几何光学的基本定律课件.ppt

1、绪论对光学认识的早期对光学认识的早期?萌芽时期萌芽时期春秋战国春秋战国墨子墨经 直线传播、镜面反射希希腊腊欧几里德光学 平面镜成像?律光学仪器1610伽利略望远镜1611开普勒折光学开普勒天文望远镜1630笛卡尔折射定律（正弦形式）1657费马费马原理几何光学时期几何光学时期建立光的反射定律和折射定从十七世纪开始发现与从十七世纪开始发现与光的直线传播不符的事实：不符的事实：?1655年意大利数学家格里马第首先发现光的衍射现象，是光的波动学说的最早倡导者；?1669年丹麦的巴塞林纳斯教授在冰洲石中发现了双折射现象；1672年胡可也观察到衍射现象；?1678年发现光的偏振现象，发现牛顿环现象。这就

2、迫使人们去揭示光的本质。这就迫使人们去揭示光的本质。一、光是什么？一、光是什么？光的本性光的本性?研究光的意义: 90%信息由视觉获得,光波是视觉的载体光是什么？弹性粒子弹性波电磁波波粒二象性1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子1678年：惠更斯提出波动说，以太介质中传播的弹性波1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波1905年：爱因斯坦提出光子假设?20世纪：人们认为光具有波粒二象性?光的本质是电磁波光的本质是电磁波?光的传播实际上是波动的传播光的传播实际上是波动的传播物理光学：物理光学：研究光的本性，并由此来研究各研究光的本性，并由此来研究各种光学现象种光学现象?几何光学：几何光学：研究

3、光的传播规律和传播现象研究光的传播规律和传播现象二、课程性质和任务二、课程性质和任务?课程性质：以几何光学为理论基础 ，以光学系统中光的传播、成像、光度学、光学系统设计原理等为主要内容 的课程。利用光的直线传播概念，研究光在光学仪器中的传播和成像特性。?任务：让学生掌握光学系统成像的基本概念、知识和理论，学会光学系统设计的基本方法，具备光学系统的分析和设计能力。三、课程的研究对象三、课程的研究对象1. 研究对象：不考虑光的本性问题，把光认为不考虑光的本性问题，把光认为是是光线，光线，研究光的传播规律和传播现象。研究光的传播规律和传播现象。2.采用光线概念的意义：（1）用光线的概念可以解释绝大多

4、数光学现象）用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影子、：影子、日食、月食日食、月食（2）绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的）绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的3. 光线是能够传输能量的几何线，具有方向，光波的传播问题就变成了几何的问题，所以称之为几何光学。4.几何光学的适用条件：几何光学的适用条件： 光学系统的尺度远大于光波的波长；介质是均匀和各向同性的。五、课程要求五、课程要求?课前预习，课后复习，按时交作业平时作业和出勤：30%期末考试：70%四、课程的研究内容四、课程的研究内容?几何光学：几何光学的基本定律和成像概念、理想光学系统、平面系统、光学系统的光束限制、光度学像差理

5、论：影响光学系统成像质量的七大几何像差。理想光学系统：望远系统、显微系统、照相系统、摄影系统、放映系统、眼睛。?第第1章章 几何光学的基本定律几何光学的基本定律与成像概念与成像概念?主要内容：主要内容：几何光学的基本概念几何光学的基本定律及可逆性原理费马原理成像的概念?重点：重点：可逆性原理、费马原理和成像概念难点：难点：可逆性原理、物像之间的等光程性1.1 几何光学的基本概念几何光学的基本概念?几何光学是以光线的概念为基础,采用几何方法研究光在介质中的传播规律和光学系统的成像特性。?基本概念：光源、光波、光线、波面、光束四大实验定律：按几何光学的观点，光经过介质的传播问题可归结为：光的直线传

6、播定律、光的独立传播定律、光的反射定律和折射定律。?1.光波：是一种电磁波，是一定频率范围内的电磁波，其振动方向和光的传播方向垂直，是横波，其波长比一般的无线电波短。?可见光：?紫外光：?红外光：?近红外：?中红外：?远红外：400nm760nm光波与电磁波关系？5nm400nm780nm40m780nm3m3m6m6m40m2.光源:任何能辐射光能的物体(本身发光或被照明后发光)。点光源：光源的大小与辐射光能的作用距离相比可忽略时，光源称为点光源。?在几何光学里，发光点被抽象为一个既无体积又无大小的几何点，但能辐射能量。实际光源总有一定大小并携带能量。3.光学介质：光从一个地方传至另一个地方

