应用光学课件新

•光学介质optical mediums 光学介质：光从一个地方传至另一个地方的空间 。空气、水、玻璃 各项同性介质:光学介质的光学性质不随方向而 改变 各向异性介质：晶体（双折射现象） 均匀介质：光学介质的不同部分具有相同的光学 性质-----均匀各向同性介质

光的直线传播定律 光在各项同性的均匀介质中沿着直线传播。 两个条件：均匀介质，无阻拦。 可解释的现象：
OO' sin I 2 OQ'
sin I1 QQ' sin I 2 OO'
sin I1 v1 n2 n1, 2 sin I 2 v2 n1
第二种介质对第一种介质折射率之比等于第一种介 质中的光速与第二种介质中的光速之比。
sin I1 v1 n2 n1, 2 sin I 2 v2 n1
B
反射：I1=R1
R1=I1 A I1 R1 C
折射：
n1
O I2 B n2
n1 Sin I1 = n2 Sin I2 n2 Sin I2 = n1 Sin I1
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
• 全反射
1、定义：当光从光密介质射入到光疏介质，并且当入 射角大于某值时，在二种介质的分界面上光全部返回 到原介质中的现象。 空气
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

波面：在某一时刻，同一光源辐射场的位相相 同的点构成的曲面。
t + Δt 时刻 t 时刻 A
光线是波面的法线 波面是所有光线的垂直曲
面
光线与波面之间的关系：波面的法线即为几何
光学中所指的光线。
1.1 光源、波面、光线和光束（续）
c 频率和光速，波长的关系
在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变
几何光学的研究对象和光线概念

研究对象 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
几何光学与物理光学在一定的条件下可以 统一

1.1 光源、波面、光线和光束

光源：能够辐射光能的物体
当发光体（光源）的大小与其辐射能的作用距离相比可 忽略不计时，该发光体可称为发光点或点光源。既无体积 又无大小的几何点，但能辐射能量。实际被成像物体都是 由无数发光点组成。包括线光源和面光源。
有
•通常所说的介质的折射率实际上是该介质 对于空气 的相对折射率 •光密介质和光疏介质
课堂练习：判断光线如何折射
I 1
空气 n=1 水 n=1.33 I 2
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
• 光路的可逆性
1、现象
A
B
2、证明
直线传播： A
υ1 υ2
C
第一种介质的绝对折射率 ： 第二种介质的绝对折射率 ： n2
n1 =
n2 =
υ1
C
υ2
所以
n 1, 2 =
n1
用绝对折射率表示的折射定律
由
sin I1 n2 v1 sin I 2 n1 v2 sin I1 v1 n2 n1, 2 sin I 2 v2 n1
n2 n1, 2 n1

光束：和同一波面对应的法线束
o 发散的同心光 束 会聚的同心光 束 o
平行光束
像散光束
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
像散光束：不严格交于一点，波面为非球面
平行光束
波面为平面
1.2 几何光学的基本定律
一、光的传播现象的分类
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。
光线的概念 能够传输能量的几何线，具有方向

光线：其被抽象为既无直径又无体积的几何线。它的方 向代表光线的传播方向即光能的传播方向。
利用它可以把光学中复杂的能量传输和光学成像问题归 结为简单的几何运算问题。

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 光波的传播问题就变成了几何的问题
相对折射率与绝对折射率 1、相对折射率：
一种介质对另一种介质的折射率 2、绝对折射率
c 一定波长的单色光在真空中的传播速度 与它在 v 给定介质中的传播速度 之比定义为该介质对指定 波长光的绝对折射率。
c 介质对真空或空气的折射率 n v
相对折射率与绝对折射率之间的关系 相对折射率：
n 1, 2 =
入射面：入射光线和法线所构成的平面
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
•反射定律可以看作折射定律的特殊情况(n′= -n)
折射定律和折射率的物理意义
Q
A I1 P O I2
12
N
Q´
1 2
O´
N´
QQ' v1t
OO' v2t
QQ' sin I1 OQ'
第一章
几何光学基本定律
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
第一节wenku.baidu.com念
几何光学的基本概
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
影子的形成、日蚀、月蚀等

光的独立传播定律：以不同路径传播的两条光线同时在 空间某点相遇时，彼此互不影响，独立传播。相遇处的 光强度只是简单的相加，总是增强的。
B
A
P

光的折射定律和反射定律：当光在传播中遇到两种不同 介质的光滑界面时，光线将发生折射和反射，其继续传 播的规律遵循折射定律和反射定律
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

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
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
单色光：同一种波长 复色光：由不同波长的光波混合而成
O1 I2 O2 O3 I0 O4
n2 n1
水
A
I1 R 1
当入射角增大到某一程度时，折射角 n2 达到90°，折射光线沿界面掠射出去 sin I 0 n1 ，这时的入射角为临界入射角。