光学几何光学.pptx
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1、 本本 章章 内内 容容l光线的概念光线的概念 几何光学的基本定律几何光学的基本定律l费马原理费马原理l光束光束 实象和虚像实象和虚像l平面反射和折射,棱镜的最小偏向角,光学纤维平面反射和折射,棱镜的最小偏向角,光学纤维l光在球面界面上的反射和折射、符号法则光在球面界面上的反射和折射、符号法则l近轴物点近轴光线成像的条件近轴物点近轴光线成像的条件l薄透镜薄透镜l理想光具组的基点和基面理想光具组的基点和基面第1页/共88页一、光的波动性与光的直线传播一、光的波动性与光的直线传播1 1、光在传播过程中波动性显著,体现为波、光在传播过程中波动性显著,体现为波2 2、光的传播满足惠更斯原理(波面)、光
2、的传播满足惠更斯原理(波面)即:波所到的每一点都可以看作发射次级即:波所到的每一点都可以看作发射次级子波的波源,新的波阵面就是前一时刻波面上子波的波源,新的波阵面就是前一时刻波面上各点作为次级子波源发光的各波阵面的包迹各点作为次级子波源发光的各波阵面的包迹(切面)。(切面)。这也是一切波传播所遵循的规律这也是一切波传播所遵循的规律光线的概念、几何光学的基本定律光线的概念、几何光学的基本定律第2页/共88页3、光的波动性与光的直线传播、光的波动性与光的直线传播结论:结论:波面线度远大于波长,即障碍物的几波面线度远大于波长,即障碍物的几何尺寸何尺寸 ,可认为光是直线传播。,可认为光是直线传播。第3
3、页/共88页二、光线的概念二、光线的概念 代表光(能量)传播方向假想的线。代表光(能量)传播方向假想的线。用光线代表光的传播方向研究光成像规律的光学内容叫几何光学。用光线代表光的传播方向研究光成像规律的光学内容叫几何光学。1 1、光线:、光线:2 2、几何光学:、几何光学:考虑的光波面线度远大于波长,即障碍考虑的光波面线度远大于波长,即障碍物的几何尺寸物的几何尺寸 ,此既,此既几何光学适用条件几何光学适用条件。3 3、几何光学适用条件、几何光学适用条件第4页/共88页三、几何光学的基本实验定律三、几何光学的基本实验定律 1 1、光在均匀介质中的直线传播定律;、光在均匀介质中的直线传播定律;2
4、2、光通过两种介质分界面时的反射定、光通过两种介质分界面时的反射定律和折射定律;律和折射定律;3 3、光的、光的独立传播独立传播定律和定律和光路可逆光路可逆原理。原理。第5页/共88页实例分析:实例分析:分波面干涉分波面干涉 分振幅干涉分振幅干涉 PS*问题:问题:为什么上左装置用光的波动分析,为什么上左装置用光的波动分析,右装置用光的直线传播分析?右装置用光的直线传播分析?P1 P2第6页/共88页透镜透镜 f缝平面缝平面b 观测屏观测屏单逢衍射装置与光路单逢衍射装置与光路 b b:几千纳米:几千纳米第7页/共88页光光栅栅平平面面玻玻璃璃坯坯光栅平面法线光栅平面法线金金属属层层槽法线槽法线
5、透镜透镜观测屏观测屏闪耀光栅装置与光路示意图闪耀光栅装置与光路示意图 角可为任意角角可为任意角 第8页/共88页四个物理常量与四个物理常量与光学光学内容分类内容分类 plank constant(普朗克常数)(普朗克常数)联系光的波动性与量子性联系光的波动性与量子性 光速光速 联系光与电磁波联系光与电磁波 光波长光波长 是否趋近于零是否趋近于零 区分几何光学与波动光学区分几何光学与波动光学 介质的电极化率介质的电极化率 其对光场响应是线性与非线性区分线性其对光场响应是线性与非线性区分线性 与非线性光学与非线性光学1、2、3、4 4、第9页/共88页费费 马马 原原 理理一、费马原理:一、费马原
6、理:极值极值 或:或:或:或:光在指定的两点间传播时,光在指定的两点间传播时,实际的光程总是一个极值。其数学表达式为:实际的光程总是一个极值。其数学表达式为:(极大值、极小值或恒定值)(极大值、极小值或恒定值)第10页/共88页二、几何光学的基本实验定律与费马原理二、几何光学的基本实验定律与费马原理 1 1、几何光学的基本实验定律或费马原理都可以作为几何光学出发点,从而建立几何光、几何光学的基本实验定律或费马原理都可以作为几何光学出发点,从而建立几何光学内容体系。学内容体系。2 2、由费马原理可以推导几何光学的基本实验定律。、由费马原理可以推导几何光学的基本实验定律。(2 2)、光的反射定律)
