几何光学的发展
近代物理学的发展
近代物理学的发展近代物理学的发展主要表现在三个方面：一、经典力学体系的形成。
二、对热和电磁现象的实验研究。
三、几何光学的发展。
对经理力学体系形成做出突出贡献的是伽利略、开普勒和牛顿。
伽利略发现了著名的钟摆的等时性定律，还发现了物体的加速度与重量无关。
他在1638年发表了《关于两种新科学对话集》，研究了物体的距离、速度和加速度之间的关系，提出了无穷集合的概念。
这是伽利略最后一部科学著作，在物理学方面取得重要成就。
他重视实验和数学工具的做法标志着近代科学的出现。
开普勒于1609-1619年根据第谷的观测资料提出了行星运动三大定律。
即椭圆轨道定律、面积定律和调和定律。
他也因此被后世学者尊称为“天空的立法者”。
在伽利略、开普勒等人研究工作的基础上，英国物理学家牛顿把物体的运动规律归结为三条基本运动定律（惯性定律、加速度定律和作用力与反作用定律）和万有引力定律，由此建立起一个完整的力学理论体系。
这样，他就把过去一向认为是截然无关的地球上所谓“世俗”的运动和日月星辰那些属于神圣的“天堂”的运动统一在同一理论框架之中。
这可以说是人类认识自然的历史中第一次理论的大综合。
对热现象的实验研究是从测量温度开始的。
16－17世纪，温标和温度计的发明及改进为测量温度的变化提供了便利手段，这是热学走上定量科学的第一步。
1756年，英国布莱克提出潜热和比热的概念，并创立了测定热量的理论和方法，使热学的发展又向前迈出了一步。
热质说（热素说）：把热看做是一种没有质量、没有体积、具有广泛渗透性的特殊的物质，它可以在热交换中，从一个物体流向另一个物体，但总热量是守恒得。
热质说成为18世纪占统治地位的一种观点。
18世纪对电和磁的实验研究尚局限于静电和静磁方面。
这一时期电学的主要成就是关于静电相互作用和电的运动特性的研究。
1729年，首次对导体和绝缘体进行了区分。
1734年，在自然界中发现两种不同的电：正电和负电。
并证明电有同性相斥异性相吸的特性。
光学发展简史总结报告范文(3篇)
第1篇一、引言光学作为物理学的一个重要分支，历史悠久且充满活力。
从人类社会的诞生到现代科技的飞速发展，光学始终伴随着人类文明的进步。
本文将对光学发展简史进行总结，以展现光学在各个时期的重要贡献。
二、光学发展简史1. 萌芽时期光学起源于人类对自然界的观察和思考。
早在古代，人们就已经发现并利用了光的现象，如墨子的小孔成像实验。
这一时期，光学主要关注光的直线传播和反射、折射等现象。
2. 几何光学时期17世纪，牛顿、笛卡儿、斯涅耳等科学家开始对光学进行深入研究。
牛顿提出了光的微粒说，解释了光的反射、折射等现象；笛卡儿提出了光的波动说，为后来的波动光学奠定了基础。
这一时期，光学逐渐形成了几何光学体系，包括光的反射定律、折射定律等。
3. 波动光学时期19世纪，托马斯·杨、菲涅耳等科学家对光的波动性进行了深入研究，提出了光的干涉、衍射等现象。
这一时期，光学进入了波动光学时期，光的本性逐渐由微粒说转向波动说。
4. 量子光学时期20世纪初，爱因斯坦、波尔等科学家提出了光的量子理论，解释了光的量子特性。
这一时期，光学进入了量子光学时期，光与物质的相互作用成为研究重点。
5. 现代光学时期20世纪中叶以来，光学技术飞速发展，激光、光纤、光学成像等领域取得了重大突破。
现代光学已成为一门综合性学科，与物理学、化学、生物学等领域密切相关。
三、光学的重要贡献1. 揭示了光的本性光学的发展使人类逐渐认识到光的本性，从微粒说、波动说到量子理论，光学为人类认识自然界提供了重要线索。
2. 推动了科技进步光学的发展为许多科技领域提供了理论基础和实验手段，如光纤通信、光学成像、激光技术等，极大地推动了科技进步。
3. 丰富了人类生活光学在医疗、教育、娱乐等领域发挥着重要作用，如光学显微镜、光学眼镜、光学投影等，丰富了人类的生活。
四、总结光学作为一门古老的学科，在各个时期都取得了辉煌的成就。
光学的发展不仅揭示了光的本性，还推动了科技进步和人类生活水平的提高。
几何光学ppt
几何光学的基本概念
01
光线
光线是几何光学的最基本概念，它表示光的传播方向和路径。
02
成像
成像是指光线经过透镜或其他介质后，在另一侧形成光像的过程。
02
光线的基本性质
光线传播的基本原理
光线的直线传播
光在均匀介质中是沿直线传播的，大气层是不均匀的，当光从大气层外射到地面时，在空中的传播路线变成曲线。
反射定律
光线从一种介质射向另一种介质时，在两种介质的分界面处，一部分光线会改变传播方向，回到第一种介质中传播，这种现象称为光的反射。
折射定律
光线从一种介质射向另一种介质时，在两种介质的分界面处，光线与界面不平行，而是发生偏折，这种现象称为光的折射。
反射定律与折射定律
光线的干涉
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，它们的振幅相加，而光强则与振幅的平方成正比。当两束光波的相位差为2π的整数倍时，它们的光强相加，产生干涉现象。
几何光学与量子力学的关系
