应用光学第一章

一、物方光线和像方光线 二、物和像 三、物空间和像空间 四、物像的相对性
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一、物方光线和像方光线
❖ 光学系统由若干不同介质组成，对光线实现所 需的传播。
❖ 光线未通过系统前称为物方光线。物方光线连 接着物体。
❖ 光线通过系统后称为像方光线，像方光线连接 着物体的像。
❖ 为分析和处理问题方便，常将光线沿传播直线 向任意方向延长，延长后的光线性质不变。
值光程路径。即光沿光程为极大值、或极小值、
或常量值的路径传播，其数学表示为光程的一阶
变分为0：
B
s ndl0 A
❖ 至于光程走的是极大值还是极小值，这要取决于 折射表面的曲率及两点之间的位置，大多数情况 下是极小值。费马原理可以用来证明光的直线传 播定律和光的折、反射定律。
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第二节 成像基本概念与完善成像条件
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物像概念小结
❖光线未通过系统（界面）前称为物方光 线，物方光线连接着物体（实物或虚 物），物体所在空间为物方空间，物方 空间使用系统前方介质折射率
❖光线通过系统（界面）后称为像方光线， 像方光线连接着物体的像（实像或虚 像），像所在空间为像方空间，像方空 间使用系统后方介质折射率
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光线经界面后的传播
AA
B
C
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反射定律
❖入射光线、入射点界面的法线、反 射光线三者共面，入射光线与反射 光线分居于法线的两侧，且入射角 与反射角绝对值相等。
II''
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折射定律
❖入射光线、入射点界面的法线、折射光
线三者共面，入射角I与折射角I′之间
满足下列关系式
nsiIn n'siIn '
(d) 虚物成虚像
虚物和虚像
物方光线延 长线交点
B ’ A
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像方光线反像 延长线交点
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三、物空间和像空间
❖物空间：即物体所在的空间；实物所在 的空间为实物空间，虚物所在空间为虚 物空间，无论实物空间还是虚物空间都 使用实物空间介质的折射率。
❖像空间：即像所在的空间；实像所在的 空间为实像空间，虚像所在空间为虚像 空间，无论实像空间还是虚像空间都使 用实像空间介质的折射率。
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二、物和像
❖物：物方光线的相交点称为物； ❖像：像方光线的相交点称为像； ❖实物：物方光线实际相交的点为实物点； ❖实像：像方光线实际相交的点为实像点； ❖虚物：物方光线延长后相交点为虚物点； ❖虚像：像方光线延长后相交的点为虚像点
(a）实物成实像
(b) 实物成虚精像品课件 (c) 虚物成实像
❖几何光学的基本定律有三大定律：
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1． 光的直线传播定律
❖各向同性的均匀介质中，光沿着直线传 播。
❖用光的直线传播定律可以解释日蚀、月 蚀等自然现象，也可以解释光照射物体 时为什么会出现影子等类似问题，小孔 成像就是利用了光的直线传播定律。
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光的直线传播图例
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2． 光的独立传播定律
❖当两束或多束光在空间相遇时，各光线 的传播不会受其它光线的影响。
❖例如：光束相交处的光强是一种简单的 叠加，探照灯。
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3．光的折射定律和反射定律
❖当一束光线由折射率为n的介质射向折射 率为n′的介质时，在分界面上，一部分 光线将被反射，另一部分光线将被折射 ，反射光线和折射光线的传播方向将遵 循反射定律和折射定律。
四、物像的相对性
❖物和像都是相对于某一成像系统而言的， 如果物体连续经过几个成像系统，则前 一个系统所成的像即成为下一系统的物， 如此不断成像得到最终的像。因此物和 像并不是绝对的，对于连续成像的系统， 物与像的角色在具体情况下发生变化， 计算时应取相应空间的折射率。
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物像关系举例
实物、虚物、实像、虚像视情况而定，但作为 第一个（原始、出发的）物一定是“实体”。
❖反射定律看作是折射定律中的一个特例 。
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推论
光路的可逆性
❖ 用射出去的光路在一定条件下可以决定 射回的光路。
❖ 利用光路的可逆性可以由物求像，也可 以由像求物。
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图1-3 光路的可逆性
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全反射现象
❖全反射：折射光线因大于等於折射光线因
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大于等于90而消失，所有的光线反射到原
介质中的现象。 折射率较 高的介质
❖ 它以光程的观点描述光传播的规律，涵盖了光 的直线传播和光的折、反射规律，具有更普遍 的意义。
❖ 根据物理学，光在介质中走过的几何路程与该 介质折射率的乘积定义为光程。设介质的折射 率为n，光在介质中走过的几何路程为l，则光 程s表示为
s nl
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费马原理
❖ 费马原理指出，光从一点传播到另一点沿的是极
工程光学
第一章
几何光学的基本定律和物像概念
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概述
光学是研究光的本性、光的传播、光与物
1 质的相互作用以及光的实际应用的科学。
光主要以波动的形式存在。光的本质是电
2 磁波。
光学系统的主要作用是传输光能和对研究
3 的目标成像。
几何光学撇开了光的波动本性，采用一种 简便和实用的几何学的方法来研究光的传
线，相当于波面的法线，代表了光的传 播方向。 ❖光波由一束光线表示，平面波对应于平 行光束，球面波对应于同心光束。 ❖如图
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平行光束与同心光束
平面波面 平行光束
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球形波面 同心光束
各类光束及对应的波面
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二、几何光学的基本定律
❖几何光学的基本定律决定了光线在一般 情况下的传播方式，也是我们研究光学 系统成像规律以及进行光学系统设计的 理论依据。
4 播和光经光学系统的成像规律。
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目录
❖第一节 几何光学的基本定律 ❖第二节 成像基本概念与完善成像条件
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第一节 几何光学的基本定律
一、几何光学的点、线、面 二、几何光学的基本定律 三、费马原理
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一、几何光学的点、线、面
❖点：光源、物体、像都看成是点的集合。 ❖线：光波的传播抽象成几何线一样的光
折射率较
❖ 在一定的条件下,光线发生全反射 低的介质
① 光线由光密介质射向光疏介质；
② 入射角大于临界角。二者缺一不可
。
Ic
sin1
n' n
折射角等
于90度时
的入射角
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全反射的应用举例
❖（1）全反射棱镜
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全反射的应用举例
❖（2）光纤的全反射传光
全反射光纤
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三、费马原理
❖ 费马原理与几何光学的基本定律一样，也是描 述光线传播规律的基本理论。