chapter1几何光学基本原理

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1、第一章几何光学基本原理对成像的要求本章要解决的问题：像与成像的概念光是怎么走的？－－光的传播规律光是什么？－－光的本性问题第一节光波与光线研究光的意义: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第一节光波与光线一般情况下,可以把光波作为电磁波看待，光波波长：λ光的本质是电磁波光的传播实际上是波动的传播物理光学：研究光的本性，

2、并由此来研究各种光学现象几何光学：研究光的传播规律和传播现象可见光：波长在400-760nm范围红外波段：波长比可见光长紫外波段：波长比可见光短可见光：400-760nm单色光：同一种波长复色光：由不同波长的光波混合而成频率和光速，波长的关系在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变几何光学的研究对象和光线概念研究对象不考虑光的本性研究光的传播规律和传播现象特点不考虑光的本性，把光认为是光线光线的概念能够传输能量的几何线，具有方向光线概念的缺陷2.绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的采用光线概念的意义：1.用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：

3、影子、日食、月食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当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、衍射时，再采用物理光学的原理光线与波面之间的关系波面：波动在某一瞬间到达的各点组成的面At时刻t+Δt时刻光线是波面的法线波面是所有光线的垂直曲面同心光束：由一点发出或交于一点的光束；对应的波面为球面像散光束：不严格交于一点，波面为非球面平行光束波面为平面一、光的传播现象的分类第二节几何光线基本定律灯泡空气玻璃光的传播可以分类为：1、光在同一种介质中的传播；2、光在两种介质分界面上的传播。二、几何光学基本定律1、

4、光线在同一种均匀透明介质中时：直线传播成分均匀透光2、光线在两种均匀介质分界面上传播时:反射定律，折射定律AO:入射光线OB:反射光线OC:折射光线NN:过投射点所做的分界面法线I1:入射光线和分界面法线的夹角，入射角R1:反射光线和分界面法线的夹角，反射角I2:折射光线和分界面法线的夹角，折射角入射面：入射光线和法线所构成的平面反射定律：反射光线位在入射面内；反射角等于入射角I1=R1。折射定律：折射光线位在入射面内；入射角正弦和折射角正弦之比，对两种一定介质来说是一个和入射角无关的常数。SinI1SinI2n1,2称为第二种介质相对于第一种介质的折射

5、率=n1,2对于不均匀介质可看作由无限多的均匀介质组合而成，光线的传播，可看作是一个连续的折射直线传播定律反射定律折射定律几何光学的基本定律第三节折射率和光速一、折射定律和折射率的物理意义折射定律：折射光线在入射面内SinI1SinI2＝n1,2n1,2:第二种介质相对于第一种介质的折射率QO´Q´SinI1υ1SinI2υ2=n1,2第二种介质对第一种介质折射率等于第一种介质中的光速与第二种介质中的光速之比。=折射率的物理意义折射率与光速之间的关系二、相对折射率与绝对折射率1、相对折射率：一种介质对另一种介质的折射率2、绝对折射率介质对真空或空气的折射

6、率3、相对折射率与绝对折射率之间的关系相对折射率：υ1υ2n1,2=第一种介质的绝对折射率：第二种介质的绝对折射率：Cυ1n1=Cυ2n2=所以n1,2=n2n1三、用绝对折射率表示的折射定律SinI1SinI2＝n1,2由n1,2=n2n1有SinI1SinI2n2n1=或n1SinI1=n2SinI2课堂练习：判断光线如何折射空气n=1水n=1.33I1I2玻璃n=1.5空气n=1I1空气n小玻璃n大cI1空气n小玻璃n大第四节光路可逆和全反射一、光路可逆AB1、现象2、证明直线传播：AB反射：I1=R1R1=I1折射：n1SinI1=n2SinI2

7、n2SinI2=n1SinI1I1R1ABI2C3、应用光路可逆：求焦点光学设计中，逆向计算：目镜，显微物镜等二、全反射1、现象水空气AI1R1I2O1O2O3O4I02、发生全反射的条件必要条件：n1>n2由光密介质进入光疏介质充分条件：I1>I0入射角大于全反射角1870年，英国科学家丁达尔全反射实验当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻璃的折射率不同、对应的临界角不同n1.51.521.541.561.581.601.621.641.66I041°48’41°8’40°30’39°52’39°16’38°41’37°7’37°7’37°3’3、全反

8、射的应用用棱镜代替反射镜：减少光能损失测量折射率待测样品nB低nA高I0暗亮第六