量子力学在光学中的应用
量子力学对光的相干性的研究有助于理解光场的波动性质，解释例如干涉和衍射等现象。
另一方面，量子力学对光的量子性质的研究揭示了光子的粒子性质，为量子信息处理和量子计算等领域提供了基础。
量子力学在光学中的应用主要集中在光的相干性和光的量子性质的研究上。
06
光学系统的组合与优化
显微镜和望远镜都是通过组合不同的透镜和反射镜等光学元件来优化光学性能，以实现更好的成像效果。
照相机的基本结构
照相机的工作原理
照相机的自动对焦与防抖功能
照相机的基本原理
04
几何光学应用实例
近视、远视和散光现象
01
近视、远视和散光是常见的视力问题，几何光学原理在眼镜设计中起到关键作用，通过矫正镜片的光学特性，能够减少或消除这些视力问题。
第一章 几何光学相关基础知识
光学系统中的光阑
• 光阑及其作用 含义：光阑中心与光轴重合且垂直于光轴放 置的通光孔屏。限制成像光束的光孔。 视其作用分为： 孔径光阑 视场光阑 消杂光光阑
孔径光阑 (有效光阑）
• 限制轴上物点入射光束大小的光阑 • 控制像平面的亮暗程度 • 人眼的瞳孔和照相机的光圈都是这种光阑
• 不同介质都有各自相应的折射率 比如：空气的折射率约是1,水的折射率约是 1.33,透明玻璃的折射率约是1.5 • 同一介质不同的波长色光具有不同的折射
率。波长长的色光折射率低，波长短的色 光折射率高。 红光折射率最低，紫光折射率最高 • 折射率高的介质折光能力强，但光速慢。 光密介质
• 折射率低的介质折光能力弱，光速快。 光疏介质
计算题
• 计算光在玻璃中的光速比是多少？
发光体和发光点
• 发光体：一切自身发光的物体或被发光的 物体均为发光体。
• 当忽略发光体的大小与辐射光能的作用距 离相比忽略时，称为发光点 光线：既无体积又无直径，但有一定方向 的几何线，用来表示光能传播方向。
• 有一定关系光线的集合，称为光束
第一章
几何光学相关基础知识
光学发展的不同时期
萌芽时期(公元前15世纪末-公元前16世纪）
眼镜，凸面镜，凹面镜，暗箱，幻灯
几何光学时期（公元16世纪-公元17世纪末）
牛顿“微粒说”
光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的 粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高 速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人 的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光 的微粒说．牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的 直进、反射和折射现象．由于微粒说通俗易懂， 又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了
几何光学ppt
06
几何光学系统设计
光学系统设计的基本步骤
确定设计目标
根据应用场景和需求，明确光学系统的目 标。
制造和装配
根据设计方案，制造和装配光学元件，确 保系统性能和质量。
选择合适的光源
根据设计目标，选择合适的光源，如LED 、激光器等。
优化光学系统
对设计好的光学系统进行优化，提高光学 性能和稳定性。
设计光学系统
研究对象和内容
研究对象
几何光学的研究对象包括光线传播、光的干涉、光的衍射、成像等。
研究内容
几何光学的研究内容包括光线传播规律、光学仪器设计、图像处理等。
学科地位和意义
学科地位
几何光学是物理学的一个重要分支，也是光学工程、生物医学工程等领域的基础 。
意义
几何光学在科学技术发展中具有重要地位，在日常生活中也有着广泛的应用，如 照相机、显微镜、望远镜等光学仪器，以及光刻技术、光学通信等。
04
几何光学成像原理
成像的基本概念
1 2
光线传播方向
光线从物体反射或透射后，传播方向发生变化 ，遵循光的反射定律和折射定律。
光线会聚点
光线通过凸透镜或凹面镜反射后，会聚于一点 ，该点称为焦点。
3
光线成像路径
光线通过凸透镜或凹面镜反射后，从物体反射 的光线经透镜折射后与镜面垂直，且交于一点 ，该点称为物点。
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02
几何光学基本概念
光线和光路
光线
在几何光学中，光线是指一条直线，它表示光的传播路径。
光路
光路是指光线从一个点传播到另一个点的路径，根据光路的 可逆性，可以从发光点出发沿着光路找到接受平面上的亮点 。
焦点和光焦度
物理学史——第四章光学的建立与发展
由于波动说缺乏数学的严密性，理论尚未完善—纵波观点 和未考虑波面上各点之间的相互干涉，再加上牛顿力学节节 胜利，以符合力学规律的粒子行为来描述光学规象被认为是 惟一合理的理论。18 世纪微粒说占了上风。
三 波动说的复兴
19 世纪初光的波动说迎来了复兴的春 天，这首先归功于英国科学家托马 斯 ·杨（T. Young，1773-1829）。
