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文檔簡介
§7.1幾何光學(xué)的基本概念和定律一、幾何光學(xué)的基本概念
二、幾何光學(xué)的基本定律
1、光的直線傳播定律
2、光的獨(dú)立傳播定律
3、反射和折射定律
4、費(fèi)馬(Fermat)原理(1661年提出)5、馬呂斯(Malus)定律(1808年提出)三、光學(xué)系統(tǒng)及其完善像
§7.1幾何光學(xué)的基本概念和定律一、幾何光學(xué)的基本概念一、幾何光學(xué)的基本概念-§7.1基本概念和定律1、光源
能夠輻射光能的物體。
點(diǎn)光源:光源的大小相對(duì)輻射光能的作用距離小得可以忽略時(shí),光源可以視為點(diǎn)光源;2、波陣面某一時(shí)刻,同一光源輻射場的位相相同的點(diǎn)構(gòu)成的曲面。一、幾何光學(xué)的基本概念-§7.1基本一、幾何光學(xué)的基本概念-
§7.1基本概念和定律3、光線光線特征:
(1)光線無直徑、無體積,能量密度無限大
(2)在同一點(diǎn),同一光源的光線和波面垂直,即波面的法線方向?yàn)楣饩€的方向4、光路:光線的傳播路徑。一、幾何光學(xué)的基本概念-§7.1一、幾何光學(xué)的基本概念-§7.1基本概念和定律5、光束:和同一波面對(duì)應(yīng)的法線束。(波面------)平行光束發(fā)散的同心光束o會(huì)聚的同心光束o像散光束一、幾何光學(xué)的基本概念-§7.1基本概念和定律5A1、光的直線傳播定律-幾何光學(xué)的基本定律內(nèi)容:在各向同性的均勻介質(zhì)中,光沿直線傳播。
說明:
(1)光線為直線;(2)光的傳播速度(相速):
(3)介質(zhì)的折射率:。A1、光的直線傳播定律-幾何光學(xué)的基本定律內(nèi)容:2、光的獨(dú)立傳播定律-幾何光學(xué)的基本定律內(nèi)容:沿不同方向傳播的光線,通過空間一點(diǎn),彼此互不影響,各光線獨(dú)立傳播。
光線和電力線、磁力線比較:光線——無疊加定理,可以相交;電力線和磁力線——有疊加定理,不能相交。PAB2、光的獨(dú)立傳播定律-幾何光學(xué)的基本定3、光的反射折射定律-幾何光學(xué)的基本定律(1)實(shí)驗(yàn)
(a)
開普勒實(shí)驗(yàn)(1611年)(b)
斯涅耳實(shí)驗(yàn)
(1621年)內(nèi)容折射定律的矢量形式(4)反射定律的矢量形式(5)連續(xù)質(zhì)介中光線的傳播3、光的反射折射定律-幾何光學(xué)的基本定律(1)(1)-a開普勒實(shí)驗(yàn)(1611年)—光的反射折射定律開普勒比較入射角和折射角的實(shí)驗(yàn)裝置JLMNBCDGHEFab(1)-a開普勒實(shí)驗(yàn)(1611年)—光的反射折射定律開普勒(1)-b斯涅耳實(shí)驗(yàn)(1621年)—光的反射折射定律實(shí)驗(yàn)裝置:和Kepler實(shí)驗(yàn)裝置基本相同。結(jié)論:比值OS/OS
