幾何光學(xué)的基本原理-課件

第一章幾何光學(xué)的基本原理1ppt課件第一章幾何光學(xué)的基本原理1ppt課件1.1

光線的概念1.2

費(fèi)馬原理

1.3

單心光束實(shí)象和虛象1.4

光在平面界面上的反射和折射光學(xué)纖維1.5

光在球面上的反射和折射1.6

光連續(xù)在幾個(gè)球面界面上的折射虛物的概念1.7

薄透鏡2ppt課件1.1光線的概念2ppt課件1.8

近軸物點(diǎn)近軸光線成象的條件1.9

理想光具組的基點(diǎn)和基面1.10

理想光具組的放大率*基點(diǎn)和基面的性質(zhì)1.11

一般理想光具組的作圖求像法和物像公式3ppt課件1.8近軸物點(diǎn)近軸光線成象的條件3ppt課件1.1

光線的概念一、光線與波面1、光源：發(fā)光物體統(tǒng)稱光源以外形抽象分類點(diǎn)光源擴(kuò)展光源面光源線光源2、光線：表示光波能流傳播方向3、波面：是電磁波位相相同點(diǎn)的集合在各向同性媒質(zhì)中，能量傳播方向垂直于波面，即光線是波面的法線方向。平面波平行光球面波發(fā)散光球面波會(huì)聚光4ppt課件1.1光線的概念一、光線與波面以外形抽象點(diǎn)光源擴(kuò)展光源面光二、幾何光學(xué)的基本定律1.直線傳播定律均勻介質(zhì)中光沿直線傳播。非均勻介質(zhì)中，光以曲線傳播，向折射率增大方向彎曲2.反射和折射定律反射光和折射光在入射面內(nèi)；3.光的獨(dú)立傳播定律和光路可逆原理

光按照一定的規(guī)律傳播，若傳播方向逆轉(zhuǎn)，光路不變▲▲夏日柏油路上的倒影mirage5ppt課件二、幾何光學(xué)的基本定律1.直線傳播定律均勻介質(zhì)中光沿直線傳1.2

費(fèi)馬原理光在指定的兩點(diǎn)間傳播，實(shí)際的光程總是一個(gè)極值。也就是說(shuō)，光沿光程為最小值、最大值或恒定值的路程傳播。這就稱為費(fèi)馬原理。由費(fèi)馬原理可以直接推出直線傳播定律以及反射和折射定律。dsAB均勻介質(zhì)L=nr非均勻介質(zhì)dl=nds表達(dá)式：=極值（最大、最小或穩(wěn)定值）AB最小值恒定值6ppt課件1.2費(fèi)馬原理光在指定的兩點(diǎn)間傳播，實(shí)際的光程總是一個(gè)極1.3

光在平面界面上的反射和折射光學(xué)纖維

一、光在平面界面上的反射和折射1.反射由同心光束··PP’n1n2P··P’2.折射由同心光束

象散光束同心光束近垂直入射窄光束近似同心光束yy'yP.13例17ppt課件1.3光在平面界面上的反射和折射光學(xué)纖維一、光在平二、全反射光學(xué)纖維1.光密介質(zhì)——光疏介質(zhì)n1>n2n1n2i1i2ici1ic得，∴入射光線從光密進(jìn)入光疏介質(zhì)，入射角增加到某一值，折射光線消失，光被全部反射，這種現(xiàn)象稱為全反射。定義：—臨界角8ppt課件二、全反射光學(xué)纖維1.光密介質(zhì)——光疏介質(zhì)n1>n22.光學(xué)纖維n1n2均勻材料：芯（光密介質(zhì)），皮（光疏介質(zhì)）n1>n2不均勻材料：光在此中傳播向折射率高的方向彎曲。三、棱鏡中間折射率高，兩邊的低A棱鏡的作用：使光路發(fā)生轉(zhuǎn)向。全反射向后反射不損失能量9ppt課件2.光學(xué)纖維n1n2均勻材料：芯（光密介質(zhì)），皮（光疏介質(zhì)出射光線和入射光線之間的夾角θ稱為偏向角。定義：θAi1i2當(dāng)i1=i2時(shí)，偏向角最小，即為最小偏向角θ

0。（對(duì)稱光路）測(cè)出棱鏡的最小偏向角，就可求出棱鏡的折射率：棱鏡的作用：2、色散n=n(

)，形成光譜。折射棱主截面棱鏡角光譜：紅光偏折小藍(lán)光偏折大只有單一級(jí)光譜10ppt課件出射光線和入射光線之間的夾角θ稱為偏向角。定義：θAi1i21.4