疑问： 色散是不是由于光 和棱镜相互作用，或是 由于其他原因？比如： 由于棱镜的不平或其他 偶然的不规则性？牛顿 又作了以下实验：
②目的：排除棱镜不平等因素造成的颜色的分散
他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置方 式不同，如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作用 引起的，经过第二和第三棱镜后，这种色散现象应进 一步加强。显然实验结果不支持这一观点。
三.光学仪器的研制
1.1299年由意大利人阿玛蒂发明并 制造了眼镜。 2.1608 年，荷兰人李普塞（ Hans Lippershey)制成第一台望远镜:
凸透镜作物镜，凹透镜作目镜
3.伽利略改进成放大32倍，随后又 制成放大1000倍的望远镜。
4.1611 年开普勒设计了用两 个凸透镜构成的天文望 远镜，即 开普勒望远镜。 第一台开普勒望远 镜由天文学家沙伊纳于 1613～1617年制造。
§3. 光速的测定
光速是物理学中最重要的基本常数之一，在光学和物理学 的发展历史上，光速的测定，一直是许多科学家为之探索的课 题。许多光速测量方法那巧妙的构思、高超的实验设计一直在 启迪着后人的物理学研究。 一、 伽利略测量光速的方法 关于光是否以有限的速度传播，在伽利略以前的人们一直有 不同的看法。伽利略第一个坚持光速有限且可以测定。1607年, 他和他的助手曾分别站在两个山头上，用灯闪光方法测定光速， 但实验没有成功。
光学的进步和发展
光学的进步和发展光与人类的生产、生活联系十分紧密，光能引起人们的视觉，又是一种常见的自然现象，所以光学的起源可以追溯到二、三千年以前。
在中国古代的《墨经》、西方欧几里得的《反射光学》、阿拉伯学者写的《光学全书》中都有过对光学现象的介绍。
但光学真正成为一种学说应该是从十七世纪几何光学的初步发展开始。
几何光学的最初发展就是源于天文学和解剖学的需要。
因为光学仪器在天文学和解剖学的研究中有着重要作用，在人们不断研究、制造光学仪器的过程中，几何光学形成了。
几何光学的基础是光的反射定律和光的折射定律。
十七世纪初，德国天文学家开普勒由于革新天文望远镜的实际需要开始了对几何光学的研究。
1604年他发表了一篇论文，对光的反射现象、光的折射现象及视觉现象作了初步的理论解释。
1611年，他又出版了一部光学著作，其中记载了他的两个重要试验：比较入射角和出射角的实验，圆柱玻璃试验。
在书中，他对几何光学作了进一步的理论探讨，并提出了焦点、光轴等几何光学概念，发现了全反射。
继开普勒之后，荷兰物理学家和数学家斯涅尔对几何光学做出了系统的、数学的分析。
斯涅尔通过实验与几何分析，最初发现了光的反射定律。
另外，当他对光的反射现象进行系统的试验观测和几何分析以后，他又提出了光的折射定律。
但斯涅尔在世时并没有发表这一成果。
1626年，他的遗稿被惠更斯读到后才正式发表。
不久后笛卡儿也推出了相同的结论，但他是把光的传播想象成球的传播，是用力学规律来解释的，不是十分严密。
1661年，费马把数学家赫里贡提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。
折射定律的确立，促进了几何光学的迅速发展。
在早期光学的研究中，色散是另一个古老的课题，因为彩虹现象已经吸引人类多年。
在笛卡儿的《方法论》中，提到了作者早期的色散试验，但他没有观察到全部的色散现象。
1648年布拉格的马尔西成功的完成了光的色散试验，但他做出了错误的解释。
牛顿在笛卡儿等人的著作中得到了启示，用三个棱镜重新作了光的色散试验，并在此试验的基础上，对光的颜色总结出了几条规律，结论全面，论据充分。
17-几何光学
9
125 50
125 62.5
光纤的分类
• 按材料分类：
– 玻璃光纤 玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输 纤芯与包层都是玻璃 损耗小 传输 距离长，成本高； – 胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同 胶套硅光纤 纤芯是玻璃 包层为塑料 特性同 玻璃光纤差不多，成本较低； – 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料 损耗大 传输 距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及 短距的图像传输。
c v r r n
n r r 折射率
∵光在介质中频率不变，∴光在介质中的波长：
c n n n v
⑷ 光强： 在同一介质中
IS
λ为光在真空中的波长
1 2 E0 H 0 E0 2
2 I E0 A2
相对光强
⑸ 光谱、谱线宽度 复色光： 含有各种波长成分的光。 单色光： 只有一种波长成分的光。 谱线宽度：Δλ 单色光源发出的光有一定的波长范围。 I 0 谱线宽度（半高宽）。 例：钠光灯 λ=5893Å Δλ=6Å
