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1、第一章第一章 幾何光學的基本定律與成像概念幾何光學的基本定律與成像概念一、基本概念一、基本概念1. 光波光波 電磁波（橫波）電磁波（橫波）可見光波長：可見光波長：400nm760nm 4000 7600 0.4m0.4m0.76m0.76m 在可見光范圍內(nèi)，不同波長引起不同顏色感覺。在可見光范圍內(nèi)，不同波長引起不同顏色感覺。單色光單色光 具有單一波長的光。具有單一波長的光。幾種單色光混合而成為幾種單色光混合而成為“復色光復色光”。真空中光速真空中光速 c=3 310108 8m/sm/s 介質(zhì)中光速介質(zhì)中光速 v=c/nn n： 一定波長的單色光在真空中的傳播速度一定波長的單色光在真空中的傳播
2、速度(c)與它在給與它在給定介質(zhì)中傳播速度定介質(zhì)中傳播速度(v)之比，定義為該介質(zhì)對指定波長的之比，定義為該介質(zhì)對指定波長的光的絕對折射率（光的絕對折射率（n n）。）。 2. 光源光源 輻射光能的物體輻射光能的物體點光源：用特定的幾何點表示的發(fā)光體。點光源：用特定的幾何點表示的發(fā)光體。 線光源線光源 ：面光源：面光源：點光源點光源 當光源的大小與輻射光能的作用距離相比可以當光源的大小與輻射光能的作用距離相比可以忽略時，此光源可認為是點光源。忽略時，此光源可認為是點光源。 點光源被認為沒有體積和線度，所以能量密度應(yīng)為無點光源被認為沒有體積和線度，所以能量密度應(yīng)為無限大。限大。3. 光線光線 無
3、體積、無直徑，有能量、有方向，能夠傳輸無體積、無直徑，有能量、有方向，能夠傳輸能量的幾何線。能量的幾何線。 光線方向代表光能傳播的方向。光線方向代表光能傳播的方向。4. 波面波面 某一時刻，振動位相相同的各點構(gòu)成的面。某一時刻，振動位相相同的各點構(gòu)成的面。 波面可分為：平面波、球面波、任意曲面波。波面可分為：平面波、球面波、任意曲面波。 波面法線方向即為光傳播方向。波面法線方向即為光傳播方向。光線波面光源同心光束同心光束 波面為球面，聚于一點。波面為球面，聚于一點。平行光束平行光束 波面為平面。波面為平面。象散光束象散光束 波面為曲面，不聚于一點。波面為曲面，不聚于一點。發(fā)散光束發(fā)散光束 光線
4、在前進方向上無相交趨勢。光線在前進方向上無相交趨勢。會聚光束會聚光束 光線在前進方向上有相交趨勢。光線在前進方向上有相交趨勢。5. 光束光束 與波面對應(yīng)的法線集合。與波面對應(yīng)的法線集合。二、基本定律二、基本定律 1. 光的直線傳播定律光的直線傳播定律 在同一種各向同性、均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。在同一種各向同性、均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。 2. 光的獨立傳播定律光的獨立傳播定律 從不同光源發(fā)出的光束以不同方向通過空間某點，互從不同光源發(fā)出的光束以不同方向通過空間某點，互不影響，各自獨立傳播。不影響，各自獨立傳播。 3. 光的反射定律光的反射定律 反射定律可歸結(jié)為：入射光線、反射定律可歸結(jié)為：入
5、射光線、反射光線和投射點法線三者在同一反射光線和投射點法線三者在同一平面內(nèi)，入射角和反射角二者絕對值平面內(nèi)，入射角和反射角二者絕對值相等，符號相反。即入射光線和反射相等，符號相反。即入射光線和反射光線位于法線的兩側(cè)。光線位于法線的兩側(cè)。 反射定律可表示為反射定律可表示為 II4. 光的折射定律光的折射定律 折射定律可歸結(jié)為：入射光線、折射光線和投射點折射定律可歸結(jié)為：入射光線、折射光線和投射點的法線三者在同一平面內(nèi)，入射角的正弦與折射角正弦的法線三者在同一平面內(nèi)，入射角的正弦與折射角正弦之比與入射角大小無關(guān)，而與兩介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。對一定之比與入射角大小無關(guān)，而與兩介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。對一定波長的光線，
