第2讲几何光学和眼睛 (2)PPT讲稿.ppt

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1、第第2讲几何光学和眼几何光学和眼睛睛(2)第1页，共59页，编辑于2022年，星期一Ray Optics BasicsPostulates(基本假设基本假设)of Ray OpticsLight travels in form of raysAn optical medium is characterized by the refractive index ntime it takes light to travel distance d:d/c=nd/cvacoptical path:ndAn inhomogeneous optical medium:n(r)r=(x,y,z)time ta

2、ken by the light to travel from A to B is proportional to optical path length Fermats Principle:optical rays travel between two points A,B on the path where the optical path length is an extremumin most cases a minimumlight travels the path of shortest timehomogeneous medium:light travels on straigh

3、t lines第2页，共59页，编辑于2022年，星期一Optical path length and time delay 光程与时差光程与时差QP的传播时间：QPMN介质中光速用真空光速和折射率代替：光程的另一角度认识 光经历Q和P两点的光程等于传播时间乘以真空光速。第3页，共59页，编辑于2022年，星期一Optical path descriptionSuppose we have known Snells law already,in a stepped index stack,we haveNotice thatorWe derive第4页，共59页，编辑于2022年，星期一Opt

4、ical path equationThe second derivative will be:From the equation,we may derive the optical path trace其中利用了path equation第5页，共59页，编辑于2022年，星期一Example:gradient index fiberFor the index of a fiber as(in radial direction 径向)In the case of Substituting in to the path equation,we haveVery much like a harm

5、onic oscillator equation!Then the trace will be like a wave as a function of x!第6页，共59页，编辑于2022年，星期一Solution Oscillation periodncnfSolutionDependent on the angleFor small incident angle Oscillationperiod is approximated as 第7页，共59页，编辑于2022年，星期一Gradient indexNatural index gradientIndex above the sea

6、The higher is the aptitudes,the smaller the index isHowever in the continent,if the surface temperature is very high,the index distribution may be inversedThe higher the index is larger!第8页，共59页，编辑于2022年，星期一Mirage 海市蜃楼海市蜃楼海市蜃楼海市蜃楼第9页，共59页，编辑于2022年，星期一Gradient indexArtificial gradient indexGradient i

7、ndex fiberIntense laser resulted index gradientSelf-focusing,Self-defocusingThermal lensing第10页，共59页，编辑于2022年，星期一Geometric optics of rainbow第11页，共59页，编辑于2022年，星期一Geometric optics of rainbow第12页，共59页，编辑于2022年，星期一费马原理费马原理 Fermat principle*原理表述*数学表达*导出反射定律、折射定律*费马原理与成像*费马原理的评述 光程的概念对几何光学的重要意义体现在费马原理中。几

8、何光学的基础是前面所提到三个实验定律，费马却用光程的概念高度概括地把它们归结成一个统一的原理。第13页，共59页，编辑于2022年，星期一 17世纪的一位法国数学家，提出了一个数学难题，使得后来的数学家一筹莫展，这个人就是费马(16011665)。这道题是这样的：当n2时，xn+yn=zn没有正整数解。在数学上这称为“费马大定理”。为了获得它的一个肯定的或者否定的证明，历史上几次悬赏征求答案，一代又一代最优秀的数学家都曾研究过，但是300多年过去了，至今既未获得最终证明，也未被推翻。即使用现代的电子计算机也只能证明：当n小于等于4100万时，费马大定理是正确的。由于当时费马声称他已解决了这个问

9、题，但是他没有公布结果，于是留下数学难题中少有的千古之谜。费马生于法国南部，在大学里学的是法律，以后以律师为职业，并被推举为议员。费马的业余时间全用来读书，哲学、文学、历史、法律样样都读。30岁时迷恋上数学，直到他64岁病逝，一生中有许多伟大的发现。不过，他极少公开发表论文、著作，主要通过与友人通信透露他的思想。在他死后，由儿子通过整理他的笔记和批注挖掘他的思想。好在费马有个“不动笔墨不读书”的习惯，凡是他读过的书，都有他的圈圈点点，勾勾画画，页边还有他的评论。他利用公务之余钻研数学，并且成果累累。后世数学家从他的诸多猜想和大胆创造中受益非浅，赞誉他为“业余数学家之王”。费马对数学的贡献包括：