量子光学时期（公元19世纪末—公元20世纪上半叶） 成就 爱因斯坦（1879—1947年）发展了普朗克的能量子假设， 提出了光的量子说，圆满的解释了光电效应，并被康普顿效应 等许多实验证实 使人们认识到光的波粒 象性 等许多实验证实，使人们认识到光的波粒二象性。 光和一切微观粒子都具有波粒二象性，这个认识促进了原 子核和基本粒子研究的发展，也推动人们进一步探索光和物质 ， 的本质，包括实物和场的本质问题。 现代光学时期 20世纪60年代以来是光学发展最为迅速活跃的时期。 成就 激光问世（T.H.Maiman ，1927— ），全息术、微波、光纤、 红外技术的应用乃至光计算机的研制，使光学成为现代物理学 和现代科学技术领域最重要的前沿之一；理论上出现了许多新 的分支学科和边缘学科，如傅里叶光学、非线性光学、量子光 学、激光光谱学、集成光学等。 现代光学与其他科学技术的结合使人们对光本质的认识进 一步向前发展 步向前发展，并在社会生活和生产活动中发挥极其重要的作 并在社会生活和生产活动中发挥极其重要的作 用。
光学发展的五大历史时期
光学发展的五大历史时期
（一）光学发展的5个时期：
1、萌芽时期——最早是公元前5世纪墨子（墨翟）的《墨经》中还记载了丰富的几何光学知识。
墨子做了世界上第一个小孔成像的实验。
2、几何光学时期——荷兰人斯涅耳最早提出折射定律，由法国数学家费马（1601-1665）提出费马原理、予以确定。
使几何光学理论很快发展，以牛顿的微粒说为代表。
3、波动光学时期——以惠更斯的波动说为代表。
4、量子光学时期——以爱因斯坦的光子说为代表。
5、现代光学时期——以全息术、激光为标志。
（二）光学发展的特点：光学既是物理学中最古老的一个基础学科，又是当前科学研究中最活跃的前沿阵地，具有强大的生命力和不可估量的前途——光子时代。
光学发展史的五阶段(简版)
三、光的本性认识过程可以划分为五个阶段，叙述各阶段的主要观点及其代表任务。
——物理与电子信息工程学院——09物理班张凤珍光学既是物理学中最古老的一个基础学科，又是当前科学研究中最活跃的前沿阵地，具有强大的生命力和不可估量的前途。
光学的发展过程是人类认识客观世界的进程中一个重要的组成部分，是不断揭露矛盾、克服矛盾，从不完全和不确切的认识逐步走向较完善和较确切认识的过程。
它的不少规律和理论是直接从生产实践中总结出来的，有相当多的发现来自长期的系统的科学实验。
因此，生产实践和科学实验是光学发展的源泉。
光学的发展为生产技术提供了许多精密、快速、生动的实验手段和重要的理论依据;而生产技术的发展，又反过来不断向光学提出许多要求解决的新课题，并为进一步深入研究光学准备了物质条件。
光学的发展大致可分为5个时期:萌芽时期;几何光学时期;波动光学时期;量子光学时期;现代光学时期。
萌芽时期中国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。
它起源于火的获得和光源的利用，以光学器具的发明、制造及应用为前提条件。
根据籍记载，中国古代对光的认识大多集中在光的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。
1、对光的直线传播的认识早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验:“景，光之人，煦若射，下者之人也高;高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下……”。
指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”来比喻光线径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确。
宋代，沈括在《梦溪笔谈》中描写了他做过的一个实验，在纸窗上开一个小孔，使窗外的飞鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现:“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂”。
进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而形成倒像。
2、对视觉和颜色的认识对视觉在《墨经》中已有记载:“目以火见”。
赵凯华光学课件及习题答案
其物理意义：
可以通过比较两个振动的光程来考察 两个振动的步调差异。
1.5
在真空中波长为 λ 的单色光，在折射率为 n 的透明介质中从 P 沿某路径传到 Q，若 P、Q 两 点位相差为 5π，则路径 PQ 的光程为:
(1) 5λ (2) 5nλ (3) 2.5λ (4) 2.5nλ (5) 无法判断
i nsin i n sin i
2.2 全反射定律
◆ 当光线从光密媒质 射向光疏媒质时，折射 角大于入射角；当入射 角增大到某一临界值时， 折射光线消失，光线全 部反射，此现象叫全反 射。