6、在一定溫度和壓力的條件下，該比值為一波長的光線，在一定溫度和壓力的條件下，該比值為一常數(shù)，等于折射光線所在介質(zhì)的折射率與入射光線所在常數(shù)，等于折射光線所在介質(zhì)的折射率與入射光線所在介質(zhì)折射率之比。介質(zhì)折射率之比。折射定律可表示為：折射定律可表示為： nnIIsinsinInInsinsin或：或：若令若令 ，得，得 ，即為，即為反射定律。這表明反射定律可以反射定律。這表明反射定律可以看作為折射定律的一種特例。這看作為折射定律的一種特例。這在幾何光學中是有重要意義的一在幾何光學中是有重要意義的一項推論項推論 。nnII兩種重要的光的傳播現(xiàn)象：光路的可逆性及全反射兩種重要的光的傳播現(xiàn)象：光路的可逆
7、性及全反射 光路的可逆性：光路的可逆性：假定某一條光線，沿著一定的路線。由假定某一條光線，沿著一定的路線。由A傳播到傳播到B，如果我們在，如果我們在B點沿著出射光線，按照相反的方點沿著出射光線，按照相反的方向投射一條光線，則此反向光線仍沿著此同一條路線，由向投射一條光線，則此反向光線仍沿著此同一條路線，由B傳播到傳播到A。光線傳播的這種性質(zhì)，叫做。光線傳播的這種性質(zhì)，叫做“光路可逆性光路可逆性”。例：由反射定律和折射定律可知，當光線自例：由反射定律和折射定律可知，當光線自B點或點或C點投點投射到分界面上射到分界面上O點時，反射光線或折射光線必沿點時，反射光線或折射光線必沿OA方向方向射出。射出
8、。 全反射：全反射：當入射光的入射角當入射光的入射角I大于某值時，兩種介質(zhì)的大于某值時，兩種介質(zhì)的分界面把入射光全部反射回原介質(zhì)中去，這種現(xiàn)象稱為分界面把入射光全部反射回原介質(zhì)中去，這種現(xiàn)象稱為“全反射全反射”或或“完全內(nèi)反射完全內(nèi)反射”。條件：光密條件：光密 光疏（光疏（n n ），）， iiQ （零界角）（零界角）n sin i=n sin i（ i9090 ）iQarcsin (n/n )全反射應(yīng)用：全反射應(yīng)用：使光線傳播方向改使光線傳播方向改變變90 使光線傳播方向改變使光線傳播方向改變180, ,使象的方位使象的方位A A、B B倒轉(zhuǎn)過來倒轉(zhuǎn)過來 ，但左右，但左右方位方位C、D不變不
9、變使象的上下方位使象的上下方位A A、B B和左右方位和左右方位C、D都都倒轉(zhuǎn)過來倒轉(zhuǎn)過來12sinnnicsinsin10nin90ci222110cossinnnininc(b)n2n2n1iicn002221arcsin0nnni0n1 1）光程）光程 光在介質(zhì)中經(jīng)過的幾何路程光在介質(zhì)中經(jīng)過的幾何路程l與該介質(zhì)折射率與該介質(zhì)折射率n的乘積。的乘積。 s=n l 均勻介質(zhì)均勻介質(zhì) m層均勻介質(zhì)層均勻介質(zhì) 連續(xù)變化的非均勻介質(zhì)連續(xù)變化的非均勻介質(zhì) s=n l=c t miiilns1BAndls5. 費馬原理（光程極值原理）費馬原理（光程極值原理）2）費馬原理：光線從）費馬原理：光線從A到到
10、B，經(jīng)過任意多次折射或反射，其光程為極值。，經(jīng)過任意多次折射或反射，其光程為極值。（對（對s的一次微分為零）的一次微分為零） 可以解釋光的直線傳播、反射、折射定律?？梢越忉尮獾闹本€傳播、反射、折射定律。0BAndls6. 馬呂斯定律（波面與光束、波面與光程的關(guān)系）馬呂斯定律（波面與光束、波面與光程的關(guān)系） 垂直于波面的光線經(jīng)過任意次折射、反射，出射波面垂直于波面的光線經(jīng)過任意次折射、反射，出射波面仍與出射光束垂直，且入射波面與出射波面對應(yīng)點之間仍與出射光束垂直，且入射波面與出射波面對應(yīng)點之間光程相同。光程相同。費馬原理費馬原理 馬呂斯定律馬呂斯定律 光的直線傳播定律光的直線傳播定律 光的反、折