7、的空间。例如：空气、水、玻璃。?各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。各向异性介质：单晶体（双折射现象）?均匀介质：光学介质的不同部分具有相同的光学性质均匀各向同性介质绝对折射率：cn(?)?v(?)v? c, ? n?1?4.波面：光波是电磁波，光源可看作波源，在某一瞬时，其振动位相相同的各点所构成的曲面。等相位面t + t 时刻时刻t 时刻时刻A波面为球面5.光线：传输光能传输光能的有方向有方向的几何线。?在几何光学里,光线被抽象为既无体积又无直径的几何线,几何线的方向代表光线的方向，即光能的传播方向。实际光线是不存在的！波面与光线之间的关系?在各向同性介质中,光沿着波面的法线方

8、向传输,所以波面的法线就是光线 。?光线是波面的法线?波面是垂直所有光线的曲面6.光束：具有一定关系的光线的集合（1）同心光束:同一发光点发出或交于同一点的光束。同心发散光束球面波 同心会聚光束球面波(2)平行光束：发光点位于无穷远,波面为平面.平行光束平面波(3)像散光束：即不相交于一点，又不平行，但有一定关系的光线的集合。 ?光束与波面的对应关系光束与波面的对应关系平行光束平面波同心光束球面波发散光束会聚光束发光点理想光学系统点发光点实际光学系统斑同心光束理想光学系统同心光束同心光束实际光学系统非同心光束1.2 几何光学基本定律及可逆性原理几何光学基本定律及可逆性原理一、几何光学三大定律一

9、、几何光学三大定律1.光的直线传播定律：在各向同性、均匀、透明介质中，光总是沿着直线传播。?成立条件：各向同性、均匀、透明各向同性、均匀、透明介质中，行进过程中无小孔、狭缝等忽略衍射；太阳地球月亮不均匀介质？光线轨迹：曲线2.独立传播定律：从不同发光体发出的相互独立的光线，以不同路径传播在空间某点相遇时，彼此互不影响 （频率、波长、振幅 ），独立传播。相遇处的光强简单相加， 总是增强。?成立条件：此定律只对非相干光准确成立忽略干涉现象。屏上被两发光点同时照亮区域的照度等于两光光点产生的照度之和。干 涉：E ? E1? E2I ? E1? E2非干涉：22I ? E2手术无影灯和探照灯3.光的折

10、射和反射定律反射定律：?入射光线、反射光线和投射点法线三者共面?入射光线和反射光线位于法线两侧 ,且有I1? ?I1?注：光滑分界面?I1? I1粗糙表面？n1I2n2符号规则符号规则：光线沿锐角转向法线，顺时针为正，逆时针为负。?折射定律：?入射光线、折射光线和投射点法线 三线共面折射角正弦和入射角正弦之比 在一定温度和压力下对一定波长的光线而言是一常量，等于两介质折射率之比。sini sini ?const21?折射：入射到光滑分界面的光，一部分被返回，另外一部分进入第二种介质，改变传播方向。相对折射率：与空气比较的折射率。空气中 n? 1.000272 (760mmHg ,20?,? 0

11、.593?m)?注：反射定律是折射定律的一种特例。? ?I1n2? ?n1? I2? ?I1即I1二、两个重要的光学现象二、两个重要的光学现象1. 全反射? 如果n11,即I1I2? 如果n1n2,则sinI1/sinI2=n2/n11,即I1I2I2首先达到90?I2n2n1?n2?Im?I1I1?Im?临界角：光从光密介质入射到光疏介质时，折射角等于90度时对应的入射角。n1? n2I2? 90 ,I1? Im0全反射：光从光密介质进入光疏介质时，如果两种介质分界面把光能全部返回第一种介质中去，这种现象称为全反射。全反射条件：n ? nI ? I121m?I2n2?实质实质：第二种介质内有