全反射临界角：
ic s in1(n2/n1)
n 2 1 的空气对于 n1 1.5 的玻璃，临界角
ic 42
◆ 棱镜光谱仪中的色散元件色散 棱镜就是利用介质的这种性质， 将含有多种波长的复色光分散开 来。
光的可逆性原理:
当光线的方向反转时，它将逆着同一 路径传播，称为光的可逆性原理。
§3 惠更斯原理
波线
2.1 波的几何描述
波动：扰动在空间的传播 球面波波面 平面波
波面：
波面与波线
（1）在同一振源的波场中
光在均匀媒质里沿直线传播。 例：物体的影子, 针孔成像 例：海市蜃楼(mirage)
海市蜃楼(mirage)是一种折光现象，由于靠 近表面竖直方向上空气密度的剧烈变化，使 得一些远处的物体在一定区域形成图像以代 替其真实位置。这些图像是扭曲的，倒转的 或是摇摆的。
空气密度与气压、温度和水蒸气含量密切相关。
2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了 光电效应问题
3、光的某些行为象经典的“波动” 4、另一些行为却象经典的“粒子”
经典光学的建立
1611年，开普勒发表了几何光学的经典著作《折射光学》。 在此书中，他弄清了入射角小的时候，折射角跟入射角成正比 关系，他利用这种关系论述了透镜成像的现象。该书中记载了 测量入射和折射角的方法。
精确折射定律的最早发现者——斯涅耳 （Willebrord Snell Van Roijen 15801626），荷兰莱顿人，数学家和物理学 家，曾在莱顿大学担任过数学教授。斯 涅尔最早发现了光的折射定律，从而使 几何光学的精确计算成为了可能。
菲涅耳具有卓越的数学才能，他随后考虑把波动的周期性 相位变化同惠更斯原理结合起来，并用解析的形式进行精确的 表达。他考虑的是，在给定时刻，从任何部位传到指定地点的 所有振动的叠加。这就是所谓的惠更斯-菲涅耳原理。应用该原 理，菲涅耳对衍射问题进行了精确的计算。
2. 菲涅耳的衍射理论
菲涅耳 （Augustin-Jean Fresnel 1788-1827） 是法国物理学家和铁路工程师。 1788年5月10日生 于诺曼底省，1806年毕业于巴黎工艺学院，1809年 又毕业于巴黎桥梁与公路学校。1923年当选为法国 科学院院士，1825年被选为英国皇家学会会员。 1827年7月14日因肺病医治无效而逝世，终年仅39 岁。
最早的显微镜是由一个叫詹森的荷兰眼镜制造匠人于 1590 年前 后发明的。这个显微镜是用一个凹镜和一个凸镜做成的，制作水平还 很低。詹森虽然是发明显微镜的第一人，却并没有发现显微镜的真正 价值。也许正是因为这个原因，詹森的发明并没有引起世人的重视。
事隔 90 多年后，显微镜又被荷兰人列文虎克研究成功了，并且 开始真正地用于科学研究试验。1665 年，列文虎克终于制成了一块 直径只有 0.3 厘米的小透镜，并做了一个架，把这块小透镜镶在架 上，又在透镜下边装了一块铜板，上面钻了一个小孔，使光线从这里 射进而反射出所观察的东西。这样，列文虎克的第一台显微镜成功了。 由于他有着磨制高倍镜片的精湛技术，他制成的显微镜的放大倍 数，超过了当时世界上已有的任何显微镜。列文虎克并没有就此止步， 他继续下功夫改进显微镜，进一步提高其性能，以便更好地去观察了 解神秘的微观世界。为此，他辞退了工作，专心致志地研制显微镜。 几年后，他终于制出了能把物体放大 300 倍的显微镜。
第二章 几何光学
2.1基本定律与球面系统
• 第一节：几何光学的基本概念 1. 光源与发光点：从物理学的观点看，任何发光的物体都可以叫作 光源。在几何光学中，把凡是发出光线的物体，不论它本身发光 体或是因为被照明而漫反射光的物体，都称为光源。如果某光源 可看成几何学上的点，它只占有空间位置而无体积和线度，则称 之为发光点或点光源。 2.光线与光束：光线是表示光能传播方向的几何线。有一定关系 的一些光线的集合称为光束。 3.光波波面：光也是一种电磁波。某一时刻其振动位相相同的点 所构成的面称光波波面。在各向同性介质中，光沿着波面法线方 向传播，所以可以认为光波波面的法线就是几何光学中的光线。 与波面对应的法线束就是光束。
r , n, n
L, U
L,U
阿贝不变量
1 1 1 1 n Q n r l r l h u nu n n n r n n n n l l r
折射球面的孔径角 关系 折射球面的物像位 置关系
率中心同在一条直线上，则称为共轴光学系统 ， 该直线叫作光轴。
所有的球心不全在一 条直线上的，称为非 共轴光学系统。
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） 物（像）空间：物（像）所在的空间 顶点：光轴与球面的交点
子午平面：指通过物点和光轴的平面，对于轴上物点， 子午平面有无数个，对于轴外物点，只有一个。 物方截距 ---物方光线与光轴的交点到顶点的距离 像方截距—像方光线与光轴的交点到顶点的距离 物方孔径角：物方光线与光轴的夹角 像方孔径角：像方光线与光轴的夹角
物空间
法线
折射球面
n
物
I
