几何光学的基本定律和成像的概念

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1、第一章几何光学的基本定律和成像的概念1.1、几何光学的基本概念1.2、几何光学的基本定律1.3、费马原理及其应用1.4、马吕斯定律1.5、成像的概念1.1、几何光学的基本概念1.1.1光波1.1.2光源1.1.3光线1.1.4波面1.1.5光束1.1.1光波1、光波性质性质：光是一种电磁波，是横波。可见光波，波长范围390nm—780nm光波分为两种：1)单色光波―指具有单一波长的光波；2)复色光波―由几种单色光波混合而成。如：太阳光1.1.1光波2、光波的传播速度v1)与介质折射率n有关；2)与波长λ有关系。

2、c为光在真空中的传播速度c＝299792458≈3×108m/s；n为介质折射率。思考：决定光波颜色的是波长还是频率呢？例题1.1已知对于某一波长λ而言，其在水中的介质折射率n＝4/3，求该波长的光在水中的传播速度。解：v=c/n＝3×108/(4/3)＝2.25×108m/s所以介质的折射率是针对某一特定波长提出的，我们平时所说的介质折射率，是对于可见光中心波长，λ约550nm的d光而言的。1.1.2、光源从物理学角度来看，能够辐射能量的物体成为发光体，也就是光源。当光源大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略，

3、称为“点光源”。在几何光学中，我们取发光物体上的某些特定几何点来代表发光体，也称为“点光源”，人为认为这些点无限小，能量密度无限大，实际上是不存在这样的点光源的。类比：线光源面光源1.1.3、光线光线：没有直径、没有体积却携有能量并具有方向性的几何线。其能量密度无限大。（可见实际是不存在的）可见，光线概念的提出使我们把复杂的能量传输问题转化为简单的几何运算问题。1.1.4、波面（平面波、球面波、柱面波）球面波：由点光源产生。平面波：由平行光形成。平面波实际是球面波的特例，是R→∞时的球面波。柱面波：由线光源产生

4、。任意曲面波注意：在各向同性介质中，光线传播过程中始终与波面垂直，是波面的法线！在介质中相位（振动状态）相同的各点在一个曲面（或平面）上，叫做波面（或等相面）1.1.5、光束与波面对应的法线（即光线）的集合，称为光束。可以分为：1）同心光束：会聚光束、发散光束—对应球面波；2）非同心光束—对应非球面波。1）同心光束实际光线的同心汇聚光束实际交汇于一点（实像a）可以由屏接收，也可以是延长线汇聚一点（虚像b）无法用屏接收。同心发散光束也可以由实际点发出（实物c），或其延长线通过一点（虚物d）；发散光束不能在屏上汇聚

5、成亮点，但可以被人眼所观察。图e，为无限远处发光点的发散光线，可以近似认为是平行光。这是同心光束的一个特例。2）非同心光束（像散光束）显然，以上像散光束为非球面波光束子午方向的光束汇聚在F1’F1F1”一线；弧矢方向的光束汇聚在F2’F2F2”一线。1.2几何光学的基本定律1.2.1、光的直线传播定律1.2.2、光的独立传播定律1.2.3、光在两种均匀介质界面上的传播规律—折射&反射定律1.2.4、矢量形式折&反射定律（略）1.2.5、折射率1.2.6、光的可逆性1.2.7、分界面上反射光和折射光的能量分布1.

6、2.8、全反射1.2.1光的直线传播定律直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播（光线是直线）。直线传播的例子是非常多的，如：日蚀，月蚀，影子等等。小孔成像直线传播定律忽略了衍射的影响！1.1.2光的独立传播定律独立传播定律：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。光的独立传播定律忽略了光的干涉现象！1.2.3反射定律反射定律：反射光线和入射光线在同一平面、且分居法线两侧，入射角和反射大小相等，符号相反。可以表示为：I=-I”在不光滑的反射界面，反射定律还成立么

7、？1.2.3折射定律折射定律：入射光线、折射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面，且：反射时，取n’=-n，则有I=-I”,即折射定律转换为反射定律说明反射定律是折射定律的一个特例！设光线在两介质中的速度分别为v1和v2，则有：QQ’=v1t，OO’=v2t所以sinI1=QQ’/OQ’sinI2=OO’/OQ’两式相比，得：折射定律的推导1.2.5折射率各种波长的电磁波在真空中传播速度是定值c，在介质中传播服从v=c/n，一般v都小于c，说明介质对光的传播起到了一定的阻碍作用。因此我们用折射率n来描述这种介

8、质对光的阻碍作用。被界面分开的两种介质：折射率高的，其中的光速低，称为光密介质；折射率低的，其中的光速高，称为光疏介质；相对折射率：n21=n2/n1=v1/v2（绝对）折射率：我们通常所说的折射率为介质和空气(真空）的相对折射率,也称为绝对折射率。1.2.6光路可逆原理当光线逆着原来的反射光线（或折射光线）的方向射到媒质界面时，必会逆着原来的入射方向反射（或折射）出去，这种性质叫光路