第一章 几何光学基本原理 《应用光学(第三版)》电子教案
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规律和现象来设计和制造光学仪器
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第二节 几何光学的基本定律
自然界中光的传播现象
1、光在均匀透明介质中传播的规律——直线传播规律 2、光线在两种均匀介质分界面上的传播规律——反射定律和折射定
律。 若一束光线投射在两种介质的分界面上，如图1-7，一部分光线在分
界面上反射到原来的介质，称为反射光线；李一部分光线透过分界面 进入第二种介质，并改变原来的方向，称为折射光线。反射和折射光 线的传播规律，就是反射和折射定律。
图1-7
I1：入射角 R1：反射角 I2：折射角
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第二节 几何光学的基本定律
反射定律：
1、反射光线位于入射面内
2、反射角等于入射角：I1=R1
折射定律：
1、折射光线位于入射面内
2、入射角和折射角的正弦之比，对于两种一定的介质来说，是一个
和入射角无关的常数
sin I1 sin I2
第四节光路可逆和全反射
二、全反射
当入射角I1〉I0时，折射光线不再存在，入射光线全部反射。这样的 现象称为全反射。（图1-11）
只有当光线由折射率高的介质射向折射率低的介质时，才有可能产生 全反射。
全反射现象的应用： 光学仪器（图1-12a） 测量介质的折射率（图1-12b）
图1-11
第一章 几何光学基本原理
第一节 光波和光线 第二节 几何光学基本定律 第三节 折射率和光速 第四节 光路可逆和全反射
（一）光路可逆 （二）全反射
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第一节 光波和光线
光波和无线电波的不同处，只是光波的波长比无 线电波短
图1-1 电磁波按波长分类
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第一节 光波和光线
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第七节理想像和理想光学系统
对光学系统成像最普遍的要求就是成像清晰。
符合点对应点的像同时具有以下性质：
直线成像为直线（图1-21） 平面成像为平面（图1-22）
图1-21
图1-22
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第七节理想像和理想光学系统
通常把物、像空间符合“点对应点，直线对应直 线，平面对应平面”关系的像称为“理想像”， 把成像光线符合上述关系的光学系统称为“理想 光学系统”。
第六节光学系统类别和成像的概念
光学系统第一个曲面以前的空间为“实物空间”，而第一个曲面以后 的空间称为“虚物空间”。
光学系统最后一个曲面以后的空间为“实像空间”，而最后一个曲面 以前的空间称为“虚像空间”。
共轭：若将A’看作物点，则由A’发出的光线必相交于A点，A点就成 了A’通过光学系统的像。这种对应关系称为共轭
图1-12
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第五节基本定律的向量形式
图1-13
图1-14
入射光线的方向用单位向量Q表示，折射光线的方向用单位向量Q’表 示，法线方向用单位向量N来表示
均匀介质中的直线传播定律：Q=Q’（图1-13）
反射定律的向量公式：Q×N=Q’×N’（图1-14）
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第六节光学系统类别和成像的概念
光线是波面的法线，波面就是所有光线的垂直曲 面
同心光束：相交于同一点或者由同一点发出的一束光线，对应波面形 状为球面，图1-6a
像散光束：不聚焦于一点的光束，对应波面形状为非球面。图1-6b 平行光束对应的波面为平面。图1-6c
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第一节 光波和光线
图：1-6 本书就是按照几何光学的原理来研究光的各种传播现象，并应用这些
n 1 ，2
n2 n1
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第四节光路可逆和全反射
一、光路可逆
假定某一条光线，沿一定的路线，由A传播到B。如果在B点沿着出射 光线，按照相反的方向投射一条光线，则此反射光线，仍沿着此同一 条路线，由B传播到A。光线传播的这种性质，叫做“光路可逆定理”。
图1-9
图1-10 上一页 下一页 返回
可见光：波长在400~600nm的电磁波，能够为人眼所感觉 单色光：同一颜色的光，具有相同颜色。 复色光：不同波长的光波混合而成的光。
图1-2 不同颜色光对应的波长范围
白光是由各种波长混合而成的一种单色光
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第一节 光波和光线