12、光进入，但又全部返回第一介质。n1?n2?Im?I1I1?Im海市蜃楼是一种折光现象，由于靠近表面竖直方向上空气密度的剧烈变化，使得一些远处的物体在一定区域形成图像以代替其真实位置。这些图像是扭曲的，倒转的或是摇摆的。空气密度与气压、温度和水蒸气含量密切相关。? P(pressure )?1?(air)? T (temperature)? vap?1(watervapourcontent )?上蜃景出现在真实物体的上方。海市蜃楼海市蜃楼:上层空气发生全反射上层空气发生全反射(又又叫上蜃景叫上蜃景)?在夏季，白昼海水温度比较低，特别是有冷水流经过的海面，水温更低，下层空气受水温更低，下层空气受水

13、温影响，较上层空气为冷，出现下冷上暧的反常现象出现下冷上暧的反常现象。下层空气本来就因气压较高，密度较大，现在再加上气温又较上层为低，密度就显得特别大，因此空气层下密上稀的差别异常显著。光线先由密的气层逐渐折射进入稀的气层，并在上层发生全反射，又折回到下层密的气层中来；经过这样弯曲的线路，最后投入我们的眼中，我们就能看到它的像。由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的，因此我们所看到的映像比实物是抬高了许多，所以叫做上现蜃景。下蜃景出现在真实物体的下方。下层空气发生全反射下层空气发生全反射(又叫下蜃景又叫下蜃景)?在沙漠里，白天沙石被太阳晒得灼热，接近沙层的气温升高极快。由于空气不善于传热，所

14、以在无风的时候，空气上下层间的热量交换极小，导致下层空气密度反而比上层导致下层空气密度反而比上层小的反常现象。小的反常现象。在这种情况下，如果前方有一棵树，它生长在比较湿润的一块地方，这时由树梢倾斜向下投射的光线，因为是由密度大的空气层进入密度小的空气层，会发生折射。折射光线到了贴近地面热而稀的空气层时，就发生全反射，光线又由近地面密度小的气层反射回到上面较密的气层中来。这样，经过一条向下向下凹陷的弯曲光线，把树的影像送到人的眼中，就出现了一棵树的倒影。由于倒影位于实物的下面，所以又叫下现蜃景。?全反射应用?全反射棱镜应用：车尾灯、路标、潜望镜等。光线经玻璃射到指纹谷的地方后在玻璃与空气的界面

15、发生全反射，光线被反射到 CCDCCD，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在 CCDCCD上形成了指纹的图像。?光导纤维（简称：光纤）应用：传光、传像、内窥镜反 射 型折 射 型2.光路可逆性原理光路可逆性原理?光沿原路返回。?I1? I1n1I2n2?注：对于反射和折射现象，无论均匀介质还是非均匀介质，简单光学系统还是复杂光学系统，光的可逆性均成立。反射一定存在I ? Im时发生全反射。入射光折射特定条件下可能没有 （全反射）1.3 费马原理费马原理费马原理是从“光程”的观点描述光传播的规律,是几何光学最基本的定律。一、光程：光在介质中经过的几

16、何路程与光在该介质中的折射率的乘积。c1.均匀介质中：L? n?l ?l ? c? ?t?注：光在某种介质中的光程 等于它在相同时间内在真空中所走过的路程。Aab2.非均匀介质：?dL? ndlL ?n(x,y,z)dlABncdB1.3 费马原理费马原理二、费马原理：光从空间一点传播到另一点的实际路径是沿着光程为极值（极大、极小、常量）B的路径传播的。?L?ndl? 0A三、用费马原理理解光的三大几何定律?均匀介质中：两点间以直线最短直线传播 .N?反射A(AMB) ? n1(AM? MB)(AM? B) ? n1(AM? M? B)(AMB) ? (AM? B)Qn1I1I1?BQM?n2

17、MM与A和B在同一平面内光束反射时沿光程为极小值路线行走。NB?1.3 费马原理费马原理?折射Aa1Nn1n2bM与A和B在同一平面内。xI1OI2a2N(AOB) ? n1AO? n2OB? n1a ? x ? n2a ? (b? x)根据费马原理，光程应为极值212222Bd(AOB)xb? x? n1?n2? n1sin I1? n2sin I2? 02222dxa1? xa2? (b? x)光束折射时沿光程为极小值路线行走。1.3 费马原理费马原理下面是一个光程为极大值的情况。椭椭球球面面PCQRBSFNEM反射球面反射球面A实际光程为APB，满足反射定律。(APB) ? AP? PB