光学发展简史
至此，光的弹性波动理论既能说明光的直线传播，也能解释光的干 涉和衍射现象，并且横波的假设又可解释光的偏振现象。看来一切 似乎十分圆满了，但这时仍把光的波动看做是“以太”中的机械弹 性波动。至于“以太”究竟是怎样的物质，尽管人们赋予它许多附 加的性质，仍难自圆其说。
这样，光的弹性波理论存在的问题也就暴露出来了。此外，这个理 论既没有指出光学现象和其他物理现象间的任何联系，也没能把表 征介质特性的各种光学常量和介质的其他参量联系起来。
➢
首先观察到光的衍射现象
➢ 也观察到光的衍射现象
➢和
分别独立的研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹
所有这些都是光的波动理论的萌芽
由此也拉开了微粒理论和波动理论关于光的本性之争的序幕
微粒理论
以 为代表 认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微 粒流 • 直接说明了直线传播定律 • 解释了光的反射和折射定律 • 不能说明衍射现象 • 不能解释牛顿环 • 得出光在水中的速度大于空气中的速
1845年法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转，从而揭示了光学现象和 电磁现象的内在联系。 1856年韦伯和柯尔劳斯通过在莱比锡做的电学实验发现了电荷的电磁单位和 静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。 1865年麦克斯韦指出电磁波以光速传播，说明光是一种电磁现象。 1888年赫兹的实验证实光是一种电磁现象。 至此，确立了光的电磁理论基础，尽管关于以太的问题，要在相对论出现以 后才能得到完全解决。 在此期间，人们还用多种实验方法对光速进行了多次测量 1849年菲佐运用旋转齿轮法以及1862年傅科使用旋转镜法测定了光在各种不 同介质中的传播速度。
04 量 子 光 学 时 期 PART ONE
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观 机制中。光的电磁理论的主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象， 例如黑体辐射问题、光电效应。
几何光学的发展资料
回顾一下全反射的定义
3. 荷兰数学家斯涅耳，从实验得到准确的
折射定律 。
AC CD
Sin
BC CD Sin
1
AC Sin Csc 常数 BC 1 Csc
D
C
Sin
首次将光的折射定律
正确表述：对于给定
B
的两种介质，入射角
和折射角的余割之比
总是保持相同的值。
A
• 图 斯涅耳
4.笛卡儿的工作
赋予折射定律以现代形式，1837年发表《方法论》。他
用粒子说来解释光的反射和折射。 他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看作是一层 很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，当球穿过 薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但平行 于界面的方向上的速度不变。据此他得出：visin i =vrsin r，所以有：sin i /sin r =vr/vi=常数
第六章 经典光学的发展
光学的发展可追溯到古代，在古中
国和古希腊的典籍中，我们可看到
古人对光的直线传播和反射等问题 的观察和思索的成果。17世纪光的 反射定律和折射定律的建立为几何
光学奠定了基础。光的本性早在古
希腊时代就成为先贤们争论的课题， 17世纪以来微粒说和波动说的争论 成为光学发展的主线和动力。
第一节 几何光学的发展
近代几何光学的成就与欧洲发达的玻 璃业密切相关，它为光学仪器的发明 创造了条件，而光学仪器的发展又为 人们提供了新的实验事实，促进了光 学理论的进步。
折射定律的建立
1. 古罗马学者托勒密对光的折射现
象进行了实验研究，并得出结论： 折射角和入射角成正比。
几何光学的发展资料课件
几何光学的发展历程
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
古代光学
文艺复兴时期
17世纪
18世纪
19世纪
人类对光的认识可以追 溯到古代，如中国的墨 子发现了小孔成像现象 ，古希腊的欧几里德研 究了折射定律。
文艺复兴时期，许多科 学家开始深入研究光学 ，如达芬奇、开普勒等 。
17世纪，几何光学得到 了快速发展，如笛卡尔 、费马等人研究了光的 折射和反射，牛顿发现 了白光是由不同颜色的 光组成的。
在通讯、测量、加工、医疗等领域广 泛应用，是现代科技发展的重要支撑 。
激光技术的原理
利用特定物质在受激发状态下释放相 干光，具有亮度高、方向性好、单色 性好等特点。
03
光学理论的发展
光的波动理论
总结词
光的波动理论认为光是一种波动现象，具有干涉、衍射等波 动特性。
