几何光学的基本原理和成像的概念

应. 用 光. 学
第一章 几何光学的 基本定律和成像的概念
光信息相对于电信息的优势？
✓传播速度快 ✓抗干扰能力强 ✓能量损失小 ✓容量大， ✓频带宽， ✓保密性好， ✓省金属等
同学们可以下去后自己总结
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第一章 几何光学的 基本定律和成像的概念
光学的分类
几何光学
物理光学
研究光的传播规律和传 播现象
基本定律和成像的概念
3. 折射定律和反射定律：
1）示意图：
N B
N n
i i’
P O
P
Q 光滑反射界面
i
O
Q
i’
两种介质的
光滑分界面
n’
N’ C
A.反射定律示意图
B.折射定律示意图
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1.2 第一章 几何光学的
基本定律和成像的概念
2）反射定律：入射光线、反射光线和投射点法线三者在 同一平面内，入射角和反射角二者绝对值相等，符号相反， 即入射光线和反射光线位于法线的两侧，则
I1 空气 n小
c 玻璃 n大
空气 n小
玻璃 n大
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1.2 第一章 几何光学的
几何光学的基本 原理和成像的概
念
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第一章 几何光学的 基本定律和成像的概念
光是什么？
光和人类的生产、生活密不可分；
•人类对光的研究分为两个方面：光的本性，以此来 研究各种光学现象，称为物理光学；光的传播规律和 传播现象称为几何光学。
•1666年牛顿提出的“微粒说” •1678年惠更斯的“波动说” •1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光的电磁波 •1905年爱因斯坦提出了“光子”说 •现代物理学认为光具有波、粒二象性：既有波动性， 又有粒子性。
2）适用范围：光的直线传播定律只有光在均匀介质中 无阻拦地传播才成立。 例子：日蚀，月蚀，影子
2. 独立传播定律：
1）定律内容：从不同光源发出的光束，以不同方向通 过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播，称为～。
2）适用范围：非相干光，相干光则会产生光的干涉。
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1.2 第一章 几何光学的
sin I n' sin I ' n
或者写为： nsinIn' sinI'
反射定律为折射定律的一种特例.
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第一章 几何光学的 基本定律和成像的概念
判断光线如何折射
I1
I1
空气 n=1 水 n=1.33
I2
玻璃 n=1.5 空气 n=1
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第一章 几何光学的 基本定律和成像的概念
1、光波：
1）光是一种电磁波，是一种横波， 其振动方向和传播方向垂直。
2）可见波波长范围：0.38-0.78µ m 3）单色光，复色光：具有单一波长
的光称“单色光”； 具有几种单 色光混合而成的光称“复色光”。
4）电磁波谱： 1～400nm:紫外光波段； 400nm ～760nm:可见光； 0.76 ～ 3µ m:近红外或短波红外； 3 ～6µ m：红外或中红外； 6 ～15µ m：远红外或长波红外； 15 ～1000µ m：极远红外；
3. 光线：
在几何光学中，光线是无直径、无体积、而有方向性 的几何线，其方向代表光能的传播方向。在自然界中并 不真正存在。
4. 波面与光线：
1）波面：振动相位相同的各点所构成的曲面称为波面。 2）光线：在各向同性的介质中，光沿波面的法线方向传 播，则光波波面的法线就是几何光学中的光线。
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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
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1.1 第一章 几何光学的
基本定律和成像的概念
5. 光束：
1）概念：与波面相
对应的法线（光线）集
合，称为光束。
光
2）同心光束：对应 于波面为球面的光束称 之为同心光束。
束 示 意
图
3）分类：根据光束
的传播方向分为：会聚
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1.1 第一章 几何光学的
基本定律和成像的概念
2. 光源：
1）定义：辐射光能的物体称为发光体，或称为光源。 2）点光源:当光源大小与辐射光能作用距离相比可以忽略 3）Attention: 在几何光学中，发光体和发光点的概念与 物理学中有所不同。无论本身发光的物体或是被照明的物 体在研究光的传播时统称为“发光体”。
Hale Waihona Puke ③像散光束的焦线：二像散光束所汇聚的两条短线称之为
焦线。 ④像散差：二焦线之间的沿轴距离称为像散差.
c1
b1
a1
c2
b2
F2’’ F1’’
a2 b3
c3
a3
F2
F1
F2’
F1’
像散光束元示意图
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第一章 几何光学的 基本定律和成像的概念
1.2
1. 光的直线传播定律：
1）定律内容：在各向同性的均匀介质中，光沿着直线 传播。
研究光的本性，并 由此来研究各种光
学现象
量子光学
研究光的量子性
应用
光学
第一章
几何光学的基本定律 和成像的概念
本章内容教学重难点
1、了解几何光学的基本概念； 2、掌握几何光学的基本定律； 3、掌握费马原理及马吕斯定律； 4、了解成像的概念。
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1.1 第一章 几何光学的
基本定律和成像的概念
光束和发散光束。
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1.1 第一章 几何光学的
基本定律和成像的概念
4）像散光束：垂直于波面元彼此不相平行又不交于一点
的光束称为像散光束。
①主截线：波面元上通过某点必定有两条法截线
（通过曲面上某点法线的平面与曲面的交线），
其中一条曲率最大，一条曲率最小，称之为主截线。
②像散光束的焦点：二主截面的曲率中心称之为焦点。
第一章 几何光学的 基本定律和成像的概念
• 当光能从一两孔间通过，如果孔径与孔距相比可 以忽略则称穿过孔间的光管为物理学上的光线。
• 几何光学上的光线是无直径、无体积的，而有方 向性的几何线，其方向代表光能传播的方向。
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第一章 几何光学的 基本定律和成像的概念
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
I I"
①关于角度符号的规定：由光线转向法线，顺时针方向 为正，反之为负。 ②漫反射：在粗糙分界面上，平行光束的反射光束不再 平行。
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1.2 第一章 几何光学的
基本定律和成像的概念
3）折射定律：入射光线、折射光线和投射点法线三者在 同一平面内，入射角的正弦与折射角的正弦与入射角大 小无关，而与两种介质的性质有关。对一定波长的光线， 在一定的温度和压力条件下，该比值为一个常数。即：