不同波长的电磁波，在真空中具有完全相同的传播速度，不同电磁波 的频率不同。
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第六节光学系统类别和成像的概念
透镜的分类：
1、会聚透镜或正透镜（图1-17a） 2、发散透镜或负透镜（图1-17b）
图1-17
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第六节光学系统类别和成像的概念
光束通过透镜的传播情况
1、会聚透镜（图1-18）
2、发散透镜（图1-19）
图1-18
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sin I1 sin I2
1 2
n 1，2
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第三节 折射率和光速
相对折射率：一种介质对另一种介质的折射率
绝对折射率：介质对真空的折射率
第二种介质对于第一种介质的相对折射率等于第 二种介质的绝对折射率和第一种物质的绝对折射 率之比
n 1 ，2
n2 n1
sin I1 sin I2
c
某一瞬间波动传播到达的曲面成为波面。图1-3 几何光学中，把光看作能传输能量的几何线，即光线。图1-4
图1-3
图1-4
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第一节 光波和光线
几何光学研究光的传播，也就是研究这些光线的 传播。
研究的方法：首先找出光线的传播规律—几何光线的基本定律，然后 根据这些基本定律，然后根据这些基本定律研究光的传播现象。
光学系统：将反射镜，棱镜和透镜按一定方式组 合起来，使由物体发出的光线，经过这些光学零 件的折射、反射以后，按照我们的需要改变光线 的传播方向，随后射出光学系统，满足一定的需 要。
共轴系统：绝大部分透镜系统都有一条对成轴线。 球面系统：光学系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：光学系统中包含非球面。 共轴球面系统：球面系统中所有球面均位于同一直线上
n 1 ，2
n 1 ， 2 称为第一种介质对第二种介质的折射率
至于光在不均匀介质中的传播规律，可以把不均匀介质看作是由无限 多的均匀介质组合而成
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第三节 折射率和光速
折射率和光速之间的关系：
一束平行光线投射到两介质的分界面P上，如图1-8
图1-8 第二种介质的折射率等于第一种介质的光速和第二种介质的光速之比
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第二节 几何光学的基本定律
自然界中光的传播现象
1、光在均匀透明介质中传播的规律——直线传播规律 2、光线在两种均匀介质分界面上的传播规律——反射定律和折射定
律。 若一束光线投射在两种介质的分界面上，如图1-7，一部分光线在分
界面上反射到原来的介质，称为反射光线；李一部分光线透过分界面 进入第二种介质，并改变原来的方向，称为折射光线。反射和折射光 线的传播规律，就是反射和折射定律。
图1-7
I1：入射角 R1：反射角 I2：折射角
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第二节 几何光学的基本定律
反射定律：
1、反射光线位于入射面内
2、反射角等于入射角：I1=R1
折射定律：
1、折射光线位于入射面内
2、入射角和折射角的正弦之比，对于两种一定的介质来说，是一个
和入射角无关的常数
sin I1 sin I2
第四节光路可逆和全反射
二、全反射
当入射角I1〉I0时，折射光线不再存在，入射光线全部反射。这样的 现象称为全反射。（图1-11）
只有当光线由折射率高的介质射向折射率低的介质时，才有可能产生 全反射。
全反射现象的应用： 光学仪器（图1-12a） 测量介质的折射率（图1-12b）
图1-11
第一章 几何光学基本原理
第一节 光波和光线 第二节 几何光学基本定律 第三节 折射率和光速 第四节 光路可逆和全反射
（一）光路可逆 （二）全反射
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第一节 光波和光线
光波和无线电波的不同处，只是光波的波长比无 线电波短
图1-1 电磁波按波长分类
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第一节 光波和光线
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第七节理想像和理想光学系统
对光学系统成像最普遍的要求就是成像清晰。
符合点对应点的像同时具有以下性质：
直线成像为直线（图1-21） 平面成像为平面（图1-22）
图1-21
图1-22
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第七节理想像和理想光学系统
