第1章：光波、光线和成像论述.pdfVIP

1应用光学 谭峭峰 清华大学 精密仪器系 光电工程研究所 tanqf@mail.tsinghua.edu.cn 第一章 光波、光线和成像 光是电磁波的一种，覆盖特定的波长范围。 1.1 引言 §1.1.1光是电磁波 图1-1 电磁波按波长的分类 真空中光的传播速度 c = 299,792,458 m/s 光波的速度v、波长?和频率?：v = ?? 折射率：n = c/v = n(?) ? 光源与发光点：从物理学的观点看，任何发光的物体都可 以叫作光源。在几何光学中，把凡是发出光线的物体，不 论它本身发光体或是因为被照明而漫反射光的物体，都称 为光源。如果某光源可看成几何学上的点，它只占有空间 位置而无体积和线度，则称之为发光点或点光源。 ? 光线与光束 光线是表示光能传播方向的几何线 有一定 基本概念 ： 。 关系的一些光线的集合称为光束。 ? 光波波面：光是一种电磁波。某一时刻其振动位相相同的 点所构成的面称光波波面。在各向同性介质中，光沿着波 面法线方向传播，所以可以认为光波波面的法线就是几何 光学中的光线。与波面对应的法线束就是光束。 图1-2 球面波和平面波 2如果所讨论的光波波长与光学系统的口径大小相 比小到可以忽略，则可以抽象出在几何光学和应 用光学中广泛应用的光线模型。 §1.1.2 光线及其性质 光线传播几个基本定律 1.直线传播 光线的性质： 光在均匀介质中沿直线传播。 从不同的光源发出的光束以不同方向通2.独立传播 3.反射定律 4.折射定律 斯涅耳(Snell)定律 过某点时，彼此互不影响，各光束独立 传播。 反射定律： 入射光线、法线和反射光 线在同一平面内； 入射光线和反射光线在法 线的两侧； I=I (1-1)图1-3 光线的反射 反射角等于入射角 折射定律： 入射光线、法线和折射光 线在同一平面内； 入射光线和折射光线在法 线的两侧； 图1-4 光线的折射 nsinI = nsinI (1-2) 入射角与折射角的正弦之 比与入射角无关，是一个 与介质与光的波长有关的 常数： n?=? n，折射定律可推导出反射定律 当光从光密介质(n大)入射向光疏介质(n小)且入射角 I增大到某一程度时，折射角I?达到90o ，折射光线沿 界面掠射出去，此时的入射角称为临界角，记为Ic。 若入射角继续增大，入射角I大于临界角Ic的那些光 线不能折射进入第二种介质，而全部反射回第一种 介质 即发生了全反射现象 全反射： nsinI = nsinI ， 。 Ic 90? I I 光疏介质 光密介质 I? IIc 全反射棱镜 I? I 反射镜 n0n2 n1 1I cI? 纤芯 包层 3光路可逆： 图1-5 光线在玻璃块中的折射和反射 45? §1.1.3 光学材料及色散 图1-6 光的色散、典型玻璃的色散曲线 色散的表示： 1.用两个不同波长的折射率的差来描述。 可见光波段：?n=nF?nC C线，红色氢光，波长656.2725nm F线，蓝色氢光，波长486.1327nm 2.阿贝(Abbe)数V： (1-3) d线，黄色氦光，波长587.5618nm 非常接近人眼最敏感波长 1d F C nV n n ? ? ? 不同物质对不同波长的光进行选择吸收。当具有连续光 谱的光（白光）通过物质后，再进入光谱仪进行分析，将形 成“吸收光谱”。当物质对某一波长的光强烈吸收，吸收光 谱中会出现“暗线”，通过这些“暗线”可以推断出物质成 分。 太阳光谱是典型的暗线吸收光谱，在连续光谱背景上呈 F线、C线、d线 现许多暗线。这些暗线是夫琅和费（J. von Fraunhofer）首 先发现并用A、B、C、……等进行标志，称之为夫琅和费谱 线。成像光学系统设计中常用的F光、C光、d光等由此而来。 这些谱线是太阳大气中的原子对太阳核聚变发射的连续光谱 进行选择吸收的结果，从中可以知道太阳大气中所包括的物 质成分。现已查明，太阳主要由氢的同位素氘、氚和氦组成， 还包括钠、铁等60多种元素。 代号 波长/nm 吸收物质 代号 波长/nm 吸收物质 A 754.9~762.1 O2 b4 516.7343 Mg B 686.7~688.4 O2 c 495.7609 Fe C 656.2725 H F 486.1327 H a 627.6~628.7 O2 d 466.8140 Fe D1 589.5923 Na e 438.3547 H D2 589.9953 Na G’ 434.0465 H D3 587.5618 He G 430.7906 Fe E2 526 9541 Fe G 430 7741 Ca 表1-1 夫琅和费谱线 . . b1 518.3618 Mg g 422.67