基本概念和定律-費(fèi)馬原理課件

幾何光學(xué)的幾何光學(xué)的第三章1編輯版pppt幾何光學(xué)的幾何光學(xué)的第三章1編輯版pppt本章內(nèi)容本章內(nèi)容Contentschapter1幾何光學(xué)的基本定律

basiclawsofgeometricOptics費(fèi)馬原理與成像有關(guān)的基本概念basicconceptionsofimageformation傍軸成像理論imageformingtheorybythegeneralcentredsystemprincipleofFermat2編輯版pppt本章內(nèi)容本章內(nèi)容Contentschapter1幾何光學(xué)BasiclawsofgeometricOptics機(jī)械波的產(chǎn)生及描述幾何光學(xué)的基本定律費(fèi)馬原理3–1ssss3編輯版ppptBasiclawsofgeometricOptics1.1幾何光學(xué)的基本定律光線—光能傳播方向的幾何線光束—有一定幾何關(guān)系的一些光線的集合一.光源和光線1.光源光源—任何發(fā)光物體：太陽、燭焰、鎢絲白熾燈、日光燈、高壓水銀熒光燈等點(diǎn)光源—可看成幾何上的點(diǎn)，只有空間位置無體積的光源2.光線和光束4編輯版pppt1.1幾何光學(xué)的基本定律光線—光能傳播方向的幾何線一.光幾何光學(xué)中幾何方法討論成像規(guī)律3.波面波面：在任意時(shí)刻,振動(dòng)位相值相同的各點(diǎn)所構(gòu)成的曲面光振動(dòng)—用電磁波中電場(chǎng)強(qiáng)度的變化表示波面對(duì)應(yīng)的法線就是光束5編輯版pppt幾何光學(xué)中幾何方法討論成像規(guī)律3.波面波面：在任意時(shí)刻,振二.幾何光學(xué)的基本定律1.光的直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播2.光的獨(dú)立傳播定律：兩束光在傳播途中相遇時(shí)互不干擾，即每一束光的傳播方向及其他性質(zhì)(頻率、波長、偏振狀態(tài))都不因另一束光線的存在而發(fā)生改變(1)光的反射定律：反射線位于入射面內(nèi)，反射線和入射線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角，即3.光的折射反射定律：6編輯版pppt二.幾何光學(xué)的基本定律1.光的直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)中(2)光的折射定律：折射線位于入射面內(nèi),折射線與入射線分居法線兩側(cè)，入射角的正弦與折射角的正弦之比為一與入射角無關(guān)的常數(shù)，即*漫射：當(dāng)界面粗糙時(shí),各入射點(diǎn)處法線不平行,即使入射光是平行的,反射光和折射光也向各方向分散開—漫反射或漫折射。介紹7編輯版pppt(2)光的折射定律：折射線位于入射面內(nèi),折射線與入射線分居4.光的可逆性由于折射定律的對(duì)稱性,可得出光線傳播的可逆性。表明：當(dāng)光線沿與原來方向相反的方向傳播時(shí)，其路徑不變。注意：在不考慮介質(zhì)吸收引起損耗時(shí)，波動(dòng)現(xiàn)象就是一個(gè)可逆過程。8編輯版pppt4.光的可逆性由于折射定律的對(duì)稱性,可得出光線傳播的可逆性。三、費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理是一個(gè)描述光線傳播行為的原理1.光程在均勻介質(zhì)中,光程[l]為光在介質(zhì)中通過的幾何路程

