几何光学基本原理课件

《应用光学基础》光是什么？“光的微粒说”

⇒“光的波动说”

⇒光的本性光是一种电磁波，且具有波粒二象性。光在传播过程中往往呈现出波动性较为明显，如干涉、衍射等。光与物质互相作用时，其粒子性较为明显，如光的吸收、发射、光电效应等。光学在各领域中的重要应用

（1）望远镜——用于观察远处的物体；显微镜——用于观察研究物质的微观结构；照相机(或摄像机)——用来记录瞬间发生的现象光谱技术和仪器——利用分析其光谱来研究物质的分子和原子结构；光学在各领域中的重要应用（2）光学计量技术——各种物理量的高精度测量光电技术——用于实现自动控制激光技术——从20世纪六十年代初激光诞生以来，建立形成了激光化学、激光生物学、激光医学、激光光谱学、光全息学、信息光学、集成光学等众多边缘学科或交叉学科。光学的几个重要基础分支几何光学：以光线为基础来研究光在介质中的传播。波动光学（或物理光学）：以光的波动性质来研究光在介质中的传播。量子光学：由普朗克、爱因斯坦等人创立以光的波粒二象性来研究光在介质中的传播。 几何光学基本原理一、基本概念：1. 发光体与发光点：发光点——即为一个无体积又无大小的几何发光点。任何被成像的物体都是由无数个这样的发光点所组成。实际中，当一个发光体的直径大大小于其光线直接传播的距离时，该发光体就可近似认为一个发光点，如天上的星星。2、光波与波面光是一种横波，其波动方程为：E(t)=E0cos(2πt/T)其中，波动周期为频率的倒数，即

T

=

1

/ν光波与可见光谱可见光谱

可见光范围：

380

~

760

nm图

1–2HNa

HeH766.5656.3589.3546.1486.1435.9404.7A'C587.6D

deF434.1g

G' h红橙黄绿蓝靛紫750700650600550500450400 (nm)光波的波速：

=

/

T =ν·

真空中的波速：

c

3.0

108

m/s空气中的波速比真空中约慢

87

km/s光在透明介质中的传播速度随波长不同而改变；在同一介质中，波长长的波速快，波长短的则波速慢。n=c/

=

/

m式中，

和

m分别是光经该介质时的波速和波长。此式表明：红光（C）：

C

C

nC

蓝光（F

）：

F

F

nF

即nC

nFn

值的大小表示了光学介质折光能力的强弱。介质折射率：Therelationshipbetween

waves,

wavefronts,

and

rays (1)Therelationshipbetween

waves,

wavefronts,

and

rays (2)3、光线与光束：

光线——无直径、无体积而有一定方向的几何直线，代表光能传播的方向。光束——有一定关系的无数条光线的集合。会聚光束同心光束光束非同心光束发散光束平行光束像散光束任意曲面波的光束同心光束发散光束会聚光束平行光束球面波平面波像散光束互为垂直的焦线二、几何光学的四个基本定律光的直线传播定律：光的独立传播定律：光的反射定律光的折射定律光经过两种介质界面时的折、反射现象：入射光线法线反射光线I-I"I'折射光线nn'3、光的反射定律：I = -I"4、光的折射定律：sinI/sinI' = n'/n或 n sinI = n' sinI'

折射定律的推论：若设n' = -n，则有I= -I' ，即反射定律是折射定律在n' = -n 时的特例。因此，凡是由折射定律导出的公式，只要代入n' =

-n，便可应用于反射情况。三、光路可逆原理：任何一条光路都是可逆的。A NBPQOCN'四、光的全反射满足条件: (1)光线由光密介质进入光疏介质；(2)入射角须大于临界角。