恒為常數(shù)。Snell實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖abOSS’P(上面定義的入射角和折射角和平時(shí)定義的正好互余,所以O(shè)S/OS
相當(dāng)于平時(shí)定義的折射角和入射角的正旋比。)(1)-b斯涅耳實(shí)驗(yàn)(1621年)—光的反射折射定律實(shí)驗(yàn)裝置(2)內(nèi)容—光的反射折射定律
光線從折射率為n的介質(zhì)入射到折射率為n
的介質(zhì)中,設(shè)入射角、反射角和折射角分別為I、I
和I
,如果規(guī)定光線按照銳角旋轉(zhuǎn)到法線方向,順時(shí)針為正,逆時(shí)針為負(fù),則
(i)入射光線和反射光線、折射光線分居法線兩側(cè),并且它們和法線共面;
(ii)I=-I
;
(iii)nsinI=n
sinI
。
nn
II
-I
反射和折射定律說明
(a)上面結(jié)論i和ii即為反射定律,結(jié)論i和iii為折射定律;
(b)反射定律可以看作折射定律的特殊形式;
n
->n
=-n,I
->I
;
(c)介質(zhì)界面及曲率半徑均較波長大得多,反射和折射定律在曲面的局部仍適用。
(2)內(nèi)容—光的反射折射定律光線從折射(3)折射定律的矢量形式—光的反射折射定律折射定律矢量表示nn’II’A=n
A0A’=n’A’0N0t說明
(1)N0方向從入射介質(zhì)指向折射介質(zhì),判斷方法—A﹒N0>0
(2)|A
|=n
(3)折射定律的矢量形式—光的反射折射(4)反射定律的矢量形式—光的反射折射定律折射定律矢量表示nn
I-I
A=n
A0A
=nA
0N0t說明:
(1)N0方向從入射介質(zhì)指向折射介質(zhì),判斷方法—A﹒N0>0
(2)|A
|=n(4)反射定律的矢量形式—光的反射折(5)連續(xù)質(zhì)介中光波的傳播—光的反射折射定律結(jié)論:光在介質(zhì)中傳播時(shí),有偏向折射率較高一側(cè)的趨勢
根據(jù)上述定性結(jié)論,可以對(duì)漸變介質(zhì)中光波傳播作定性的分析nn’II’n<n’,I>I’nn’II’n=n’,I=I’nn’II’n>n’,I<I’(5)連續(xù)質(zhì)介中光波的傳播—光的反射折射定律結(jié)(1)光程(2)Fermat原理內(nèi)容(3)推導(dǎo)光的直線傳播定律(4)推導(dǎo)光的反射定律(5)推導(dǎo)光的折射定律4、費(fèi)馬(Fermat)原理-幾何光學(xué)的基本定律(1)光程4、費(fèi)馬(Fermat)原理-幾何光學(xué)
光程指光在介質(zhì)中經(jīng)過的幾何路徑和介質(zhì)折射率的乘積,以字母L表示。均勻介質(zhì)中:L=n×s
其中n為介質(zhì)的折射率,s為光經(jīng)過的幾何路徑。非均勻介質(zhì)中
(1)光程-費(fèi)馬原理光程為光在介質(zhì)中傳播的時(shí)間和真空中光速的乘積.光程指光在介質(zhì)中經(jīng)過的幾何路徑和介質(zhì)折射率的乘積,
光線從任一點(diǎn)A傳播到另一點(diǎn)B,是沿光程為極值的路徑傳播。數(shù)學(xué)表示:
說明:該處極值可以是極大值、極小值或常值.
