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1、第一章 几何光学基本定律 应用光学讲稿 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 应用光学讲稿 第一节 几何光学的基本概念 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 应用光学讲稿 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： 应用光学讲稿 光的本质是电磁
2、波 光的传播实际上是波动的传播 物理光学： 研究光的本性，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 应用光学讲稿 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 应用光学讲稿 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 应用光学讲稿 应用光学的研究对象和光线概念 研究对象 研究光的传播规律和传播现象 l 特 点 不考虑光的本性，把光认为是光线 l 几何光学与物理光学在一定的条件下可以统一 应用光学讲稿 1.1 光源、波面、光线和光束 光源：能够辐射光能
3、的物体 当发光体（光源）的大小与其辐射能的作 用距离相比可忽略不计时，该发光体可称为发 光点或点光源。既无体积又无大小的几何点， 但能辐射能量。实际被成像物体都是由无数发 光点组成。包括线光源和面光源。 应用光学讲稿 光线：其被抽象为既无直径又无体积的几何线 。它的方向代表光线的传播方向即光能的传播 方向。 利用它可以把光学中复杂的能量传输和光学成 像问题归结为简单的几何运算问题。 光线的概念 能够传输能量的几何线，具有方向 应用光学讲稿 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： 影子、日食、月食 光波的传播问题就变成了几何
4、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 应用光学讲稿 光线与波面之间的关系：波面的法线即为几何光 学中所指的光线。 波面：在某一时刻，波动传播所到达的曲面。 A t 时刻 t + t 时刻 光线是波面的法线 波面是所有光线的垂直曲面 应用光学讲稿 1.1 光源、波面、光线和光束（续） 光束：和同一波面对应的法线束 平行光束 发散的同心光束 o 会聚的同心光束 o 像散光束 应用光学讲稿 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 应用光学讲稿 像散光束：不严格交于一点，波面为非球面 应用光学讲稿 平行光束 波面为平面
5、应用光学讲稿 一、光的传播现象的分类 1.2 几何光学的基本定律 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。 应用光学讲稿 光学介质optical mediums 光学介质：光从一个地方传至另一个地方的空间。 空气、水、玻璃 各项同性介质:光学介质的光学性质不随方向而改变 各向异性介质：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 应用光学讲稿 光的直线传播定律 光在各项同性的均匀介质中沿着直线传播。 两个条件：均匀介质，无阻拦。 可解释的现象： 影子的形成、日蚀、月蚀等 应用光学讲稿 光的独立传播定律：以不同路径传播的两条 光线同
6、时在空间某点相遇时，彼此互不影响 ，独立传播。相遇处的光强度只是简单的相 加，总是增强的。 P A B 应用光学讲稿 光的折射定律和反射定律：当光在传播中遇 到两种不同介质的光滑界面时，光线将发生 折射和反射，其继续传播的规律遵循折射定 律和反射定律 应用光学讲稿 入射面：入射光线和法线所构成的平面 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 反射定律可以看作折射定律的特殊情况(n= -n) 应用光学讲稿 折射定律和折射率的物理意义 Q O Q 应用光学讲稿 第二种介质对第一种介质折射率之比等于第一种介质中 的光速与第二种介质中的光速之比。 应用光学
7、讲稿 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率 一定波长的单色光在真空中的传播速度 与它在给定 介质中的传播速度 之比定义为该介质对指定波长光的 绝对折射率。 应用光学讲稿 相对折射率与绝对折射率之间的关系 相对折射率： 1 2 n 1, 2 = 第一种介质的绝对折射率： 第二种介质的绝对折射率： C 1 n 1 = C 2 n 2 = 所以 n 1, 2 = n 2 n 1 应用光学讲稿 用绝对折射率表示的折射定律 由 有 光密介质和光疏介质 通常所说的介质的折射率实际上是该介质对于 空气 的相对折射率 应用光学讲稿 课
8、堂练习：判断光线如何折射 空气 n=1 水 n=1.33 I1 I2 玻璃 n=1.5 空气 n=1 I1 应用光学讲稿 空气 n小玻璃 n大 c I1 空气 n小玻璃 n大 应用光学讲稿 光路的可逆性 A B 1、现象 应用光学讲稿 2、证明 直线传播： A B 反射：I1=R1 R1=I1 折射： n1 Sin I1 = n2 Sin I2 n2 Sin I2 = n1 Sin I1 I1R1 AC I2 B C n1 O n2 应用光学讲稿 3、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 应用光学讲稿 全反射 1、定义：当光从光密介质射入到光疏介质，并且当入射角