详细描述
光的波动理论最初由荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯提出，他 认为光是一种波，具有反射、折射、干涉和衍射等性质。光 的波动理论能够解释许多光学现象，例如光的干涉和衍射， 为后来的光学研究奠定了基础。
06
未来几何光学的发展趋势 与展望
超分辨率成像技术
总结词
超分辨率成像技术是当前光学领域研究的热点之一，它旨在突破传统成像技术的 限制，实现高分辨率、高清晰度的成像效果。
详细描述
超分辨率成像技术通过采用信号处理、算法优化等方法，从低分辨率图像中提取 更多的细节和信息，从而生成高分辨率图像。这一技术在医学、生物、安全等领 域具有广泛的应用前景，例如在医学诊断中提高影像的清晰度和准确性。
量子光学技术
总结词
量子光学是研究光的量子性质和光与物 质相互作用的一门学科，它涉及到量子 计算、量子通信和量子信息等领域。
光学发展简史
•光学工程
力学 电磁学 热力学
光学
机械工程 电气工程 动力工程 光学工程
1961年,德 1590年,意 1909~1917年,美 1665年,英 1801年,英 1797~1798年,英 古希腊 1604年,意
1912年,英 1851年,法
380nm
研 究 尺 度
量子光学
波动光学
103
几何光学
760nm 以光本质上是一份一份的能 量子——光子为基础,采用 波函数描述
以光本质上是一种波长较 短的电磁波为基础,采用 简谐振动中的正弦(或余 弦)规律来描述,研究光的 波动性
以光线的概念为基本 观点,采用几何方法来 研究,只研究光传播的 几何规律
代表人物和成就：
A、惠更斯（荷兰，1629~1695）：光的波动理论的创始人，提出了“光是‘以太’中传 播的波 动”理论和 次波假设（惠更斯原理）。并园满解释了反射、折射定律和双折射现 象。 B、杨氏（英， 1773~1829 ）：最先利用干涉原理解释了白光下的薄膜颜色，设计并完 成 了著名的杨氏双缝干涉实验，并第一次成功地测定了光的波长。提出了 光是横波的假设。 主要贡献：杨氏双缝实验，杨氏模量，视觉和颜色，医学，语言学，埃及象形字
X射线散射实验：康普顿 (美,1892~1962 )
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
Ⅴ 、现代光学时期
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 外波段的应用，非线性光学等，派生了许多崭新的分支学科。
第6篇 光学发展史
波动光学时期
夫琅和费（德国人， 1787 － 1826 ）对折射的 研究。 1835 年施维尔德（ 1792—1871 ）发表 了总结性的文章；题为《从波动论的基本定理 出发分析地阐明衍射现象》之后，才告一段落。 1845 年，法拉第（英国人， 1791—1867 ）发 现了偏振光的振动面在强磁场中旋转的现象， 从而揭示了光和电磁的内在联系。1856年韦伯 （德国人， 1804 － 1891 ）和柯尔劳斯（德国 人， 1809—1858 ），发现电荷的电磁单位和 静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。
波动光学时期
扬在1800年的论文中。根据光的波动本
性解释了牛顿环的现象，并描述了杨氏 双缝干涉实验，第一次用实验显示了光 的干涉现象，并由此成功地测出了红光 和紫光的波长，并且认为光是横波。扬 取得了很多研究成果，其中包括人眼的 构造和功能。
波动光学时期
菲涅耳继续了扬的工作，1815年他用扬的干涉 原理补充了惠更斯原理，提出了惠更斯——菲 涅耳原理。运用这一原理不仅能解释光在各向 同性介质中的直线传播，同时也能解释光的衍 射现象。 1808年马吕斯（英国人，1775—1812）偶然 发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。 菲涅耳和阿拉果（1786一1853）在1819年提 供了相互垂直的偏振光不相干涉的证明，这是 光的横向振动理论最终的证实。
被牛顿用来解释虹的成因。 牛顿根据实验结果，也提出了错误的看 法，他断定透镜成象存在根本的缺点， 即不能形成清晰的物象。 但是必须指出，牛顿的前提是错误的， 他的错误在于他认为不同的透明物质是 从相同的方式折射不同颜色的光线的。
几何光学时期
牛顿在光学中另一项精彩的发现是牛顿
演变从几何光学到物理光学
演变从几何光学到物理光学随着光学科学的不断发展，从几何光学到物理光学的演变越来越受到学者们的关注。
几何光学是光传播规律的基础，而物理光学则更加注重光的本质和行为。
本文将从历史的角度探讨演变过程，并探讨两者之间的关系和差异。
一、背景概述1.1 几何光学的发展与原理几何光学主要研究光的传播路径和光的反射、折射规律。
早在古希腊时期，人们就开始研究光的传播，欧几里得在《几何原本》中首次提出了光的传播以直线为基础的理论。
