工程光学第一章基本定律与剖析.ppt

* （二）成像放大率 可见αγ=β，表明单个折射球面的成像特性具有普遍意义。 * 本章要点总结： 1）几何光学基本定律 2）完善成像条件 3）近轴光路计算 4）单折射面成像特性 * 光的发展史 人类对光的研究分为两个方面：光的本性，以此来研究各种光学现象，称为物理光学；光的传播规律和传播现象称为几何光学。 1666年牛顿提出的“微粒说” 1678年惠更斯的“波动说” 1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光的电磁波 1905年爱因斯坦提出了“光子”说 * 上篇几何光学与光学设计 几何光学：撇开光的波动本质，仅以光线为基础，研究光在介质中传播问题的学科。 本章以光线为基础，用几何的方法，研究光的传播规律及光学系统的成像特征。 * 第一章 几何光学基本定律与成像概念 §1-1 几何光学的基本定律 §1-2 成像的基本概念与完善成像条件 §1-3 光路计算与近轴光学系统 §1-4 球面光学成像系统 * §1-1 几何光学的基本定律 一、光波与光线 一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它情况均可以将光看成是电磁波。 可见光的波长范围：380-780nm 单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，称之为单色光； 复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光； 白光是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。 光在真空中的速度 * Spectrum of electromagnetic ( or Hertzian) wave * 光源（发光体）：从物理学的角度看，能辐射光能的物体称为光源。一切自身发光或受照发光的物体可看成光源。 光线：在几何光学中，将发光点发出的光抽象为许多携带能量并带有方向的几何线。光线是无直径、无体积，而有方向性的几何线，其方向代表光能传播的方向。 点光源（发光点） ：当光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，此光源可认为是点光源。如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个发光点。 * 波面（波阵面）：光波向周围传播，在某一瞬时，其振动相位相同的点所构成的曲面称为波面。光的传播即为光波波面的传播，即沿着波面法线方向传播。 波面分： 任意曲面波（像差作用实际光学系统使同心光束不同心） 平面波（在距发光点无限远处），对应平行光束 球面波（以发光点为中心的同心球面），对应同心光束 光束：与波面对应的所有光线的集合。 * 二、几何光学基本定律 （一）光的直线传播定律 在各向同性的均匀透明介质中，光是沿直线传播的，且在途中不遇到小孔、狭缝和不透明的小屏障等阻挡。 （二）光的独立传播定律 从不同发光体发出的互相独立的光线，以不同方向相交于空间介质中某一点，彼此互不影响，各光线独立传播。 （三）光的折射定律与反射定律 光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光能量折射入另一介质。 * 反射定律、折射定律 实验证明： （1） 反射光线和折射光线都在入射面内，它们与入射光分别在法线两侧。 （2）反射角等于入射角。即: （3）折射角的正弦与入射角的正弦比与入射角无关，仅由两种介质的性质决定。即: 一定波长的单色光在真空中的传播速度与它在给定介质中的传播速度之比，称为该介质对指定波长的光的绝对折射率。即： n = c/v 通常所讲的介质的折射率是介质相对于空气的折射率。 当n′=-n时，折射定律就转化为反射定律。 * （四）全反射现象 在一定条件下，入射到介质上的光全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，即发生全反射。 产生全反射的条件： ①光线从光密介质射向光疏介质，即: ②入射角大于临界角，即: 全反射有比一般反射更优越的性能，它几乎无能量的损失，因此用途广泛。光纤就是其中的一种。 * * （五）光路的可逆性原理 即光线的传播是可逆的。 * 三、费马定律（极端光程定律） 光程：指光在介质中传播的几何路程l与该介质折射率n的乘积。S=nl 即光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。 费马定律：光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次折射或反射，其光程为极值。即光是沿着光程为极值（极大、极小或常数）的路径传播的。 反射定律和折射定律均可由费马原理导出。 * ①由费马原理导出反射定律 * ②由费马原理导出折射定律 * 四、马吕斯定律 指出：光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。 表明：垂直于波面的光线束经过任意多次折、反射后，无论折、反射面如何，出射光束仍垂直于出射波面。 由于光程l是几何路径s和介质折射率n的乘积，即 表明：只要光线的传播时间t相同，它们的光程也就相同，即任意两波面之间是等光程。 * §1-2 成像的基本概念与完善成像条件 一、光学系统与