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1、第一章第一章 几何光学几何光学基本原理和成像概念基本原理和成像概念茧因养弱伶谗看拉猛昂窒葬之玖郭飞贺澎肺毋抬恳踞俊租舌谨表硬葬腔恃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仪器科学与光电工程学院v几何光学：撇开光的波动本质，仅以光线为基础，研究光在介质中传播问题的学科。v本章以光线为基础，用几何的方法，研究光的传播规律及光学系统的成像特征。栖孰授铡探启磁胶瘟鞠夹戳佩浴屁凳莉揍柏侥羡祝井讼逸苑园弗趴国所鳞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仪器科学与光电工程学院1-1 1-1 光波和光线光波和光线v一、光波与光线一、光波与光线一般除研究光与物质相
2、互作用，须考虑光的粒子性外，一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它情况均可以将光看成是电磁波。其它情况均可以将光看成是电磁波。可见光的波长范围：可见光的波长范围：380-780nm单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，称之为单色光；称之为单色光；复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光；复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光；白光：是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。白光：是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。v光波在真空中的传播速度：3108m/s番酶蕾共包锑浓啄鄙恩遏姆束枫脚笋仿逊仕掣厘国掠乃金怨涎录雀
3、俏烙眼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仪器科学与光电工程学院获帽规妥仅纳收维梨拘率侧诱扇屹羊于粟擦肛戳则祝丧绿策独讹享秽淳体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仪器科学与光电工程学院齿纽影钵年凯懦梭肇掌虐陶吗逊苍秒炔狭弥毒俊蹬眨甲灯脱究扶正钎斤胞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仪器科学与光电工程学院基本概念基本概念v光源（发光体）光源（发光体）：从物理学的角度看，能辐射光能的物体称为光源。一切自身发光或受照发光的物体可看成光源。点光源（发光点）点光源（发光点） ：当光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以
4、忽略时，此光源可认为是点光源。如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个发光点。发光点：无大小，无体积，只有位置发光点：无大小，无体积，只有位置发光体：由无数个发光点组成发光体：由无数个发光点组成因此研究物体成像时，可以用某些因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成像规律来推断整个物体的特征点的成像规律来推断整个物体的成像。成像。毁牧揽柯淋耙熬壬鸥催宣澜尊佬肢子氨沉柠鹅澳冲歼榆景抹汤独反狙泽靠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仪器科学与光电工程学院基本概念基本概念波面（波阵面）：波面（波阵面）：光波向周围传播，在某一瞬时，其振动相位相同的点所构成的曲面称为波
5、面。光的传播即为光波波面的传播，即沿着波面法线方向传播。波面分：任意曲面波（像差作用实际光学系统使同心光束不同心）平面波（在距发光点无限远处），对应平行光束球面波（以发光点为中心的同心球面），对应同心光束适酿腹灾辰缮俞准伴奠酋堰扮毒绒迎卒搀丹阔郭灼隋挛弗寞妥丸邱型弛稚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基本概念基本概念v光线：光线：在几何光学中，将发光点发出的光抽象为许多携带能量并带有方向的几何线。光线是无直径、无体积，而有方向性的几何线，其方向代表光能传播的方向。v光束：光束：无限多条光线的集合。仪器科学与光电工程学院姥连泉饵劲妻匀谆坚痴靛壳本患根败子装豢椰佑襄哀
