工程光學(xué)第一章(合肥工業(yè)大學(xué))

1、v 工工 程程 光光 學(xué)學(xué)v 劉 晨v v第一章第一章v v 幾何光學(xué)的基本定律和物像概念幾何光學(xué)的基本定律和物像概念概述1234光學(xué)是研究光的本性、光的傳播、光與物光學(xué)是研究光的本性、光的傳播、光與物質(zhì)的相互作用以及光的實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)。質(zhì)的相互作用以及光的實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)。光主要以波動(dòng)的形式存在。光的本質(zhì)是電光主要以波動(dòng)的形式存在。光的本質(zhì)是電磁波。磁波。光學(xué)系統(tǒng)的主要作用是傳輸光能和對(duì)研究光學(xué)系統(tǒng)的主要作用是傳輸光能和對(duì)研究的目標(biāo)成像。的目標(biāo)成像。幾何光學(xué)撇開了光的波動(dòng)本性，采用一種幾何光學(xué)撇開了光的波動(dòng)本性，采用一種簡便和實(shí)用的幾何學(xué)的方法來研究光的傳簡便和實(shí)用的幾何學(xué)的方法來研究光的傳播

2、和光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的成像規(guī)律。播和光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的成像規(guī)律。目錄v第一節(jié)第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律v第二節(jié)第二節(jié) 成像基本概念與完善成像條件成像基本概念與完善成像條件 結(jié)束結(jié)束第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律一、幾何光學(xué)的點(diǎn)、線、面二、幾何光學(xué)的基本定律三、費(fèi)馬原理返 回結(jié)束結(jié)束一、幾何光學(xué)的點(diǎn)、線、面v點(diǎn)：點(diǎn)：光源、物體、像都看成是點(diǎn)的集合。v線：線：光波的傳播抽象成幾何線一樣的光線，相當(dāng)于波面的法線，代表了光的傳播方向。v光波由一束光線表示，平面波對(duì)應(yīng)于平行光束，球面波對(duì)應(yīng)于同心光束。v如圖平行光束與同心光束平行光束與同心光束同心光束球形波面球形波面平面波面平面波面平行光束各類光束及

3、對(duì)應(yīng)的波面各類光束及對(duì)應(yīng)的波面 返 回二、幾何光學(xué)的基本定律v幾何光學(xué)的基本定律決定了光線在一般情況下的傳播方式，也是我們研究光學(xué)系統(tǒng)成像規(guī)律以及進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。v幾何光學(xué)的基本定律有三大定律：1 光的直線傳播定律v各向同性的均勻介質(zhì)中，光沿著直線傳播。v用光的直線傳播定律可以解釋日蝕、月蝕等自然現(xiàn)象，也可以解釋光照射物體時(shí)為什么會(huì)出現(xiàn)影子等類似問題，小孔成像就是利用了光的直線傳播定律。光的直線傳播圖例2 光的獨(dú)立傳播定律v當(dāng)兩束或多束光在空間相遇時(shí)，各光線的傳播不會(huì)受其它光線的影響。v例如：光束相交處的光強(qiáng)是一種簡單的疊加，探照燈。3光的折射定律和反射定律v當(dāng)一束光線由折射率為n

4、的介質(zhì)射向折射率為n的介質(zhì)時(shí)，在分界面上，一部分光線將被反射，另一部分光線將被折射，反射光線和折射光線的傳播方向?qū)⒆裱瓷涠珊驼凵涠?。光線經(jīng)界面后的傳播光線經(jīng)界面后的傳播CABA反射定律反射定律v入射光線、入射點(diǎn)界面的法線、反射光線三者共面，入射光線與反射光線分居于法線的兩側(cè)，且入射角與反射角絕對(duì)值相等。 IIv入射光線、入射點(diǎn)界面的法線、折射光線三者共面，入射角I與折射角I之間滿足下列關(guān)系式 v反射定律看作是折射定律中的一個(gè)特例。折射定律sinsinInIn推論光路的光路的可逆性可逆性v 用射出去的光路在一定條件下可以決定用射出去的光路在一定條件下可以決定射回的光路。射回的光路。v 利用

5、光路的可逆性可以由物求像，也可利用光路的可逆性可以由物求像，也可以由像求物。以由像求物。 圖1-3 光路的可逆性GO全反射現(xiàn)象nnIcsin1v全反射全反射：折射光線因大于等於折射光線因大于等于90而消失，所有的光線反射到原介質(zhì)中的現(xiàn)象。v 在一定的條件下在一定的條件下, ,光線發(fā)生全反射光線發(fā)生全反射 光線由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)； 入射角大于臨界角。二者缺一不可。 折射率較折射率較高的介質(zhì)高的介質(zhì)折射率較折射率較低的介質(zhì)低的介質(zhì)折射角等折射角等于于90度時(shí)度時(shí)的入射角的入射角全反射現(xiàn)象TEXTTEXTTEXT返 回全反射的應(yīng)用舉例v（1）全反射棱鏡）全反射棱鏡 全反射的應(yīng)用舉例v（2）光纖的

