幾何光學(xué)基礎(chǔ)-光的基本概念和基本定律（眼鏡光學(xué)課件）

幾何光學(xué)基本概念教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)能力目標(biāo)教學(xué)目的思政元素專業(yè)—敬業(yè)、細(xì)心—耐心掌握幾何光學(xué)的基本概念幾何光學(xué)名詞術(shù)語(yǔ)掌握幾何光學(xué)基本概念和名詞術(shù)語(yǔ)幾何光學(xué)基本概念PART01

一、幾何光學(xué)基本概念

幾何光學(xué)是以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播和成像規(guī)律。在幾何光學(xué)中，把組成物體的物點(diǎn)看作是幾何點(diǎn)，把它所發(fā)出的光束看作是無(wú)數(shù)幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向。

對(duì)于眼鏡矯正視力，物體在視網(wǎng)膜上成像，主要從幾何光學(xué)角度研究。

對(duì)于一些眼鏡產(chǎn)品特殊性能，如鍍膜鏡片、偏光鏡片、太陽(yáng)鏡、有色鏡片等，主要從波動(dòng)光學(xué)角度研究。幾何光學(xué)幾何光學(xué)基本概念PART02

二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)發(fā)光體、發(fā)光點(diǎn)、光路發(fā)光體在幾何光學(xué)中，一切自身發(fā)光（或被照亮）的物體均可視為發(fā)光體。發(fā)光點(diǎn)

只有幾何位置而不計(jì)大小的光源稱為發(fā)光點(diǎn)。任何被成像物體（發(fā)光體）均由無(wú)數(shù)個(gè)發(fā)光點(diǎn)組成。在研究光的傳播和物體的成像問題時(shí)，常用物體上某些特定的幾何發(fā)光點(diǎn)進(jìn)行討論。光路

光線走過(guò)的路徑。（規(guī)定：光線由左至右為正光路，反之為負(fù)）。二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)光線、光束光線

光線是無(wú)直徑、無(wú)體積、有一定方向、攜帶能量的幾何線，用來(lái)表示光的傳播方向。光線是波面的法線。光束

波面的法線束。由正負(fù)號(hào)規(guī)定傳播方向，順光路正，逆光路負(fù)同心光束、平行光束同心光束發(fā)自同一點(diǎn)或會(huì)聚于（包括反向延長(zhǎng)線）同一點(diǎn)的光束。平行光束

彼此平行的光線構(gòu)成的光束。也是無(wú)限遠(yuǎn)處的同心光束。二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)像散光束

平行光束會(huì)聚后既不相交于一點(diǎn)，又不互相平行，而是產(chǎn)生前后兩條相互垂直且不相交的焦線。

散光眼或球柱鏡片會(huì)產(chǎn)生這種光束二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)物像共軛由物點(diǎn)A發(fā)出的一束發(fā)散光束，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，出射成為一像點(diǎn)A’的會(huì)聚光束。A和A’之間具有唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱之為物像共軛關(guān)系。即A發(fā)光成像于A'，A'發(fā)光成像于A。二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)物距、像距、焦距二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)物距

物體和透鏡之間的距離。（規(guī)定：由透鏡到物體，順光路為正，逆光路為負(fù)）。像距

像和透鏡之間的距離。（規(guī)定：由透鏡到像，順光路為正，逆光路為負(fù)）。焦距

焦點(diǎn)和透鏡之間的距離。（規(guī)定：由透鏡到焦點(diǎn)，順光路為正，逆光路為負(fù)）。有正負(fù)號(hào)規(guī)定方向物像空間、物像虛實(shí)二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)物或像在自己的空間是實(shí)的，在對(duì)方的空間是虛的。物空間和像空間

透鏡左側(cè)（光線來(lái)的方向）是物空間，透鏡右側(cè)（光線出射方向）是像空間。物像的虛實(shí)

由實(shí)際光線構(gòu)成的物或像是實(shí)物或?qū)嵪?；由?shí)際光線的延長(zhǎng)線相交所構(gòu)成的物或像，稱為虛物或虛像。

實(shí)像可以直接被像屏、底片或光電器件等接收或記錄。虛像可以被眼睛觀看到，但不能被像屏接收。物像空間、物像虛實(shí)二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)物或像在自己的空間是實(shí)的，在對(duì)方的空間是虛的。實(shí)線相交是實(shí)的，虛線相交是虛的。光線在兩個(gè)介質(zhì)表面二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)法線

光線由一個(gè)介質(zhì)射入另一個(gè)介質(zhì)，過(guò)入射點(diǎn)處，垂直于介質(zhì)表面的線段是法線。入射角

入射光線和法線的夾角（由入射光線轉(zhuǎn)向法線為正，反之為負(fù)）。反射角

反射光線和法線的夾角（由反射光線轉(zhuǎn)向法線為正，反之為負(fù)）。折射角

折射光線與法線的夾角（由折射光線轉(zhuǎn)向法線為正，反之為負(fù)）?！S光折射率

——藍(lán)光折射率

——紅光折射率

阿貝數(shù)

同一介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光折射率不同，白光是不同波長(zhǎng)光的混合光，被介質(zhì)折射后，由于各色光折射率不同，會(huì)出現(xiàn)折射程度的不同，即色散現(xiàn)象。表征介質(zhì)色散能力的參數(shù)叫阿貝數(shù)。鏡片的阿貝數(shù)通常在30—60之間，鏡片折射率越小，阿貝數(shù)越大，色散越小。二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)阿貝數(shù)二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)人眼分辨物體的最小視角是1'人眼分辨顏色的最小視角是4'