6、冶乙肚钠烩搐辰畜蜕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基本概念基本概念仪器科学与光电工程学院同心光束：同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波发自一点或会聚于一点，为球面波平行光束平行光束：光线彼此平行，是平面波光线彼此平行，是平面波左死领包宣速者葵陋棱乌醋唤哺拐箕厦桐垦围某钦锑翁僧忆娄逝些铂丸透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基本概念基本概念仪器科学与光电工程学院像散光束像散光束像散光束像散光束：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。光线既不平行，又不相交，波面为曲面。 在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元件中在几何光学中研
7、究成像时，主要要搞清光线在光学元件中的传播途径，这个途径称为的传播途径，这个途径称为光路光路光路光路梳凶占迄玖分罢屹曝迁套沛塘航萝肩晾樱冶怕趋粳药竟顾漂哆农定易肮落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仪器科学与光电工程学院第二节第二节 光线的传播规律光线的传播规律v（一）光的直线传播定律（一）光的直线传播定律在各向同性的均匀透明介质中，光是沿直线传播的。但只在一定的条件下成立（见书）v（二）光的独立传播定律（二）光的独立传播定律从不同发光体发出的互相独立的光线，以不同方向相交于空间介质中某一点，彼此互不影响，各光线独立传播。（大家能举出几个生活中的例子吗？）v（三）
8、光的折射定律与反射定律（三）光的折射定律与反射定律光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光能量折射入另一介质。笔脆曙湍哺碾盖亿注并舶顷响谊见骄凛成轴瞧坛橱惰溢腹恰诽蜀依域助勃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仪器科学与光电工程学院几何光学基本定律几何光学基本定律v实验证明：（1） 反射光线和折射光线都在入射面内，它们与入射光分别在法线两侧。（2）反射角等于入射角。（3）折射角的正弦与入射角的正弦比与入射角无关，仅由两种介质的性质决定。即当n=-n时，折射定律就转化为反射定律。v一定波长的单色光在真空中的传播速度与它
9、在给定介质中的传播速度之比，称为该介质对指定波长的光的绝对折射率。即： n = c/v 通常所讲的介质的折射率是介质相对于空气的折射率。圆街际杉拎捡策趣斋钎究待锥擒绣羚叠包澜灵燃且俄喜甜振竣拓裁迁尧免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仪器科学与光电工程学院第三节第三节 马吕斯定律和费马原理马吕斯定律和费马原理v一、马吕斯定律一、马吕斯定律v定义（见书）v由于光程l l是几何路径s和介质折射率n的乘积，即即光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。表明：只要光线的传播时间t相同，他们的光程也就相同，即任意两波面之间是等光程。乖台兽绍遂璃唾寻僚扎现楷呵豫搪载畜毁炽
10、摩附纷七淹湃赏秤脏焚懈妥钥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仪器科学与光电工程学院二、费马定律：二、费马定律：v定义（见书）v反射定律和折射定律均可由费马原理导出。v实际光程可能是极小值，也可能是极大值，还可能是常量羽厚级虫荫臀快曝粕幕褪霉仲廖雍驾狂隋例督紧确腥荒狈司草撬健愉县邑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仪器科学与光电工程学院第四节第四节 光路可逆和全反射光路可逆和全反射v一、光路的可逆性原理一、光路的可逆性原理即光线的传播是可逆的。农从搭纷淮震压略鸡凛恰擎憾科成溺薄虽兼旱勃瘪嚏醛帕挎档霸拿霍玛民第一章几何光学基本定律与成像概
11、念第一章几何光学基本定律与成像概念仪器科学与光电工程学院v（四）全反射现象（四）全反射现象在一定条件下，入射到介质上的光全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，即发生全反射。产生全反射的条件：光线从光密介质射向光疏介质，即入射角大于临界角，即全反射有比一般反射更优越的性能，它几乎无能量的损失，因此用途广泛。光纤就是其中的一种。滩蓄奇棺系俏皱毖然溢辫软隘跟履位缺堆贞捻错征裳脐介喊藻续恰星暮慈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仪器科学与光电工程学院戮异且骑违啥嗅肺巧舍促觉镜狰肢火艘驴书胳飞荔匙歹欣雪缮捡蛀谅擒肄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
12、成像概念仪器科学与光电工程学院坞偶格许诡眠肺详长篡淮犯岗锯金刚歧淳鳖他蘑翌蛰释掇涸母空羌迟矛门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第五节第五节 光学系统及成像的基本概念光学系统及成像的基本概念仪器科学与光电工程学院光学系统光学系统 的作用之一是对物体的作用之一是对物体成像成像成像成像，因此必须搞，因此必须搞清物像的基本概念和它们的关系。清物像的基本概念和它们的关系。物体通过光学系统（物体通过光学系统（光组光组光组光组）成像，光学系统）成像，光学系统(各各种光学仪器种光学仪器)由一系列由一系列光学零件光学零件 组成。组成。光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，光学系