單心光束實(shí)象和虛象（與1.6合并）一、幾個(gè)名稱光學(xué)系統(tǒng)光通過(guò)若干被規(guī)則幾何形狀界面分開的均勻介質(zhì)，在界面上發(fā)生折射、反射，構(gòu)成一光學(xué)系統(tǒng)。2.共軸光具組界面是球面(包括平面），所有球面的球心在一條直線上，這種系統(tǒng)稱為共軸光具組。光學(xué)系統(tǒng)共軸光具組非共軸光具組主軸：球心間的連線11ppt課件1.4單心光束實(shí)象和虛象（與1.6合并）一、幾個(gè)名稱光3.單心光束——光束中的光線(包括延長(zhǎng)線)

交于一點(diǎn)。象散光束——光束中的光線不交于一點(diǎn)。(包括延長(zhǎng)線)多是經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后引起12ppt課件3.單心光束——光束中的光線(包括延長(zhǎng)線)象散光束——光束二、物和像的概念物——入射單心光束的心。像——出射單心光束的心。虛像——出射發(fā)散光束的心。像｛

實(shí)像——出射會(huì)聚光束的心。物｛

實(shí)物——入射發(fā)散光束的心。虛物——入射會(huì)聚光束的心。所謂的“入射”“出射”是對(duì)某一光學(xué)系統(tǒng)而言L1L2L3n1n2n3n4L1:L2:L3:L1L2:L1

L2L3:實(shí)物虛像實(shí)物實(shí)像虛物實(shí)像實(shí)物實(shí)像實(shí)物實(shí)像13ppt課件二、物和像的概念物——入射單心光束的心。像——出射單心光束的*共軛關(guān)系由光路可逆原理，光線方向逆轉(zhuǎn)，物像互換。

物像共軛物像一一對(duì)應(yīng)物像互換（光線逆轉(zhuǎn)）光線共軛入射光線、出射光線一一對(duì)應(yīng)入射光線、出射光線互換（光線逆轉(zhuǎn)）*物像間所有光線光程相等14ppt課件*共軛關(guān)系物像共軛物像一一對(duì)應(yīng)物像互換（光線逆轉(zhuǎn)）光線共軛入1.5

光在球面上的反射和折射??一、符號(hào)法則1.幾個(gè)基本物理量主軸——通過(guò)球面球心的直線。頂點(diǎn)——主軸與球面的交點(diǎn)。主截面——通過(guò)主軸的平面。2.符號(hào)法則（1）沿主軸的線段，以頂點(diǎn)為起點(diǎn)，向右為正，向左為負(fù)。-pp'P’POn1n2y-y'╮

-u╭

u'15ppt課件1.5光在球面上的反射和折射??一、符號(hào)法則1.幾個(gè)基本（2）垂直于主軸的線段，主軸之上為正，主軸之下為負(fù)。（3）角度（以銳角量度）以主軸轉(zhuǎn)向考慮的光線順時(shí)針為正逆時(shí)針為負(fù)｛這種符號(hào)法則稱之為新笛卡兒符號(hào)法則。rl'-pp'P’PCnn'y-y'╮

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φA16ppt課件（2）垂直于主軸的線段，主軸之上為正，主軸之下為負(fù)。（3）角二、近軸條件下的物象公式如果u,u’張開角度很小，即為近軸條件。稱近軸光線成像——近軸條件下的物象公式成像公式近似為：其特性：1.

結(jié)構(gòu)參量——光焦度2.

物象共軛3.

平面則（1）17ppt課件二、近軸條件下的物象公式如果u,u’張開角度很小，即為近軸條4.

反射(n'=-n),物象公式為：5.

象方焦點(diǎn)：軸上無(wú)窮遠(yuǎn)物對(duì)應(yīng)的象點(diǎn)F'。

物方焦點(diǎn)：軸上無(wú)窮遠(yuǎn)的象點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)F。

焦距：頂點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離(象方焦距f',

物方焦距f)，它們遵守符號(hào)法則。注：光路逆轉(zhuǎn)，F(xiàn),F'變，符號(hào)法則不變。而，反射：（2）且，根據(jù)焦距的定義，有（3）18ppt課件4.反射(n'=-n),物象公式為：5.象方焦點(diǎn)：軸上四、高斯公式和牛頓公式由得即1.高斯公式——高斯公式2.牛頓公式焦物距x：物方焦點(diǎn)到物點(diǎn)的距離。焦象距x'：象方焦點(diǎn)到象點(diǎn)的距離。（4）19ppt課件四、高斯公式和牛頓公式由得即1.高斯公式——高斯公式2.根據(jù)上面的定義,有：p=x+f,p'=x'+f'代入高斯公式，（5）公式（1）—（5）對(duì)應(yīng)于單折射面的公式。-pp'P’Pnn'????-ff'FF'x'-x20ppt課件根據(jù)上面的定義,有：p=x+f,p'=x'+f'代f-f’-p’請(qǐng)?jiān)谙聢D上標(biāo)出p,p’;f,f’;x,x'nn’PP’F’F-p-xx'21ppt課件f-f’-p’請(qǐng)?jiān)谙聢D上標(biāo)出p,p’;f,f1.6

