴条件下) 傍轴条件下
h ϕ ≈ tanϕ ≈ R
n1 n2
i
i′
v1
r
v2
sin i v1 n21 = = sin r v 2
绝对折射率： 绝对折射率：一种介质相对于真空的 折射率 n = c v 。
n1 n2
i
i′
v1
r
v2
n1 = c /v1 n2 = c /v2
设光的频率为 ν
n2 v1 sin i n21 = = = n1 v 2 sin r
Ri i′
α
P
C
ϕ
β
h O
P′
p
p′
α + β = 2ϕ
几何光学基本定律详解
§1 几何光学的基本定律1.1 几何光学三定律折射定律的斯涅耳（W. Snell，1621）公式1.2 全反射1.3 棱镜与色散1.4 光的可逆性原理定义：撇开光的波动本性，仅以光的直线传播、反射折射定律为基础，研究光在透明介质中的传播问题。
适用范围：尺度远大于波长，是应用光学的基础特点：原理简单、计算复杂，计算软件（追迹）的发展替代了复杂的计算§1 几何光学的基本定律光线(ray of light)：用一条表示光传播方向的几何线来代表光，称这条几何线为光线1.1 几何光学三定律1. 直线传播定律：在均匀介质中光沿直线传播2. 独立传播定律：不同方向的光线相交，不影响每一光线的传播3. 反射(reflection)、折射(refraction)定律：在两种媒质的界面发生反射、折射例：机场跑道能看多远？夏日机场跑道上方温度梯度较大，导致空气折射率发生变化：()β≈1.5⨯10-6/mn y()=n01+βy人站在跑道的一端，最远能看多远？m n n n n θθθθsin ...sin sin sin 221100====θ光线方程：n 0=1⎧⎪入射光反射光通过内壁上的多次全内反射,从纤维的一端传向另一端。
损耗极低！光纤灯，内窥镜，光纤传感器，……光纤发展历史✧~1840，D Colladon 和J Babinet提出可以依靠光折射现象来引导光线的传播。
✧1854，J Tyndall在英国皇家学会的一次演讲中用实验证实：光线能够沿盛水的弯曲管道传输。
✧1927，JL Baird利用光纤阵列传输图像。
(step index fiber,✧1957，Hirschowitz在美国胃镜学会上展示了研制的光导纤维内窥镜。
✧1961，E Snitzer完成了单模光纤的理论工作。
✧1963，西泽润一提出了使用光纤进行通信的概念。
✧1964，西泽润一发明了渐变折射率光学纤维(gradedindex fiber,GIF)。
几何光学的基本定律
m
s
ni li
i 1
B
s A ndl
2）费马原理：光线从A到B，经过任意屡次折射或反射，其光程为极值。 （对s旳一次微分为零）
B
s A ndl 0
能够解释光旳直线传播、反射、折射定律。
2024/9/22
11
4. 马吕斯定律（波面与光束、波面与光程旳关系）
垂直于波面旳光线经过任意次折射、反射，出射波面仍与出射光 束垂直，且入射波面与出射波面相应点之间光程相同。
第一章 几何光学旳基本定律与成像概念
一、基本概念(光波、光源、光线、波面、光束)
1. 光波— 电磁波（横波）
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可见光波长：400nm—760nm 4000Å－7600 Å 0.4μm—0.76μm
在可见光范围内，不同波长引起不同颜色感觉。 单色光— 具有单一波长旳光。 几种单色光混合而成为“复色光”。 真空中光速 c=3×108m/s 介质中光速 v=c/n
与入射光线所在介质折射率之比。
折射定律可表达为：
sin I sin I
n n
或： n sin I nsin I
若令 n n，得 I I ，即为反射定律。
这表白反射定律能够看作为折射定律旳一 种特例。
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两种现象：光路旳可逆性及全反射 光路旳可逆性：假定某一条光线，沿着一定旳路线。由A传播到B， 假如我们在B点沿着出射光线，按摄影反旳方向投射一条光线，则此 反向光线仍沿着此同一条路线，由B传播到A。光线传播旳这种性质， 叫做“光路可逆性”。
