1几何光学的基本定律.ppt

第一章第一章 几何光学的基本定律与成像概念几何光学的基本定律与成像概念一、基本概念一、基本概念(光波、光源、光线、波面、光束光波、光源、光线、波面、光束)1.光波光波 电磁波（横波）电磁波（横波）可见光可见光波长：波长：400nm760nm 4000 7600 0.4m0.76m0.4m0.76m 在可见光范围内，不同波长引起不同颜色感觉。在可见光范围内，不同波长引起不同颜色感觉。单色光单色光 具有单一波长的光。具有单一波长的光。几种单色光混合而成为几种单色光混合而成为“复色光复色光”。真空中光速真空中光速 c=3103108 8m/sm/s 介质中光速介质中光速 v=c/n绝对折射率绝对折射率n n：一定波长的单色光在真空中的传播速度一定波长的单色光在真空中的传播速度(c)与它在给与它在给定介质中传播速度定介质中传播速度(v)之比。之比。2.光源光源 辐射光能的物体辐射光能的物体点光源：用特定的几何点表示的发光体。点光源：用特定的几何点表示的发光体。线光源线光源：面光源：面光源：点光源点光源 当光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以当光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，此光源可认为是点光源。忽略时，此光源可认为是点光源。点光源被认为没有体积和线度，所以能量密度应为无点光源被认为没有体积和线度，所以能量密度应为无限大。限大。3.光线光线 无体积、无直径，有能量、有方向，能够传输能量的无体积、无直径，有能量、有方向，能够传输能量的几何线。几何线。光线方向代表光能传播的方向。光线方向代表光能传播的方向。4.波面波面 某一时刻，某一时刻，振动位相相同振动位相相同的各点构成的面。的各点构成的面。波面可分为：平面波、球面波、任意曲面波。波面可分为：平面波、球面波、任意曲面波。波面法线波面法线方向即为光传播方向。方向即为光传播方向。光线波面光源同心光束同心光束 波面为球面，聚于一点。波面为球面，聚于一点。平行光束平行光束 波面为平面。波面为平面。象散光束象散光束 波面为曲面，不聚于一点。波面为曲面，不聚于一点。发散光束发散光束 光线在前进方向上无相交趋势。光线在前进方向上无相交趋势。会聚光束会聚光束 光线在前进方向上有相交趋势。光线在前进方向上有相交趋势。5.光束光束 与波面对应的法线集合。与波面对应的法线集合。二、基本定律（二、基本定律（直独、折反、费马、马吕斯直独、折反、费马、马吕斯）1.光的直线、独立传播定律光的直线、独立传播定律 在同一种在同一种各向同性、均匀介质各向同性、均匀介质中，光沿直线传播；中，光沿直线传播；从从不同光源不同光源发发出的光束以不同方向通过空间某点，互不影响，各自独立传播。出的光束以不同方向通过空间某点，互不影响，各自独立传播。2.光的折射、反射定律光的折射、反射定律 反射定律可归结为：入射光线、反射定律可归结为：入射光线、反射光线和投射点法线三者在同一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。即入射光线和反射相等，符号相反。即入射光线和反射光线位于法线的两侧。光线位于法线的两侧。反射定律可表示为反射定律可表示为 折射定律：折射定律：入射光线、折射光线和法线三者在同一平面内；入射光线、折射光线和法线三者在同一平面内；一定温度和压力下，对一定波长的光线，入射角的正弦与折射角正一定温度和压力下，对一定波长的光线，入射角的正弦与折射角正弦之比与入射角大小无关，为一常数，等于折射光线所在介质的折射率与弦之比与入射角大小无关，为一常数，等于折射光线所在介质的折射率与入射光线所在介质折射率之比。入射光线所在介质折射率之比。折射定律可表示为：折射定律可表示为：或：或：若令若令 ，得，得 ，即为反射定律。，即为反射定律。这表明反射定律可以看作为折射定律的一这表明反射定律可以看作为折射定律的一种特例。种特例。两种现象：光路的两种现象：光路的可逆性可逆性及及全反射全反射 光路的可逆性：光路的可逆性：假定某一条光线，沿着一定的路线。由假定某一条光线，沿着一定的路线。由A传播到传播到B，如果我们在如果我们在B点沿着出射光线，按照相反的方向投射一条光线，则此反点沿着出射光线，按照相反的方向投射一条光线，则此反向光线仍沿着此同一条路线，由向光线仍沿着此同一条路线，由B传播到传播到A。光线传播的这种性质，叫。光线传播的这种性质，叫做做“光路可逆性光路可逆性”。全反射：全反射：当入射光的入射角当入射光的入射角I大于某值时，两种介质的分界面把入大于某值时，两种介质的分界面把入射光全部反射回原介质中去，这种现象称为射光全部反射回原介质中去，这种现象称为“全反射全反射”或或“完全内反完全内反射射”。