l與該介質(zhì)的折射率

n的乘積：1）.直接用真空中的光速來計(jì)算光在不同介質(zhì)中通過一定幾何路程所需要的時(shí)間。9編輯版pppt三、費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理是一個(gè)描述光線傳播行為的原理1.光程◆分區(qū)均勻介質(zhì):◆連續(xù)介質(zhì):2）.光程表示光在介質(zhì)中通過真實(shí)路程所需時(shí)間內(nèi),在真空中所能傳播的路程。10編輯版pppt◆分區(qū)均勻介質(zhì):◆連續(xù)介質(zhì):2）.光程表示光在介質(zhì)中通2.費(fèi)馬原理的表述及討論空間中兩點(diǎn)間的實(shí)際光線路徑是所經(jīng)歷光程的平穩(wěn)路徑平穩(wěn)：當(dāng)光線以任何方式對(duì)該路徑有無限小的偏離時(shí)，相應(yīng)的光程的一階改變量為零。如果有改變只能是二階或二階以上的無限小量。換言之：在A、B兩點(diǎn)間光線傳播的實(shí)際路徑，與任何其他可能路徑相比其光程為極值，極值為極大或極小或恒定值。即光線的實(shí)際路徑上光程變分為零：兩點(diǎn)之間光沿著所需時(shí)間為極值的路徑傳播11編輯版pppt2.費(fèi)馬原理的表述及討論空間中兩點(diǎn)間的實(shí)際光線路平穩(wěn)：當(dāng)光線實(shí)際光程在不同情況下相應(yīng)于極大值、極小值和拐點(diǎn)12編輯版pppt實(shí)際光程在不同情況下相應(yīng)于極大值、極小值和拐點(diǎn)12編輯版pp變分：對(duì)一般一元或多元函數(shù)，當(dāng)自變量發(fā)生變化時(shí)，函數(shù)的一階或高階改變量可以表示為函數(shù)的一階或高階微分。但光程與一般的空間坐標(biāo)函數(shù)不同，對(duì)給定點(diǎn)AB，每一可能的光線路徑均為空間坐標(biāo)函數(shù)，而光程一般隨不同路徑而變化，即它可以稱為函數(shù)的函數(shù)，這時(shí)光程的改變一般稱為變分。3.費(fèi)馬原理的應(yīng)用1）.根據(jù)直線是兩點(diǎn)間最短距離這一幾何公理,對(duì)于真空或均勻介質(zhì),費(fèi)馬原理可直接得到光線的直線傳播定律。2）.費(fèi)馬原理只涉及光線傳播路徑,并未涉及到光線的傳播方向。若路徑AB的路徑取極值，則其逆路徑BA的光程也取極值——包含了光的可逆性。13編輯版pppt變分：對(duì)一般一元或多元函數(shù)，當(dāng)自變量發(fā)生變化時(shí)，3.費(fèi)馬原理14編輯版pppt14編輯版pppt4.由費(fèi)馬原理導(dǎo)出光的反射定律AB的光程為光程取極值入射線和反射線應(yīng)在xy平面內(nèi).光程[l]取極小值15編輯版pppt4.由費(fèi)馬原理導(dǎo)出光的反射定律AB的光程為光程取極值入射線有5.由費(fèi)馬原理導(dǎo)出折射定律16編輯版pppt有5.由費(fèi)馬原理導(dǎo)出折射定律16編輯版pppt由光程取極值:17編輯版pppt由光程取極值:17編輯版pppt四.梯度折射率介質(zhì)中光線的彎曲即為折射率隨不同位置呈連續(xù)變化的介質(zhì)利用梯度折射率介質(zhì)中光線的彎曲,可以表解釋蜃景的現(xiàn)象18編輯版pppt四.梯度折射率介質(zhì)中光線的彎曲即為折射率隨不同位置呈連續(xù)變化例一一束平行于光軸的光線入射到拋物面鏡上反射后，會(huì)聚于焦點(diǎn)F。試證所有這些光到達(dá)焦點(diǎn)上光程相等。F為拋物面的焦點(diǎn)，MN為其準(zhǔn)線拋物線性質(zhì)即討論：如果將點(diǎn)光源置于焦點(diǎn)處，由光的可逆性可知，光源發(fā)出的光線經(jīng)拋物面鏡反射后成為平行于光軸的平行光束。分析：19編輯版pppt例一一束平行于光軸的光線入射到拋物面鏡上反射后，F(xiàn)為拋四成像的基本概念1.單心光束和像散光束1）單心光束：一束光線本身或其延長線交于一點(diǎn)。特殊：平行光束——會(huì)聚于無窮遠(yuǎn)會(huì)聚光束發(fā)散光束20編輯版pppt四成像的基本概念1.單心光束和像散光束1）單心光束：特殊：2）.像散光束：各條光線彼此既不平行又不完全相交于一點(diǎn)。2.

物和像物空間和像空間若干反射面、折射面——光學(xué)系統(tǒng)——系統(tǒng)成像的實(shí)質(zhì)——將入射同心光束轉(zhuǎn)化為出射同心光束實(shí)像：出射單心會(huì)聚光束的頂點(diǎn)虛像：出射單心發(fā)散光束的頂點(diǎn)實(shí)物點(diǎn)：入射單心發(fā)散光束的頂點(diǎn)虛物點(diǎn)：入射單心會(huì)聚光束的頂點(diǎn)21編輯版pppt2）.像散光束：各條光線彼此既不平行又不完全相交于一點(diǎn)。2實(shí)物成虛像虛物成實(shí)像實(shí)物成實(shí)像虛物成虛像同心光束通過光學(xué)系統(tǒng)后生成點(diǎn)像22編輯版pppt實(shí)物成虛像虛物成實(shí)像實(shí)物成實(shí)像虛物成虛像同心光束通過光學(xué)系統(tǒng)3.理想光學(xué)系統(tǒng)物像之間的共軛理想光學(xué)系統(tǒng)——能實(shí)現(xiàn)同心光束變換的光學(xué)系統(tǒng)