近代科学家如牛顿、费马等对几何光学进行了深入研究，并得出了许多重要结论，如光的反射定律和折射定律。
1.2 物理光学的发展与原理物理光学是在几何光学的基础上发展起来的，主要研究光的波动性质和光与物质相互作用的规律。
19世纪初，杨氏的干涉实验以及菲涅耳提出的波动理论为物理光学理论的发展奠定了基础。
随后，迈克尔逊和莫雷等科学家的干涉实验进一步支持了物理光学的波动性质。
二、几何光学与物理光学的关系与差异2.1 关系的演变几何光学与物理光学在许多方面有着紧密的联系。
几何光学的基本原理为物理光学提供了基础，而物理光学则进一步拓展了几何光学的研究范围。
两者的演变是相互依存而又相互促进的过程。
几何光学从宏观的直线传播出发，而物理光学则将光看作电磁波并研究其干涉、衍射等波动现象。
2.2 差异的体现几何光学注重光的几何传播规律，主要以光的传播路径和反射、折射规律为研究对象。
而物理光学则更加关注光的波动性质，涉及光的干涉、衍射、偏振等现象，并对光的相互作用进行了深入研究。
物理光学更加关注光的本质和行为，几何光学则更加强调光的传播规律。
三、发展阶段与趋势展望3.1 发展阶段几何光学与物理光学的发展经历了不同的阶段。
几何光学在古代受到了长期的研究与讨论，而物理光学则在近代相对较新。
经历了牛顿时期的几何光学，随着实验技术的发展，物理光学逐渐兴起。
现代科学技术的进步更加明确了几何光学与物理光学的重要性和必要性。
3.2 趋势展望随着科学技术的进步，几何光学与物理光学的融合将越来越紧密。
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全反射的发现：
令 AB 为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空 气进入玻璃发生折射，由于最大偏折角为420， 所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为 420×2=840的锥形MON。
若有一束光 从玻璃射向 空气，当入射角大于 42 0 时，则到达 O 点后，将 既不能进入空气，也不 能进入MON锥形区域， 必定反射为∑’。
回顾一下全反射的定义
3. 荷兰数学家斯涅耳，从实验得到准确的
折射定律 。
CD CD BC AC S i n Sin 1 AC S in C sc 常数 1 BC C sc S in
D
C
首次将光的折射定律 正确表述：对于给定 的两种介质，入射角 和折射角的余割之比 总是保持相同的值。
第六章 经典光学的发展
光学的发展可追溯到古代，在古中 国和古希腊的典籍中，我们可看到 古人对光的直线传播和反射等问题 的观察和思索的成果。17世纪光的 反射定律和折射定律的建立为几何 光学奠定了基础。光的本性早在古 希腊时代就成为先贤们争论的课题， 17世纪以来微粒说和波动说的争论 成为光学发展的主线和动力。
对于球偏离 法线的现象 ，他先后得 出哪两个错 误的假设？
5. 费马的工作：
他认为：光沿着所需时间为极值的路径传播，这就是费马原 理。并假设光密介质中的光速比光疏中的要慢，推导如 下：
疏
密
由此费马正确地推导 得出了折射定律的公 式。同时证明了光从 光疏媒质进入光密媒 质时向法线方向偏折 。
这样，从托勒密开始，经过 了1500年左右的时间才得到了严 格的折射定律，连同光的直线传 播和反射定律一起构成了几何光 学的理论基础。
B
A
• 图
斯涅耳
4.笛卡儿的工作 赋予折射定律以现代形式，1837年发表《方法论》。他 用粒子说来解释光的反射和折射。 他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看作是一层 很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，当球穿过 薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但平行 于界面的方向上的速度不变。据此他得出：visin i =vrsin r，所以有：sin i /sin r =vr/vi=常数
第一个实验 是比较入射角和折射角：如图， 让阳光 LMN 斜射到竖直屏 DBC 上， BC 边缘在水 平底座投下阴影 HK ；另一部分从光线则从 DB
射进一玻璃立方体中，在水平底座投下阴影 IG。
根据屏高BE和 两阴影的长度 EH 和 EG ，就可算出实验是：用一个圆柱形玻璃，令光 线沿S 1和 S 2入射，通过圆柱中心的光线 S 1 方向不变，和圆柱边沿相切的光线S2偏折 最大，并发现最大偏折角约为420。
第一节 几何光学的发展
近代几何光学的成就与欧洲发达的玻 璃业密切相关，它为光学仪器的发明 创造了条件，而光学仪器的发展又为 人们提供了新的实验事实，促进了光 学理论的进步。
折射定律的建立
1. 古罗马学者托勒密对光的折射现 象进行了实验研究，并得出结论： 折射角和入射角成正比。 2. 开普勒的工作：1611年根据其对 光的折射的系统的研究写了《屈光 学》一书，该书记载了两个实验。