光学成像基础知识实用教案

1、光线光线(gungxin)的传播规律的传播规律（几何光学的基本定律）（几何光学的基本定律）直线传播定律光线在均匀透明介质中按直线传播 举例：日食(rsh)、月食、影的形成等等独立传播定律 光线在介质中的传播是彼此独立的第2页/共15页第1页/共15页第一页，共16页。反射定律反射定律(fn sh dn l)反射光线位于入射面内 入射光线和介质分界面法线构成的平面(pngmin)反射角等于入射角 r = iABNnnirNO第3页/共15页第2页/共15页第二页，共16页。折射折射(zhsh)定律定律折射光线位于入射面内n sinI1 = nsinI2反射定律可看作(kn zu)是折射定律在 n

2、= - n时的特例 当n= - n时，I2 = - I1第4页/共15页第3页/共15页第三页，共16页。折射率和光速折射率和光速(un s)的关的关系系真空中： c介质(jizh)中： u绝对折射率：介质(jizh)对真空的折射率 n = cu相对折射率：一种介质(jizh)对另一种介质(jizh)的 折射率 n1,2 = u1u2 = n2n1第二种介质(jizh)对第一种介质(jizh)的相对折射率第5页/共15页第4页/共15页第四页，共16页。光程光程(un chn)的概念的概念 光程：光线在介质中传播的几何路程 与该介质折射率的乘积(chngj) 均匀介质：L = n l = c

3、t 非均匀介质：dL = ndl L =真空(zhnkng) n = 1L 介质 nltL = c tnL = 1 L = Ll = u tn l = cu u t = c t = LBAdlln )(ABln(l)第6页/共15页第5页/共15页第五页，共16页。费尔马原理费尔马原理(yunl) 费(尔)马：Fermat 法国数学家 费尔马原理：实际光线(gungxin)沿着光程为极值 （或稳定值）的路线传播 光程值：极小值、或极大值、或常量 L = 光线(gungxin)传播的基本规律 几何光学的基本定律：按具体情况分别说明 费尔马原理：用统一的方式加以说明 0)(dlln第7页/共15页

4、第6页/共15页第六页，共16页。由费尔马原理导出几何由费尔马原理导出几何(j h)光学的基光学的基本定律本定律直线传播定律 折射率 n 为常数 均匀介质中L = n l 两点之间直线最短 光程为极小值反射定律(fn sh dn l)和折射定律 两介质的分界面为平面：光程为极小值第8页/共15页第7页/共15页第七页，共16页。两介质两介质(jizh)分界面为曲面时的光程值分界面为曲面时的光程值光程AA=AM+MA对M反射点：光程AA 的一级导数(do sh)为零椭球面：光程AA= 常数 PQ面：与椭球面相切于M点（曲度(q d)比椭球面大） 光程AA为极大值 ST面：与椭球面相切于M点（曲度

5、(q d)比椭球面小） 光程AA为极小值MSTQP 焦点焦点椭球反射面AA第9页/共15页第8页/共15页第八页，共16页。光路可逆定理光路可逆定理1. 无论光线(gungxin)经过多少次反射、折射2. 不管光线(gungxin)通过什么样的介质3. 光路总是可逆的 AABBOOn1n2I1 R1I1 I2第10页/共15页第9页/共15页第九页，共16页。全反射现象全反射现象(xinxing) 条件(tiojin)：光线由光密介质（高折射率） 射向光疏介质（低折射率）； 光线入射角大于临界角I0 求临界角（ n1n2 ） n1sinI0 = n2sin90= n2 光线由介质射向空气120

6、arcsinnnI nI1arcsin0第11页/共15页第10页/共15页第十页，共16页。全反射现象全反射现象(xinxing)的应用的应用 替代反射镜反射镜：反光膜吸收(xshu)约10的光； 反光膜易变质、损伤 全反射棱镜：减少光能损失 测量介质的折射率已知 nA，求 nB（ nAnB ） 测出I0角值（亮暗的分界线） 00sinsinInnnnIABAB第12页/共15页第11页/共15页第十一页，共16页。例题例题(lt) 人眼(rn yn)垂直看水池一米深处的物体，试问该物体的像到水面的距离是多少？ （水的折射率为1.33）ii1mn =1.33xbmnxnnbxbbnxbbin

7、i75. 033. 111111sinsin222222解第13页/共15页第12页/共15页第十二页，共16页。解法解法(ji f)2利用光程的概念(ginin) 物体到水面的光程为 1m物体像到水面的光程为 nx1mn =1.33mnxxn75. 033. 1111第14页/共15页第13页/共15页第十三页，共16页。作业题作业题1.已知锗（Ge）的折射率为4.00，若要求从锗射入空气的光线发生全反射，其临界角为多少？2.为了从坦克内部观察外界目标，需要在坦克壁上开一个(y )孔。假定坦克壁厚200 mm，孔宽120 mm，在孔内安装一块折射率为1.5163的玻璃，厚度与坦克壁厚相同。问能看到外界多大的角度范围？3.思考：当射击水底目标时，是否可以和射4. 击地面目标一样的进行瞄准？第15页/共15页第14页/共15页第十四页，共16页。谢谢您的观看(gunkn)！第15页/共15页第十五页，共16页。NoImage内容(nirng)总结光线的传播规律（几何光学的基本定律）。举例：日食、月食、影的形成等等。r = i。反射定律可看作是折射定律在 n= - n时的特例。n = cu。光程值：极小值、或极大值、或常量。折射率 n