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1、第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 ?本章内容本章内容 ?概述，作业题， 复习练习题概述，作业题， 复习练习题 ?1-1光波和光线1-1光波和光线 ?1-2 光线的传播规律1-2 光线的传播规律 ?1-3 马吕斯定律和费马原理1-3 马吕斯定律和费马原理 ?1-4 光路可逆和全反射1-4 光路可逆和全反射 ?1-5 光学系统及成像的基本概念1-5 光学系统及成像的基本概念 ?1-6 理想像和理想光学系统1-6 理想像和理想光学系统 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 ? ? 本章概述本章概述本章概述本章概述: : : :几何光
2、学的几何光学的基本概念基本概念（如光线、波面、光束、全反射、 理想成像和理想光学系统等） （如光线、波面、光束、全反射、 理想成像和理想光学系统等）；几何光学的；几何光学的基本定律基本定律（光的直线 传播定律、光的独立传播定律、光的反射定律 、光的折射定律等） （光的直线 传播定律、光的独立传播定律、光的反射定律 、光的折射定律等）； 费马原理和马吕斯定律及其物理含义。 ； 费马原理和马吕斯定律及其物理含义。 ? ? 学时分配：学时分配：学时分配：学时分配： 0.5 + 0.5 + 1.0 + 0.5 + 0.5 + 1.0 = 4.0 0.5 + 0.5 + 1.0 + 0.5 + 0.5
3、+ 1.0 = 4.0 学时学时学时学时 ? ? 作业：作业：作业：作业：习题（习题（2）,补充题（1）,补充题（1） ? ? 练习：练习：练习：练习：习题（习题（2） ?例题例题：习题（2），据费马原理证明折射定律：习题（2），据费马原理证明折射定律 ?作业题：作业题： ?1（习题1部分）已知真空中的光速c=3?101（习题1部分）已知真空中的光速c=3?108 8m/s,求光在 水中（n=1.333)和冕牌玻璃（n=1.51)中的光速。 m/s,求光在 水中（n=1.333)和冕牌玻璃（n=1.51)中的光速。 ?2（补充）一厚度为2（补充）一厚度为200mm的平行平板玻璃（设的平行平板玻
4、璃（设 n=1.5），下面放一直径为），下面放一直径为1mm的金属片。若在玻璃板上 盖一圆纸片，要求在玻璃板上方任何方向都看不到该金属 片，问纸片直径应为多少？ 的金属片。若在玻璃板上 盖一圆纸片，要求在玻璃板上方任何方向都看不到该金属 片，问纸片直径应为多少？ ?3.习题63.习题6 复习练习题：复习练习题： ?1几何光学基本定律；（习题1几何光学基本定律；（习题2,4） ?2全反射及其应用；2全反射及其应用； ?3共轴理想光学系统具有哪些成像性质？3共轴理想光学系统具有哪些成像性质？ ?4由费马原理导出反射定律和折射定律。4由费马原理导出反射定律和折射定律。 第一章 几何光学基本定律与成像
5、概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 ?电磁波谱表电磁波谱表 ? 何谓几何光学？何谓几何光学？ 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 长波无线电波微波红外紫外 x射线 射线 宇宙 射线 紫蓝绿黄靛橙红 波长 nm 10-1510-1310-1110-910-710-510-310-11102106104 波长m 一般情况下一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待。可以把光波作为电磁波看待。 波长：波长： 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 ?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
6、 物理光学：物理光学： 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象。研究光的本性，并由此来研究各种光学现象。 几何光学：几何光学： 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 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 几何光学的研究对象和光线概念几何光学的研究对象和光线概念: ?研究对象研究对象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象 ?特 点特 点 不考虑光的本性，把光认为是不考虑光的本性，把光认为是光线光线 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 光线的概念光线的概念 能够传输能
7、量的几何线，具有方向能够传输能量的几何线，具有方向 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 采用光线概念的意义：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用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影 子、日食、月食 ：影 子、日食、月食 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 光线是能够传输能量的几何线，具有方 向 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
8、采用物理光学的原理 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 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 1-1 光波和光线光波和光线 ?一、光波一、光波 ?1、光波光波电磁波，波长范围：电磁波，波长范围：10106nm ； ?2、可见光可见光（400-760nm)；红外光红外光（760nm- 1mm) ；紫外光紫外光（400-10nm) ；真空光波；真空光波 (c=300000km/s)；介质中；介质中vn2 由光密介质进入光 疏介质 充分条件： 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