6、全反射傳光）光纖的全反射傳光 全反射光纖 返 回三、費(fèi)馬原理三、費(fèi)馬原理v費(fèi)馬原理與幾何光學(xué)的基本定律一樣，也是描述光線傳播規(guī)律的基本理論。v它以光程的觀點(diǎn)描述光傳播的規(guī)律，涵蓋了光的直線傳播和光的折、反射規(guī)律，具有更普遍的意義。 v根據(jù)物理學(xué)，光在介質(zhì)中走過的幾何路程與該介質(zhì)折射率的乘積定義為光程。設(shè)介質(zhì)的折射率為n，光在介質(zhì)中走過的幾何路程為l，則光程s表示為nls 費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理v費(fèi)馬原理指出，光從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)沿的是極值光程路徑。即光沿光程為極大值、或極小值、或常量值的路徑傳播，其數(shù)學(xué)表示為光程的一階變分為0：v至于光程走的是極大值還是極小值，這要取決于折射表面的曲率及兩點(diǎn)之間的位

7、置，大多數(shù)情況下是極小值。費(fèi)馬原理可以用來證明光的直線傳播定律和光的折、反射定律。0BAdlns返 回第二節(jié) 成像基本概念與完善成像條件結(jié)束結(jié)束返 回一、一、物方光線和像方光線二、二、物和像三、三、物空間和像空間四、四、物像的相對(duì)性一、物方光線和像方光線v光學(xué)系統(tǒng)由若干不同介質(zhì)組成，對(duì)光線實(shí)現(xiàn)所需的傳播。v光線未通過系統(tǒng)前稱為物方光線。物方光線連接著物體。v光線通過系統(tǒng)后稱為像方光線，像方光線連接著物體的像。v為分析和處理問題方便，常將光線沿傳播直線向任意方向延長，延長后的光線性質(zhì)不變。返 回二、物和像v物：物：物方光線的相交點(diǎn)稱為物；v像：像：像方光線的相交點(diǎn)稱為像；v實(shí)物：實(shí)物：物方光線實(shí)

8、際相交的點(diǎn)為實(shí)物實(shí)物點(diǎn)；v實(shí)像：實(shí)像：像方光線實(shí)際相交的點(diǎn)為實(shí)像實(shí)像點(diǎn)；v虛物：虛物：物方光線延長后相交點(diǎn)為虛物虛物點(diǎn)；v虛像：虛像：像方光線延長后相交的點(diǎn)為虛像虛像點(diǎn)(a a）實(shí)物成實(shí)像）實(shí)物成實(shí)像 (b) (b) 實(shí)物成虛像實(shí)物成虛像 (c) (c) 虛物成實(shí)像虛物成實(shí)像 (d) (d) 虛物成虛像虛物成虛像虛物和虛像虛物和虛像物方光線延長線交點(diǎn)像方光線反像延長線交點(diǎn)BA返 回三、物空間和像空間v物空間物空間：即物體所在的空間；實(shí)物所在的空間為實(shí)物空間，虛物所在空間為虛物空間，無論實(shí)物空間還是虛物空間都使用實(shí)物空間介質(zhì)的折射率。v像空間像空間：即像所在的空間；實(shí)像所在的空間為實(shí)像空間，虛像所在空間為虛像空間，無論實(shí)像空間還是虛像空間都使用實(shí)像空間介質(zhì)的折射率。物像概念小結(jié)物像概念小結(jié)v光線未通過系統(tǒng)（界面）前稱為物方光線，物方光線連接著物體（實(shí)物或虛物），物體所在空間為物方空間，物方空間使用系統(tǒng)前方介質(zhì)折射率v光線通過系統(tǒng)（界面）后稱為像方光線，像方光線連接著物體的像（實(shí)像或虛像），像所在空間為像方空間，像方空間使用系統(tǒng)后方介質(zhì)折射率返 回四、物像的相對(duì)性v物和像都是相對(duì)于某一成像系統(tǒng)而言的，如果物體連續(xù)經(jīng)過幾個(gè)成像系統(tǒng)，則前一個(gè)系統(tǒng)所成的像即成為下一系統(tǒng)的物，如此