第1章 几何光学基本定律与成像概念.ppt

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1、上次课提要：从光的本性简述光学发展史：1、牛顿提出光是粒子流的理论——牛顿的微粒说。2、惠更斯提出光的波动说，光是在充满整个空间的特殊介质“以太”(ether)中传播的某种弹性波；麦克斯韦提出了光波属于电磁波。3、爱因斯坦(Einstein)提出了狭义相对论，否定了以太的存在，电磁波(光波)本身是一种实体。4、波粒二象性：微观粒子，包括“光子”具有波粒二象性。光在传播过程中表现波动性，光在与物质相互作用时表现粒子性。光学的主题研究光的传播和光与物质的相互作用。上篇：几何光学与成像理论第一章几何光学基本定律与成像概念第一章几何光

2、学基本定律与成像概念几何要素点线面几何光学是：光学要素发光点光线波面第一节：几何光学的基本定律一、几个基本概念1.光波本质：电磁波，波长：380nm——780nm。传播速度：c，在介质中单色光和复色光10410201016101210831043100310-8310-12310-4射频视频微波红外可见紫外X射线射线波长与频率对应的电磁波谱图(1)可见光的波长范围为400nm~760nm，相应的频率范围1014Hz~1015Hz。(2)紫外线波长范围为5nm~400nm，相应的频率范围1015Hz~1017Hz，不能为

3、人眼所感知，可用荧光屏，或照相乳胶，或光电管来探测。(3)X射线和射线的波长与原子间隔相当，且有较强的穿透力。(4)红外线波长范围约为760nm~6105nm，相应的频率范围约为1012Hz~1014Hz，人眼不能直接感知，但热效应显著，可用红外光电器件显示红外图象，夜视仪就是按照这个原理制成的。红外线也是当今光纤通信的窗口波段；(5)微波波段常用电子电路获得，微波最著名的应用是雷达、微波通信、微波激射器、微波炉等；(6)视频和射频则是当今电视、广播等电子通信的主要工作波段。2.光源与发光点：从物理学的观点看，任何发光的物体都

4、可以叫作光源。在几何光学中，把凡是发出光线的物体，不论它本身发光体或是因为被照明而漫反射光的物体，都称为光源。如果某光源可看成几何学上的点，它只占有空间位置而无体积和线度，则称之为发光点或点光源。光源(发光体)：能够辐射光能的物体；发光点(点光源)：辐射光能的几何点。一、几个基本概念3.光线与光束：光线是表示光能传播方向的几何线。有一定关系的一些光线的集合称为光束。4.光波波面：光也是一种电磁波。某一时刻其振动位相相同的点所构成的面称光波波面。在各向同性介质中，光沿着波面法线方向传播，所以可以认为光波波面的法线就是几何光学中的光线

5、。与波面对应的法线束就是光束。一、几个基本概念几何光学就是应用几何光线的概念来研究光在不同条件下传播特性的一门学科！几何光学波面只是垂直于光线的几何曲面。二、几何光学基本定律几何光学以下面几个基本定律为基础：1.光的直线传播定律2.光的独立传播定律3.光的反射定律：4.光的折射定律以上四个基本定律是几何光学研究各种光的传播现象和规律以及光学系统成像特性的基础！角度的符号：1、均以锐角度量；2、由光线转向法线，顺时针方向形成的角度为正，逆时针方向为负。定律的局限性：例如当光经过小孔时会出现衍射，不再沿直线传播；当两束相干光相遇时，会

6、出现干涉；光的波动性质可忽略——几何光学的应用条件二、几何光学基本定律⑵当入射角大于临界角，就不再有折射光线，而是全部被反射，称之为全反射。5.光的全反射现象:——这是一种特殊意义的折射情况。⑴光线从光密介质射向光疏介质当入射角时，折射角临界角Im利用光的全反射规律，使光在透明光学纤维材料中经多次全反射而达到传递光束的目的，这种纤维材料称为光学纤维——光纤。光学纤维——全反射应用最突出的例子。ImI´例:在水中深度为y处有一发光点Q，作QO面垂直于水面，求射出水面折射线的延长线与QO交点Q′的深度y′与入射角i的关系。oy′yQ′

7、QMi′ix第一节：几何光学的基本定律第一节：几何光学的基本定律三、光传播的可逆定理：当光线沿着和原来相反方向传播时，其路径不变。第一节：几何光学的基本定律四、费马原理：在A、B两点间光线传播的实际路径，与任何其他可能路径相比，其光程为极值。注意理解“光程”的概念!!光程：s=nl，由此看见，光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。由l=vt和折射率的定义n=c/v，得到：s=ct这样，如果光在不同介质中的光程相等，那么尽管各自所经历的路径不等，但它们各自所花费的时间必定相等，所以比较光程，实际上是比较传播时

8、间。如果频率相同，那么光程相等时间相等相位变化相等由此看见，光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。第一节：几何光学的基本定律第一节：几何光学的基本定律五、马吕斯定律：在各向同性的均匀介质中，垂直于波面的光线束经过任意多次