几何光学基本原理精选课件.ppt
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1、关于几何光学基本原理第一页,本课件共有59页3-1 基本概念及基本实验定律基本概念及基本实验定律一、光线与波面一、光线与波面1.1.光线:光线:形象表示光的传播方向的几何线。说明:同力学中的质点一样,光线仅是一种抽象的数学模型。它具有光能,有长度,有起点、终点,但无粗细之分,仅 代表光的传播方向。任何想从实际装置(如无限小的孔)中得到“光线”的想法均是徒劳的。无数光线构成光束。2.2.波面:波面:光传播中,位相相同的空间点所构成的平面或曲面。光沿光线方向传播时,位相不断改变。说明:波面即等相面,也是一种抽象的数学模型。波面为平面的光波称为平面光波(如平行光束);为球 面的称为球 面光波(如点光
2、源所发光波);为柱面的 称为柱面光波(如缝光源所发光波)第二页,本课件共有59页3.3.光线与波面的关系光线与波面的关系 在各向同性介质中,光线总是与波面法线方向重合。即光线与波面总是垂直的。平面波球面波柱面波二、几何光学的基本实验定律二、几何光学的基本实验定律1.1.直线传播定律:直线传播定律:在均匀介质中,光总是沿直线传播的。2.2.反射定律:反射定律:反射线在入射线和法线决定的平面内;反射线、入射线分居法线两侧;第三页,本课件共有59页3.3.折射定律:折射定律:折射线在入射线和法线决定的平面内;折射线、入射线分居法线两侧;4.4.独立传播定律:独立传播定律:5.5.光路可逆原理:光路可
3、逆原理:自不同方向或不同物体发出的光线相交时,对每一光线的传播不发生影响。即各自保持自己原有的特性,沿原方向继续传播,互不影响。在几何光学中,任何光路都是可逆的。第四页,本课件共有59页3-2 3-2 费马原理费马原理 光在均匀介质中总是沿直线传播的,光在非均匀介质中又是怎样传播的?费马借助光程的概念,回答了该问题。一、费马原理一、费马原理1.表述:光在空间两定点间传播时,实际光程为一特定的极值。2、表达式:nBAds3.说明:意义:费马原理是几何光学的基本原理,用以描绘光在空间两定点间的传播规律。用途:A.可以推证反射定律、折射定律等实验定律。由此反证了费马原理的正确性.极值的含义:极小值,
4、极大值,恒定值。一般情况下,实际光程大多取极小值。B.推求理想成象公式。第五页,本课件共有59页二、费马原理的证明二、费马原理的证明1、直线传播定律:(在均匀介质中)、直线传播定律:(在均匀介质中)2、折射定律、折射定律:(在非均匀介质中):(在非均匀介质中)i2n2BCACCBAn1OOPMi1XYZ如图示:点发出的光线入射到两种介质的平面分界面上,折射后到达点。折射线在入射线和法线决定的平面内折射线在入射线和法线决定的平面内 只需证明折射点C点在交线OO上即可.第六页,本课件共有59页折射线、入射线分居法线两侧折射线、入射线分居法线两侧i2n2BACBAn1OOPMi1XYZA、B、C点坐
5、标如图示。沿此方向入射,必有第七页,本课件共有59页i2n2BACBAn1OOPMi1XYZ由于反射、折射定律是实验定律,是公认的正确的结论,所以,费马原理是正确的。同理:也可证明反射定律。第八页,本课件共有59页3-3 3-3 单心光束单心光束 实像和虚像实像和虚像 成像问题是几何光学研究的主要问题之 一。光学元件质量的高低是以成像质量来衡量的。为学习研究成像规律,首先介绍几个基本概念。一、单心光束、实像、虚像一、单心光束、实像、虚像1、发光点发光点:只有几何位置而没有大小的发射光束的光源。它也是一个抽象概念,一个理想模型,有助于描述物和像的性质。点光源就是一个发光点。若光线实际发自于某点,