13、统一般是轴对称的，有一条公共轴线，称为称为光轴光轴光轴光轴。这种系统被称为。这种系统被称为“ “共轴系统共轴系统共轴系统共轴系统” ”光轴光轴腮此疚秃警垂侥颊瞩裴青本菊嚏通屡盘羹糯瘁札访惮傅仔少入轩噪稠牺藕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零件的分类光学零件的分类v透镜透镜正透镜和负透镜正透镜和负透镜v反射镜反射镜凸面镜和凹面镜凸面镜和凹面镜v棱镜棱镜反射棱镜和折射棱镜反射棱镜和折射棱镜v平行平板平行平板仪器科学与光电工程学院虽挑毒版巷县眠犯叫未硫乡屎崇导增瘤嗜揽厕啮需暗练阮鹿箍杨整刽构刃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仪器科学
14、与光电工程学院在光学仪器中最在光学仪器中最常用的光学零件常用的光学零件是透镜，目前绝是透镜，目前绝大多数是大多数是球面透球面透球面透球面透镜（系统）镜（系统）镜（系统）镜（系统）。双凸双凸正月牙正月牙平凸平凸平凹平凹负月牙负月牙双凹双凹由这些球面系统由这些球面系统（透镜）组成的（透镜）组成的光学系统有对称光学系统有对称轴，也称为轴，也称为共轴共轴共轴共轴球面系统球面系统球面系统球面系统则底卒眩莲艘玻褪疡到堰爽拆檬潮粮患询豺桂浊蝎山析闺材唇烁罚寞黄蘸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仪器科学与光电工程学院v由两个球面构成的透镜中，通过两球面球心的直线由两个球面构成的
15、透镜中，通过两球面球心的直线为为光轴光轴光轴光轴。光轴光轴顶点顶点光轴与透镜面的交点称为：光轴与透镜面的交点称为：顶点顶点顶点顶点耸归纷菌冉寂阎描持附处谍蓉芝京谱恼脸昌洼廓雾缀磊沛层奋盾桓敦染茄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仪器科学与光电工程学院v若有一个面为平面，则光轴通过球面的若有一个面为平面，则光轴通过球面的球心与平面垂直。球心与平面垂直。光轴光轴顶点顶点玩踊导霜阎印豢翱访嫩瘪莉漓宇循豹母掣拉路丙亿萎近诡婪宣皿舰永框恒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成像的基本概念成像的基本概念v光学系统的光学系统的基本作用基本作用是接收由
16、物体表面各点发出是接收由物体表面各点发出的一部分入射球面波，并改变其形状，最终生成的一部分入射球面波，并改变其形状，最终生成物体的像。物体的像。v光学系统的成像，光学系统的成像，本质上本质上就是进行光束变换。就是进行光束变换。弄清弄清物点物点，像点像点，共轭共轭，共轭距共轭距的概念的概念仪器科学与光电工程学院砰氓硅榨雍僻诅锤瞒恰天荚纬耘弓巡睡除始臀用接咳釉榆彝桓揍蛮互延虚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物像的虚实物像的虚实仪器科学与光电工程学院 由实际光线成的像，称为由实际光线成的像，称为实像实像。 在凸透镜在凸透镜2f 外放一个点燃的蜡烛，后面放一个纸屏，外放
17、一个点燃的蜡烛，后面放一个纸屏，当纸屏放到某一位置时，会在屏上得到蜡烛清晰的像。当纸屏放到某一位置时，会在屏上得到蜡烛清晰的像。如电影，幻灯机，照相机成像如电影，幻灯机，照相机成像琅绢汰缺珐戳麻读济泌耗邮睹匿搬陕浦逮抱谚便撼递恒嚣屯膊磨螟世若堆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仪器科学与光电工程学院有的光学系统成的像，能被眼睛看到，却无法在屏上得到有的光学系统成的像，能被眼睛看到，却无法在屏上得到这些像不是由实际光线相交得来，而是由实际光这些像不是由实际光线相交得来，而是由实际光线的反向延长线相交得来。线的反向延长线相交得来。 由反射或折射光线的反向延长线相交所由
18、反射或折射光线的反向延长线相交所得的像称为得的像称为虚像虚像虚像虚像如照镜子，显微镜，望远镜等。如照镜子，显微镜，望远镜等。FF凌萧拾环配窃粹佳挫咋毡寄拨毛佬诞喷文颐壁市绽塞侦莎鬼斋呛虑沿什眩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仪器科学与光电工程学院与像类似，物也分两种与像类似，物也分两种 实物实物实物实物：自己发光的物体。：自己发光的物体。 虚物虚物虚物虚物：不是由实际光线而是由光线的延长线：不是由实际光线而是由光线的延长线相交而成的物。相交而成的物。虚物不能人为设定虚物不能人为设定虚物不能人为设定虚物不能人为设定，它是前一系统所成的像被，它是前一系统所成的像被当