9、角入射角大于全反射角 ?用棱镜代替反射镜：减少光能损失用棱镜代替反射镜：减少光能损失 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 ?例2例2( (习题习题5 ) )游泳者在水中向上仰望，能否 感觉整个水面都是明亮的？(作图说明). 游泳者在水中向上仰望，能否 感觉整个水面都是明亮的？(作图说明). ?解：解：设水中一点设水中一点A发出的光线射到水面。发出的光线射到水面。 ?若入射角为若入射角为I0（sinI0=n空 空/ n水水 ）， 则光线沿水面掠射；据光路可逆 性，即与水面趋于平行的光线在水面折射进入水中一点A，其折 射角为I ）， 则光线沿水面掠射；据光路可逆
10、性，即与水面趋于平行的光线在水面折射进入水中一点A，其折 射角为I0 0 （临界角）。故以水中一点A为锥顶，半顶角为I（临界角）。故以水中一点A为锥顶，半顶角为I0 0 的 圆锥范围内，水面上的光线可以射到A点（入射角不同）。因 此，游泳者向上仰望，不能感觉整个水面都是明亮的，而只 能看到一个明亮的圆，圆的大小与游泳者所在处水深有关 的 圆锥范围内，水面上的光线可以射到A点（入射角不同）。因 此，游泳者向上仰望，不能感觉整个水面都是明亮的，而只 能看到一个明亮的圆，圆的大小与游泳者所在处水深有关 I00 II0 I A R H n0 =1 n=1.33 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章
11、 几何光学基本定律与成像概念 75.0 33.1 1 sin 0 =I 如图示。满足水与空气分界面的临界角为 ，若水深为H，则明亮圆的半径 R = H tgI 如图示。满足水与空气分界面的临界角为 ，若水深为H，则明亮圆的半径 R = H tgI0 0即即3648 0 =I 1-5 光学系统及成像的基本概念1-5 光学系统及成像的基本概念 ?一、光学系统的基本概念一、光学系统的基本概念 ?光学系统光学仪器光学零件光学系统光学仪器光学零件 ?光学零件的种类：光学零件的种类： ?光学系统的作用：对物体成像。光学系统的作用：对物体成像。 A A A A 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何
12、光学基本定律与成像概念 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 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 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 光学系统分类光学系统分类 按介质分界面形状分：按介质分界面形状分： 球面系统：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 球面系统：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 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
13、系统今后我们主要研究的是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统 按有无对称轴分：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 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 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 二、成像基本概念二、成像基本概念 1、透镜类型、透镜类型 正透镜：正透镜：凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚凸透镜，中心厚，边缘薄，使光线会聚,也叫会聚 透镜 也叫会聚 透镜 会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转会聚：出射光线相对于入射光线向光轴方向折转 负透镜：负透镜：凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散
14、，也叫发散 透镜 凹透镜，中心薄，边缘厚，使光线发散，也叫发散 透镜 发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转发散：出射光线相对于入射光线向远离光轴方向折转 第一章 几何光学基本定律与成像概念第一章 几何光学基本定律与成像概念 2、透镜作用成像（光学系统）、透镜作用成像（光学系统） A A A点称为物体点称为物体A通过透镜所成的像点通过透镜所成的像点。而把而把A称为 物点 称为 物点 A为实际光线的相交点，如果在为实际光线的相交点，如果在A处放一屏 幕，则可以在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称 为实像点。 处放一屏 幕，则可以在屏幕上看到一个亮点，这样的像点称 为实像点。 A和和A称为共
15、轭点。 称为共轭点。 A与与A互为物像关系，在几 何光学中称为 互为物像关系，在几 何光学中称为“共轭共轭”。 思考： 正透镜是否一定成实像？ 负透镜是否一定成虚像？ 思考： 正透镜是否一定成实像？ 负透镜是否一定成虚像？ ?名词概念名词概念 ?像：出射光线的交点像：出射光线的交点 ?实像点：出射光线的实际交点实像点：出射光线的实际交点 ?虚像点：出射光线延长线的交点虚像点：出射光线延长线的交点 物：入射光线的交点物：入射光线的交点 实物点：实际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虚物点：入射光线延长线的交点 A A A A 像空间：像所在的空间像空间：像所在
16、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 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 物空间：物所的空间物空间：物所的空间 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 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 注意： 虚物的产生 虚像的检测 注意： 虚物的产生 虚像的检测 物像空间折射率确定物像空间折射率确定 物空间折射率：物空间折射率： 按实际入射光线所在的空间折射率计算按实际入射光线所在的空间折射率计算 像空间折射率像空间折射率 按实际出射光线 所在的空间折射率计算 按实际出射光线 所在的空间折射率计算 1-6 理想像和理想光学系统理想像和理想光学系统 ?一、共轴理想光学系