(2)Fermat原理內(nèi)容-費(fèi)馬原理光線從任一點(diǎn)A傳播到另一點(diǎn)B,是沿光程為極值的路徑傳極值可以是極大值、極小值或常值.Fermat原理的極值問題常值極大ABL1ABL2ABFermat原理取極值的幾種情況極小隨遇平衡不穩(wěn)平衡穩(wěn)定平衡極值可以是極大值、極小值或常值.Ferma(1)內(nèi)容
垂直于入射波面的入射光束,經(jīng)過任意次的反射和折射后,出射光束仍然垂直于出射波面,并且在入射波面和出射波面間所有光路的光程相等。(2)數(shù)學(xué)表示
5、馬呂斯(Malus)定律-幾何光學(xué)的基本定律
Malus定律的解釋圖ABC123A’B’C’3’2’1’p1p2光學(xué)系統(tǒng)(1)內(nèi)容垂直于入射波面的入射光束,經(jīng)過任意次的反射三、光學(xué)系統(tǒng)及其完善像-§7.1基本概念和定律1、共軸球面光學(xué)系統(tǒng)2、光學(xué)系統(tǒng)的物3、光學(xué)系統(tǒng)的完善像4、光學(xué)系統(tǒng)成完善像的條件5、物點(diǎn)成完善像的界面方法三、光學(xué)系統(tǒng)及其完善像-§7.1基本概念和定律1、1、共軸球面光學(xué)系統(tǒng)-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像C1C2C3C4光軸(1)
球面光學(xué)系統(tǒng)
各光學(xué)元件表面均為球面或者平面的光學(xué)系統(tǒng)。(3)光軸:共軸球面光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)元件表面的曲率中心所在的直線。
(4)子午面:共軸球面光學(xué)系統(tǒng)中,通過光軸的平面。(2)共軸球面光學(xué)系統(tǒng):球面光學(xué)系統(tǒng)中,各光學(xué)元件表面的曲率中心在同一直線上的光學(xué)系統(tǒng)。1、共軸球面光學(xué)系統(tǒng)-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像C1C2212、光學(xué)系統(tǒng)的物-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像(1)物點(diǎn)
實(shí)物點(diǎn):入射光線的會(huì)聚點(diǎn);虛物點(diǎn):入射光線延長線的會(huì)聚點(diǎn)。ABAB(3)物平面:在光軸光學(xué)系統(tǒng)中,經(jīng)過物點(diǎn)垂直光軸的平面稱為物平面。
(4)物空間:經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像以前的整個(gè)空間。
(2)物:物點(diǎn)的集合。實(shí)物:實(shí)物點(diǎn)的集合?!梢匀藶樵O(shè)置
虛物:虛物點(diǎn)的集合。——可由光學(xué)系統(tǒng)給出212、光學(xué)系統(tǒng)的物-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像3、光學(xué)系統(tǒng)的完善像-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像(1)像點(diǎn)同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后仍為同心光束,該同心光束的會(huì)聚點(diǎn)。
實(shí)像點(diǎn):出射光線的會(huì)聚點(diǎn);虛像點(diǎn):出射光線反向延長線的會(huì)聚點(diǎn)。
(共軛點(diǎn),共軛光線)BA1BA2A’1B’1A’2B’2(2)像:像點(diǎn)的集合。實(shí)像:實(shí)像點(diǎn)的集合。——可以用屏接收
虛像:虛像點(diǎn)的集合?!豢梢杂^察(3)像平面:經(jīng)過像點(diǎn)垂直光軸的平面稱為像平面。(共軛面)(4)像空間:經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像以后的整個(gè)空間。3、光學(xué)系統(tǒng)的完善像-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像
4、光學(xué)系統(tǒng)成完善像的條件-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像從物點(diǎn)到像點(diǎn)的所有光路等光程
A’Ap1p24、光學(xué)系統(tǒng)成完善像的條件-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像5、物點(diǎn)成完善像的界面方法-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像設(shè)置單一的反射或折射界面,一般可以對(duì)定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)成完善像。
(1)無限距離的物點(diǎn)反射成實(shí)像點(diǎn)
拋物面將無限距離的物點(diǎn)反射成有限距離的實(shí)(虛)像點(diǎn)
(2)有限距離的實(shí)物點(diǎn)反射成有限距離的實(shí)像點(diǎn)
橢球面將有限距離的實(shí)(虛)物點(diǎn)反射成有限距離的實(shí)(虛)像點(diǎn)
(3)有限距離的實(shí)物點(diǎn)反射成有限距離的虛像點(diǎn)
雙曲面將有限距離的實(shí)(虛)物點(diǎn)反射成有限距離的虛(實(shí))像點(diǎn)5、物點(diǎn)成完善像的界面方法-光學(xué)系統(tǒng)及其完善像設(shè)例題-光的反射折射定律的矢量形式例題1沿A0=i方向的光線,從n=1的介質(zhì)入射到的介質(zhì)中,已知界面的法線方向?yàn)?,求反射和折射光線的方向。
例題-光的反射折射定律的矢量形式例題1沿A7-2,
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