《几何光学》word版

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1、工程光学讲义主讲：刘文超湖北工业大学机械工程学院第一章几何光学基本定律与成像概念本章重点：几何光学的基本术语及基本定律、光路计算及完善成像的条件。第一节 几何光学基本定律一、光波与光线1、光波性质性质：光是一种电磁波，是横波。我们平常看到的光波属于可见光波，波长范围390nm—780nm光波分为两种：单色光波及复色光波2、光波的传播速度ν光波的传播速度不是一个常数，而是一个变量，它主要与以下二因素：①与介质折射率n有关；②与波长λ有关系。        ν＝c/n   式中，c为光在真空中的传播速度；n为介质折射率。３、光线：是没

2、有直径、没有体积却携有能量并具有方向性的几何线。４、光束：同一光源发出的光线的集合。５、波面（等位相面）    常见波面有：平面波、球面波、柱面波。二、几何光学的四大基本定律1、直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播（光线是直线）。2、独立传播定律：从不同光源发出的光束，以不同的方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播。3、折射定律：入射光线、反射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面，入射角等于反射角且大小相等符号相反。（分居法线两侧）   4、折射定律：入射光线、折射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面，

3、并且有：   式中，Ｉ为入射角；Ｉ为折射角；n为第一种介质折射率；n为第二种介质折射率。以上我们分析了四大定律，下面我们讲一下光学中一个非常重要的现象－全反射现象。三、全反射现象（又称完全内反射）1、定义：从光密介质射入到光疏介质，并且当入射角大于临界角时，在二种介质的分界面上光全部返回到原介质中的现象。2、临界角是：折射角刚好为900的入射角。其数学表示形式如下：      根据折射定律      3、全反射发生的条件要想发生全反射，必须满足以下二个条件：①入射光必须从光密介质射入到光疏介质；②入射角必须大于临界角。4、全反射的

4、应用。①反射棱镜：棱镜是光学设计时使用的比较多的一类光学元件，而其中的部分棱镜就利用了全反射的特点。如：一次反射式的等腰直角棱镜。②光纤（是光学纤维的简称）――它也是基于全反射的道理，主要用于光学通讯当中。光纤的功能：具有传光、传象及传输其它信号的功能，在医学、工业、国防得到广泛的应用。光纤保证发生全反射的条件：n0sinI1称为光纤的数值孔径，式中，I1为设射入光纤端面的入射角。四、费马原理（又称为极值光程定律）    费马原理首次提出了光程的概念，并从光程角度出发，对光的传播定律进行了高度概括。1、光程（S）：指光在介质中传播

5、的几何路程（S）与该介质折射率n的乘积。其数学表示形式为：S=nl    若光经过m层均匀介质，则总的光程可写为：                  若光经过的是非均匀介质，即n是一个变量，这时光程可表示为：               2、费马原理：光从一点传播到另一点，经过任意多次反射和折射光程为极值。其数学表示如下：                   五、马吕斯定律：光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，且入射波面与出射波面各对应点之间的光程为定值。§1－2 成象的基本概念与完善成像条件一、光学系统与

6、完善成象的概念1、光学系统：由一系列的光学元件所构成的系统。这里所说的光学元件可以是透镜、反射镜、棱镜等。光学系统又分为：共轴光学系统及非共轴光学系统2、完善成象：象与物体只有大小的变化没有形状的改变（物与象是完全相似的）。二、完善成像的条件入射为球面波，出射也为球面波（入射为同心光束，出射也为同心光束）。三、物、象的虚实物有虚实之分，象也有虚实之分。物：发出入射光波的。象：由出射光波形成的。1、实物、实象：由实际光线相交而成的就称为实；2、虚物、虚像：由实际光线的延长线相交而成的。实象可由人眼或接收器（屏幕、CCD、底片、光电倍

7、增管等）所接收；虚象不可以被接收器所接收，但是却可以被人眼所观察。3、物空间、象空间物所在的空间称为物空间；象所在的空间叫象空间。无论是物空间还是象空间都是无限延伸的，不能机械的以左右划分。§1－3 光路计算与近轴光学系统一、符号规则（新笛卡尔符号规则）新笛卡尔符号规则对所涉及的线段及角度都作了相应的规定：假设光是自左向右传播则有：①对垂轴线段：以光轴为准，在光轴之上为“＋”，光轴之下为“－”；②对沿轴线段：以顶点O为原点，顶点到光线与光轴交点的方向与光的传播方向相同则为“＋”，反之则为“－”；③光线与光轴夹角（称为孔径角）：由光

8、轴转向光线，以锐角方向进行度量，顺时针为“＋”，逆时针为“－”；④法线与光轴的夹角（）：由光轴以锐角转向法线，顺时针为“＋”，逆时针为“－”；⑤光线与法线的夹角：由光线以锐角转向法线，顺时针为“＋”，逆时针为“－”；⑥折射面之间的间隔（d）：由前一