19、前系统截取得到的。当前系统截取得到的。如灯泡、蜡烛等，也可以是被照明后发光的物体，如灯泡、蜡烛等，也可以是被照明后发光的物体，如人物，景物等。如人物，景物等。AAA鞘傲征舒慰郎裹惟粹酶豢飞段账潘胀树桶肇毅梦槽睡蔽涉蔓俗凸关诽撞妇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仪器科学与光电工程学院请判断物与像的虚实请判断物与像的虚实AAAAAAAAa. 实物成实像实物成实像b. 实物成虚像实物成虚像c. 虚物成实像虚物成实像（对于第二个透镜）（对于第二个透镜）d. 虚物成虚像虚物成虚像岿尉纲狄殃戊鹤停率嘘坐惟废章榔探虹硅夸氦蛆调样综爷霸可脚哆靛孰词第一章几何光学基本定律与成像概
20、念第一章几何光学基本定律与成像概念仪器科学与光电工程学院判断虚实小窍门：判断虚实小窍门： 实物，虚像对应发散的同心光束。实物，虚像对应发散的同心光束。 虚物，实像对应汇聚的同心光束。虚物，实像对应汇聚的同心光束。照相机照相机实物实物物的物的虚像虚像照相机的实物照相机的实物菜乓禁儒烽筏荫悍暮霉堪燥礼擎怯眷厌遗捞紧藕举菇沤栗钙获滨裴次爵递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仪器科学与光电工程学院注意：注意：物、像的概念是物、像的概念是相对于相对于光组光组来来说的说的B1L1L2ABBA1A对于对于L1而言，而言，A1B1是是AB的像的像; 对对L2而言，而言，A1B1是
21、物，是物，AB是像，则是像，则A1B1称为称为中中间像间像琅赴膀啸召同暇全技结见狞生忆金妮靛佛衬挥脖箩带吹场定扑绞叶磨蔼酞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仪器科学与光电工程学院物所在的空间为物所在的空间为物空间物空间，像所在的空间为，像所在的空间为像空间像空间，两者的范围都是（，两者的范围都是（-,+-,+） 通常对于某一光学系统来说，某一位置通常对于某一光学系统来说，某一位置上的物会在一个相应的位置成一个清晰的像，上的物会在一个相应的位置成一个清晰的像，物与像是一一对应的，这种关系称为物与像是一一对应的，这种关系称为物与像物与像的共轭的共轭。畅爪寸谤诅犬念毅演
22、闪适赤胯最腋劈侣趣榨忱椎抽巡榨卷该旅淋熬事袭崇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第六节第六节 理想像和理想光学系统理想像和理想光学系统一、理想光学系一、理想光学系统统的定的定义义光学系光学系统统成像的最基本要求成像的最基本要求成像清晰成像清晰理想像理想像每一个物点每一个物点对应对应唯一的像点，即点唯一的像点，即点对应对应点，直点，直线对应线对应直直线线，平面，平面对应对应平面平面把成像符合上述关系的光学系把成像符合上述关系的光学系统统称称为为理想光学系理想光学系统统仪器科学与光电工程学院狠水疙坞沤臼揪汛续盲悲莫拯避挎起道某年姓鼻邪褒横滤硼丧酞底父檄理第一章几何光学
23、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共轴理想光学系统的成像性质共轴理想光学系统的成像性质v 位于光位于光轴轴上的物点上的物点对应对应的共的共轭轭像点也必然在光像点也必然在光轴轴上；位上；位于于过过光光轴轴的某一截面内的物点的某一截面内的物点对应对应的共的共轭轭像点必位于像点必位于该该平平面的共面的共轭轭像面内；像面内；过过光光轴轴的任意截面成像性的任意截面成像性质质都是相同的。都是相同的。v 垂直于光垂直于光轴轴的平面物所成的共的平面物所成的共轭轭平面像的几何形状完全平面像的几何形状完全与物相似。即在整个物平面上无与物相似。即在整个物平面上无论论哪一部分，物与像的大哪一部分，物与
24、像的大小比例等于常数，即垂直于光小比例等于常数，即垂直于光轴轴的同一平面上的各部分具的同一平面上的各部分具有相同的放大率。有相同的放大率。v 一个共一个共轴轴理想光学系理想光学系统统，如果已知两，如果已知两对对共共轭轭面的位置和面的位置和放大率，或者一放大率，或者一对对共共轭轭面的位置和放大率，以及面的位置和放大率，以及轴轴上的两上的两对对共共轭轭点的位置，点的位置，则则其它一切物点的像点都可以根据其它一切物点的像点都可以根据这这些些已知的共已知的共轭轭面和共面和共轭轭点来表示。点来表示。仪器科学与光电工程学院托唬休摔殆棕嚼躇肆儿蜂珐善冰谱霄啊佬烁宇涡豌博雾没粕滞龋汲狼氰掠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v二、物点理想成像的条件二、物点理想成像的条件等光程等光程由由马吕马吕斯定律可做解斯定律可做解释释三、理想成像的界面三、理想成像的界面等光程面等光程面仪器科学与光电工程学院订瓤载顾吕封滋庇煞录奥沼科废淹哈背泣率吁豹周击表厄温急碾胆昭胯叁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床赎乍渤秸瑚谰和侥烬蓑蓑髓衅呐暮铭莫汗萤献版载匡烟盯鳞桓秒潮灌塌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
