几何光学基本定律与成像概念.doc

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1、[考试要求]本章要求考生了解几何光学的基本术语、基本定律、光路计算及完善成像的条件。[考试内容]几何光学的基本定律、全反射现象的应用、完善成像的含义及条件、近轴光学系统的光路计算和球面光学成像系统的物像位置关系。［作业］P13：2、3、4、7、8、9、16、17、18、19、21第一章几何光学基本定律与成像概念第一节几何光学基本定律一、光波与光线1、光波性质性质：光是一种电磁波，是横波。可见光波，波长范围390nm—780nm光波分为两种：1)单色光波―指具有单一波长的光波；2)复色光波―由几种

2、单色光波混合而成。如：太阳光2、光波的传播速度ν1)与介质折射率n有关；2)与波长λ有关系。c为光在真空中的传播速度c＝3×10m/s；n为介质折射率。例题1：已知对于某一波长λ而言，其在水中的介质折射率n＝4/3，求该波长的光在水中的传播速度。解：＝3×10/4/3＝2.25×10m/s3、光线：没有直径、没有体积却携有能量并具有方向性的几何线。4、光束：同一光源发出的光线的集合。会聚光束：所有光线实际交于一点（或其延长线交于一点）图1-1会聚光束图1-2发散光束发散光束：从实际点发出。（或其

3、延长线通过一点）说明：会聚光束可在屏上接收到亮点，发散光束不可在屏上接收到亮点，但却可为人眼所观察。5、波面（平面波、球面波、柱面波）平面波：由平行光形成。平面波实际是球面波的特例，是时的球面波。球面波：由点光源产生。柱面波：由线光源产生。一、几何光学的基本定律即直线传播定律、独立传播定律、折射定律、反射定律。1、直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播（光线是直线）。直线传播的例子是非常多的，如：日蚀，月蚀，影子等等。2、独立传播定律：从不同光源发出的光束，以不同的方向通过空间某点时

4、，彼此互不影响，各光束独立传播。3、反射定律：反射光线和入射光线在同一平面、且分居法线两侧，入射角和反射大小相等，符号相反。4、折射定律：入射光线、折射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面，且＝图3折反定律5、全反射：1）定义：从光密介质射入到光疏介质，并且当入射角大于某值时，在二种介质的分界面上光全部返回到原介质中的现象。刚刚发生全反射的入射角为临界角，用表示。根据折射定律，2）全反射发生的条件：光从光密介质射入光疏介质；入射角必须大于临界角。例题2：设光从玻璃射入空气中，，求临界角的大小。

5、3）应用：全反射在光学仪器中有着十分重要的作用。①反射棱镜下面以直角棱镜为例：图1-4等腰直角棱镜②光纤也是基于全反射的思想。光纤的功能：具有传光、传象及传输其它信号的功能，在医学、工业、国防得到广泛的应用。图1-5光纤的全反射传光原理满足的条件：对光纤而言，设射入光纤端面的入射角为，则：这就是光纤保证发生全反射的条件，又称为光纤的数值孔径。一、费马原理（又称为极值光程定律）费马原理中首次提出了光程的概念，并从光程的角度出发，对光的传播定律进行了高度概括，是直线传播定律、折射定律、反射定律的统一

6、体现。1、光程（S）：指光在介质中传播的几何路程与该介质折射率n的乘积。数学表示形式为：l例如：一束光从第一介质射入到第二介质（全为均匀介质），则总的光程为：l若光经过m层均匀介质，则总的光程可写为：l若光经过的是非均匀介质，即n是一个变量，这时折射定律不再适用，光所走过的路径是一个曲线，总的光程：1、费马原理：光从一点传播到另一点，经过任意多次反射和折射光程为极值，即：二、马吕斯定律光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，且入射波面与出射波面各对应点之间的光程为定值。图1—

7、6各向同性介质中光线成像如上图，入射球面波上三点A、B、C，出射球面波对应三点，则根据马吕斯定律有：，即从S到之间的任何光路的光程为定值。§1－2成像的基本概念与完善成像条件一、光学系统与完善成像的概念1、光学系统1）共轴光学系统：各光学元件的曲率中心在同一条直线上。2）非共轴光学系统：各光学元件曲率中心不在同一条直线。图1—7共轴光学系统2、完善成像：像与物体只有大小的变化没有形状的改变。3、完善成像的条件：入射为球面波，出射也为球面波（入射为同心光束，出射也为同心光束）。图1—7完善成像二、

8、物和像的虚实1、物：发出入射光波。像：由出射光波形成。2、实物、实像：由实际光线相交而成的。图1—8实物成实像3、虚物、虚像：由实际光线的延长线相交而成的。图1—9虚物成实像图1—10实物成虚像实像可由人眼或接收器所接收；虚像不可以被接收器所接收，但是却可以被人眼所观察。四、物空间、像空间物所在的空间称为物空间；像所在的空间叫像空间。§1－3光路计算与近轴光学系统光学系统一般说来比较复杂，由多个反射面及折射面构成，物体经过系统成像逐面进行。所以首先需要了解单个面的反（折）射结果，才能最终得到整个