华中师大光学课件3.ppt

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1、第三章几何光学的基本原理光线的概念费马原理单心光束、实象和虚象光在平面界面上的反射和折射光学纤维光在球面上的反射和折射光连续在几个球面界面上的折射，虚物的概念薄透镜近轴物点近轴光线成象的条件理想光具组的基点和基面理想光具组的放大率，基点和基面的性质一般理想光具组的作图求象法在波面线度远比波长大时，研究光的反射，折射成象等问题，如果不用波长、相位等波动概念而代之以光线和波面等概念，并用几何的方法来研究，将更为方便。第一节光线的概念一、光线与波面“光线”只能表示光的传播方向在各向同性介质中，光的传播方向总是和波面的法线方向相重合波面就只是垂直于

2、光线的几何平面或曲面问:1)平行光线的波面?2)点光源的波面?3)点光源的光线进入另一介质后的波面?实际上是把光线和波面都看作是抽象的数学概念。不涉及光的本性问题。以几何定律和某些基本实验定律为基础的光学称为几何光学。第一、二章波动光学中主要考虑的是波长、振幅和相位，这一章所考虑的主要是光线和波面。几何光学所研究的实际上就是波动光学的极限情况。（2）光通过两种介质分界面时的反射和折射定律。（3）光的独立传播定律和光路可逆定律。（1）光在均匀介质中的直线传播定律。二、几何光学的基本实验定律费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值

3、。也就是说，光沿光程值为最小、最大或恒定的路程传播。第二节费马原理例：均匀介质中，在两点之间传播？实际光程取最小:走直线费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。也就是说，光沿光程值为最小、最大或恒定的路程传播。例:实际光程取恒定值费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。也就是说，光沿光程值为最小、最大或恒定的路程传播。例:实际光程取最小费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。也就是说，光沿光程值为最小、最大或恒定的路程传播。例:实际光程取最大光在均匀介质中直线传播。反射和折射定律都是费马原理的

4、必然结果。垂直平面1，则：因此折射点必在上，入射面和折射面在同一平面内。同样能证明反射定律。则：设：根据这个概念可以把发光点看做是一个发散光束的顶点，凡是具有单个顶点的光束叫做单心光束。一、单心光束、实象和虚象3单心光束、实象和虚象如果仅考虑光束的传播方向而不讨论其它问题，那么一个光束可以看成是由许多光线构成的。如果在反射或折射之后光线的方向虽然改变了，但光束中仍然能找到一个顶点，也就是说光束的单心性没有遭到破坏，那么这个顶点便是发光点P的象。如果反射或折射后的光束仍是发散的，但是把这些光线反向沿长后仍能找到光束的顶点，则光束仍保持单心性。

5、这个发散光束的会聚点叫做虚象。在这种情况下，每个发光点都给出一和它对应的象点。如果光束中各光线实际上确是在该点会聚的，那么这个会聚点叫做实象。另一方面光在通过混浊物时，我们似乎可以看到光束。（解释原因）人眼所能看到的，即能成像于视网膜上的只是光束的顶点，而不是光束本身。由于光能量包含在光束之中，所以只有当光束进入人眼时，方能引起视觉效应。二、实物、实象、虚象的联系与区别虚象实象实物三者相同点？区别？区别？一般人眼无法区分以上三种情况人眼的感觉是直接沿刚刚进入瞳孔前的光线方向来判断光束发散顶点的位置，“物点”和“象点”都不过是进入瞳孔的发散光

6、束的顶点，对眼睛来说引起的视觉都没有什么不同。人眼在E’和在E点都能看到象点P’吗？光在平面界面上的反射和折射光学纤维点与P点相对镜面来说是对称的。因此，平面镜是一个最简单的，不改变光束单心性的，能成完善象的光学系统。（根据反射定律）一、光在平面上的反射二、光束单心性的破坏光线在折射率不同的两个透明物质的平面分界面上反射时单心光束仍能维持单心光束，但折射时，除平行光束折射时仍维持平行光束外，单心光束将被破坏。如果光束是单心的，只要作出任意两条光线的交点，就能确定所有其它光线都将通过这个交点。如果光束不是单心的，那么就必须考虑光束中光线的空间

7、分布。将该图绕Oy轴转过一个小的角度，折射光束的单心性遭到破坏。光束中的所有光线并不相交于单独的一点，而是交于两条垂直的线段上。一条是点所描出的，一条是，这样的两条线段称为象线。叫做弧矢象线，点所描出的垂直于图面的象线叫做子午象线。单心光束的波面是球面，在平面界面上折射后，波面的形状发生变化，不再是球面了。从微分几何知道，在任何曲面的每一点上有两个主曲率半径，这两条相互垂直的象线实际上就是一个很小的曲面元的曲率中心的轨迹。以后将会看到，只要光束的波面元不是严格的球面，都具有这种称为象散的特性。称为象似深度。P发出的光束几乎垂直于界面时例3.

8、1：使一束向P点会聚的光到达P点之前，通过一厚d的平行玻璃板，光束轴与板垂直。求会聚点如何移动？移动距离多少？解：三、全反射，光学纤维若则，与入射光线相比，折射光线将偏离法线。当