第三章几何光学的基本原理.pptx

第3章 几何光学的基本原理Chap.3 Basic Principlesof Geometrical Optics主 要 内 容费马原理 成像的基本概念单心光束 物 像光在平面界面上的反射和折射 光导纤维光束单心性的破坏，全反射光在球面上的反射和折射近轴光线条件下球面反射的物像公式近轴光线条件下球面折射的物像公式近轴物近轴光线成像的条件薄透镜共轴理想光具组的基点和基面Notice:直线传播、反射、折射成像问题波面的线度远大于波长时----光沿直线传播，几何光学是近似的、实用的不涉及波长、相位等概念，使用波面、波线的概念几何光学所研究的对象实际上就是波动光学中当波长趋于零的极限情况，几何光学属于波动光学的一部分。 几何光学的点、线、面点：光源、物体、像都看成是点的集合。线：光波的传播抽象成几何线一样的光线，相当于波面的法线，代表了光的传播方向。光波由一束光线表示，平面波对应于平行光束，球面波对应于同心光束如图平行光束与同心光束波线波面波面3.1 几个基本概念和定律 费马原理3.1.1、光线与波面波线球面波平面波光线：描述光的传播方向的几何线。在均匀介质中，光线与波线重合。 光束与光线： 光线是几何线，无横截面积，是假想的光束是实际存在的，总有一定的横截面积且无法通过小孔获取细光束----衍射的存在会使得光束不细反粗.光线≠光束，不能把很窄很细的一束光叫做光线 一束光可以看做是由许多光线构成的。光束3.1.2、几何光学的基本实验定律 （1）光在均匀介质中的直线传播定律 （物体的影子、小孔成像 ） （2）光通过两种介质分界面时的反射定律和折射定律 （3）光的独立传播定律和光路可逆原理. 光的独立传播定律：两束光在传播途中相遇时互不干扰，即每一束光的传播方向及其他性质（频率、波长、偏振状态）都不因另一束光线的存在而发生改变。例如：光束相交处的光强是一种简单的叠加，探照灯。不考虑光的干涉现象光路的可逆性原理：当光线沿与原来方向相反的方向传播时，其路径不变。（由折射定律的对称性可得）适用条件： 光波面线度R远大于光波长λ（否则，用衍射光学）3.1.3 费马原理(Fermat’s Principle) 1、费马原理的描述 光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。（大多是极小值）极小值：图（ｂ）　 光的直线传播、 光的反射定律、 折射定律　极大值：图（c）恒定值：图（a）ABABi’iCDPB’用费马原理解释三个基本实验规律1）均匀介质中的直线传播两点间直线距离最短----光路为直线2）反射定律 只有当APB’为直线时 APB的光程最短， 此时： i=i’ 入射光线、法线、反射光线共面y(x1,y1)Ai1(x,0)CO’Oxi2C’MB(x2,y2)3) 折射定律 AC’AC，C’BCB入射点必在入射面与界面的交线上----入射光线、法线、反射光线共面n1AC+n2CB----极小值 光程取极大值的例子: 左图表示凹球面反射镜，C为其球心，P为球面顶点，过C作PC的垂线，A和A’为垂线上任意一对与C点等距离的点。光路APA’满足反射定律，为实际光路。可以证明，它与邻近光路相比，光程为极大值。 证: 过凹球面的顶点P，以A和A’为焦点作椭球面。显然，椭球面在球面的外面，它们相切于P点。对球面的任意邻近光路AQA’,由于A’R+RQA ’ Q,所以(ARA’)(AQA’), 而(ARA’)=(APA’),故(APA’)(AQA’)。 即凹球面反射镜的这条实际光路APA’与邻近光路比，为光程极大。回转椭球面的凹面镜：光程取恒定值 在均匀介质中的两点间（直线传播）、经平面反射的两点间，以及经平面折射的两点间的实际光路均是光程取极小值的情形。成像系统的物点和像点之间为光程取恒定值的情形。物点像点QP1P2像散光束单心光束单心光束与像散光束3.1.4 单心光束 实像和虚像1.单心光束：凡是具有单个顶点的光束﹙同心光束﹚。单心光束（同心光束）：光线本身或其延长线可以交于一点的光束。（一束光线有一个共同的中心） 发散光束：由一发光点发出的光束；汇聚光束：向唯一中心会聚的光束。2 .物点与像点物点： 入射到光学系统的单心光束的顶点（P） 像点：经光学系统出射后又汇聚的单心光束的顶点（P?）3实像与虚像实像点： 会聚的出射单心光束的顶点（P?）虚像点： 发散的出射单心光束的顶点（P?）3.1.5 实物、实像、虚像的概念物点：发光点，或入射单心光束的顶点。 实物点：发散的入射光束的顶点。 实物：由实物点构成的物体。 虚物点：会聚的入射光束的顶点，或入射光束延长线的交点。 像点：光具组（光学系统）出射的单心光束的顶点。 实像点：会聚的单心出射光束的顶点。 虚像点：发散的单心出射光束的顶点。 实物点、实像点、虚像点的