第16章几何光学

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1、引言：光学的起源和光的本质我国早在春秋时代《墨经》中记载了许多光学现象，如：光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方面长期在世界居于领先地位。近代光学的发展一直伴随对光的本质的研究，他经历了几个时代：古希腊（欧几里德），把光看作触须投射（错误认识）十七世纪开始，对光的本性的认识，有两种学说并立以牛顿为代表的微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解释干涉、衍射、偏振光学1惠更斯提出光的波动理论，认为光是在一种特殊介质中传播的机械波。解释了光的反射、折

2、射、衍射。托马斯.杨和菲涅尔（在十九世纪初）通过实验和进一步的理论工作，验证了光的波动理论，成功地解释了光的干涉、衍射。波动光学存在不足，把光看作是机械波，光在真空中传播需要媒质，于是臆想出“以太”，认为真空中充满了“以太”，但找不到。十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言电磁波存在，1887年赫兹通过实验，发现了电磁波，电磁波的速度等于光速，认为光是电磁波。科学家们认为光的本质研究已完成---光是一种电磁波2随着技术的发展和实验条件的完善，发现了光电效应，康普顿效应，利用波动光学无法解

3、释，1900年普朗克提出量子假说，1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效应。目前关于光的本质（光是什么）只能讲：光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。3少女？老妇？但两种图象不会同时出现在你的视觉中。光在某些条件下表现出粒子性，在另一些条件下表现出波动性，而两种性质虽寓于同一体中，却不能同时表现出来。例如：两种图象寓于同一幅画中；4光学的理论体系以光的直线传播为基础，采用几何方法研究光在透明介质中的传播问题。物理光学波动光学：以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律。量子光学：以光和物质相互作

4、用时所显示出的粒子性为基础，研究光的一系列规律。现代光学非线性光学激光光谱学信息光学集成光学统计光学……….几何光学5一、直线传播定律在均匀各向同性介质中，光沿直线传播。如：小孔成像就是光沿直线传播的结果。小孔成像光阑16.1几何光学的基本规律2009.7.22四川省遂宁市大英县观察到的日全食第16章几何光学62.光的独立传播定律：来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持原来的传播方向继续传播。7入射光线、反射面的法线和反射光线三者处在同一平面上，入射光线和反射光线分居于入射点界面法线的两侧，入射

5、角等于反射角。3、反射定律：光的反射en界面SR漫反射光路可逆性原理8其中：n21称为介质2相对于介质1的相对折射率4、折射定律入射光线折射光线i入射角折射角enn1n2分界面入射光线、折射光线和分界面的法线en三者同处在一个平面上，入射角i和折射角有下述关系：斯涅耳定律（Snell’sLaw）9物质相对于真空的折射率称为绝对折射率（简称折射率），其定义为：光在真空中的传播速度光在介质中的传播速度两种介质相比较，折射率大的介质，光在其中的传播速度小，称为光密介质；折射率小的介质，光在其中的传播速度

6、大，称为光疏介质。10当有临界角A：相应于折射角为90°的入射角。全反射：当入射角i大于临界角A时，将不会出现折射光，入射光的能量全部反射回原来介质的现象。（n1＞n2）5、全反射en旋转反射镜1112光学纤维的光路内窥镜全反射的应用1216.2共轴理想光学系统的成像一、光程光在均匀介质走过的几何路程r与介质折射率n之乘积。用l表示。光程的物理意义：表示光在介质中通过真实路程所需时间内,在真空中所能传播的路程。即：l=nr光从S到P的时间为对于连续介质13二、费马原理光从一点传播到另一点将循着这样

7、一条路径，光沿所需要时间为极值（可以是极大值、极小值，也可以是常量）的路径传播。即：光沿着光程为极值的路径传播。时间t有极值的条件是:光线沿光程为平稳值的路径而传播。平稳值的三种基本含义：极小值极大值常　数——直线传播、反射、折射——凹球面反射镜——成像系统的物像关系14费马原理的应用(1)——反射定律aABii’PdxbnA与B是折射率为n的均匀介质中的两点，有一光线APB，其光程为：根据费马原理，这光程应为极小，所以15上式可以写成：由图可知：即：这就是反射定律。BdAaii’Pxbn16费马

8、原理的应用(2)——折射定律折射定律的证明（取极小值）y设A(0,a)，O(x,0)，B(xB，-b)即：1716.2.3光在单球面上的傍轴成像傍轴光线一、基本概念和符号OCpBrPAQMq1）顶点：O2)曲率中心、曲率半径：C，r3)主光轴：CO4)物距、像距：p，q(1)物点在镜前，物距p>0；物点在镜后，物距p<0；(2)像点在镜前，像距q>0；像点在镜后，像距q<0；(3)凹面镜的曲率半径r为正，凸面镜的曲率半径r为负。沿着光线前进的方向实正虚负18凹球面CpBrPMO