n1 QQ n2 OO QQ OQ sin I1
OO OQ sin I 2
n1 sin I1 n2 sin I 2
《光学教程》第一章几何光学概述
光焦度的单位称为屈光度，以字母D表 示。若球面的曲率半径以米为单位，其 倒数的单位便是D
如果发光点的位置在P′点，它的像便在 P点。换句话说，如果P和P′之一为物， 则另一点为其相应的像。物点和像点的 这种关系称为共轭，相应的点称为共轭 点，相应的光线称为共轭光线。应该指 出，物像共轭是光路可逆原理的必然结
练习P161 3.10 3.12 3.13
六、球面反射对光束单心性的破坏
从物点发散的单心光束经球面反射后， 将不再保持单心性(即使平行光束入射 时也不例外)。
七、近轴光线条件下球面反 射的物像公式
在球面反射的情况中，物空间与像空间 重合，且反射光线与入射光线的进行方 向恰恰相反。这一情况，在数学处理上 可以认为像方介质的折射率n′等于物方 介 质 折 射 率 n 的 负 值 ， 即 n′=-n( 这 仅 在 数学上有意义)。
问题：平面镜反射能否成虚像？
二、光在平面界面上的折射 光 束单心性的破坏
当x不变时，像点S′的位置x′随y而变， 即 从 S 点 发 出 的 不 同 光 线 经 OM 面 折 射 后并不能相交于同一点。
进一步研究可知折射光线在空间也无同 一交会点，这说明折射光束的单心性已 被破坏。
比较光在平面上的反射
单独的球面不仅是一个简单的光学 系统，而且是组成光学仪器的基本 元素；
研究光经过球面的反射和折射，是 研究一般光学系统成像的基础。
一、基本概念
球面的中心点O称为顶点； 球面的球心C称为曲率中心； 球面的半径称为曲率半径； 连接顶点和曲率中心的直线CO称为主轴；
通过主轴的平面称为主截面；
主轴对于所有的主截面具有对称性，因 而只须讨论一个主截面内光线的反射 和折射。
省略一套公式.
几何光学
当|β|＞1时，系统成一放大的像。 当|β|＜1时，系统成一缩小的像。
角放大率为一对共轭光线与主光轴夹角的比值 角放大率表示折射面改变同心光束张角 大小的能力。在近轴条件下，
h P h P
u P u P
角放大率与垂轴放大率的关系：
u P u P
（7）折射率：沿光轴方向传播的光线，对 应的折射率都为正，反之为负。
二、单折射球面成像
M n d h r
n´
Q
-P
O
D
P´
C
Q´
根据费马原理光程 LQMQ´=光程 LQOQ´， 即光程取稳定值。 LQMQ n QM n MQ LQOQ n QO n OQ n( P ) nP
M
n
d Q -P O h r
n´
D P´
C
Q´
由△MDC可得：
h r (r d ) r (r d 2rd ) 2rd d 由△QMD可得：
2 2 2 2 2 2
2
QM ( P d ) 2 h 2 P 2 d 2 2 Pd h 2 P 2 d 2 2 Pd 2rd d 2 P 2 2d ( r P )
光沿反方向传播，必定沿原光路返回。 二、三条定律成立的条件 （1）必须是均匀介质，即同一介质的折射 率处处相等，折射率不是位置的函数。 （2）必须是各向同性介质，即光在介质中 传播时各个方向的折射率相等，折射率不 是方向的函数。
（3）光强不能太强，否则巨大的光能量会 使线性叠加原理不再成立而出现非线性情况。 （4）光学元件的线度应比光的波长大得多， 否则不能把光束简化为光线。 三、光学成像系统的物与像 物：一个本身发光或受到光照的物体。
第一章-几何光学基本定律与成像概念概况
A1 Ak n1 A1 O1 n2O1O2 nk Ok Ak
n1 A1 E1 n2 E1E2 nk Ek Ak 常数
三、物、像的虚实
❖ 实物点或实像点：由实际光线相交所成的点，可用屏幕或 胶片记录。
❖ 虚物点或虚像点：由光线的延长线相交所形成的点。只能 为人眼所观察，而不能被记录；虚物不能人为设定，一般 由前一系统所成的实像被当前系统所截而得。
③当 1, y y ，成放大的像。
（二）轴向放大率
指物点沿光轴作微小移动时，所引起的像点移动量与物 点移动量之比。
共轴光学系统：如果组成光学系统的 各个光学元件的表面曲率中心同在一 条直线上，则该光学系统称为共轴光 学系统。该直线即为光轴。
