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：光源、焦點、物點、像點線：光線、法線、光軸面：物面、像面、反射面、折射面,由于光具有波動性，因此這種只考慮粒子性的研究方法只是一種對真實情況的近似處理方法。必要時要輔以波動光學(xué)理論。,一. 發(fā)光點 幾何上的點是既無大小，又無體積的抽象概念。當(dāng)光源的大小與其作用距離相比可以忽略不計時，也可認為是一個點。,,天體,遙遠的距

2、離,觀察者,任何被成像的物體， 是由無數(shù)個發(fā)光點組成,1、本身發(fā)光。2、反射光。,因此研究物體成像時，可以用某些特征點的成像規(guī)律來推斷整個物體的成像。,二、光線,發(fā)光點向四周輻射光能量，在幾何光學(xué)中將發(fā)光點發(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,一個位于均勻介質(zhì)中的發(fā)光點，它所發(fā)出的光向四周傳播，形成以發(fā)光點為球心的球面波。,某一時刻相位相同的點構(gòu)成的面稱為波面,波面上某一點的法線就是這一點上光的傳播方向，波面上的

3、法線束稱為光束,同心光束：發(fā)自一點或會聚于一點，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，主要要搞清光線在光學(xué)元件中的傳播途徑，這個途徑稱為光路,實際做法：從光束中取出一個適當(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、光的獨立傳播定律 不同的光源發(fā)出的光線在空間某點相遇時，彼此互不影響。在光線的相會點上，光的強度是各光束的簡單疊加，離開交會點后，各個光束按原方向傳播。,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,,§1-3 光路可逆和全反射(§1-4, §11-1,11-2),全反射的兩個條件：,（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，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)中傳播時各個方向的折射率相等，折射率不是方向的函數(shù)。,（3）光強不能太強，否則巨大的光能量會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)比光的波長大得多，否則不能把光束簡化為

7、光線。,光程:光在介質(zhì)中傳播時，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，費馬原理的一般表達式為,四、費馬原理,1 共軸光學(xué)系統(tǒng)2 完善成像條件3 物、像的虛實,五、成像的基本概念與完善成像條件,2024/3/19,19,※掌握光學(xué)傳播的三個基本定律（光的直線傳播定律、獨立傳播定律、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題的基礎(chǔ)。,※掌握光路的可逆性原理。利用