几何光学基本定律与成像概念

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1、第一章几何光学基本原理和成像概念仪器科学与光电工程学院几何光学：撇开光的波动本质，仅以光线为基础，研究光在介质中传播问题的学科。本章以光线为基础，用几何的方法，研究光的传播规律及光学系统的成像特征。仪器科学与光电工程学院§1-1光波和光线一、光波与光线一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它情况均可以将光看成是电磁波。可见光的波长范围：380-780nm单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，称之为单色光；复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光；白光：是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。

2、光波在真空中的传播速度：3×108m/s仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院基本概念光源（发光体）：从物理学的角度看，能辐射光能的物体称为光源。一切自身发光或受照发光的物体可看成光源。点光源（发光点）：当光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，此光源可认为是点光源。如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个发光点。发光点：无大小，无体积，只有位置发光体：由无数个发光点组成因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成像规律来推断整个物体的成像。仪器科学与光电工程学院基本概念波面（波阵

3、面）：光波向周围传播，在某一瞬时，其振动相位相同的点所构成的曲面称为波面。光的传播即为光波波面的传播，即沿着波面法线方向传播。波面分：任意曲面波（像差作用实际光学系统使同心光束不同心）平面波（在距发光点无限远处），对应平行光束球面波（以发光点为中心的同心球面），对应同心光束基本概念光线：在几何光学中，将发光点发出的光抽象为许多携带能量并带有方向的几何线。光线是无直径、无体积，而有方向性的几何线，其方向代表光能传播的方向。光束：无限多条光线的集合。仪器科学与光电工程学院基本概念仪器科学与光电工程学院同心光束：发自一点或会

4、聚于一点，为球面波平行光束：光线彼此平行，是平面波基本概念仪器科学与光电工程学院像散光束：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元件中的传播途径，这个途径称为光路仪器科学与光电工程学院第二节光线的传播规律（一）光的直线传播定律在各向同性的均匀透明介质中，光是沿直线传播的。但只在一定的条件下成立（见书）（二）光的独立传播定律从不同发光体发出的互相独立的光线，以不同方向相交于空间介质中某一点，彼此互不影响，各光线独立传播。（大家能举出几个生活中的例子吗？）（三）光的折射定律与反射定

5、律光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光能量折射入另一介质。仪器科学与光电工程学院几何光学基本定律实验证明：（1）反射光线和折射光线都在入射面内，它们与入射光分别在法线两侧。（2）反射角等于入射角。（3）折射角的正弦与入射角的正弦比与入射角无关，仅由两种介质的性质决定。即当n’=-n时，折射定律就转化为反射定律。一定波长的单色光在真空中的传播速度与它在给定介质中的传播速度之比，称为该介质对指定波长的光的绝对折射率。即：n=c/v通常所讲的介质的折射率是介质相对于空

6、气的折射率。仪器科学与光电工程学院第三节马吕斯定律和费马原理一、马吕斯定律定义（见书）由于光程l是几何路径s和介质折射率n的乘积，即即光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。表明：只要光线的传播时间t相同，他们的光程也就相同，即任意两波面之间是等光程。仪器科学与光电工程学院二、费马定律：定义（见书）反射定律和折射定律均可由费马原理导出。实际光程可能是极小值，也可能是极大值，还可能是常量仪器科学与光电工程学院第四节光路可逆和全反射一、光路的可逆性原理即光线的传播是可逆的。仪器科学与光电工程学院（四）全反射现象在一定

7、条件下，入射到介质上的光全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，即发生全反射。产生全反射的条件：①光线从光密介质射向光疏介质，即②入射角大于临界角，即全反射有比一般反射更优越的性能，它几乎无能量的损失，因此用途广泛。光纤就是其中的一种。仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院第五节光学系统及成像的基本概念仪器科学与光电工程学院※光学系统的作用之一是对物体成像，因此必须搞清物像的基本概念和它们的关系。※物体通过光学系统（光组）成像，光学系统(各种光学仪器)由一系列光学零件组成。。※光学系统一般是轴对称的，有一条公

8、共轴线，称为光轴。这种系统被称为“共轴系统”光轴光学零件的分类透镜——正透镜和负透镜反射镜——凸面镜和凹面镜棱镜——反射棱镜和折射棱镜平行平板仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院在光学仪器中最常用的光学零件是透镜，目前绝大多数是球面透镜（系统）。双凸正月牙平凸平凹负月牙双凹由这些球面系统（透镜）组成的光学系统有对称轴，也称