性質(zhì):(1)物空間一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)像空間的一個(gè)點(diǎn);(2)物空間的一條直線對(duì)應(yīng)于像空間的一條直線;(3)物空間的一個(gè)平面對(duì)應(yīng)于像空間的一個(gè)平面。點(diǎn)—點(diǎn)線—線面—面共軛性4.理想光學(xué)系統(tǒng)物像之間的等光程性可用費(fèi)馬原理證明23編輯版pppt3.理想光學(xué)系統(tǒng)物像之間的共軛理想光學(xué)系統(tǒng)——能實(shí)現(xiàn)同心感謝親觀看此幻燈片，此課件部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們刪除，謝謝配合！24感謝親觀看此幻燈片，此課件部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，24幾何光學(xué)的幾何光學(xué)的第三章25編輯版pppt幾何光學(xué)的幾何光學(xué)的第三章1編輯版pppt本章內(nèi)容本章內(nèi)容Contentschapter1幾何光學(xué)的基本定律

basiclawsofgeometricOptics費(fèi)馬原理與成像有關(guān)的基本概念basicconceptionsofimageformation傍軸成像理論imageformingtheorybythegeneralcentredsystemprincipleofFermat26編輯版pppt本章內(nèi)容本章內(nèi)容Contentschapter1幾何光學(xué)BasiclawsofgeometricOptics機(jī)械波的產(chǎn)生及描述幾何光學(xué)的基本定律費(fèi)馬原理3–1ssss27編輯版ppptBasiclawsofgeometricOptics1.1幾何光學(xué)的基本定律光線—光能傳播方向的幾何線光束—有一定幾何關(guān)系的一些光線的集合一.光源和光線1.光源光源—任何發(fā)光物體：太陽、燭焰、鎢絲白熾燈、日光燈、高壓水銀熒光燈等點(diǎn)光源—可看成幾何上的點(diǎn)，只有空間位置無體積的光源2.光線和光束28編輯版pppt1.1幾何光學(xué)的基本定律光線—光能傳播方向的幾何線一.光幾何光學(xué)中幾何方法討論成像規(guī)律3.波面波面：在任意時(shí)刻,振動(dòng)位相值相同的各點(diǎn)所構(gòu)成的曲面光振動(dòng)—用電磁波中電場(chǎng)強(qiáng)度的變化表示波面對(duì)應(yīng)的法線就是光束29編輯版pppt幾何光學(xué)中幾何方法討論成像規(guī)律3.波面波面：在任意時(shí)刻,振二.幾何光學(xué)的基本定律1.光的直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播2.光的獨(dú)立傳播定律：兩束光在傳播途中相遇時(shí)互不干擾，即每一束光的傳播方向及其他性質(zhì)(頻率、波長、偏振狀態(tài))都不因另一束光線的存在而發(fā)生改變(1)光的反射定律：反射線位于入射面內(nèi)，反射線和入射線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角，即3.光的折射反射定律：30編輯版pppt二.幾何光學(xué)的基本定律1.光的直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)中(2)光的折射定律：折射線位于入射面內(nèi),折射線與入射線分居法線兩側(cè)，入射角的正弦與折射角的正弦之比為一與入射角無關(guān)的常數(shù)，即*漫射：當(dāng)界面粗糙時(shí),各入射點(diǎn)處法線不平行,即使入射光是平行的,反射光和折射光也向各方向分散開—漫反射或漫折射。介紹31編輯版pppt(2)光的折射定律：折射線位于入射面內(nèi),折射線與入射線分居4.光的可逆性由于折射定律的對(duì)稱性,可得出光線傳播的可逆性。表明：當(dāng)光線沿與原來方向相反的方向傳播時(shí)，其路徑不變。注意：在不考慮介質(zhì)吸收引起損耗時(shí)，波動(dòng)現(xiàn)象就是一個(gè)可逆過程。32編輯版pppt4.光的可逆性由于折射定律的對(duì)稱性,可得出光線傳播的可逆性。三、費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理是一個(gè)描述光線傳播行為的原理1.光程在均勻介質(zhì)中,光程[l]為光在介質(zhì)中通過的幾何路程