11、射定律光的反、折射定律等價等價等價等價OOnQQn211sin IQOQQ 2sin IQOOO 2211sinsinInIn1. 光軸光軸 組成光學系統(tǒng)的各個光學元件的表面曲率中心在同一條組成光學系統(tǒng)的各個光學元件的表面曲率中心在同一條直線上的光學系統(tǒng)稱為共軸光學系統(tǒng)，該直線稱為光軸。直線上的光學系統(tǒng)稱為共軸光學系統(tǒng)，該直線稱為光軸。 2. 成像的有關(guān)概念成像的有關(guān)概念 由一點由一點A發(fā)出的光線經(jīng)過光學系統(tǒng)后聚交或近似的聚發(fā)出的光線經(jīng)過光學系統(tǒng)后聚交或近似的聚交在一點交在一點A，則則A A為物點，為物點， A為物點為物點A A通過光學系統(tǒng)通過光學系統(tǒng)所成的像點。物與象之間的對應(yīng)關(guān)系稱為所成的
12、像點。物與象之間的對應(yīng)關(guān)系稱為“共軛共軛”。 一個物點，總是發(fā)出同心光束，與球面波相對應(yīng)；一個物點，總是發(fā)出同心光束，與球面波相對應(yīng)；一個像點，理想情況應(yīng)該由球面波對應(yīng)的同心光束匯交一個像點，理想情況應(yīng)該由球面波對應(yīng)的同心光束匯交而成，稱這種像點為完善像點。而成，稱這種像點為完善像點。3. 成完善象的條件成完善象的條件 發(fā)光體每一物點發(fā)出球面波，通過光學系統(tǒng)后仍為發(fā)光體每一物點發(fā)出球面波，通過光學系統(tǒng)后仍為球面波，會聚為物體的完善象。球面波，會聚為物體的完善象。三、三、 成像的概念成像的概念實物實物 物方實際光線直接相交而成的點。物方實際光線直接相交而成的點。虛物虛物 物方實際光線不能相交，延
13、長線相交而成的點。物方實際光線不能相交，延長線相交而成的點。實象實象 象方實際光線直接相交的點。象方實際光線直接相交的點。虛象虛象 象方實際光線不能直接相交，反向延長相交。象方實際光線不能直接相交，反向延長相交。物空間物空間 構(gòu)成物的光線所處的空間。（實物、虛物）構(gòu)成物的光線所處的空間。（實物、虛物）象空間象空間 構(gòu)成象的光線所處的空間。（實象、虛象）構(gòu)成象的光線所處的空間。（實象、虛象）物象都有虛實之分：物象都有虛實之分：說明：說明：1. 物點不管是虛的還是實的，都是入射光線的交點；像點則是出射物點不管是虛的還是實的，都是入射光線的交點；像點則是出射光線的交點。無論是物還是像，光線延長線的交
14、點都是虛的，而實光線的交點。無論是物還是像，光線延長線的交點都是虛的，而實際光線的交點都是實的。際光線的交點都是實的。2. 物象空間的判斷方法物象空間的判斷方法 光學系統(tǒng)第一個曲面以前的空間稱為光學系統(tǒng)第一個曲面以前的空間稱為“實物空間實物空間”，第一個曲面以后的空間稱為，第一個曲面以后的空間稱為“虛物空間虛物空間”；光學；光學系統(tǒng)最后一個曲面以后的空間稱為系統(tǒng)最后一個曲面以后的空間稱為“實像空間實像空間”，最后一個曲面，最后一個曲面以前的空間稱為以前的空間稱為“虛像空間虛像空間”。3. 物空間（不論是實物還是虛物）介質(zhì)的折射率是指實際入射光物空間（不論是實物還是虛物）介質(zhì)的折射率是指實際入射
15、光線所在空間介質(zhì)折射率，像空間（不論是實像還是虛像）介質(zhì)的線所在空間介質(zhì)折射率，像空間（不論是實像還是虛像）介質(zhì)的折射率是指實際出射光線所在空間介質(zhì)的折射率。折射率是指實際出射光線所在空間介質(zhì)的折射率。4. 物和像都是相對某一系統(tǒng)而言的，前一系統(tǒng)的像則是后一系統(tǒng)物和像都是相對某一系統(tǒng)而言的，前一系統(tǒng)的像則是后一系統(tǒng)的物。物空間和像空間不僅一一對應(yīng)，而且根據(jù)光的可逆性，若的物。物空間和像空間不僅一一對應(yīng)，而且根據(jù)光的可逆性，若將物點移到像點位置，使光沿反方向入射光學系統(tǒng)，則像在原來將物點移到像點位置，使光沿反方向入射光學系統(tǒng)，則像在原來物點上。這樣一對相應(yīng)的點稱為物點上。這樣一對相應(yīng)的點稱為“共軛點共軛點”。例：某物體通過一透鏡成像后在透鏡內(nèi)部，透鏡材例：某物體通過一透鏡成像后在透鏡內(nèi)部，透鏡材料為玻璃，透鏡兩側(cè)均為空氣。問該像所處的空間料為玻璃，透鏡兩側(cè)均為空氣。問該像所處的空間介質(zhì)是玻璃還是空氣？介質(zhì)是玻璃還是空氣？123456位標器動平衡調(diào)試系統(tǒng)光源位標器動平衡調(diào)試系統(tǒng)光源
大學物理：第一章 幾何光學的基本定律與成像概念
