几何光学基本定律与成像理论 2014年西安交通大学《工程光学》ppt课件

电磁波谱 光波: 特定波段的电磁波 全反射（Total internal reflection） 临界角ic 临界角(Critical angle): 每一种宝石都有自己的折射率，钻石的折射率为2.42，也是宝石中折射率最高的，折 射率越高，临界角就越小，全反射的范围就宽，光容易发生全反射且反射的光量多， 呈现的光芒就越璀璨。这就是为什么钻石的光彩永远比其他宝石要好的原因 光学纤维 Light can travel with little loss in a curved optical fiber, because the light is totally reflected whenever it strikes the core-cladding interface and because the absorption of light by the core itself is small. 医学应用 A bronchoscope 肺部 A colonoscope, shown in use in this X-ray photograph 结肠镜 关节显微手术 最小时间原理 “ 光在两点之间所走的实际路径是以最短时间通过的那条路径。” 可由此导出“ 三定律” 和光路可逆性： (1) 均匀媒质，v= c /n 是常数，时间最短即路程最 短，所以直线传播。 Q P (2) 反射定律 P Q M P = = i i 对应的折线 QMP 最短。 (3) 折射定律（作业） 光程 均匀媒质： P Q n L (长度 l ) L是任一设想的路径 光程 ( QP ) = n l 沿L 分段均匀： n1n3n2 Q l1 l2 l3 P M N ( QMNP ) = n1 l1 + n2 l2 + n3 l3 一般： Q P dl n (x,y,z) L n (x,y,z) 光程 ( QP ) 沿L (L) 光程同样传播时间内在真空中的路程 “ 最小时间原理”也就是“ 最小光程原理”。 费马原理的表述 从一点到另一点的一条实际光线取这样的路径：其光程与邻近路径 光程相比是极大值、极小值或稳定值。 等效说法： 在实际光线的路径上，光程的变分为零。 在均匀介质中的两点间（直线传播）、经平面反射的两点间，以及经平面折射 的两点间的实际光路均是光程取极小值的情形 成象系统的物点和像点 之间为光程取稳定值的情形。 光程取极大值的例子 左图表示凹球面反射镜，C为其球心，P为 球面顶点，过C作PC的垂线，A和A为垂线上任意 一对与C点等距离的点。光路APA满足反射定律 ，为实际光路。可以证明，它与邻近光路相比 ，光程为极大值。 证 过凹球面的顶点P，以A和A为焦点作 椭球面。显然，椭球面在球面的外面，它们 相切于P点。对球面的任意邻近光路AQA,由于 AR+RQAQ,所以(ARA)(AQA),而 (ARA)=(APA),故(APA)(AQA)。 即凹球面反射镜的这条实际光路APA与邻近光路比，为光程极大。 回转椭球面的凹面镜 ：光程取恒定值 1.2 成像的基本概念与完善成像条件 一、光学系统与成像概念 1、光学系统是由光学元件组成，光学元件由不同折射率的介质组成 ，其表面为平面、球面和非球面：对物体成像 2、共轴光学系统：若光学系统中各个光学元件表面的曲率中心在一 条直线上，则该光学系统是共轴光学系统。该直线叫做光轴。 3、完善像点：若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍同 心光束，该光束的中心即为该物点的完善像点。 4、完善像：完善像点的集合。 5、物空间、像空间：物（像）所在的空间 或包含入射（出射）光束及其延长线的空间 完善像 共轭点 共轭光线 共轭光束 三、物（像）的虚实 实像：由实际光线相交形成。 虚像：由光线的延长线相交形成。 Q Q 光 具 组 实物成实像 实物成虚像 Q Q 光 具 组 实物成虚像 虚物成实像 虚物成实像 虚物成虚像 光 具 组 Q Q 光 具 组 Q Q 物与像 实物、实像的意义在于有光线实际发自或通过该点 ，而虚物、虚像仅仅是由光的直线传播性质给人眼 造成的一种错觉，实际上并没有光线经过该点。 光在平面界面上的反射和折射 平面镜是一个最 简单的、不改变 光束同心性的、 能成完善像的光 学系统 The bundle of rays from the top of the object appears to originate from the image behind the mirror For the woman to see her full- sized image, only a half-sized mirror is needed. 球面反射成像的特点：可以看作是球面折射的一 种特殊形式，不同之处仅在于经球面反射的光线 方向倒转，变为从右向左传播。 取n=-n （数学上有意义 ） A makeup mirror is concave and forms a virtual image A head-up display(HUD) presents the driver with a