幾何光學(xué)2015(第1課)

1、幾何光學(xué)：以光線為基礎(chǔ)，用幾何的方法來(lái)研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律及光學(xué)系統(tǒng)的成像特性。,點(diǎn)：光源、焦點(diǎn)、物點(diǎn)、像點(diǎn)線：光線、法線、光軸面：物面、像面、反射面、折射面,由于光具有波動(dòng)性，因此這種只考慮粒子性的研究方法只是一種對(duì)真實(shí)情況的近似處理方法。必要時(shí)要輔以波動(dòng)光學(xué)理論。,一. 發(fā)光點(diǎn) 幾何上的點(diǎn)是既無(wú)大小，又無(wú)體積的抽象概念。當(dāng)光源的大小與其作用距離相比可以忽略不計(jì)時(shí)，也可認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)。,,天體,遙遠(yuǎn)的距

2、離,觀察者,任何被成像的物體， 是由無(wú)數(shù)個(gè)發(fā)光點(diǎn)組成,1、本身發(fā)光。2、反射光。,因此研究物體成像時(shí)，可以用某些特征點(diǎn)的成像規(guī)律來(lái)推斷整個(gè)物體的成像。,二、光線,發(fā)光點(diǎn)向四周輻射光能量，在幾何光學(xué)中將發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光抽象為帶有能量的線，它代表光的傳播方向。,三、光束,一個(gè)位于均勻介質(zhì)中的發(fā)光點(diǎn)，它所發(fā)出的光向四周傳播，形成以發(fā)光點(diǎn)為球心的球面波。,某一時(shí)刻相位相同的點(diǎn)構(gòu)成的面稱為波面,波面上某一點(diǎn)的法線就是這一點(diǎn)上光的傳播方向，波面上的

3、法線束稱為光束,同心光束：發(fā)自一點(diǎn)或會(huì)聚于一點(diǎn)，為球面波,平行光束：光線彼此平行，是平面波,像散光束：光線既不平行，又不相交，波面為曲面。,在幾何光學(xué)中研究成像時(shí)，主要要搞清光線在光學(xué)元件中的傳播途徑，這個(gè)途徑稱為光路,實(shí)際做法：從光束中取出一個(gè)適當(dāng)?shù)慕孛?，再求出其上幾條光線的光路，即可解決成像問(wèn)題。這種截面稱為光束截面,§1-2 幾何光學(xué)基本定律(§1-2,1-3),一、光的直線傳播定律 在各向同

4、性的均勻介質(zhì)中，光線沿直線傳播。,二、光的獨(dú)立傳播定律 不同的光源發(fā)出的光線在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，彼此互不影響。在光線的相會(huì)點(diǎn)上，光的強(qiáng)度是各光束的簡(jiǎn)單疊加，離開交會(huì)點(diǎn)后，各個(gè)光束按原方向傳播。,三、折射和反射定律,光的折射和反射定律研究光傳播到兩種均勻介質(zhì)的分界面 時(shí)的定律。,（一）折射定律,,,I：入射角,I’：折射角,（二）反射定律,全反射現(xiàn)象,一般情況下，光線射至透明介質(zhì)的分界面時(shí)將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。,當(dāng)光由光密介質(zhì)

5、射向光疏介質(zhì)時(shí),,§1-3 光路可逆和全反射(§1-4, §11-1,11-2),全反射的兩個(gè)條件：,（1）光密到光疏介質(zhì)；,（2）入射角大于臨界角；,全反射的應(yīng)用：,（1）制成各種全反射棱鏡，用于折轉(zhuǎn)光路，代替平面反射鏡。,（2）制造光導(dǎo)纖維。,光導(dǎo)纖維號(hào)稱現(xiàn)代信息系統(tǒng)的神經(jīng),由內(nèi)層折射率較高的纖芯和外層折射率較低的包層組成,進(jìn)入光纖的光線在纖芯與包層的分界面上連續(xù)發(fā)生全發(fā)射，直至另一端出射。,,,,

6、,,,,S,B,A,當(dāng),大于臨界角時(shí)，就發(fā)生全發(fā)射。,根據(jù)折射定律，又有：,可以得到：,由 得,三條定律成立的條件,（1）必須是均勻介質(zhì)，即同一介質(zhì)的折射率處處相等，折射率不是位置的函數(shù)。,（2）必須是各向同性介質(zhì)，即光在介質(zhì)中傳播時(shí)各個(gè)方向的折射率相等，折射率不是方向的函數(shù)。,（3）光強(qiáng)不能太強(qiáng)，否則巨大的光能量會(huì)使線性疊加原理不再成立而出現(xiàn)非線性情況。,（4）光學(xué)元件的線度應(yīng)比光的波長(zhǎng)大得多，否則不能把光束簡(jiǎn)化為

7、光線。,光程:光在介質(zhì)中傳播時(shí)，光傳播的幾何路程與介質(zhì)折射率之乘積稱為光程。 光沿著光程為極值的路徑傳播，費(fèi)馬原理的一般表達(dá)式為,四、費(fèi)馬原理,1 共軸光學(xué)系統(tǒng)2 完善成像條件3 物、像的虛實(shí),五、成像的基本概念與完善成像條件,2024/3/19,19,※掌握光學(xué)傳播的三個(gè)基本定律（光的直線傳播定律、獨(dú)立傳播定律、折射和反射定律），以及成立的條件，它是幾何光學(xué)研究光線傳播和成像問(wèn)題的基礎(chǔ)。,※掌握光路的可逆性原理。利用