6、则称该点为实发光点;若某点为诸光线反向延长线的交点,则该点称为虚发光点。2、单心光束单心光束:只有一个交点的光束,亦称同心光束。该唯一的交点称为光束的顶点。发散单心光束会聚单心光束第九页,本课件共有59页实象:有实际光线会聚的象点。虚象:无实际光线会聚的象点。(光束反向延长线的交点)。当顶点为光束的发出点时,该顶点称为光源、物点。3、实像、虚像、实像、虚像当单心光束经折射或反射后,仍能找到一个顶点,称光束保持了其单心性。该顶点称为象点。PPPP实像虚像二、实物、实像、虚像的联系与区别二、实物、实像、虚像的联系与区别1、成像于视网膜上的只是光束的顶点而非光束本身。、成像于视网膜上的只是光束的顶点
7、而非光束本身。光通过浑浊的空间时,尘埃微粒作为散射光 束的顶点被看到,而不是看到了光束本身;宇航员看到的洁净的宇宙空间是漆黑的,是 由于没有尘埃作为散射源。对能保持单心性的光束,一个物点能且只 能 形成一个像点,即物与像形成一一对应关系。第十页,本课件共有59页2、人眼以刚进入瞳孔前的光线方向判断光束顶点位置、人眼以刚进入瞳孔前的光线方向判断光束顶点位置 单独用人眼无法直接判断顶点是否有实际光线通过实发光点实像虚像 对人眼而言,无论是物点还是像点,是实像还是虚像,都不过是发散光束的顶点,二者之间没有区别。实物、实像、虚像的区别PPPA:P与P、PP各处可见;而由于透镜大小的限制,P和P仅在光束
8、范围内可见。B:P与P置一白纸于P、P处,由于有实际光线通过,P是亮点;由于无实际光线通过,P处看不到光点。第十一页,本课件共有59页3-4 3-4 光在平面介面上的反射和折射光在平面介面上的反射和折射 光学纤维光学纤维 保持物、像在几何形状上的相似性,是理想成像的基本要求。保持光束的单心性是保持形状相似从而实现理想成像的保证。所以,研究成像问题就归结为研究如何保持光束单心性问题。一般情况下,光在介面上反射和折射后,其单心性不再保持。但只要满足适当的条件,可以近似地得到保持。接下来的两节,主要研究在不同介面反射、折射时,光束单心性的保持情况。一、光在平面上的反射一、光在平面上的反射DMMPPC
9、BA如图示:点光源P发出单心光束,经平面镜反射后,形成一束发散光束,其反向延长线交于一点P,且与P点对称。显然,反射光束仍为单心光束,说明在此过程中光束保持了其单心性,是一个理想成像过程 P是P的虚像。平面镜是一个不破坏光束单心性、理想成像的完善的平面镜是一个不破坏光束单心性、理想成像的完善的 光学系统。并且也是唯一的一个。光学系统。并且也是唯一的一个。第十二页,本课件共有59页二、光在平面介面上的折射二、光在平面介面上的折射1、光束单心性的破坏、光束单心性的破坏xB1B2n2 n1O y P2P1 PPi1i2i1+i1i2i2 A1A2z介质n1中的发光点P发出单心光束经两面介面XOZ折射
10、后进入介质n2,现取其中一微元光束(如图示),在XOY平面内,其折射光束的反向延长线交于P点,并与OY轴交于P1、P2两点。各点坐标如图示:经计算(见附录31)可得:第十三页,本课件共有59页xB1B2n2 n1O y P2P1 PPi1i2i1+i1i2i2 A1A2z将PA1、PA2沿OY轴旋转一微小角度成一立体微元,则:P、P1、P2三点不动,而交点P将画出一小圆弧(近似视为垂直于XOY平面的一小段直线)。所以,光束内任一条光线与Y轴的交点均处在直线P1P2(弧矢象线)内,但不相交;交点P也处在直线PP(子午象线)上,也不相交。即:发光点经折射后,成象为两条相互垂直的象线而不是象点,称为
11、象散。折射后,光束的单心性已被破坏。折射后,光束的单心性已被破坏。2 2、象似深度、象似深度第十四页,本课件共有59页三、全反射三、全反射 光学纤维光学纤维1、全反射:、全反射:xA3n2 n1O y Pi1i2ic A1A2只有反射而无折射的现象称为全折射。只有反射而无折射的现象称为全折射。第十五页,本课件共有59页2、光学纤维、光学纤维单根构造:内层:外层:原理:在顶角为2i的园锥体内的光线,均能在光纤内顺利传播。直径约为几微米的单根或多根玻璃(或透明塑料)纤维.第十六页,本课件共有59页说明:四、棱镜四、棱镜EDCB1、偏向角、最小偏向角:棱镜是一种由多个平面界面组合而成的光学元件。光通