高折射率鏡片有時(shí)會(huì)在邊緣出現(xiàn)彩虹現(xiàn)象，彩虹現(xiàn)象的的出現(xiàn)距光學(xué)中心的距離是：阿貝數(shù)二、相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)例：鏡片-6.00DS，阿貝數(shù)40，問在距鏡片光學(xué)中心多遠(yuǎn)處看物體會(huì)有彩色現(xiàn)象？這個(gè)答案提示我們：選擇鏡片和鏡架時(shí)要注意彩虹現(xiàn)象出現(xiàn)的位置。小結(jié)發(fā)光體（發(fā)光點(diǎn)）光路（光線）光束（同心光束、平行光束、像散光束)法線（入射光線、反射光線、折射光線）物像共軛（物像空間、物像虛實(shí)）物距（像距、焦距）阿貝數(shù)（色散、彩虹現(xiàn)象）以光的直線傳播為基礎(chǔ)研究成像規(guī)律幾何光學(xué)相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)幾何光學(xué)基本定律教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)能力目標(biāo)教學(xué)目的思政元素專業(yè)—敬業(yè)、細(xì)心—耐心掌握幾何光學(xué)的基本定律、原理幾何光學(xué)基本定律和原理會(huì)運(yùn)用幾何光學(xué)的基本定律和符號(hào)規(guī)定幾何光學(xué)基本定律PART01

一、幾何光學(xué)基本定律

各向同性的均勻介質(zhì)中，光是沿著直線傳播的。這一定律可以解釋很多自然現(xiàn)象。光的直線傳播定律一、幾何光學(xué)基本定律光的獨(dú)立傳播定律

來(lái)自不同方向的光線在傳播途中相遇時(shí)，彼此互不影響，各自獨(dú)立地傳播；在相交處，其相互作用是簡(jiǎn)單地相加。一、幾何光學(xué)基本定律光的反射定律入射光線、反射光線和法線三者位于同一個(gè)平面入射光線和反射光線分別位于法線的兩側(cè)

入射角和反射角二者絕對(duì)值相等且符號(hào)相反nn’i-i”入射光線反射光線法線一、幾何光學(xué)基本定律光的折射定律入射光線、折射光線和法線三者位于同一平面內(nèi)入射角和折射角的正弦之比為一個(gè)常數(shù)，即為兩種介質(zhì)的折射率之比入射光線和折射光線分別位于法線的兩側(cè)或一、幾何光學(xué)基本定律光的折射定律

光線垂直入射介質(zhì)表面時(shí)，不改變方向，但速度減慢，波長(zhǎng)減小。n=1n’=1.33由折射定律：i=0時(shí)，i’=0一、幾何光學(xué)基本定律光的折射定律

光線以一定角度入射介質(zhì)表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏折。n=1n’=1.33一、幾何光學(xué)基本定律例1當(dāng)光線以30°入射角從空氣射向水面，水的折射率為1.33，問其反射光線和折射光線的方向？解：已知代入反射定律公式，得反射角為：代入折射定律公式，可求得折射角為：n=1n’=1.33i=30°i’=?-i”=?一、幾何光學(xué)基本定律例1當(dāng)光線以30°入射角從水射向空氣，水的折射率為1.33，問其折射光線的方向是多少？解：已知代入折射定律公式，可求得折射角為：n’

=1i’=?i=30°n=1.33一、幾何光學(xué)基本定律光的折射定律由上面例子可以看出光從低折射率介質(zhì)射入高折射率介質(zhì)時(shí)，折射角減小光從高折射率介質(zhì)射入低折射率介質(zhì)時(shí)，折射角增大案例水面以下的物體看起來(lái)比實(shí)際高，是因?yàn)檠劬φJ(rèn)為光沿直線傳播魚在水中看水面物體時(shí)，視角增大，是因?yàn)樗姓凵浣切∷畮缀喂鈱W(xué)原理PART02

二、幾何光學(xué)原理光路可逆原理

一條光線沿著一定的路線，從空間的A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)。如果我們?cè)贐點(diǎn)，按照與B點(diǎn)出射光線相反的方向投射一條光線，則此反向光線必沿同一條路線通過(guò)A點(diǎn)，光線傳播的這種性質(zhì)稱為光路可逆原理。二、幾何光學(xué)原理全反射原理表示入射光線由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，折射光線不再存在，入射光線全部反射回原介質(zhì)中。臨界角（全反射角）指折射角等于90°時(shí)對(duì)應(yīng)的入射角。二、幾何光學(xué)原理全反射原理例：光線由水中射向空氣，臨界角是多少？i’=90

n2=1imn1=1.33全反射由于光能量損失小，常用于遠(yuǎn)距光的傳輸（光導(dǎo)纖維0、醫(yī)用窺鏡等。幾何光學(xué)符號(hào)規(guī)定PART03

三、幾何光學(xué)符號(hào)規(guī)定光路方向規(guī)定光線傳播方向從左向右為正光路，反之為逆光路。沿軸線段：由計(jì)算起點(diǎn)（原點(diǎn)）到終點(diǎn)的方向與光線傳播方向相同者為正值，反之為負(fù)值規(guī)定：球面曲率半徑r、物距l(xiāng)和像距l(xiāng)’以折射面頂點(diǎn)為原點(diǎn)。垂軸線段：以光軸為界，光軸上方為正，光軸下方為負(fù)線段三、幾何光學(xué)符號(hào)規(guī)定角度一律以銳角度量，由起始邊到終邊，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。

孔徑角u、u’（光線與光軸的夾角）是由光軸轉(zhuǎn)向光線入射角i、反射角i”和折射角i’（光線與法線的夾角）是由光線轉(zhuǎn)向法線球心角φ法線與光軸的夾角）是由光軸