《光学教程》第一章几何光学.ppt

第一章? 几何光学基本原理; 从人们的直观感受来看，光是直线传播的。在物体尺度较大的条件下，用几何学方法研究光在透明介质中传播规律的理论体系，称为几何光学。;§1 基本概念和定律 费马原理;2.光的反射定律 ;3、光的折射定律;任何介质的折射率都等于光在真空中的传播速度c与光在该介质中的传播速度v的比值。 n=c/v绝对折射率 ; 4.光的独立传播定律。 多束光传播时互不干扰，独立传播。;5 .光路可逆原理 ;二、光程费马原理 ;2、费马原理 费马（1601-1655 法）在1650年首先提出：一条实际光线在任何两点A和B之间的光程比连接这两点的任何其他曲线的光程都要短。 ;费马原理的严格表述：光在传播过程中总是沿着光程为极值的路径传播。 费马原理是几何光学中最普遍的基本原理。由费马原理可推导出光的直线传播定律、光的反射定律、光的折射定律和光路可逆原理。 ;例：推导出光的折射定律 先证明入射面和折射面应在同一平面内 因AC’+C’B AC+CB;由A(x1,y1)经C (x,0)到B (x2,y2)的光程为;将光程对x求导，并令导数为零。;沿着光程为极值的路径传播有三种情况：恒定值、最小值和最大值。 书中P116图3-1，3-2为例;三、基本概念; 点光源发出的是单心光束； 大部分物体自己不发光，而反射其它光源的光线。物体上的每一个点反射的光均可以看成单心光束； 点光源P发出的单心光束经过反射或折射后，虽然光线的方向改变了，但光束仍可以会聚一点P′，则光束的单心性得到保持，相反的话称单心性遭到破坏。;2、光具组 物方空间 像方空间;相对光具组而言，光线射向光具组的一侧空间称为物方空间； 光具组中光线射出那一侧的空间称为像方空间。;3、物、像概念; 光线在射到光具组前表面之前存在会聚点，称为实物［图a］； 光线在射到光具组前表面之后，其延长线会聚为一点的，称为虚物［图c］； 光线经光具组后表面射出后会聚一点，所形成的像称为实像； 光线经光具组后表面射出后，反向延长会聚一点所形成的像称为虚像 ;思考题： 虚像能否被人眼观察到？ ;虚像可以被人眼直接观察到，这是因为虚像的发散光束进入人眼时，人眼感觉光线是沿直线传播过来，在各光线反向延长线的交会点处存在一个“物体”。 ;§2 光在平面界面上的反射和折射; 几何光学最主要的研究内容是如何将一个物体准确地不发生畸变地映射出它的像。 在以下几节中，将着重讨论成像问题。 ;一、光在平面上的反射; 平面镜是一个最简单的、严格保持光束单心性的、能获得理想成像的光学系统。 ;问题：平面镜反射能否成虚像？;P;二、光在平面界面上的折射 光束单心性的破坏;;当x不变时，像点S′的位置x′随y而变，即从S点发出的不同光线经OM面折射后并不能相交于同一点。 进一步研究可知折射光线在空间也无同一交会点，这说明折射光束的单心性已被破坏。 比较光在平面上的反射 ;仅当S点发出的光束几乎垂直于界面时，即y→0时   像似深度 折射光束仍近似保持单心性。;在水面上沿着竖直方向观看水中物体时，像还比较清晰就是这个道理。此时所见像的深度x′＜x，水中物体好象上升了一段。x′叫做像似深度。当沿着倾角较大的方向观看时，像的清晰度由于像散而受到破坏。 ;问题：一游泳池看起来1.5M，实际深是多少？;三、全反射 光学纤维;随着入射角的增大，折射角增大，当折射角增大到90°时，折射光线沿两介质表面传播。这时的入射角称为全反射临界角。 当入射角≥临界角时，就不再有折射光线而光全部被反射，这种现象叫全反射。 如光线从玻璃介质射向玻璃与空气的界面 ;光学纤维，就是利用全反射规律而使光线在弯曲的光纤内传播的光学元件； 在国防、医学、自动控制和通讯等许多领域都得到日益广泛的应用 ;四、棱 镜;最小偏向角公式 ;全反射棱镜来改变光线方向，比起一般的平面镜来，能量损失要小得多；光学仪器常用来改变光路。 ;§3 光在球面上的反射和折射;;;通过主轴的平面称为主截面； 主轴对于所有的主截面具有对称性，因而只须讨论一个主截面内光线的反射和折射。;二、符号法则; 新笛卡儿法 (1)光线和主轴交点的位置都从顶点算起，凡在顶点右方者，其间距离的数值为正；凡在顶点左方者，其间距离的数值为负。物点或像点至主轴的距离，在主轴上方为正，在下方为负。