第三章几何光学的基本原理-泰山学院物理与电子科学系.pptVIP

第三章 几何光学基本原理 第三章 几何光学的基本原理 几何光学—以光的直线传播性质为基础，用几何学方法研究光在透明介质中传播问题的光学。 几何光学的理论基础—以光的直线传播定律、反射定律和折射定律为基础，以研究光线传播规律为主要线索，而成像的概念和成像的规律是几何光学着重研究的中心问题。 一、光线与波面 光线—几何光学中用一条表示光传播方向的几何线来代表光，称这条线为光线。 “光线”只能表示光的传播方向，决不可认为是从实际光束中借助于有孔光阑分出的一个狭窄部分（光线是只有方向没有大小的几何线段）。在均匀介质中光线是直线，在非均匀介质中，光线因折射而弯曲。 “光束由无数光线构成” 与光线处处正交的面称为波面 几何光学和波动光学的界定： 光的直线传播对于光的实际行为只具有近似的意义，以它作为基础的几何光学，只能应用于有限的范围和给出近似的结果；当所研究的对象，其几何尺寸远大于所用光波的波长时，可获得与实际基本相符的结果。反之，当其几何尺寸可以与波长相比拟时，此时得到的结果与实际有显著的差别，此时应采用波动光学来研究。即几何光学只不过是波动光学在一定条件下的近似。 二、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； (2)光的独立传播定律和光路可逆原理。 (3)光通过两种介质分界面时的反射定律和折 射定律。 光的反射定律具有的规律： ⑴反射光线、法线、入射光线三者在同一平面内，且反射光线和入射光线分居在法线的两侧。 ⑵反射角等于入射角。 光的折射定律： ⑴折射光线、法线、入射光线三者在同一平面内，且折射光线、入射光线分居在法线的两侧。 ⑵入射角的正弦与折射角的正弦之比，对给定的两种介质是个常数。 §3-2 费马原理 nds(=cdt)称为光程 当两列波在同一点相遇而叠加时，其光强取决于位相差，而位相差又取决于光程差 根据费马原理，通过光程的概念可推导出光的直线传播、反射和折射定律 光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。也就是说；光沿光程值为最小、最大或恒定的路程传播。 ——费马原理数学表达式: 用费马原理证明折射定律： 实际光线在界面上的折射点C的确定。 证明入射面和折射面在同一平面内。 证明折射定律的数学表达式: 几种特例：（1）光程为恒定值（2）光程为最短 ⑶ 光程为最大值 §3-3单心光束 实象和虚象 光源—能发出一定波长范围电磁波的物体 发光点—发射光线的光源，只有几何位置而没有大小 若光线实际发自某点，则该点为实发光点。 若该点为光线延长线的交点，则为虚发光点。 平行光束—彼此互相平行的许多光线的集合 成象是几何光学要研究的中心问题之一 凡是具有单个顶点的光束叫做单心光束（对应球面波；平行光束对应平面波。） 凡是没有共同顶点的光束叫做像散光束。（对应非球面的高次波） 出射光束中各光线的会聚点，这个会聚点——实象 光线反向延长后仍能找到光束的顶点，这个发散光束的会聚点——虚象 二、实物、实象、虚象的联系与区别 ．光学系统：由不同材料作成不同形状的反射面或折射面以及有圆孔的遮光板（光阑）组成的系统称为光学系统。 光学系统的作用：变换光束。一束光入射到光学系统，经光学系统的反射或折射就会成为另一束光。研究光学系统的成像过程，就是变换光束的过程。 光束保持单心性：在变换光束时，假若单心光束经变换后仍为单心光束，则称为光束保持单心性。在这种情况下，可得到准确、清晰的像。 物和像都是光束的心或心的集合。 物：对某一光学系统而言，入射光束的心或心的集合称为物。 像：对某一光学系统而言，出射光束的心或心的集合称为像。 实物和虚物：对某一光学系统而言，发散的入射光束的心是实物；会聚的入射光束的心是虚物。 实像和虚像：对某一光学系统而言，会聚的出射光束的心是实像；发散的出射光束的心是虚像。 对眼睛来说，“物点”和“象点”都不过是进入瞳孔的发散光束的顶点 实象所在点P′确有光线会聚，但光线决不在会聚点停止，它们相交后仍继续沿原来的直线传播，人眼所见到的只是这实象，而不再能看到实物P 对眼睛来说，物点和像点都是进入瞳孔的发散光束的顶点，实象与虚象分不出来。只有把白纸置在实象所在处点，该点受会聚光束照射后发生漫反射，因而可以看见白纸上的亮点。而虚象则不能在白纸上显现出来。物方空间：对某一光学系统，入射光束所在的空间称为物 方空间。象方空间：对某一光学系统，出射光束所在的空间称为象方空间。（不是指光束的心所在的空间，光学系统的物可以不在物方空间，象也可以不在象方空间。） §3-4