几何光学的基本概念和定律.ppt

1、7.1几何光学的基本概念和定律,一、几何光学的基本概念 二、几何光学的基本定律 1、光的直线传播定律 2、光的独立传播定律 3、反射和折射定律 4、费马(Fermat)原理(1661年提出) 5、马吕斯(Malus)定律(1808年提出) 三、光学系统及其完善像,一、几何光学的基本概念7.1基本概念和定律,1、光源 能够辐射光能的物体。 点光源：光源的大小相对辐射光能的作用距离小得可以忽略时，光源可以视为点光源； 2、波阵面 某一时刻，同一光源辐射场的位相相同的点构成的曲面。,一、几何光学的基本概念 7.1基本概念和定律,3、光线 光线特征： (1) 光线无直径、无体积，能量密度无限大 (2)

2、在同一点，同一光源的光线和波面垂直，即波面的法线方向为光线的方向 4、光路：光线的传播路径。,一、几何光学的基本概念7.1基本概念和定律,5、光束：和同一波面对应的法线束。(波面-),1、光的直线传播定律几何光学的基本定律,内容： 在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播。 说明： (1)光线为直线; (2)光的传播速度(相速)：,(3)介质的折射率： 。,2、光的独立传播定律几何光学的基本定律,内容： 沿不同方向传播的光线，通过空间一点，彼此互不影响，各光线独立传播。 光线和电力线、磁力线比较： 光线无叠加定理，可以相交； 电力线和磁力线有叠加定理，不能相交。,3、光的反射折射定律几何光学的基本

3、定律,(1) 实验 (a)开普勒实验(1611年) (b)斯涅耳实验 (1621年) 内容 折射定律的矢量形式,(4) 反射定律的矢量形式,(5) 连续质介中光线的传播,(1)-a 开普勒实验(1611年)光的反射折射定律,(1)-b斯涅耳实验(1621年)光的反射折射定律,实验装置:和Kepler实验装置基本相同。 结 论: 比值OS/OS恒为常数。,(上面定义的入射角和折射角和平时定义的正好互余，所以OS/OS相当于平时定义的折射角和入射角的正旋比。),(2) 内容光的反射折射定律,光线从折射率为n的介质入射到折射率为n的介质中，设入射角、反射角和折射角分别为I、I和I，如果规定光线按照锐

4、角旋转到法线方向，顺时针为正，逆时针为负，则 (i)入射光线和反射光线、折射光线分居法线两侧，并且它们和法线共面； (ii) I= -I； (iii) n sinI=n sinI。,说明 (a) 上面结论i和ii即为反射定律，结论i和iii为折射定律； (b) 反射定律可以看作折射定律的特殊形式； nnn，II； (c) 介质界面及曲率半径均较波长大得多，反射和折射定律在曲面的局部仍适用。,(3) 折射定律的矢量形式光的反射折射定律,说明 (1) N0方向从入射介质指向折射介质, 判断方法AN00 (2) |A|=n,(4) 反射定律的矢量形式光的反射折射定律,说明: (1) N0方向从入射介

5、质指向折射介质, 判断方法AN00 (2) |A|=n,(5) 连续质介中光波的传播光的反射折射定律,结论: 光在介质中传播时,有偏向折射率较高一侧的趋势 根据上述定性结论,可以对渐变介质中光波传播作定性的分析,(1) 光程 (2) Fermat原理内容 (3) 推导光的直线传播定律 (4) 推导光的反射定律 (5) 推导光的折射定律,4、费马(Fermat)原理几何光学的基本定律,光程 指光在介质中经过的几何路径和介质折射率的乘积，以字母L表示。 均匀介质中：Lns 其中n为介质的折射率，s为光经过的几何路径。 非均匀介质中,(1) 光程费马原理,光程为光在介质中传播的时间和真空中光速的乘积

6、.,光线从任一点A传播到另一点B，是沿光程为极值的路径传播。 数学表示： 说明: 该处极值可以是极大值、极小值或常值.,(2) Fermat原理内容费马原理,极值可以是极大值、极小值或常值.,Fermat原理的极值问题,(1)内容 垂直于入射波面的入射光束，经过任意次的反射和折射后，出射光束仍然垂直于出射波面，并且在入射波面和出射波面间所有光路的光程相等。 (2)数学表示,5、马吕斯(Malus)定律几何光学的基本定律,三、光学系统及其完善像7.1基本概念和定律,1、共轴球面光学系统 2、光学系统的物 3、光学系统的完善像 4、光学系统成完善像的条件 5、物点成完善像的界面方法,1、共轴球面光

7、学系统光学系统及其完善像,(1) 球面光学系统 各光学元件表面均为球面或者平面的光学系统。,(3)光轴：共轴球面光学系统中各光学元件表面的曲率中心所在的直线。 (4)子午面：共轴球面光学系统中，通过光轴的平面。,(2)共轴球面光学系统：球面光学系统中，各光学元件表面的曲率中心在同一直线上的光学系统。,2、光学系统的物光学系统及其完善像,(1)物点 实物点：入射光线的会聚点; 虚物点：入射光线延长线的会聚点。,(3)物平面：在光轴光学系统中，经过物点垂直光轴的平面称为物平面。 (4)物空间：经光学系统成像以前的整个空间。,(2)物: 物点的集合。实物：实物点的集合。 可以人为设置 虚物：虚物点的

8、集合。可由光学系统给出,3、光学系统的完善像光学系统及其完善像,(1)像点 同心光束经光学系统后仍为同心光束，该同心光束的会聚点。 实像点：出射光线的会聚点; 虚像点：出射光线反向延长线的会聚点。 (共轭点, 共轭光线),(2)像: 像点的集合。实像：实像点的集合。 可以用屏接收 虚像：虚像点的集合。只可以观察,(3)像平面：经过像点垂直光轴的平面称为像平面。 (共轭面) (4)像空间：经光学系统成像以后的整个空间。,4、光学系统成完善像的条件光学系统及其完善像,从物点到像点的所有光路等光程,5、物点成完善像的界面方法光学系统及其完善像,设置单一的反射或折射界面，一般可以对定点实现成完善像。 (1) 无限距离的物点反射成实像点 抛物面将无限距离的物点反射成有限距离的实(虚)像点 (2)有限距离的实物点反射成有限距离的实像点 椭球面将有限距离的实(虚)物点反射成有限距离的实(虚)像点 (3)有限距离的实物点反射成有限距离的虚像点 双曲面将有限距离的实(虚)物点反射成有限距离的虚(实)像点,例题-光的反射折射定律的矢量形式,例题1 沿 A0=i 方向的光线，从n1的介质入射到 的介质中，已知界面的法线方向为 ，求反射和折射光线的方向。,72, 73 有一光线沿 A0=-icos600-jcos300 方向入射到 n1和 n