几何光学基本定律与成像概念.ppt

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1、工程光学第一章：几何光学基本定律与成像概念第一节几何光学的基本定律和原理一、光波与光线1、光的本质光和人类的生产、生活密不可分；人类对光的研究分为两个方面：光的本性，以此来研究各种光学现象，称为物理光学；光的传播规律和传播现象称为几何光学。1666年牛顿提出的“微粒说”1678年惠更斯的“波动说”1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光的电磁波1905年爱因斯坦提出了“光子”说现代物理学认为光具有波、粒二象性：既有波动性，又有粒子性。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，人眼对5550À（55

2、5nm）的黄绿光最敏感单色光：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。Spectrumofelectromagnetic(orHertzian)wave2、光源从物理学的角度看，辐射光能的物体称为发光体，或称为光源。点光源是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。例如：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。在几何光学中，发光体与发光点概念与物理学中完全不同。无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称为发光体。在讨论

3、光的传播时，常用发光体上某些特定的几何点来代表这个发光体。在几何光学中认为这些特定点为发光点，或称为点光源。3、光线当光能从一两孔间通过，如果孔径与孔距相比可以忽略则称穿过孔间的光管为物理学上的光线。在几何光学中，通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线，即光线。光线的方向代表光的传播方向。光线的传播途径称为光路。4、波面光波是电磁波，任何光源可看作波源，光的传播正是这种电磁波的传播。光波向周围传播，在某一瞬时，其相位相相同的各点所构成的曲面称为波面。波面可分为平面波，球面波或任意曲面波。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

4、面法线就是几何光学中的光线。5、光束与波面对应的法线（光线）的集合，称为光束，对应于波面为球面的光束称为同心光束。球面光波对应的同心光束按光的传播方向不同又分为会聚光束和发散光束。会聚光束所有光线实际通过一个点。与平面波相对应的是平行光束，是同心光束的一种特殊形式球面光波对应的同心光束按光的传播方向不同又分为会聚光束和发散光束。如图1-1所示。会聚光束所有光线实际通过一个点。同心光束经实际光学系统后，由于像差的作用，将不再是同心光束，与之对应的光波则为非球面光波。与平面波相对应的是平行光束，是同心光束的一种特殊形式波面与光束a)平面光波与平行光束b)球面光波与发散光束

5、c)球面光波与会聚光束像散光束：一般讲，球面波经过实际的光学系统后就不再是球面波，相应的光束不再汇聚于一点。即不再是同心光束。下图所示为一像散光束FtFsa1b1a2a3b2b3c1c2c3二、几何光学的基本定律几何光学把研究光经过介质的传播问题归结为如下四个基本定律，它是我们研究各种光的传播现象和规律以及物体经过光学系统的成像特性的基础。（1）光的直线传播定律（2）光的独立传播定律（3）光的折射定律（4）光的反射定律1.光的直线传播定律在各向同性的均匀介质中，光线按直线传播。例子：影子的形成、日食、月蚀等。2.光线的独立传播定律不同的光线以不同的方向通过某点时，彼此

6、互不影响，在空间的这点上，其效果是通过这点的几条光线的作用的叠加。利用这一规律，使得对光线传播情况的研究大为简化。3.光的折射定律和反射定律如图所示，入射光线AO入射到两种介质的分界面PQ上，在O点发生折反射，其中，反射光线为OB，折射光线为OC，　　为界面上O点处的法线。入射光线、反射光线和折射光线与法线的夹角、　和　分别称为入射角、反射角和折射角，它们均以锐角度量，由光线转向法线，顺时针方向旋转形成的角度为正，反之为负。反射定律归结为：（1）反射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；（2）反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角与入射角的绝对值相等，符号相反，

7、即：折射定律归结为：（1）折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；（2）折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两种介质的性质决定，即：通常写为:若在此式中令　　　，则上式成为,此结果在形式上与反射定律公式相同。4.光路的可逆性若光线在折射率为　的介质中沿CO方向入射，由折射定律可知，折射光线必沿OA方向出射。同样，如果光线在折射率为n的介质中沿BO方向入射，则由反射定律可知，反射光线也一定沿OA方向出射。由此可见，光线的传播是可逆的，这就是光路的可逆性。5.全反射现象光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射与反射。但在一定条