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第第1章光学基础章光学基础本讲稿第一页，共二十八页课程要求课程要求l课前预习，课后复习l平时作业：30%l期末考试：70%本讲稿第二页，共二十八页光学发展史光学发展史l萌芽时期萌芽时期春秋战国 墨经 光的直线传播、镜面反射希腊欧几里德光学 平面镜成像l几何光学时期几何光学时期建立光的反射定律和折射定律光学仪器1610伽利略望远镜1611开普勒折光学开普勒天文望远镜rrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr笛卡尔折射定律（正弦形式）ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss费马费马原理本讲稿第三页，共二十八页光学发展史光学发展史l波动光学时期波动光学时期微粒说：直线传播、反射和折射定律波动说：折射、反射和双折射电磁理论：光是一种电磁波l量子光学时期量子光学时期光子说光的性质l现代光学时期现代光学时期1948.传递函数建立1955.光全息1960.激光的诞生本讲稿第四页，共二十八页应用光学研究内容、对象应用光学研究内容、对象l应用光学应用光学：利用光的直线传播概念，研究光在 光学仪器中的传播和成像特性。几何光学的基本定律和成像概念l几何光学几何光学 理想光学系统、平面及平面系统 光学系统的光束限制、光度学l像差理论像差理论：影响光学系统成像质量的七大几何像差 单色像差单色像差：球差、彗差、像散、场曲、畸变 色色 差差：位置色差、倍率色差l理想光学系统理想光学系统：望远系统、显微系统、照相系统、摄影系统、放映系统、眼睛。本讲稿第五页，共二十八页第第1章章 几何光学的基本定律几何光学的基本定律与成像概念与成像概念主要内容：主要内容：几何光学的基本概念 几何光学的基本定律及可逆性原理 费马原理 成像的概念重点：重点：可逆性原理、费马原理和成像概念难点：难点：可逆性原理、物像之间的等光程性本讲稿第六页，共二十八页1.1 几何光学的基本概念几何光学的基本概念1.1.光波光波：是一种电磁波，其振动方向和光的传播方向垂直，是横波。2.绝对折射率绝对折射率：3.光源光源：辐射光能的物体(本身发光或被照明后发光)。点光源点光源：光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，光源称为点光源。l在几何光学里，发光点被抽象为一个既无体积又无大小的几何点，但能辐射能量。光波与电磁波关系？实际光源总有一定大小并携带能量。本讲稿第七页，共二十八页1.1 几何光学的基本概念几何光学的基本概念4.光线光线：波面的法线。在几何光学里，光线光线被抽象为既无体积又无直径的几何线，几何线的方向代表光线的方向，即光能的传播方向。5.波面：波面：光波是电磁波，光源可看作波源，在某一瞬时，其振动位相相同的各点所构成的曲面。6.光束光束：与波面对应的法线束，包括同心光束、平行光束和像散光束。实际光线是不存在的？！本讲稿第八页，共二十八页1.1 几何光学的基本概念几何光学的基本概念l光束与波面的对应关系光束与波面的对应关系平行光束平面波同心光束球面波发散光束会聚光束 发光点 理想光学系统 点 同心光束理想光学系统同心光束 发光点 实际光学系统 斑 同心光束实际光学系统非同心光束本讲稿第九页，共二十八页1.2 几何光学基本定律及可逆性原理几何光学基本定律及可逆性原理一、几何光学三大定律一、几何光学三大定律1.光的直线传播定律光的直线传播定律：在各向同性的均匀透明介质中，光总是沿着直线传播。成立条件成立条件：各向同性均匀透明介质中，行进过程中无小孔、狭缝等忽略衍射。太阳月亮地球不均匀介质？本讲稿第十页，共二十八页1.1 几何光学的基本概念几何光学的基本概念2.独立传播定律独立传播定律：从不同发光体发出的相互独立的光线，以不同路径传播在空间某点相遇时，彼此互不影响，独立传播。相遇处的光强简单相加，总是增强总是增强。成立条件成立条件：此定律只对非相干光非相干光准确成立忽略关涉现象。屏上被两发光点同时照亮区域的照度等于两光光点产生的照度之和。干 涉：非干涉：本讲稿第十一页，共二十八页1.2 几何光学基本定律及可逆性原理几何光学基本定律及可逆性原理3.3.光的折射和反射定律光的折射和反射定律l反射定律：反射定律：l入射光线、反射光线和投射点法线三者共面l入射光线和反射光线位于法线两侧,且有l：光滑分界面n1n2粗糙表面？本讲稿第十二页，共二十八页1.2 几何光学基本定律及可逆性原理几何光学基本定律及可逆性原理u折射定律：折射定律：入射光线、折射光线和投射点法线三者共面折射角正弦和入射角正弦之比在一定温度和压力下对一定波长的光线而言是一常量，等于两介质折射率之比。其中l相对折射率：与空气比较的折射率。l注：反射定律是折射定律的一种特例。本讲稿第十三页，共二十八页1.2 几何光学基本定律及可逆性原理几何光学基本定律及可逆性原理二二 、全反射、全反射l临界角：临界角：光从光密介质入射到光疏介质时，折射角等于90度时对应的入射角。