10、与笛卡尔共同创立了解析几何；创造了作曲线切线的方法，被微积分发明人之一牛顿奉为微积分的思想先驱；通过提出有价值的猜想，指明了关于整数的理论数论的发展方向。他还研究了掷骰子赌博的输赢规律，从而成为古典概率论的奠基人之一。第14页，共59页，编辑于2022年，星期一QPDescription 表述：平稳值的三种基本的含义：极小值常见情况，常数成像系统的物像关系极大值个别现象光线沿光程为平稳值光线沿光程为平稳值(stationary)的路径而传播的路径而传播(书上书上)。Optical rays travel between two points A,B on the path where the

11、optical path length is an extremum,in most cases a minimumlight travels the path of shortest time（英语表达）英语表达）SSAny difference?第15页，共59页，编辑于2022年，星期一费马原理的数学表达式 mathematical expression路径积分 integration of optical path length：是路径（l）的函数，平稳值要求变分为零路径（l）的值就有极大、极小和常数这三种情况。极大：？极小：折射反射定律常数：成像第16页，共59页，编辑于2022年，

12、星期一变分值为极大和常数情况 maximum or constantABD(切点)DADB ADBBut ADB violent the reflection lawLight takes the longest path!极大:常数:第17页，共59页，编辑于2022年，星期一费马原理与三个实验定律费马原理与三个实验定律:experiment verification1、光在均匀介质中直线传播(直线距离最短)2、反射定律（反射角入射角）3、折射定律（life-guard problem）QQMMP要点：反射光线在入射面，反射角等于入射角，光程最短。M”第18页，共59页，编辑于2022年，星

13、期一(1)救生员应该在最短的时间内到达被救者(2)在海滩上和在海水里奔跑速度不一样，因此要选择最佳入水地点(3)计算路径（时间）并变分为零，得到折射定律！3、折射定律 Life guard problem 救生员问题救生员问题第19页，共59页，编辑于2022年，星期一(1)折射光线在入射面内，方法和反射定律推导一样。(2)入射角和折射角的关系；QMP的光程：根据费马原理，L对x的一阶导数为零；3、费马原理推导折射定律（contd)第20页，共59页，编辑于2022年，星期一费马原理推导折射定律（contd)导出折射定律：因为：第21页，共59页，编辑于2022年，星期一费马原理与成像费马原理

14、与成像第22页，共59页，编辑于2022年，星期一等光程与成像等光程与成像：其中：严格等光程 严格成像，近似等光程 近似成像，非等光程 不成像，第23页，共59页，编辑于2022年，星期一费马原理应用例题-导出单球面折射傍轴成像公式等光程：傍轴条件：单球面，界面两单球面，界面两边折射率不同边折射率不同不是半径第24页，共59页，编辑于2022年，星期一代入等光程：值得指出的两点：1、单球面傍轴成像公式的获得没有使用折射定律，结果和利用折射定律所得结果一致。2、傍轴条件：0,the lens deflects rays toward the axis.f 0If f 0,the lens def

15、lects rays away from the axis.f 0R2 0R1 0第43页，共59页，编辑于2022年，星期一A lens focuses parallel rays to a point one focal length away.ffAt the focal plane,all rays converge to the z axis(xout=0)independent of input position.Parallel rays at a different angle focus at a different xout.A lens followed by propa

16、gation by one focal length:Assume all input rays have qin=0For all rays xout=0!第44页，共59页，编辑于2022年，星期一Types of lenses 典型透镜典型透镜Lens nomenclature 透镜术语Which type of lens to use(and how to orient it)depends on the aberrations and application.双凸透镜平凸透镜凹凸透镜双凹透镜平凹透镜半月型透镜第45页，共59页，编辑于2022年，星期一Ray matrix for a

17、 curved Mirror 反射镜矩阵反射镜矩阵Like a lens,a curved mirror will focus a beam.Its focal length is R/2.Note that a flat mirror has R=and hence an identity ray matrix.Consider a mirror with radius of curvature,R,with its optic axis perpendicular to the mirror:qinqoutxin=xoutq1qsRzq1第46页，共59页，编辑于2022年，星期一Misc

