光学设计 第7讲 光的传播基本原理ppt课件.ppt

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1、光学设计基础理论第7讲光的传播基本原理1几何光学基本定律2能量分配法则3物质光学性质4非成像光学原理1几何光学基本定律1、光线光线：一条携带能量并带有方向的几何线，它代表光的传播方向。光路：光线的传播途径。光束：无数多条光线的集合称为光线束，简称光束。光束包括平行光束、同心光束、像散光束。1几何光学基本定律2、直线传播定律在各向同性的均匀介质中，光线沿直线传播。局限性：没有考虑衍射现象。3、独立传播定律不同的光源发出的光线在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。局限性：没有考虑光的波动性质，干涉现象。1几何光学基本定律4

2、、反射和折射定律（1）反射光线、折射光线在由入射光线和法线所决定的平面内（称为入射面）（2）折射光线和入射光线分居法线两侧6结论:光在介质中传播时,有偏向折射率较高一侧的趋势nn’II’nI’nn’II’n=n’,I=I’nn’II’n>n’,I

3、（1）光线从光密介质射向光疏介质；（2）入射角大于临界角。6、全反射现象光密介质光疏介质光疏介质光密介质光疏介质光密介质光疏介质光密介质光疏介质全反射现象全反射的应用：（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代替平面反射镜。（3）制造光导纤维。（4）TIR透镜。（2）测液体折射率。光导纤维：由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包层组成进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连续发生全发射，直至另一端出射。SBA根据折射定律，有：SBA可以得到：当入射角时，可以全反射传送当时，光线将会透过内壁进入包层符合什么条件时发生全反射现象？

4、当大于临界角时，就发生全发射。练习：1几何光学基本定律7、费马原理（Fermat’sPrinciple）光程：均匀介质中，光程表示光在该介质中走过的几何路程与介质折射率的乘积。光在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。为什么要引入光程的概念？有例如：同频率的两束光波，分别在两种不同的介质中传播，在相同的传播时间内，两光波所传播的几何路程不同即：可见，光在不同的介质中，相同的时间内传播的几何路程不同，但光程相同。光实际传播的路径，是与介质有关的。借助光程，可将光在各种介质中走过的路程折算为在真空中的路程，便于比较光

5、在不同介质中传播所需时间长短。QP1几何光学基本定律费马原理（即光程极端定律）：光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次折射和反射，其光程为极值。或者说,光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的。ABdln非均匀介质中的光线与光程由曲线积分计算光程：光程：光在i介质中的光程等于在相同时间t内光线在真空中所走的路程。光线沿光程为平稳值的路径而传播。平稳值的三种基本含义：极小值——直线传播、反射、折射极大值——凹球面反射镜常　数——成像系统的物像关系费马原理推论：物象等光程，即由物点发出的所有光线通过光具组后均应以相等的光

6、程到达像点。20由费马原理可以导出三个基本实验定律。1．在均匀介质中，光程最小即为路程最小，两点间的最小路程是直线——直线传播定律。注意：费马原理只指出光在两点间的光程取极值而不涉及光的传播方向。2．证明反射定律。3．证明折射定律。1几何光学基本定律Q、P两点在反射面Σ的同一侧。P’是P点关于反射面的对称点。P、Q、O'三点确定平面Π。直线QP'与反射面交于O点。则易知QO+OP为光程最短的路径。▲费马原理的应用1、由费马原理导出反射定律2、由费马原理导出折射定律Q、P分别在介质1和介质2中，分界面为Σ。从Q、P两点分别向Σ面做

7、垂线，垂足为Q’和P’，则平行线QQ’和PP’可以确定一个平面Π。在Π上，O’为两平面交线Q’P’外任一点，从O’向Q’P’做垂线，垂足为O，则由Q到P的路径中，过O'点的总比过O点的要大。即实际路径一定在平面Π中。O’P’=ph1h2费马原理的应用(1)——反射定律aABii’PdxbnA与B时折射率为n的均匀介质中的两点，有一光线APB，其光程为：根据费马原理，这光程应为极小，所以上式可以写成：由图可知：即：这就是反射定律。BdAaii’Pxbn费马原理的应用(2)——折射定律折射定律的证明（取极小值）y设A(0,yA)，O

8、(x,0)，B(xB，yB)即：3、光程为极大、常值的实例凹球面镜反射是一个光程为极大值的例子，APA’>AQA’；椭球面是光程为常数的例子。例一束平行于光轴的光线入射到抛物面镜上反射后，会聚于焦点F。请用费马原理阐述其中原理。F为抛物面的焦点，MN为其准线抛物