第一章-几何光学的基本定律和成像的概念.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 几何光学的基本定律和成像的概念,1.1、几何光学的基本概念,1.2、几何光学的基本定律,1.3、费马原理及其应用,1.4、马吕斯定律,1.5、成像的概念,1.1、几何光学的基本概念,1.1.1 光波,1.1.2 光源,1.1.3 光线,1.1.4 波面,1.1.5 光束,1.1.1 光波,1,、光波性质,性质：光是一种电磁波，是横波。,可见光波，波长范围390nm780nm,光波分为两种：,1)单色光波指具有单一波长的光波；,2)复色光波由几种单色光波混合而成。如：太阳光,1.1.1 光波,2,、光波的传播速度v,1)与介质折射率n有关；,2)与波长有关系。,c为光在真空中的传播速度,c299792458,310,8,m/s；n为介质折射率。,思考：,决定光波颜色的是,波长还是频率呢？,1.1.2、光源,从物理学角度来看，能够辐射能量的物体成为发光体，也就是,光源,。,当光源大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略，称为“,点光源,”。,在几何光学中，我们取发光物体上的某些特定几何点来代表发光体，也称为“点光源”，人为认为这些点无限小，能量密度无限大，实际上是不存在这样的点光源的。,类比：线光源 面光源,1.1.3、光线,光线,：没有直径、没有体积却携有能量并具有方向性的几何线。其能量密度无限大。（可见实际是不存在的）,可见，光线概念的提出使我们把复杂的能量传输问题转化为简单的几何运算问题。,1.1.4、波面（平面波、球面波、柱面波）,球面波,：由点光源产生。,平面波,：由平行光形成。平面波实际是球面波的特例，是,R,时的球面波。,柱面波,：由线光源产生。,任意曲面波,注意：在各向同性介质中，,光线传播过程中始终与波面垂直，,是波面的法线！,在介质中相位（振动状态）相同的各点在一个曲面（或平面）上，叫做波面（或等相面）,1）同心光束,实际光线的同心汇聚光束实际交汇于一点（,实像a,）可以由屏接收，也可以是延长线汇聚一点（,虚像b,）无法用屏接收。,同心发散光束也可以由实际点发出（,实物c,），或其延长线通过一点（,虚物d,）；发散光束不能在屏上汇聚成亮点，但可以被人眼所观察。,图e，为无限远处发光点的发散光线，可以近似认为是平行光。这是同心光束的一个特例。,2）非同心光束（像散光束）,显然，以上像散光束为非球面波光束,子午方向,的光束汇聚在F,1,F,1,F,1,”一线；,弧矢方向,的光束汇聚在F,2,F,2,F,2,”一线。,1.2.1 光的直线传播定律,直线传播定律,：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播（光线是直线）。,直线传播的例子是非常多的，如：日蚀，月蚀，影子等等。,小孔成像,直线传播定律忽略了,衍射的影响！,1.1.2 光的独立传播定律,独立传播定律,：从不同光源发出的光束，以不同的方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播。,光的独立传播定律忽略了,光的干涉现象！,1.2.3,反射定律,反射定律,：反射光线和入射光线在同一平面、且分居法线两侧，入射角和反射大小相等，符号相反。,可以表示为：,I =-I”,在不光滑的反射界面，反射定律还成立么？,设光线在两介质中的速度分别为v,1,和v,2,，则有：,QQ=v,1,t，OO=v,2,t,所以sinI,1,=QQ/OQ,sinI,2,=OO/OQ,两式相比，得：,折射定律的推导,1.2.5 折射率,各种波长的电磁波在真空中传播速度是定值c，在介质中传播服从v=c/n，一般v都小于c，说明介质对光的传播起到了一定的阻碍作用。因此我们用折射率n来描述这种,介质对光的阻碍作用,。,被界面分开的两种介质：,折射率高的，其中的光速低，称为,光密介质,；,折射率低的，其中的光速高，称为,光疏介质,；,相对折射率,：n,21,=n,2,/n,1,=v,1,/v,2,（绝对）折射率,：我们通常所说的折射率为介质和空气,(,真空）的相对折射率,也称为绝对折射率。