18、ellaneous matrices 矩阵元总结矩阵元总结空间传播矩阵空间传播矩阵透镜变换矩阵透镜变换矩阵反射镜镜变换矩阵反射镜镜变换矩阵曲面变换矩阵曲面变换矩阵平面界面变换矩阵平面界面变换矩阵第47页，共59页，编辑于2022年，星期一Consecutive lenses透镜组合透镜组合f1f2Suppose we have two lenses right next to each other(with no space in between).So two consecutive lenses act as one whose focal length is computed by th

19、e“resistive sum.”（类似电阻并联定律）As a result,we define a measure of inverse lens focal length,the diopter(屈光度）or the power 1 diopter=1 m-1If第48页，共59页，编辑于2022年，星期一A system images an object when B=0.成像条件：矩阵元成像条件：矩阵元 B=0When B=0,all rays from a point xin arrive at a point xout,independent of angle.xout=A xin

20、When B=0,A is the magnification.与入射角无关第49页，共59页，编辑于2022年，星期一The Lens Law透镜成像定律透镜成像定律From the object to the image,we have:1)A distance do2)A lens of focal length f3)A distance di1/M根据成像条件，令B0像距物距透镜第50页，共59页，编辑于2022年，星期一The Lens Law(contd)透镜成像定律透镜成像定律where第51页，共59页，编辑于2022年，星期一More on matrix optics:th

21、ick lens and principle planePrimary principle plane 第一主平面Secondary principle plane 第二主平面V1H1V2H2d2n1n2n2第52页，共59页，编辑于2022年，星期一例题：例题：用矩阵法求解直径27mm,折射率1.54的玻璃球的焦距和主平面位置已知：n1=n3=1,n2=1.54,r1=13.5,r2=-13.5,d2=27利用：n2第53页，共59页，编辑于2022年，星期一Homework 0909241.Wandas world Your goldfish Wanda lives in a sphere

22、 of water(refractive index n=1.3,radius R=-20cm).At one instance,Wanda has wandered to the center of here water world(see Fig.1 below).Model Wanda as a stick perpendicular to the optical axis and the water sphere as a thick lens.You may ignore the effect of the glass container of Wandas worlda)Where

23、 is Wandas image formed?b)Is the image real or virtual?c)Is the image erect or inverted?d)What is the magnification?RwaterairWandaFig.1第54页，共59页，编辑于2022年，星期一Homework 090924(Contd)2.A parallel ray bundle of width a1 is incident from the left on a two-lens system composed of two lenses L1(focal length

24、 f1)and L2(focal length f2)as shown in Figure 2.What should the separation between the two lenses be in order for a parallel ray bundle to emerge from the system?What is the width of this outgoing ray bundle?L1L2f2f1Fig.2a1？第55页，共59页，编辑于2022年，星期一Homework 090924(Contd)3.Work out the system matrix for

25、 the composite element shown in Figure 3 and use it to answer the following questions.a)What is the optical power of this composite element?b)If a plane wave is incident from the left,where will it focus?c)This system is used to image an object at infinity.Is the image real or virtual?Fig.3第56页，共59页

26、，编辑于2022年，星期一Homework 090924(Contd)4.A thin bi-convex lens of index 1.5 is know to have focal length of 50cm in air when immersed in a transparent liquid medium,the focal length is measured to be 250cm.What is the refractive index n of the liquid?5.Youd like to look through a lens at your pet Kitter

27、 and see it standing right side up shrunk to 1/3 its normal height.If the absolute value of the focal length is f,determine what kind of lens is needed(i.e.positive or negative)as well as the object and image distances in term of f.第57页，共59页，编辑于2022年，星期一Mirror curvatures matter in lasers.Laser Cavit

28、ies 激光谐振腔激光谐振腔Two flat mirrors,the“flat-flat”laser cavity,is difficult to align and maintain aligned.Two concave curved mirrors,the“stable”laser cavity,is easy to align and maintain aligned.Two convex mirrors,the“unstable”laser cavity,is impossible to align!第58页，共59页，编辑于2022年，星期一An unstable cavity(o

29、r“resonator”)can work if you do it properly!In fact,it produces a large beam,useful for high-power lasers,which must have large beams.Unstable Resonators 非稳定谐振腔非稳定谐振腔The mirror curvatures determine the beam size,which,for a stable resonator,is small(100 mm to 1 mm).An unstable resonator can have a very large beam.But the gain must be high.And the beam has a hole in it.第59页，共59页，编辑于2022年，星期一