18、? (ARB) ? AR? RB ? AQ? QR? RS ? SB(AQB) ? AQ? QB?(APB) ? (AQB)实际光线光程为极大值的路径传播1.4 成像的概念成像的概念各种各样的光学仪器各种各样的光学仪器显微镜显微镜:观察细小的物体观察细小的物体望远镜望远镜:观察远距离的物体观察远距离的物体各种光学零件各种光学零件反射镜、透镜和棱镜反射镜、透镜和棱镜一、光学系统的概念和分类一、光学系统的概念和分类1.光学系统：把各种光学零件按一定方式组合起来，满足一定的要求。2.光学系统分类?按有无对称轴分：共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴。非共轴系统：没有对称轴线。?按介质分界面形状分：球

19、面系统：系统中的光学零件均由球面构成。非球面系统：系统中包含有非球面。共轴球面系统：系统光学零件由球面构成，并且具有一条对称轴线。今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统。二、物和像的基本概念1.基本概念基本概念?光轴：光学零件曲率中心的连线。对于一个球面，光轴是通过球心的直线对于一个透镜，光轴是两个球心的连线若光学系统由球面组成，它们的球心位于同一直线上，则称为共轴球面系统，这条直线为该光学系统的光轴。实际上，光学系统的光轴是系统的对称轴。顶点：光轴与球面的交点?2. 物和像的概念物和像的概念?物点：实际进入光学系统的入射光线的交点或虚延长线的交点。（ 实物点和虚物点）像点：从光学

20、系统出射的实际光线的交点或反向延长线的交点。（ 实像点和虚像点）?实像可以用屏幕、胶片或眼睛接收。虚像只能用眼睛接收。A1A1?(A2)?A23. 物空间和像空间物空间：进入光学系统的实际光束所在空间；像空间：从光学系统出射的实际光束所在空间。4. 物、象方介质折射率： 入射光线和出射光线所在介质折射率。n1An2A三、物像之间的等光程性三、物像之间的等光程性?完善像点：点物成点像，即：发散或会聚光束经光学系统后变成另一束发散或会聚光束。?完善成像条件：物点光学系统像点完善成像条件同心光束光学系统同心光束球面波光学系统球面波等 光程物点和像点之间任意两条光路的光程相等。物像之间的等光程性：费马

21、原理可知，光线沿着光程为极值的路径传播，则对于理想成像，物点发出的所有光线均沿着光程为极值的路径传播，则从同一物点发出的所有光线的光程相等。四、等光程面：四、等光程面：一个曲面能对给定物点 A成像到指定点A。1. 反射等光程面：有限远物有限远像：旋转椭球面。A(F1)A?F2?椭球面椭球面抛物面抛物面构成反射式望远物镜的格里高里系统中的副反射镜！构成反射式望远物镜的格里高里系统中的副反射镜！? 无限远物有限远像：旋转抛物面?最早的反射式天文望远物镜就是单个抛物面做成的，称为牛顿系统。抛物面抛物面构成反射式望远物镜的牛顿系统！构成反射式望远物镜的牛顿系统！?有限远实（虚）物有限远虚（实）像：旋转

22、双曲面双曲面双曲面抛物面抛物面构成反射式望远物镜的卡塞格林系统中的副反射镜！构成反射式望远物镜的卡塞格林系统中的副反射镜！?当双曲面变为一个平面时，就是平面反射镜成像。2. 折射等光程面：有限远物成有限远像：等光程面是一个卵形面。E(x,y)Ann?A?lOl ?等光程面是一个四次方的曲线方程，为卵形面，对x轴旋转对称。?做成透镜，增加一个球心在 A点，半径为OA的球面，大小决定透镜的厚度和口径大小。AnnA?On?O?OA的? 有限远物成像到无限远：?像点在无限远，出射的是平面波。yAE(x,y)Wa?nnn ?n?n ?xAOn?n ?旋转椭球面旋转双曲面当n ? n?时，曲面为旋转双曲面 ；当n ? n?时，曲面为旋转椭球面 。