光学(第二版)CH1-1

1、本章内容Contentschapter 1几何光学几何光学的的基本定律基本定律 basic laws of geometric Optics费马原理费马原理与成像有关的基本概念与成像有关的基本概念basic conceptions of image formation傍轴成像理论傍轴成像理论image forming theory by the general centred system principle of FermatBasic laws of geometric OpticsBasic laws of geometric Optics1 11.1 几何光学的基本定律几何光学的基本定

2、律光线光线光能传播方向的光能传播方向的几何线几何线光束光束有一定有一定几何关系几何关系的一些的一些光线的集合光线的集合一一. 光源和光线光源和光线1. 光源光源光源光源任何发光物体：太阳、烛焰、钨丝白炽灯、日任何发光物体：太阳、烛焰、钨丝白炽灯、日 光灯、高压水银荧光灯等光灯、高压水银荧光灯等点光源点光源可看成几何上的点，只有空间位置无体积的光源可看成几何上的点，只有空间位置无体积的光源2. 光线和光束光线和光束几何光学中几何光学中0几何方法讨论成像规律几何方法讨论成像规律3. 光波波面光波波面波面波面：在任意时刻：在任意时刻, ,振动位相值相同的各点所构成的振动位相值相同的各点所构成的曲面曲

3、面光振动光振动用电磁波中用电磁波中电场强度电场强度的变化表示的变化表示波面对应的法线就是光束波面对应的法线就是光束二二. .几何光学的基本几何光学的基本定定律律1. 光的直线传播定律光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线传播：光在均匀介质中沿直线传播2. 光的光的独立传播独立传播定律：两束光在传播途中相遇时互不定律：两束光在传播途中相遇时互不 干扰，即每一束光的传播方向及其他性质干扰，即每一束光的传播方向及其他性质( (频率、波频率、波 长、偏振状态长、偏振状态) )都不因另一束光线的存在而发生改变都不因另一束光线的存在而发生改变11ii (1) 光的光的反射反射定律：反射线位于入射面内，反射

4、线和定律：反射线位于入射面内，反射线和入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即3. 光的光的折射反射定律折射反射定律：(2) 光的光的折射折射定律：折射线位于入射面内定律：折射线位于入射面内, ,折射线与入折射线与入射线分居法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之射线分居法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一与入射角无关的常数，即比为一与入射角无关的常数，即2211211221sinsin sinsinininnnnii或* *漫射漫射：当界面粗糙时：当界面粗糙时, ,各入射点处法线不平行各入射点处法线不平行, ,即使入即使入射光是平行的射光是平行的

5、, ,反射光和折射光也向各方向分散开反射光和折射光也向各方向分散开漫漫反射或漫折射。反射或漫折射。1i1i1n2n2i介绍介绍三三. .折射率折射率tOOtQQ21 , 2121212121sinsin sin , sinnOOQQiiQOOOiQOQQi即光在真空中的光在真空中的传播速度为传播速度为ccn 1221212211 nnncncn折射率较折射率较大大的介质称为的介质称为光密介质光密介质，折射率较折射率较小小的介质称为的介质称为光疏光疏介介质质。平行光的折射平行光的折射1n2n1i2ioQOQ有有0000/, nffcf在线性介质的光场中，光的扰动频率仅由光源决定，它在线性介质的光

6、场中，光的扰动频率仅由光源决定，它与传播的介质无关。同一谱线的光波在不同介质中虽然与传播的介质无关。同一谱线的光波在不同介质中虽然有不同速度，但其频率是不会改变的，均同于真空中的有不同速度，但其频率是不会改变的，均同于真空中的光频，即光频，即nnff000 或n 1，介质中的波长变短了！，介质中的波长变短了！介质中的光频是否等于真空中的光频介质中的光频是否等于真空中的光频?思思 考考 色散色散：一种介质对不同波长的光具有不同的折射率。：一种介质对不同波长的光具有不同的折射率。一束白光经界面折射，就被分为一束白光经界面折射，就被分为不同颜色的光束。不同颜色的光束。棱镜分光棱镜分光是先后两次折射的

7、色是先后两次折射的色散效应。散效应。大气中的虹霓是阳光经大量水滴的折射和反射而产生的大气中的虹霓是阳光经大量水滴的折射和反射而产生的色散现象。色散现象。水晶的色散明显强于玻璃或有机玻璃。水晶的色散明显强于玻璃或有机玻璃。1. 现象：现象：四四. .光的可逆性光的可逆性由于折射定律的对称性由于折射定律的对称性, ,可得出光线传播的可逆性。可得出光线传播的可逆性。表明表明：当光线沿与原来方向相反的方向传播时，其路径：当光线沿与原来方向相反的方向传播时，其路径不变。不变。注意：注意：在不考虑介质吸收引起损耗时，波动现象就是一在不考虑介质吸收引起损耗时，波动现象就是一个可逆过程。个可逆过程。nnic

8、arcsin当光从当光从光密光密( )( )射到射到光疏光疏( )( )介质时介质时, ,一般情况下一般情况下, ,折射角折射角大于入射角大于入射角, ,当入射角为某一当入射角为某一ic 时时, ,折射角为折射角为 , ,折射线折射线沿界面传播。沿界面传播。/2nn五五. 临界角临界角若入射角再增大，就不再有折射线了，此若入射角再增大，就不再有折射线了，此时光线将全部返回光密介质，且反射角等时光线将全部返回光密介质，且反射角等于入射角于入射角全反射全反射利用全反射原理，可制成光学元件利用全反射原理，可制成光学元件光纤光纤利用高折射率材料制成芯线，利用高折射率材料制成芯线，外包一层低折射率的皮，由于外包一层低折射率的皮，由于光线的全反射，光线在芯内是光线的全反射，光线在芯内是锯齿形折线的径迹。锯