临界角： Im=sin–1(n'/

n)O3O2O1ImI'I光疏介质n'光密介质n全反射的应用全反射从理论上说无光能损失，故优越于镜面反射。常用全反射棱镜来转折光路；利用光学纤维进行导光和传像。I<sin–1Io=√n12–

n22I＞

Im三、费马原理光程：

光在介质中传播的几何路程与该介质的折射率n的乘积，用字母s表示，即s

=

n

l其中l

=

t，则s=nl=n

t=c

t即光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。光线由点A传到点B，经过任意多次折射或反射，其光程为极值（极大值或极小值）即光线的实际路径上光程变分为零又称极值光程定律BAds

dndl

0

三、费马原理变分为零的四种情况:三、费马原理横轴不同点表示不同的光线路径，纵轴表示光程三、费马原理1.

自由传播：直线，光程最短P2.

透镜成像：物像等光程P'PP'三、费马原理3.

椭圆面反射费马原理又称光程（或时间）极值原理三、费马原理4.

梯度（渐变）折射率媒质中光线的弯曲光在分层均匀介质中的传播梯度折射率介质中光线的传播§1-2成像概念：1、光学元件：透镜——分正、负透镜柱镜——分正、负柱镜棱镜——分反射棱镜和折射棱镜反射镜——分平面镜、凸面镜和凹面镜平行平板滤光镜（或称滤光片）…2、透镜种类：双凸平凸正弯月等厚a)圆柱透镜b)正柱面透镜c)负柱面透镜柱镜种类§1-2

成像概念正柱镜负柱镜焦线yy焦线

柱镜成像3、光学系统：共轴球面系统球面系统光学系统非共轴球面系统非球面系统4、完善（理想）成像：入射为同心光束，出射系统后仍为同心光束。此时，物点与像点具有一一对应关系（也称共轭关系）。条件：一对共轭点之间的所有光线为等光程。5、成像类型：6、物空间与像空间：物空间和像空间是相对一定的光学系统而言，而且，物空间和像空间都是可以向整个空间无限扩展的。由于规定光线自左向右传播，所以对于薄透镜而言，可以认为：透镜的左方空间为实物空间，也是虚像空间；而透镜的右方空间为实像空间，同时也是虚物空间。光学与视光学、眼科学的密切关系：眼球的屈光系统就相当于精密而复杂的照相机

。眼视光学中，从角膜至眼底的大部分检查、诊断、治疗仪器，如屈光、视野、眼压、眼底造影等方面，都要应用到光学技术。还有许多提高视觉机能的“光学药物”，如眼镜、接触镜、助视器、人工晶体等。返回人眼剖面图

返回裂隙灯显微镜检

眼镜（Ophthalmoscopes）眼底照相机电脑验光仪综合验光仪国产同视机角膜曲率计焦度计（也称查片机）

返回本课程的基本内容：几何光学（第1~5章）光度学和色度学基础（第6章）像差概念（第7章）基本光学仪器理论（第8章）激光技术基础（讲座）

返回目的要求：要求学生能够掌握应用光学中的基本成像概念、规律和公式、以及一些最基本的实用光学技术。要求学生能运用这些知识和技能来正确地进行各种成像计算和作图、简单的光路计算以及相应的光路图绘制。课程考核：总成绩=理论考试(80%)+实验成绩(10%)+平时作业(10%)

返回参考书目:1.

《应用光学》 张以谟 主编机械工业出版社2.

《应用光学习题集》 顾培森机械工业出版社3.

《几何光学.像差.光学设计》李晓彤 岑兆丰 编著浙江大学版李林 黄一帆

编著北京理工版4.《应用光学

概念

题解与自测》5. ……光的微粒说由物理学家牛顿创立光的直线传播定律爱因斯坦的光电实验建立了几何光学+ R –硅光电池NP小孔物像光back光的波动说由惠更斯首次提出托马斯.杨和菲涅尔：光的干涉与衍射麦克思韦和赫兹证实了光是一种电磁波产生了物理光学（也称波动光学）back1、光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播的。日常例子：如影子的形成，日蚀和月蚀等实验证明：