通常把物、像空间符合“点对应点，直线对应直 线，平面对应平面”关系的像称为“理想像”， 把成像光线符合上述关系的光学系统称为“理想 光学系统”。
第六节光学系统类别和成像的概念
光学系统第一个曲面以前的空间为“实物空间”，而第一个曲面以后 的空间称为“虚物空间”。
光学系统最后一个曲面以后的空间为“实像空间”，而最后一个曲面 以前的空间称为“虚像空间”。
共轭：若将A’看作物点，则由A’发出的光线必相交于A点，A点就成 了A’通过光学系统的像。这种对应关系称为共轭
图1-12
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第五节基本定律的向量形式
图1-13
图1-14
入射光线的方向用单位向量Q表示，折射光线的方向用单位向量Q’表 示，法线方向用单位向量N来表示
均匀介质中的直线传播定律：Q=Q’（图1-13）
反射定律的向量公式：Q×N=Q’×N’（图1-14）
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第六节光学系统类别和成像的概念
光线是波面的法线，波面就是所有光线的垂直曲 面
同心光束：相交于同一点或者由同一点发出的一束光线，对应波面形 状为球面，图1-6a
像散光束：不聚焦于一点的光束，对应波面形状为非球面。图1-6b 平行光束对应的波面为平面。图1-6c
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第一节 光波和光线
图：1-6 本书就是按照几何光学的原理来研究光的各种传播现象，并应用这些
n 1 ，2
n2 n1
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第四节光路可逆和全反射
一、光路可逆
假定某一条光线，沿一定的路线，由A传播到B。如果在B点沿着出射 光线，按照相反的方向投射一条光线，则此反射光线，仍沿着此同一 条路线，由B传播到A。光线传播的这种性质，叫做“光路可逆定理”。
图1-9
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可见光：波长在400~600nm的电磁波，能够为人眼所感觉 单色光：同一颜色的光，具有相同颜色。 复色光：不同波长的光波混合而成的光。
图1-2 不同颜色光对应的波长范围
白光是由各种波长混合而成的一种单色光
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第一节 光波和光线
不同波长的电磁波，在真空中具有完全相同的传播速度，不同电磁波 的频率不同。
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第六节光学系统类别和成像的概念
透镜的分类：
1、会聚透镜或正透镜（图1-17a） 2、发散透镜或负透镜（图1-17b）
图1-17
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第六节光学系统类别和成像的概念
光束通过透镜的传播情况
1、会聚透镜（图1-18）
2、发散透镜（图1-19）
图1-18
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sin I1 sin I2
1 2
n 1，2
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第三节 折射率和光速
相对折射率：一种介质对另一种介质的折射率
绝对折射率：介质对真空的折射率
第二种介质对于第一种介质的相对折射率等于第 二种介质的绝对折射率和第一种物质的绝对折射 率之比
n 1 ，2
n2 n1
sin I1 sin I2
c
某一瞬间波动传播到达的曲面成为波面。图1-3 几何光学中，把光看作能传输能量的几何线，即光线。图1-4
图1-3
图1-4
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第一节 光波和光线
几何光学研究光的传播，也就是研究这些光线的 传播。
研究的方法：首先找出光线的传播规律—几何光线的基本定律，然后 根据这些基本定律，然后根据这些基本定律研究光的传播现象。
光学系统：将反射镜，棱镜和透镜按一定方式组 合起来，使由物体发出的光线，经过这些光学零 件的折射、反射以后，按照我们的需要改变光线 的传播方向，随后射出光学系统，满足一定的需 要。
共轴系统：绝大部分透镜系统都有一条对成轴线。 球面系统：光学系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：光学系统中包含非球面。 共轴球面系统：球面系统中所有球面均位于同一直线上
n 1 ，2
n 1 ， 2 称为第一种介质对第二种介质的折射率
至于光在不均匀介质中的传播规律，可以把不均匀介质看作是由无限 多的均匀介质组合而成
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第三节 折射率和光速
折射率和光速之间的关系：
一束平行光线投射到两介质的分界面P上，如图1-8
图1-8 第二种介质的折射率等于第一种介质的光速和第二种介质的光速之比