l全反射：全反射：光从光密介质进入光疏介质时，如果 两种介质分界面把光能光能全部返回第一种介质中去，这种现象称为全反射。u全反射条件全反射条件：本讲稿第十四页，共二十八页1.2 几何光学基本定律及可逆性原理几何光学基本定律及可逆性原理全反射应用全反射棱镜光导纤维（简称：光纤）用于传光和传像用于传光和传像用于改变光路方向用于改变光路方向本讲稿第十五页，共二十八页1.2 几何光学基本定律及可逆性原理几何光学基本定律及可逆性原理三、光路可逆性原理三、光路可逆性原理l光沿原路返回。l注：注：对于反射和折射现象，无论均匀介质还是非均匀介质，简单光学系统还是复杂光学系统，光的可逆性均成立。反射一定存在l入射光入射光 折射特定条件下可能没有（全反射）n1n2本讲稿第十六页，共二十八页1.3 费马原理费马原理l费马原理是从光程的观点描述光传播的规律，费马原理是从光程的观点描述光传播的规律，是几何光学最基本的定律。是几何光学最基本的定律。一、光程：一、光程：光在介质中经过的几何路程与光在该介质中的折射率的乘积。1.1.均匀介质中：均匀介质中：l注：光在某种介质中的光程等于它在相同时间内在真空中所走过的路程。2.2.非均匀介质：非均匀介质：本讲稿第十七页，共二十八页1.3 费马原理费马原理二、费马原理：二、费马原理：光线从空间一点传播到另一点的实际路径是沿着光程为极值（极大、极小、常量）的路径传播的。三、用费马原理理解光的三大几何定律三、用费马原理理解光的三大几何定律l均匀介质均匀介质l两点间以直线最短直线传播。l反射l折射本讲稿第十八页，共二十八页1.4 成像的概念成像的概念一、物和像的基本概念一、物和像的基本概念l光轴：光轴：光学零件曲率中心的连线。对于一个球面，光轴是通过球心的直线 对于一个透镜，光轴是两个球心的连线l顶点：顶点：光轴与球面的交点l共轴光学系统共轴光学系统：所有的球心都在一条直线上l非共轴光学系统非共轴光学系统：所有的球心不全在一条直线上本讲稿第十九页，共二十八页1.4 成像的概念成像的概念l物点：物点：实物点和虚物点。l像点：像点：实像点和虚像点。l物空间和像空间：物空间和像空间：进入光学系统的实际光束所在的空间为物空间；从光学系统出射的实际光束所在的空间。l物象方介质折射率：物象方介质折射率：入射光线和出射光线所在介质折射率。本讲稿第二十页，共二十八页1.4 成像的概念成像的概念二、物像之间的等光程性l完善像点：完善像点：点物成点像，即：发散或会聚光束经光学系统后变成另一束发散或会聚光束。l完善成像条件完善成像条件：物点光学系统像点 同心光束光学系统同心光束 球面波光学系统球面波完善成像条完善成像条件：等光程件：等光程本讲稿第二十一页，共二十八页1.4 成像的概念成像的概念l物像之间的物像之间的等光程性等光程性：费马原理可知，光线沿着光程为极值的路径传播，则物点发出的所有光线均沿着光程为极值极值的路径传播，则所有光线光程相等。本讲稿第二十二页，共二十八页1.4 成像的概念成像的概念三、等光程面：根据物像之间的等光程性等光程面：一个曲面能对给定物点成像到指定点。等光程面：一个曲面能对给定物点成像到指定点。1.1.反射等光程面：反射等光程面：l有限远物有限远像：旋转椭球面。构成反射式望远物镜的格里高里系统中的副反射镜！本讲稿第二十三页，共二十八页1.4 成像的概念成像的概念无限远物有限远像：旋转抛物面。最早的反射式天文望远物镜就是单个抛物面做成的，称为牛顿系统。本讲稿第二十四页，共二十八页1.4 成像的概念成像的概念有限远实（虚）物有限远实（虚）物有限远虚（实）像有限远虚（实）像：旋转双曲面当双曲面变为一个平面时，就是平面反射镜成像。本讲稿第二十五页，共二十八页1.4 成像的概念成像的概念2.2.折射等光程面：折射等光程面：l有限远物成有限远像：有限远物成有限远像：等光程面是一个卵形面。等光程面是一个四次方的曲线方程，为卵形面，对x轴旋转对称。l做成透镜，增加一个球心在做成透镜，增加一个球心在A A点，半径为点，半径为O OA A的球的球面，面，O OA A的大小决定透镜的厚度和口径大小。的大小决定透镜的厚度和口径大小。本讲稿第二十六页，共二十八页1.4 成像的概念成像的概念有限远物成像到无限远：l像点在无限远，出射的是平面波。旋转双曲面旋转椭球面本讲稿第二十七页，共二十八页第1章作业1.已知光在真空中的传播速度为 ，求光在以下各介质中的速度：水（n=1.333）；冕玻 璃（n=1.51）；重火石玻璃（n=1.65）；加拿大树胶（n=1.526）。2.一个玻璃球，折射率为1.73，入射光线的入射角为60度，求反射光线和折射光线的方向，并求折射光线和反射光线间的夹角。3.一个玻璃平板厚200mm，其下放一个直径为1mm的金属片，在平板上放一个圆纸片与平板下金属片同心，则在平板上任何方向观看金属片全被纸片挡住，设平板玻璃的折射率n=1.5，问纸片的最小直径应为多少？本讲稿第二十八页，共二十八页