第2讲几何光学和眼睛 (2)精选PPT.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,此课件共59页哦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 taken by th
2、e 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 straight lines第2
3、页,此课件共59页哦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,此课件共59页哦Optical path descriptionSuppose we have known Snells law already,in a stepped index stack,we haveNotice thatorWe derive第4页,此课件共59页哦Optical path equationThe second derivat
4、ive will be:From the equation,we may derive the optical path trace其中利用了path equation第5页,此课件共59页哦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 harmonic oscillator equation!Then the trace will
5、be like a wave as a function of x!第6页,此课件共59页哦Solution Oscillation periodncnfSolutionDependent on the angleFor small incident angle Oscillationperiod is approximated as 第7页,此课件共59页哦Gradient indexNatural index gradientIndex above the sea The higher is the aptitudes,the smaller the index isHowever in
6、the continent,if the surface temperature is very high,the index distribution may be inversedThe higher the index is larger!第8页,此课件共59页哦Mirage 海市蜃楼海市蜃楼海市蜃楼海市蜃楼第9页,此课件共59页哦Gradient indexArtificial gradient indexGradient index fiberIntense laser resulted index gradientSelf-focusing,Self-defocusingTherm
7、al lensing第10页,此课件共59页哦Geometric optics of rainbow第11页,此课件共59页哦Geometric optics of rainbow第12页,此课件共59页哦费马原理费马原理 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,此课件共59页哦 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(160
8、11665)。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
9、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: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,此课件
10、共59页哦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 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
11、15页,此课件共59页哦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,此课件共59页哦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,此课件共59页哦费马原理与三个实验定律费马
12、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,此课件共59页哦(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,此课件共59页哦(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
13、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,此课件共59页哦费马原理推导折射定律(contd)导出折射定律:因为:第21页,此课件共59页哦费马原理与成像费马原理与成像第22页,此课件共59页哦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,此课件共59页哦费马原理应用例题-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,此课件共59页哦代入等光程: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
14、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 deflects rays away from the axis.f 0R2 0R1 0第43页,此课件共59页哦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 r
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