条件：条件：光密光密 光疏光疏（n n），），iiQ（零界角）（零界角）n sin i=n sin i(i9090)iQarcsin(n/n)全反射应用：转向、倒象全反射应用：转向、倒象使光线传播方向使光线传播方向改变改变90 使光线传播方向改使光线传播方向改变变180,使象的方使象的方位位A A、B B倒转过来倒转过来，但左右方位但左右方位C、D不不变变使象的上下方位使象的上下方位A A、B B和左右方位和左右方位C、D都都倒转过来倒转过来(b)n2n2n1iicn01光导纤维（光纤）：导光 1）光程光程 光在介质中经过的几何路程光在介质中经过的几何路程l与该介质折射率与该介质折射率n的乘积。的乘积。s=n l 均匀介质均匀介质 多层均匀介质多层均匀介质 连续变化的非均匀介质连续变化的非均匀介质 s=n l=c t 3.费马原理（光程极值原理）费马原理（光程极值原理）2）费马原理费马原理：光线从：光线从A到到B，经过任意多次折射或反射，其光程为极值。，经过任意多次折射或反射，其光程为极值。（对（对s的一次微分为零）的一次微分为零）可以解释光的直线传播、反射、折射定律。可以解释光的直线传播、反射、折射定律。4.马吕斯定律（马吕斯定律（波面波面与与光束光束、波面与、波面与光程光程的关系的关系）垂直于波面的光线经过任意次折射、反射，出射波面仍与出射垂直于波面的光线经过任意次折射、反射，出射波面仍与出射光光束垂直束垂直，且入射波面与出射波面对应点之间，且入射波面与出射波面对应点之间光程相同光程相同。费马原理费马原理 马吕斯定律马吕斯定律 光的直线传播定律光的直线传播定律 光的反、折射定律光的反、折射定律等价等价等价等价1.光轴光轴 组成光学系统的各个光学元件的表面曲率中心在同一条直线上的光组成光学系统的各个光学元件的表面曲率中心在同一条直线上的光学系统称为共轴光学系统，该直线称为光轴。学系统称为共轴光学系统，该直线称为光轴。2.成像成像的有关概念的有关概念 由一点由一点A发出的光线经过光学系统后聚交或近似的聚交在一点发出的光线经过光学系统后聚交或近似的聚交在一点A，则则A A为物点，为物点，A为物点为物点A A通过光学系统所成的像点。物与象之间的对应关通过光学系统所成的像点。物与象之间的对应关系称为系称为“共轭共轭”。一个物点，总是发出同心光束，与球面波相对应；一个物点，总是发出同心光束，与球面波相对应；一个像点，理想情况应该由球面波对应的同心光束汇交而成，称这一个像点，理想情况应该由球面波对应的同心光束汇交而成，称这种像点为完善像点。种像点为完善像点。3.成成完善象完善象的条件的条件 发光体每一物点发出发光体每一物点发出球面波球面波，通过光学系统通过光学系统后仍为后仍为球面波球面波，会，会聚为物体的完善象。聚为物体的完善象。三、三、成像的概念成像的概念实物实物 物方实际光线直接相交而成的点物方实际光线直接相交而成的点(a、c)。虚物虚物 物方实际光线不能相交，延长线相交而成的点物方实际光线不能相交，延长线相交而成的点(b、d）。）。实象实象 象方实际光线直接相交的点象方实际光线直接相交的点(a、b)。虚象虚象 象方实际光线不能直接相交，反向延长相交象方实际光线不能直接相交，反向延长相交(c、d)。物空间物空间 构成物的光线所处的空间。（实物、虚物）构成物的光线所处的空间。（实物、虚物）象空间象空间 构成象的光线所处的空间。（实象、虚象）构成象的光线所处的空间。（实象、虚象）4.物象的物象的虚实虚实：说明：说明：1.物点物点不管是虚的还是实的，都不管是虚的还是实的，都是入射光线的交点是入射光线的交点；像点则是出射光像点则是出射光线的交点线的交点。无论是物还是像，光线。无论是物还是像，光线延长线的交点都是虚的延长线的交点都是虚的，而，而实际光实际光线的交点都是实的线的交点都是实的。2.物象空间的判断方法物象空间的判断方法 光学系统第一个曲面以前的空间称为光学系统第一个曲面以前的空间称为“实实物空间物空间”，第一个曲面以后的空间称为，第一个曲面以后的空间称为“虚物空间虚物空间”；光学系统最后一；光学系统最后一个曲面以后的空间称为个曲面以后的空间称为“实像空间实像空间”，最后一个曲面以前的空间称为，最后一个曲面以前的空间称为“虚像空间虚像空间”。3.物空间（不论是实物还是虚物）介质的折射率是指物空间（不论是实物还是虚物）介质的折射率是指实际入射光线实际入射光线所在所在空间介质折射率，像空间（不论是实像还是虚像）介质的折射率是指空间介质折射率，像空间（不论是实像还是虚像）介质的折射率是指实实际出射光线际出射光线所在空间介质的折射率。所在空间介质的折射率。4.物象共轭物象共轭：物和像都是相对某一系统而言的，前一系统的像则是后一：物和像都是相对某一系统而言的，前一系统的像则是后一系统的物。物空间和像空间不仅一一对应，而且根据光的可逆性，若将系统的物。物空间和像空间不仅一一对应，而且根据光的可逆性，若将物点移到像点位置，使光沿反方向入射光学系统，则像在原来物点上。物点移到像点位置，使光沿反方向入射光学系统，则像在原来物点上。这样一对相应的点称为这样一对相应的点称为“共轭点共轭点”。例：某物体通过一透镜成像后在透镜内部，透镜材料为玻璃，例：某物体通过一透镜成像后在透镜内部，透镜材料为玻璃，透镜两侧均为空气。问该像所处的空间介质是玻璃还是空气？透镜两侧均为空气。问该像所处的空间介质是玻璃还是空气？小结1、基本概念 光波、光源、光线、波面、光束2、基本定律 直传、独立、折反、费马、马吕斯3、成象 光轴、物象共轭、虚实