,1.2.6 光路可逆原理,当光线逆着原来的反射光线（或折射光线）的方向射到媒质界面时，必会逆着原来的入射方向反射（或折射）出去，这种性质叫,光路可逆性,或,光路可逆原理,。,光路可逆性可用反射定律或折射定律证明,应用光路可逆性可使许多光学问题的处理简便,1.2.7 分界面上反射和折射光的能量分布,反射率R；透射率T,当光由光疏介质射向光密介质,，入射角I小于45度时，折射占主导，反射率大致为：,例如，当取N=1.523，R,n0,=0.043,曲线A为光从光疏介质射入光密介质；,曲线B为光从光密介质射入光疏介质。,注意：,当光从光密射向光疏介质的时候，大于41,o,时，反射率急剧上升至1，此时入射光线全部被反射，发生了所谓“,全反射,”,全反射发生的条件,：,1、光从光密介质射入光疏介质；,2、入射角必须大于临界角。,全反射的应用,反射棱镜,下面以直角棱镜为例：,优点：,能量不损失！,全反射的应用,光纤,也是基于全反射的思想。,光纤的功能：具有传光、传象及传输其它信号的功能，在医学、工业、国防得到广泛的应用。,发生了多少次全反射呢？,书上错了,改正！,练习：,木塞底部插上一根大头针，木塞宽度d和大头针长度h可以量得，怎么做才能测出液体的折射率n？,提示：,调整大头针的长度，,到正好看不见为止。,1.3.1 费马原理,费马原理中首次提出了,“光程”,的概念，并从光程的角度出发，对光的传播定律进行了高度概括，是直线传播定律、折射定律、反射定律的统一体现。,1.3.1 费马原理,1、光程（S）,：指光在介质中传播的几何路程,l,与该介质折射率n的乘积。,数学表示形式为：,S,=,nl,1）例如：一束光从第一介质,n,1,射入到第二介质,n,2,（全为均匀介质），则总的光程为：,2）若光经过m层均匀介质，则总的光程可写为：,3）若光经过的是非均匀介质，即n是一个变量，这时折射定律不再适用，光所走过的路径是一个曲线，总的光程：,1.3.1 费马原理,2、费马原理,：光从一点传播到另一点，经过任意多次反射和折射,光程为极值，即：,费马原理又称为“,极值光程定律,”，也就是说符合费马原理的情况下，光无论以那条路径传播，其光程为一个,常数,，是个,稳定值,。,利用费马原理可以推导出折射和反射定律！,1.3.2 利用费马原理推导反射定律,1.3.3 利用费马原理推导折射定律,请自行证明！,1.4 马吕斯定律,马吕斯定律,：垂直于波面的光线束（法线集合）经过任意多次反射和折射以后，无论折射面和反射面的形状如何，出射光束仍然垂直于出射波面，保持光线束仍然为法线集合的性质；并且入射波面和出射波面对应点之间的光程均为定值。,折反射定律、费马原理与马吕斯定律三者可以互相推导，,任意一个可以视为几何光学的基本定律，其余二者为其推论。,1.5 成像的概念,1.5.1 光学系统与完善成像的概念,1.5.2 物与像的虚实,1.5.3 物空间与像空间,1.5.1 光学系统与完善成像的概念,1、光学系统,(,由一个或多个光学元件组成的系统,）,1）,共轴光学系统,：各光学元件的曲率中心在同一条直线上。,2）,非共轴光学系统,：各光学元件曲率中心不在同一条直线。,1.5.1 光学系统与完善成像的概念,2、,完善成像,：像与物体只有大小的变化没有形状的改变。,3、,完善成像的条件,：入射为球面波，出射也为球面波（入射为同心光束，出射也为同心光束）。,1.5.2 物与像的虚实,1、,物,：入射光线（或其延长线）交点的集合。,像,：出射光线（或其延长线）交点的集合。,2、,实物、实像,：由实际光线相交而成的。,牢记,1.5.2 物与像的虚实,3、,虚物、虚像,：由实际光线的延长线相交而成的。,实像可由人眼或接收器所接收；虚像不可以被接收器所接收，但是却可以被人眼所观察。,思考：为啥照相机能照到镜子里的虚像？,1.5.3 物空间与像空间,1）形成物体（包括实物和虚物）的,实际入射光线,所在的空间,，称为“,物空间,”；,2）形成像（包括实像和虚像）的,实际出射光线,所在的空间,，称为“,像空间,”。,注意：,物空间和像空间不是靠物像在折射面的左右来机械判断的，,二者是根据分析人为划分的。,很多时候同一空间，对于不同对象来说，既是物空间,同时又是像空间！,我们后面会常遇到这种情况。,作业：,课后练习2、3、4、8,独立完成，下周交。,