l與該介質(zhì)的折射率

n的乘積：1）.直接用真空中的光速來計(jì)算光在不同介質(zhì)中通過一定幾何路程所需要的時(shí)間。33編輯版pppt三、費(fèi)馬原理費(fèi)馬原理是一個(gè)描述光線傳播行為的原理1.光程◆分區(qū)均勻介質(zhì):◆連續(xù)介質(zhì):2）.光程表示光在介質(zhì)中通過真實(shí)路程所需時(shí)間內(nèi),在真空中所能傳播的路程。34編輯版pppt◆分區(qū)均勻介質(zhì):◆連續(xù)介質(zhì):2）.光程表示光在介質(zhì)中通2.費(fèi)馬原理的表述及討論空間中兩點(diǎn)間的實(shí)際光線路徑是所經(jīng)歷光程的平穩(wěn)路徑平穩(wěn)：當(dāng)光線以任何方式對(duì)該路徑有無限小的偏離時(shí)，相應(yīng)的光程的一階改變量為零。如果有改變只能是二階或二階以上的無限小量。換言之：在A、B兩點(diǎn)間光線傳播的實(shí)際路徑，與任何其他可能路徑相比其光程為極值，極值為極大或極小或恒定值。即光線的實(shí)際路徑上光程變分為零：兩點(diǎn)之間光沿著所需時(shí)間為極值的路徑傳播35編輯版pppt2.費(fèi)馬原理的表述及討論空間中兩點(diǎn)間的實(shí)際光線路平穩(wěn)：當(dāng)光線實(shí)際光程在不同情況下相應(yīng)于極大值、極小值和拐點(diǎn)36編輯版pppt實(shí)際光程在不同情況下相應(yīng)于極大值、極小值和拐點(diǎn)12編輯版pp變分：對(duì)一般一元或多元函數(shù)，當(dāng)自變量發(fā)生變化時(shí)，函數(shù)的一階或高階改變量可以表示為函數(shù)的一階或高階微分。但光程與一般的空間坐標(biāo)函數(shù)不同，對(duì)給定點(diǎn)AB，每一可能的光線路徑均為空間坐標(biāo)函數(shù)，而光程一般隨不同路徑而變化，即它可以稱為函數(shù)的函數(shù)，這時(shí)光程的改變一般稱為變分。3.費(fèi)馬原理的應(yīng)用1）.根據(jù)直線是兩點(diǎn)間最短距離這一幾何公理,對(duì)于真空或均勻介質(zhì),費(fèi)馬原理可直接得到光線的直線傳播定律。2）.費(fèi)馬原理只涉及光線傳播路徑,并未涉及到光線的傳播方向。若路徑AB的路徑取極值，則其逆路徑BA的光程也取極值——包含了光的可逆性。37編輯版pppt變分：對(duì)一般一元或多元函數(shù)，當(dāng)自變量發(fā)生變化時(shí)，3.費(fèi)馬原理38編輯版pppt14編輯版pppt4.由費(fèi)馬原理導(dǎo)出光的反射定律AB的光程為光程取極值入射線和反射線應(yīng)在xy平面內(nèi).光程[l]取極小值39編輯版pppt4.由費(fèi)馬原理導(dǎo)出光的反射定律AB的光程為光程取極值入射線有5.由費(fèi)馬原理導(dǎo)出折射定律40編輯版pppt有5.由費(fèi)馬原理導(dǎo)出折射定律16編輯版pppt由光程取極值:41編輯版pppt由光程取極值:17編輯版pppt四.梯度折射率介質(zhì)中光線的彎曲即為折射率隨不同位置呈連續(xù)變化的介質(zhì)利用梯度折射率介質(zhì)中光線的彎曲,可以表解釋蜃景的現(xiàn)象42編輯版pppt四.梯度折射率介質(zhì)中光線的彎曲即為折射率隨不同位置呈連續(xù)變化例一一束平行于光軸的光線入射到拋物面鏡上反射后，會(huì)聚于焦點(diǎn)F。試證所有這些光到達(dá)焦點(diǎn)上光程相等。F為拋物面的焦點(diǎn)，MN為其準(zhǔn)線拋物線性質(zhì)即討論：如果將點(diǎn)光源置于焦點(diǎn)處，由光的可逆性可知，光源發(fā)出的光線經(jīng)拋物面鏡反射后成為平行于光軸的平行光束。分析：43編輯版pppt例一一束平行于光軸的光線入射到拋物面鏡上反射后，F(xiàn)為拋四成像的基本概念1.單心光束和像散光束1）單心光束：