非共轴光学系统：所有的表面曲率中 心不全在一条直线上。
二、完善成像条件：等光程
共轴光学系统
❖ ① 入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。或 ❖ ② 入射光为同心光束时，出射光也为同心光束。或 ❖ ③ 物点A1及其像点Ak‘ 之间任意两条光路的光程相等。
基本概念
波面（波阵面）：光波向周围传播，在某一瞬时，其振 动相位相同的点所构成的曲面称为波面。光的传播即为 光波波面的传播，即沿着波面法线方向传播。 光束：与波面对应的所有光线的集合。
平面波（在距发光点无限远处），对应平行光束 波面分： 球面波（以发光点为中心的同心球面），对应同心光束
任意曲面波（像差作用实际光学系统使同心光束不同心）
r)
r 1
1 nl
r
n' l
则当l 一定时,u不论为何值，l’为定值。表明轴上 物点在近轴区内以细光束成像是完善的。
轴上物点在近轴区内细光束成的完善像为高斯像。 通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯像面。 其位置由l’决定。 这样一对构成物像关系的点称为共轭点。
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2.解：由v c n =得： 光在水中的传播速度:)/(25.2333
.1)/(1038s m s m n c v =⨯==水水 光在玻璃中的传播速度:)/(818.165.1)/(1038s m s m n c v =⨯==玻璃玻璃 3.一高度为1.7米的人立于离高度为5米的路灯(设为点光源)1.5米处，求其影子长度。
解：根据光的直线传播。
设其影子长度为x ,则有
x x +=5.157.1可得x =0.773米 4.一针孔照相机对一物体于屏上形成一60毫米高的像。
若将屏拉远50毫米，则像的高度为70毫米。
试求针孔到屏间的原始距离。
解：根据光的直线传播,设针孔到屏间的原始距离为x ，则有
x x 605070=+可得x =300（毫米） 5. 有一光线以60°的入射角入射于的磨光玻璃球的任一点上， 其折射光线继续传播到球表面的另一点上，试求在该点反射和折射的光线间的夹角。
解：根据光的反射定律得反射角''I =60°，而有折射定律I n I n sin sin ''=可得到折射角
'I =30°
，有几何关系可得该店反射和折射的光线间的夹角为90°。
6、若水面下200mm 处有一发光点，我们在水面上能看到被该发光点照亮的范围(圆直径)有多大？
解：已知水的折射率为 1.333,。
由全反射的知识知光从水中到空气中传播时临界角为：
n n
m I 'sin ==333
.11=0.75，可得m I =48.59°，m I tan =1.13389，由几何关系可得被该发光点照亮的范围(圆直径)是2*200*1.13389=453.6(mm)
7、入射到折射率为 的等直角棱镜的一束会聚光束(见图1-3)， 若要求在斜面上
发生全反射，试求光束的最大孔径角
解：当会聚光入射到直角棱镜上时，对孔径角有一定的限制，超过这个限制，就不会 发生全反射了。
由n
I m 1sin =，得临界角ο26.41=m I 得从直角边出射时，入射角οοοο74.34590180=---=m I i 由折射定律
n
U i 1sin sin =，得ο5.68U =即ο11.362U =
8、有一光线入射于和的平面分界面上， 平面的法线为 ，求反射光线和折射光线 。
解:
因为I n N A cos =⋅ 所以I j i j i cos
23)60cos 30(cos )30cos 60(cos ==
+⋅+οοοο 所以
=2
32231)23(15.122-=⨯-+- 所以由矢量形式的折射定律
=
j i j i j i )4
322()4162()60cos 30)(cos 232()30cos 60(cos ++-=+-
++οοοο 矢量形式的反射定律
=
[]i j i j i j i j i -=+⋅++-+)60cos 30(cos )30cos 60(cos )60cos 30(cos 2)30cos 60(cos οοοοοοοο。