9、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。 水 空气 I1 R1 I2 O1O2 O3O4 I0 A 当入射角增大到某一程度时，折射角达 到90，折射光线沿界面掠射出去，这 时的入射角为临界入射角。 n2 n1 应用光学讲稿 2、发生全反射的条件 必要条件： n1n2 由光密介质进入光 疏介质 充分条件： I1I0 入射角大于全反射角 1870年，英国科学家丁达尔全反射实验 应用光学讲稿 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。 n1.51.521.541.561.581.601.621.641.66 I041484184030395239
10、163841377377373 应用光学讲稿 3、全反射的应用 (1)用棱镜代替反射镜：减少光能损失 (1)光纤：用于传像和传光 应用光学讲稿 进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连 续发生全发射，直至另一端出射。 S B A 当大于临界角时，就发生全发射。 应用光学讲稿 根据折射定律，又有： S B A 可以得到： 当入射角 时，可以全反射传送， 当时，光线将会透过内壁进入包层 若在空气中： 应用光学讲稿 定义 为光纤的数值 孔径 越大，可以进入光纤的光能就越多，也 就是光纤能够传送的光能越多。 这意味着光信号越容易耦合入光纤。 应用光学讲稿 u 测量折射率 待测样品 n低 n高 I0 暗
11、亮 应用光学讲稿 1.3 费马（Fermat）原理 光在均匀介质中传播，遵循前述的几何光学的基本定律， 而研究光在非均匀介质中的传播问题，更有实际意义。光 从一种介质的一点传播到另一介质的一点所遵循的规律是 由费马（Fermat）首先提出的，称为费马原理。即从“光 程”的角度来阐述光的传播规律的。 光程：光在介质中传播的距离与该介质折射率的乘积 应用光学讲稿 1.3 费马（Fermat）原理（续） 应用光学讲稿 1.3 费马（Fermat）原理（续） 应用光学讲稿 1.3 费马（Fermat）原理（续） 利用费马原理理解光的直线传播定律、反射和 折射定律 应用光学讲稿 1.3 费马（Ferma
12、t）原理（续） 应用光学讲稿 1.4 马吕斯（Malus）定律 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 间对应点之间的光程都相等，为一定值。 数学表示 Malus定律的解释图 A B C 1 2 3 A B C 3 2 1 p1p2 光学系统 应用光学讲稿 1.5 光学系统统和成像的概念 各种各样样的光学仪仪器 显显微镜镜:观观察细细小的物体 望远镜远镜 :观观察远远距离的物体 各种光学元件反射镜镜、透镜镜和棱镜镜 应用光学讲稿 光学系统统：把各种光学元件按一定方式组合起 来，满足一定的要求 应用光学讲稿 光学系统分类 按介质
13、分界面形状分： 球面系统：系统统中的光学元件均由球面构成 非球面系统：系统统中包含有非球面的光学元件 共轴球面系统：系统中的光学元件由球面构成，并且具有一 条对称轴线 按有无对称轴分： 共轴轴系统统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴轴系统统：没有对称轴线 C1C2C3C4 光轴 应用光学讲稿 像点：出射光线的交点 实像点：出射光线的实际交点 虚像点：出射光线延长线的交点 物点：入射光线的交点 实物点：实际入射光线的交点 虚物点：入射光线延长线的交点 名词概念 应用光学讲稿 像空间：像所在的空间 实像空间：系统最后一面以后的空间 虚像空间：系统最后一面以前的空间 整个像空间包括实像和虚像空间
14、物空间：物所在的空间 实物空间：系统第一面以前的空间 虚物空间：系统第一面以后的空间 整个物空间包括实物和虚物空间 应用光学讲稿 物像空间折射率确定 物空间折射率： 按实际入射光线所在的空间折射率计算 像空间折射率 按实际出射光线 所在的空间折射率计算 应用光学讲稿 应用光学讲稿 第七节 理想像与理想光学系统 一、理想像： 物空间每一个物点在像空间对应唯一一个像点 理想光学系统：能成理想像的系统 A A 应用光学讲稿 完善成像条件： 完善成像：像与物体只有大小的变化没有形状的改变 应用光学讲稿 应用光学讲稿 有限远物 A 有限远像 A ：椭球反射面 无穷远物 A 有限远像 A ：抛物反射面 有
15、限远物 A 无穷远像 A ：根据光路可逆性 特例： 单个界面可实现等光程条件 应用光学讲稿 折射情况 应用光学讲稿 双曲面：到两个定点距离之差为为常数的点的轨迹， 是该 两点为焦点的双曲面。其中一个是实的，一个是虚的 抛物面：到一条直线和一个定点的距离相等的点的轨迹，是 以该点为焦点，该直线为准线的抛物面。 对焦点和无限远 轴上点符合等光程。 椭球面：对两个定点距离之和为常数的点的轨迹，是以该两 点为焦点的椭圆。对两个焦点符合等光程条件。 等光程的反射面: 二次曲面 对于反射面，通常都是利用等光程的条件： 等光程的折射面为二次曲面 应用光学讲稿 点 共轭点 物空间 像空间 直线 共轭直线 直线上的点 共轭直线上的共轭点 共轭：物像这种一一对应的关系 共线成像理论 这种点对点、线对线和面对面的成像变换即称为共线 成像。 理想光学系统理论高斯光学 理想光学系统像与物是完全相似的 理想光学系统完善成像(物)点对(像)点,且唯一 应用光学讲稿 A A p p B C B C 理想光 学系统 D D 点对点；直线对直线；点在线上； 平面对平面；同心光束对应同心光束。 应用光学讲稿 三、共轴理想光学系统成像性质 l 由于系统对称性，光轴上的物点对应的像点也在光
