应用光学-第一章.ppt

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1、第一章第一章 几何光学基本原理几何光学基本原理在工农业，科学技术以及人类生活的各个领在工农业，科学技术以及人类生活的各个领域，使用着种类繁多的的光学仪器，如望远域，使用着种类繁多的的光学仪器，如望远镜，显微镜，投影仪等。镜，显微镜，投影仪等。光学系统：千差万别光学系统：千差万别但是其基本功能是共同的：传输光能或对所但是其基本功能是共同的：传输光能或对所研究的目标成像。研究的目标成像。研究光的传播和光学成像的规律对研究光的传播和光学成像的规律对于设计光学仪器具有本质的意义！于设计光学仪器具有本质的意义！1-1 光波和光线光波和光线从本质上讲，光是电磁波，按照波动理论进从本质上讲，光是电磁波，按照

2、波动理论进行传播。行传播。但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系统是的传播规律或成像问题时将会造成计算统是的传播规律或成像问题时将会造成计算和处理上的很大困难，在实际解决问题时也和处理上的很大困难，在实际解决问题时也不方便。不方便。好累！太不方便了！按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光抽象成一条条射线，然后来研究光学系统光抽象成一条条射线，然后来研究光学系统成像。成像。问题变得简单问题变得简单而且实用！而且实用！几何光学：几何光学：以光

3、线为基础，用几何的以光线为基础，用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。光学系统的成像特性。点：光源、焦点、物点、像点点：光源、焦点、物点、像点线：光线、法线、光轴线：光线、法线、光轴面：物面、像面、反射面、折射面面：物面、像面、反射面、折射面由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子性的研究方法只是一种对真实情况的近似性的研究方法只是一种对真实情况的近似处理方法。必要时要辅以波动光学理论。处理方法。必要时要辅以波动光学理论。几何上的点：既无大小，又无体积。几何上的点：既无大小，又无体积。当光源的大小与其作用距离

4、相比可以忽略不计时，当光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也可认为是一个点。也可认为是一个点。天体遥远的距离观察者一一.发光点发光点 任何被成像的物体，也是由无数个发任何被成像的物体，也是由无数个发光点组成。光点组成。1.本身发光。本身发光。2.反射光。反射光。因此研究物体成像时，可以用某些特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成像。征点的成像规律来推断整个物体的成像。二、光线二、光线发光点向四周辐射光能量，在几何光学发光点向四周辐射光能量，在几何光学中将发光点发出的光抽象为带有能量的中将发光点发出的光抽象为带有能量的射线，它代表光的传播方向。射线，它代表光的传

5、播方向。三、光束三、光束 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光向四周传播，形成以发光点为球心的球面波。向四周传播，形成以发光点为球心的球面波。某一时刻相位相同的点构成的面称为某一时刻相位相同的点构成的面称为波面波面 波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方向，波面上的法线束称为向，波面上的法线束称为光束光束同心光束：同心光束：发自一点或会聚于一点，为发自一点或会聚于一点，为球面波球面波平行光束：平行光束：光线彼此平行，是平面波光线彼此平行，是平面波像散光束：像散光束：光线既不平行，又不相交，波光线既不平行，又不

6、相交，波面为曲面。面为曲面。在几何光学中研究成像时，主要要搞清光在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元件中的传播途径，这个途径称线在光学元件中的传播途径，这个途径称为为光路。光路。一个光源发出的光线有无数条，不可能求一个光源发出的光线有无数条，不可能求出每一条光线的光路。出每一条光线的光路。实际做法：从光束中取出一个适当的截面，实际做法：从光束中取出一个适当的截面，再求出其上几条光线的光路，即可解决成再求出其上几条光线的光路，即可解决成像问题。这种截面称为像问题。这种截面称为光束截面。光束截面。1-2 几何光学基本定律几何光学基本定律一、光的直线传播定律一、光的直线传播定律 在在各向同

7、性的均匀透明介质各向同性的均匀透明介质中，光线沿中，光线沿直线传播。直线传播。二、光的独立传播定律二、光的独立传播定律 不同的光源发出的光线在空间某点相遇不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，时，彼此互不影响彼此互不影响。在光线的相会点上，。在光线的相会点上，光的强度是各光束的简单叠加，离开交会光的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后，各个光束点后，各个光束按原方向传播按原方向传播。三、折射和反射定律三、折射和反射定律 光的折射和反射定律研究光传播到两种光的折射和反射定律研究光传播到两种均匀均匀介质的分界面介质的分界面时的定律。时的定律。nanbANOiBi”iAA:入射光线B:出射光线A:折

8、射光线ON:法线i:入射角i:折射角i”:反射角（一）折射定律（一）折射定律（1）折射光线位于由入射）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线内，折射光线和入射光线分居法线两侧。分居法线两侧。（2）入射角的正弦和折射角）入射角的正弦和折射角的正弦之比与两角度的大小的正弦之比与两角度的大小无关，仅决定于介质的性质，无关，仅决定于介质的性质，为一恒量为一恒量nab即nab:介质介质 b 对介质对介质 a 的相对折射率的相对折射率，如果，如果 a 为为真空，则介质真空，则介质 b 对真空的折射率也称为绝对真空的折射率也称为绝对折射率，用对折射率，用 表示表