12、过棱镜时,产生两个或两个以上界面的连续折射,传播方向发生偏折。最常用的棱镜是三棱镜(如图示)。三棱镜两折射面的夹角称三棱镜顶角A。An2n1出射光与入射光之间的夹角称棱镜的偏向角。第十七页,本课件共有59页2、应用、应用 棱镜光谱:当用白光入射时,由于折射 率的不同,出射光将展开成彩带即光谱。所以,三棱镜也是一种分光装置。改变光路:如右图示EDCBAn2n1450450第十八页,本课件共有59页3-5 3-5 光在球面介面上的反射和折射光在球面介面上的反射和折射一、一、球面的几个概念球面的几个概念 符号法则符号法则球面顶点:O 球面曲率中心:C球面曲率半径:r 球面主轴:连接O、C而得的直线。
13、主截面:通过主轴的平面。2、符号法则:为使计算结果普遍适用,对线段和角度正负取法的规定。1、基本概念:线段长度均从顶点顶点算起:A、凡光线与主轴交点在顶点右方右方者线段长度数值为正为正;凡光线与主 轴交点在顶点左方左方者线段长度数值为负为负;B、物点或像点至主轴的距离在主轴上方为正上方为正,下方为负下方为负。光线的倾角均从主轴或球面法线算起,并取小于900的角度;由主轴 (或法线)转向有关光线时:A、顺时针转动,角度为正;B、逆时针转动,角度为负。(注意:角度的正负与构成它的线段的正负无关)(注意:角度的正负与构成它的线段的正负无关)沿轴线段垂轴线段新笛卡尔法则r C O主轴第十九页,本课件共
14、有59页 图中出现的长度和角度只用正值。例:球面反射成像各量的正负。yQ无论光线从左至右还是从右至左,无论是球面反射还是折射,以上符号法则均适用。以下的讨论假设光线从左至右进行。二、球面反射对单心性的破坏二、球面反射对单心性的破坏 P ACOP-s -r -s-u i-i-u从主轴上P点发出单心光束,其中一条光线在球面上A点反射,反射光与主轴交于P点。即P为P的像。按符号法则,各有关线段和角度的正负如图所示。s 物距 s 象距第二十页,本课件共有59页 P ACOP-s -r -s-u i-i-u对给定的物点,不同的入射点,对应着不同的入射线和反射线,对应着不同的 。对一定的球面和发光点P(S
15、一定),不同的入射点对应有不同的S。即:同一个物点所发出的不同光线经球面反射后不再交于一点。同一个物点所发出的不同光线经球面反射后不再交于一点。第二十一页,本课件共有59页由由P点所发出的单心光束经球面反射后,单心性被破坏点所发出的单心光束经球面反射后,单心性被破坏三、近轴光线下球面反射的物像公式三、近轴光线下球面反射的物像公式1、近轴光线条件即:对一定的反射球面(r一定),和一一对应,而与入射点无关。由P点所发出的单心光束,经球面反射后将交于一点P,光束的单心 性得以保持。一个物点将有一个确定像点与之对应。光学上称:很小的区域为近轴(或傍轴)区域,此区域内的光线为近轴光线在近轴光线条件下:像
16、点称为高斯像点;研究物像关系的内容为高斯光学。第二十二页,本课件共有59页2、物像公式焦点:沿主轴方向的平行光束经球面反射后将会聚于 主轴上一点,该点称为反射球面的焦点(F)。ACOP-s -r -sF焦距:焦点到球面顶点的距离()。它同样遵守符号法则。说明:1、它是球面反射成像的基本公式,只在近轴条件下成立;2、式中各量必须严格遵从符号法则;3、对凸球面反射同样适用;4、当光线从右至左时同样适用。第二十三页,本课件共有59页一个点状物放在凹面镜前0.05m处,凹面镜的曲率半径为0.20m,试确定像的位置和性质.COP s -r -sP解解:设光线从左至右最后像是处于镜后0.1米处的虚像虚像。
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