薄透鏡凸透鏡——中間比邊緣厚的透鏡。凹透鏡——中間比邊緣薄的透鏡。一、近軸成象公式·nt厚度

t→0

薄透鏡n·n1n2光心其中，遵守符號(hào)法則薄透鏡物象公式：∵t→0∴p1’=p222ppt課件1.6薄透鏡凸透鏡——中間比邊緣厚的透鏡。凹透鏡——中間比象方焦距：物方焦距：可以得到薄透鏡的高斯公式：23ppt課件象方焦距：物方焦距：可以得到薄透鏡的高斯公式：23ppt課件實(shí)際上，透鏡一般放在空氣中成象，即n1=n2=1則成立，n為相對(duì)折射率。這樣，高斯公式變?yōu)椋和ㄟ^(guò)計(jì)算，牛頓公式仍為：考慮：1）若薄透鏡置于折射率不為1的介質(zhì)中，公式成立嗎？2）在何種情況下，雙凸透鏡是發(fā)散透鏡？3）物距相同，像距一樣嗎？成像與透鏡放置無(wú)關(guān)24ppt課件實(shí)際上，透鏡一般放在空氣中成象，則成立，n為相對(duì)折射率。這樣例1.已知薄透鏡問(wèn)：（1）球面完全對(duì)稱，折射率n=1.5，求曲率半徑R1；（2）平凸透鏡，求曲率半徑R2。解：利用（1）（2）25ppt課件例1.已知薄透鏡問(wèn)：（1）球面完全對(duì)稱，折射率n=1.5，求例2，F(xiàn)1’F2L1L2L3解：（1）P對(duì)L1成像由象在L1左4cm處P對(duì)L2成像由對(duì)L3成像由26ppt課件例2，F(xiàn)1’F2L1L2L3解：（1）P對(duì)L1成像由象在L1由再對(duì)L2成像再對(duì)L1成像由在L1左4cm和右2cm處各成一像。27ppt課件由再對(duì)L2成像再對(duì)L1成像由在L1左4cm和右2cm處各成一（2）分析，運(yùn)用光路可逆原理，P經(jīng)L2，L3后仍成像在P處，則最后兩像重合。由凹面鏡成像可知，經(jīng)過(guò)球心的光線，經(jīng)凹面鏡反射，由原路返回。這樣，P經(jīng)L2，L3后仍成像在P處。則：L2，L3的間距為28ppt課件（2）分析，運(yùn)用光路可逆原理，P經(jīng)L2，L3后仍成像在P處，二、橫向放大率-pp'y-y'定義：由得利用-p=-(f+x),p'=(f'+x')及牛頓公式，得如果兩邊折射率不同，則29ppt課件二、橫向放大率-pp'y-y'定義：由得利用-p=-(f+xβ的討論：β>0,正立象β<0,倒立象{|β|>1,放大|β|<1,縮小{三、薄透鏡的作圖法成象1.焦點(diǎn)性質(zhì)··FF'2.光心性質(zhì)O30ppt課件β的討論：β>0,正立象β<0,倒立象{|β|3.物（象）方焦平面性質(zhì)FF'注：（1）光線方向，箭頭不可少；（2）輔助線用虛線。舉例：物方焦點(diǎn)象方焦點(diǎn)作圖利用利用物方焦平面光心作圖?F'?F?P?P'F?P?P'31ppt課件3.物（象）方焦平面性質(zhì)FF'注：（1）光線方向，箭頭不利用物方焦點(diǎn)象方焦平面作圖利用物方焦平面光心求共軛光線利用象方焦平面光心作圖ABF?F'F'FABA'B'ABA'B'A'B'32ppt課件利用物方焦點(diǎn)象方焦平面作圖利用物方焦平面光心求共軛光線利用象作圖法求物點(diǎn)P的像點(diǎn)P’。33ppt課件作圖法求物點(diǎn)P的像點(diǎn)P’。33ppt課件作圖求出射光線。34ppt課件作圖求出射光線。34ppt課件35ppt課件35ppt課件作圖法求光線PA經(jīng)凸面鏡后的反射光線。36ppt課件作圖法求光線PA經(jīng)凸面鏡后的反射光線。36ppt課件1.7