7、、光的反射定律 (3 3)、光的折射定律)、光的折射定律(1 1)、光在均匀介质中的直线传播)、光在均匀介质中的直线传播 第11页/共88页1 1、光的折射定律、光的折射定律 (1 1)折射面与入射面在同一个面内)折射面与入射面在同一个面内(2 2)折射线与入射线分居在法线的两侧)折射线与入射线分居在法线的两侧(3 3)三、光折射定理的三、光折射定理的证明证明 第12页/共88页2 2、光折射定理的、光折射定理的证明证明 如图平面如图平面 为两种介质的交界面,为两种介质的交界面,设由设由 点发出的光经点发出的光经界面折射后到达界面折射后到达 点,点,为实际光路、为实际光路、为入射点。为入射点。
8、入射点入射点C的位置决定光折射的性质的位置决定光折射的性质分析:分析:第13页/共88页第14页/共88页(1 1)证明折射面与入射面在同一个面)证明折射面与入射面在同一个面内内 过过 作一平面作一平面垂直于界面,垂直于界面,假设假设 不不在交线在交线 上,而上,而为为 。作。作 垂直垂直于于 ,交于,交于 ,由于由于 ,光程总大于光程总大于 ,由费马原理知不可能。故由费马原理知不可能。故 必在必在 上。即折上。即折射面与入射面在一个平面内。射面与入射面在一个平面内。问题:为什么这里光程极值取极小?问题:为什么这里光程极值取极小?交交于于,第15页/共88页(2 2)证明折射线与入射线分居在法
9、线)证明折射线与入射线分居在法线的两侧的两侧 假设折射线与入假设折射线与入射线不分居在法线的射线不分居在法线的两侧,过两侧,过 作作 的垂线交于的垂线交于 ,在在 左侧左侧 处。处。故故 必不在必不在 之外。之外。即反射线与入射线分居在法线的两侧。即反射线与入射线分居在法线的两侧。显然:显然:则则第16页/共88页(3 3)求)求 的具体位置的具体位置(建坐标如图)(建坐标如图)设设 的坐标的坐标分别为分别为 由由2 2知:知:于是光程于是光程 为:为:第17页/共88页根据费马原理,根据费马原理,(得证)(得证)第18页/共88页四、光程取极大、极小、恒定值的几个实四、光程取极大、极小、恒定
10、值的几个实例例恒定值恒定值极小值极小值极大值极大值第19页/共88页预习思考题:预习思考题:(第三章、第三、四节)(第三章、第三、四节)1 1、你怎么理解物与像、理想成像?、你怎么理解物与像、理想成像?2 2、像似深度的推导。、像似深度的推导。3 3、光纤传输信号的原理。为什么入、光纤传输信号的原理。为什么入射角小于射角小于 时,信号可以通过光学纤维时,信号可以通过光学纤维?作业:作业:159159页页 1 1题题 第20页/共88页光束光束 实像和虚像实像和虚像一、光束一、光束 1 1、光束、光束 3 3、发散光束、发散光束 5 5、入射光束、入射光束2 2、单心光束、单心光束 4 4、会聚
11、光束、会聚光束 6 6、出射光束、出射光束 :有一定关系的光线的集合:有一定关系的光线的集合 第21页/共88页 问题讨论问题讨论1 1、人的感知与世界、人的感知与世界(1 1)漫反射与)漫反射与“物物”(2 2)人眼中的)人眼中的“亮亮”与与“暗暗”(3 3)人的感知与世界)人的感知与世界 物一定是发光体吗?物一定是发光体吗?第22页/共88页2 2、你怎么理解物与像、理想成像?、你怎么理解物与像、理想成像?3 3、平面反射、折射、像似深度的推、平面反射、折射、像似深度的推导。导。4 4、光纤传输信号的原理。为什么入、光纤传输信号的原理。为什么入射角小于射角小于 时,信号可以通过光学时,信号
