几何光学基本原理北理工.pptxVIP

第一章 几何光学基本原理本章要解决的问题：光是什么？－－光的本性问题光是怎么走的？－－光的传播规律 像与成像的概念 对成像的要求第一节 光波与光线 研究光的意义: 90%信息由视觉获得,光波是视觉的载体 光是什么？弹性粒子－弹性波－电磁波－波粒二象性 1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子 1678年：惠更斯提出波动说，以太中传播的弹性波 1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波 1905年：爱因斯坦提出光子假设 20世纪：人们认为光具有波粒二象性第一节 光波与光线 一般情况下, 可以把光波作为电磁波看待，光波波长：λ光的本质是电磁波光的传播实际上是波动的传播物理光学： 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象几何光学： 研究光的传播规律和传播现象可见光：波长在400-760nm范围红外波段：波长比可见光长紫外波段：波长比可见光短 可见光：400-760nm 单色光：同一种波长 复色光：由不同波长的光波混合而成频率和光速，波长的关系在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变几何光学的研究对象和光线概念研究对象 不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象 特 点 不考虑光的本性，把光认为是光线 光线的概念能够传输能量的几何线，具有方向光线概念的缺陷采用光线概念的意义： 1.用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影子、日食、月食 2.绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的光线是能够传输能量的几何线，具有方向光波的传播问题就变成了几何的问题所以称之为几何光学 当几何光学不能解释某些光学现象，例如干涉、衍射时，再采用物理光学的原理光线与波面之间的关系波面：波动在某一瞬间到达的各点组成的面t + Δt 时刻t 时刻A 光线是波面的法线 波面是所有光线的垂直曲面同心光束：由一点发出或交于一点的光束； 对应的波面为球面像散光束：不严格交于一点，波面为非球面平行光束波面为平面第二节 几何光线基本定律一、光的传播现象的分类灯泡空气玻璃光的传播可以分类为：1、光在同一种介质中的传播；2、光在两种介质分界面上的传播。二、几何光学基本定律直线传播1、光线在同一种均匀透明介质中时：透光成分均匀2、光线在两种均匀介质分界面上传播时: 反射定律，折射定律 AO: 入射光线OB: 反射光线OC: 折射光线NN: 过投射点所做的分界面法线I1:入射光线和分界面法线的夹角 ，入射角R1:反射光线和分界面法线的夹角， 反射角I2:折射光线和分界面法线的夹角 ，折射角入射面：入射光线和法线所构成的平面反射定律：反射光线位在入射面内； 反射角等于入射角 I1=R1。折射定律：折射光线位在入射面内； 入射角正弦和折射角正弦之比，对两种一 定介质来说是一个和入射角无关的常数 。 Sin I1 Sin I2 n1,2称为第二种介质相对于第一种介质的折射率= n1, 2对于不均匀介质可看作由无限多的均匀介质组合而成，光线的传播，可看作是一个连续的折射直线传播定律反射定律折射定律几何光学的基本定律第三节 折射率和光速一、折射定律和折射率的物理意义折射光线在入射面内折射定律：Sin I1Sin I2＝n 1, 2n1,2:第二种介质相对于第一种介质的折射率 QQ′O′SinI1 υ1SinI2υ2 = n 1, 2=第二种介质对第一种介质折射率等于第一种介质中的光速与第二种介质中的光速之比。 折射率的物理意义 折射率与光速之间的关系二、相对折射率与绝对折射率1、相对折射率： 一种介质对另一种介质的折射率2、绝对折射率介质对真空或空气的折射率3、相对折射率与绝对折射率之间的关系 υ1 υ2n 1, 2相对折射率：= Cυ1n 1=第一种介质的绝对折射率： Cυ2n 2第二种介质的绝对折射率：= n 2 n 1n 1, 2所以 =三、用绝对折射率表示的折射定律 n 2 n 1Sin I1Sin I2n 1, 2 =＝n 1, 2由 n 2 n 1Sin I1Sin I2= 有 或 n1 Sin I1 = n2 Sin I2课堂练习：判断光线如何折射I1I1玻璃 n=1.5空气 n=1水 n=1.33空气 n=1I2I1c空气 n小玻璃 n大空气 n小玻璃 n大第四节 光路可逆和全反射一、光路可逆1、现象BA2、证明直线传播：ABAB反射：I1=R1 R1=I1I1R1折射：n1 Sin I1 = n2 Sin I2n2 Sin I2 = n1 Sin I1I2C3、应用光路可逆： 求焦点 光学设计中，逆向计算：目镜，显微物镜等二、全反射1、现象空气I2O3O4O1O2水I0I1R1A2、发生全反射的条件 必要条件： n1n2 由光密介质进入光 疏介质 充分条件： I1I0 入射角大于全反射角 1870年，英国科学家丁达尔全反射实验当光线从玻璃射向与空气接