理想光具組的基點(diǎn)和基面一、在空氣中厚透鏡物象公式的高斯形式O1O2r1r2P?n-p1折射面O1：折射面O2：?p'2P’t兩折射面的焦距：??H'H?F?F'37ppt課件1.7理想光具組的基點(diǎn)和基面一、在空氣中厚透鏡物象公式的高厚透鏡公式：象方焦距：高斯公式：f'

H'F'f

HFp'

H'P'p

HP38ppt課件厚透鏡公式：象方焦距：高斯公式：f'H'F'f二、厚透鏡的基點(diǎn)和基面1.基點(diǎn)和基面通過(guò)HH'與主軸垂直的平面。通過(guò)FF'與主軸垂直的平面。物方主點(diǎn)H象方主點(diǎn)H'{物方節(jié)點(diǎn)K象方節(jié)點(diǎn)K'{物方焦點(diǎn)F象方焦點(diǎn)F'{物方焦平面象方焦平面{物方主平面象方主平面{經(jīng)過(guò)K點(diǎn)的任意光線，其共軛光線經(jīng)過(guò)K‘點(diǎn)，且方向不變。2.成象公式（遵守符號(hào)法則）高斯公式：牛頓公式：39ppt課件二、厚透鏡的基點(diǎn)和基面1.基點(diǎn)和基面通過(guò)H與主軸垂直的平面3.各種厚透鏡的主點(diǎn)位置H??H'??H'??H'HH?H'?H?H'?H?H'?40ppt課件3.各種厚透鏡的主點(diǎn)位置H??H'??H'??H'HH?H三、復(fù)合光具組的基點(diǎn)和基面H'1H1??H'2H2??????F1F'1F2F'2△

d-f1f'1f'2-f2兩厚透鏡組成的復(fù)合光具組可看成厚透鏡兩折射面的推廣，具體如下：復(fù)合光具組中n=1f'2=-f2td41ppt課件三、復(fù)合光具組的基點(diǎn)和基面H'1H1??H'2H2?????復(fù)合光具組的基本公式：o’=H'2H'o=H1H由又可得42ppt課件復(fù)合光具組的基本公式：o’=H'2H'o=H1H由又可得42例題：P.50,P.53解：已知，由得43ppt課件例題：P.50,P.53解：已知，由得43ppt課件例:一薄透鏡組由兩個(gè)會(huì)聚透鏡組成，cm，cm，兩鏡相距2cm，一小物置于左方4cm處。1）求系統(tǒng)的焦距。2）系統(tǒng)兩主點(diǎn)位置。3）求系統(tǒng)對(duì)小物成像后像的位置。（要求將組成一個(gè)系統(tǒng)后采用成像公式）4）作圖表明系統(tǒng)的主平面、焦點(diǎn)以及物像的位置。44ppt課件例:一薄透鏡組由兩個(gè)會(huì)聚透鏡組成，1）

cm

cm

cm

2）3）cmcmcm

45ppt課件1）cmcmcm2）1.8

理想光具組的放大率*基點(diǎn)和基面的性質(zhì)一、橫向放大率H'H??厚透鏡的放大率：可推導(dǎo)出，與薄透鏡的放大率形式相同46ppt課件1.8理想光具組的放大率*基點(diǎn)和基面的性質(zhì)一、橫向放大利用牛頓公式，放大率也可寫成：二、主點(diǎn)和主面的性質(zhì)主面——一對(duì)橫向放大率β=1的共軛平面。主點(diǎn)——一對(duì)共軛點(diǎn)，物距=象距=0。??PP'u'-u47ppt課件利用牛頓公式，放大率也可寫成：二、主點(diǎn)和主面的性質(zhì)主面——一三、節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)——角放大率為1的一對(duì)共軛點(diǎn)。1.角放大率理想近軸成象2.節(jié)點(diǎn)為γ=1的一對(duì)共軛點(diǎn)48ppt課件三、節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)——角放大率為1的一對(duì)共軛點(diǎn)。1.角放大率理想由此，可確定節(jié)點(diǎn)的位置：同一介質(zhì)H與KH'與K'重合不同介質(zhì)H與KH'與K'不重合{49ppt課件由此，可確定節(jié)點(diǎn)的位置：同一介質(zhì)H與K重合不同介質(zhì)H與K不重*1.9

一般理想光具組的作圖求像法和物像公式主要通過(guò){一對(duì)主平面兩個(gè)焦點(diǎn)、焦平面一對(duì)節(jié)點(diǎn)作圖}??H'H??FF'PQP'Q'例1例2H'H????PQFF'P'Q'50ppt課件*1.9一般理想光具組的作圖求像法和物像公式主要通過(guò){一對(duì)例3已知P、P'

，且Σ、

Σ'

是一對(duì)β=1.5的共軛面，求F、F'.??P'?F?F'PHH’例2’??HH'??PQFF'P'Q'51p