12、可以通过光学纤维?纤维?5 5、三棱镜对光线的作用。、三棱镜对光线的作用。第23页/共88页二、物与像二、物与像(相对于光学仪器)(相对于光学仪器)入射光束的会聚点。入射光束的会聚点。发散的入射光束的反向会聚点。发散的入射光束的反向会聚点。会聚的入射光束的会聚点会聚的入射光束的会聚点,且会聚且会聚前遇到光学仪器。前遇到光学仪器。1 1、物:、物:(1 1)实物:)实物:(2 2)虚物:)虚物:第24页/共88页 2 2、像:像:出射光束的会聚点出射光束的会聚点 会聚的出射光束的会聚点。会聚的出射光束的会聚点。发散的出射光束的反向会聚点。发散的出射光束的反向会聚点。入射光束和与之对应的出入射光束
13、和与之对应的出射光束都是单心光束的成像。这也是我们射光束都是单心光束的成像。这也是我们着重研究的情况。着重研究的情况。(2 2)虚像:)虚像:(1 1)实像:)实像:(3 3)理想成像:)理想成像:第25页/共88页3 3、物、像与人眼、物、像与人眼 对人眼来所,物与像都是进入瞳孔的发对人眼来所,物与像都是进入瞳孔的发 射光束的顶点。物、像、虚像人眼不能分辨。射光束的顶点。物、像、虚像人眼不能分辨。但对于像,其光束有一定的限制,必须在特定但对于像,其光束有一定的限制,必须在特定 的范围才能观察到。的范围才能观察到。问题:问题:这里的像就是人眼视网膜上所成的这里的像就是人眼视网膜上所成的像吗?人
14、眼能否区分物与像?像吗?人眼能否区分物与像?结论:结论:第26页/共88页光在平面界面上的反射和折射光在平面界面上的反射和折射光学纤维光学纤维 棱镜棱镜一、光在一、光在平面界面上的(镜面)反射平面界面上的(镜面)反射 光的单心性没有被破坏,即入射光光的单心性没有被破坏,即入射光为单心光束时,折射光也为单心光束,为单心光束时,折射光也为单心光束,平面镜反射光成像平面镜反射光成像是是理想成像。理想成像。问题:问题:物体表面发生漫反射和镜面物体表面发生漫反射和镜面反射人所观察到的有什么不同?反射人所观察到的有什么不同?第27页/共88页二、光在二、光在平面界面上的折射平面界面上的折射 1 1、单心性
15、被破坏单心性被破坏 (有多个像点(有多个像点 )第28页/共88页2 2、理想成像条件、象似深度、理想成像条件、象似深度 设设 近似垂直入射,即近似垂直入射,即 很小。由折射定理:很小。由折射定理:近似为:近似为:既:既:设设 即即 ,为为 的的象似深度。象似深度。平面镜折射光在近轴条件下即平面镜折射光在近轴条件下即 很小时是理想成像。很小时是理想成像。3 3、结论:、结论:第29页/共88页三、全反射三、全反射 光学纤光学纤维维1 1、临界角:、临界角:2 2、全反射:、全反射:折射角等于折射角等于9090度时对应的入射角。度时对应的入射角。用用 表示。表示。当光从光当光从光密媒质射入光疏媒
16、质密媒质射入光疏媒质时,当入射角时,当入射角 时不再有折射光线而时不再有折射光线而全部被反射的现象。全部被反射的现象。第30页/共88页3 3、光学纤维、光学纤维第31页/共88页四、棱镜四、棱镜 偏向角偏向角由图:由图:当当 为最小偏向角时为最小偏向角时可以证明:可以证明:应用:测材料的折射率应用:测材料的折射率第32页/共88页预习思考题:预习思考题:(第三章、第五节)(第三章、第五节)1 1、你能否用反射定理推导球面镜反射成像公式?、你能否用反射定理推导球面镜反射成像公式?2 2、由高斯公式推出牛顿公式用数学表述叫什么过程?、由高斯公式推出牛顿公式用数学表述叫什么过程?3 3、光焦度及其
17、单位,光焦度与眼镜度数的关系。、光焦度及其单位,光焦度与眼镜度数的关系。作业:作业:160160页页 4 4题题第33页/共88页 一、符号法则一、符号法则 顶点顶点 主光轴主光轴 曲率中心曲率中心 光在球面上的折射和反射光在球面上的折射和反射第34页/共88页1 1、物距、像距与曲物距、像距与曲 率半径率半径以顶点以顶点 为为 参考点,参考点,左负右正。左负右正。2 2、物点与像点到主物点与像点到主 光轴的距离光轴的距离,上正,上正 下负。下负。3 3、光线方向与主光轴、法线的夹角光线方向与主光轴、法线的夹角取小于等于取小于等于9090度的角度,从主光轴或法线算起,度的角度,从主光轴或法线算
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