9、示nbnanbA法线OiiA也可表述为：也可表述为：C：真空中光速，：真空中光速，：介质：介质 b 中光速中光速vb两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示对上式变换：对上式变换：两种介质的相对折射率等于两介质的绝对两种介质的相对折射率等于两介质的绝对折射率之比。折射率之比。将上式代入将上式代入 并设并设有：真空折射率为真空折射率为1，在标准压力下，在标准压力下，20摄氏度时空摄氏度时空气折射率为气折射率为1.00028，通常认为空气的折射率也为通常认为空气的折射率也为通常认为空气的折射率也为通常认为空气的折射率也为1 1，把其他介质相对

10、，把其他介质相对，把其他介质相对，把其他介质相对于空气的折射率作为该介质的绝对折射率。于空气的折射率作为该介质的绝对折射率。于空气的折射率作为该介质的绝对折射率。于空气的折射率作为该介质的绝对折射率。提示：提示：在设计高精度的太空中的光学仪器时，在设计高精度的太空中的光学仪器时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。就必须考虑空气和真空折射率的不同。（二）反射定律（二）反射定律（1）反射光线在由入射光线和法线所决定的平）反射光线在由入射光线和法线所决定的平面内面内（2）入射角）入射角 i和反射角和反射角i的绝对值相同，可表示为的绝对值相同，可表示为nANBOi”i符号相反说明入射光线和反射光线分居

11、法线两侧。符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。1-3 费马原理费马原理从光程光程的观点来描述光的传播规律。光程：光在介质中传播的几何路程光程：光在介质中传播的几何路程 l 与该与该介质折射率介质折射率 n 的乘积的乘积 s。即：光在介质中的光程等于同一时间内光在真光在介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程空中所走过的几何路程 s。费马原理的表述：光是沿着光程为极值（极费马原理的表述：光是沿着光程为极值（极大，极小，或常量）的路径传播的大，极小，或常量）的路径传播的。该原理又称为极端光程定律。设光在非均匀介质中传播，所走的路径不是直线。ABndl由A到B的总光程为：根据费马

12、原理，s 取极值条件为：这就是费马原理的数学表达式费马原理是描述光线传播规律的最基本定律，前述光的直线传播、反射和折射定律均可费马原理导出全反射现象全反射现象一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将同时一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将同时发生反射和折射现象。发生反射和折射现象。当光由当光由光密介质射向光疏介质光密介质射向光疏介质时时,nn可知可知即折射光线较入即折射光线较入射光线偏离法线射光线偏离法线ANOiiAnn由公式由公式1-4 光路可逆和全反射光路可逆和全反射 不可能大于不可能大于1，此时入射光线将不能射入，此时入射光线将不能射入另一介质。另一介质。当当 I 增大到一定程度时增

13、大到一定程度时按照反射定律，入射光线在介面上全部被反按照反射定律，入射光线在介面上全部被反射回原介质。射回原介质。对应于对应于 的入射角的入射角 被称为被称为临界角临界角记为记为,可知可知nANBOin全反射的两个条件：全反射的两个条件：（1）光密到光疏介质；）光密到光疏介质；（2）入射角大于临界角；）入射角大于临界角；全反射的应用：全反射的应用：（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代替平面反射镜。替平面反射镜。（2）制造光导纤维。）制造光导纤维。光导纤维号称现代信息系统的神经由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包由内层折射率较高的纤芯和外层折射率

14、较低的包层组成。层组成。进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上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。连续发生全发射，直至另一端出射。SBA当当大于临界角时，就发生全发射。大于临界角时，就发生全发射。根据折射定律，又有：根据折射定律，又有：SBA可以得到：可以得到：当入射角当入射角时，可以全反射传送，时，可以全反射传送，当当时，光线将会透过内壁进入包层时，光线将会透过内壁进入包层定义定义 为光纤的为光纤的数值孔径数值孔径 越大，可以进入光纤的光能就越多，也就越大，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。是光纤能够传送的光能越多。这意味着光信号越容易耦合

15、入光纤。这意味着光信号越容易耦合入光纤。光的直线传播定律、独立传播定律、折射和光的直线传播定律、独立传播定律、折射和反射定律是几何光学的基本定律，是研究光反射定律是几何光学的基本定律，是研究光线传播和成像问题的基础。线传播和成像问题的基础。从上述定律可以得到光线传播的一个重从上述定律可以得到光线传播的一个重要原理要原理光路的可逆性原理光路的可逆性原理。利用这一原。利用这一原理，可以由物求像，也可以由像求物。理，可以由物求像，也可以由像求物。第一章总结第一章总结（1）应用（几何）光学的概念：用几何学）应用（几何）光学的概念：用几何学中的点、线、面的概念来研究光学问题。中的点、线、面的概念来研究光学问题。（2）光线具有方向性。）光线具有方向性。（3）什么是同心光束、平行光束和发散光）什么是同心光束、平行光束和发散光束。束。（4）几何光学三大定律：）几何光学三大定律：直线传播定律直线传播定律 独立传播定律独立传播定律 折、反射定律折、反射定律特别记住特别记住：（空气折射率为1）（6）全发射发生条件：）全发射发生条件：1.光密到光疏。光密到光疏。2.入射角大于临界角。入射角大于临界角。临界角：临界角：光密光疏（5）费马原理）费马原理（7）光纤数值孔径：）光纤数值孔径：其中外面介质芯层包层入射角