第1章 光学基础.ppt

绪论 课程要求 课前预习 课后复习平时作业 30 期末考试 70 光学发展史 萌芽时期春秋战国 墨经 光的直线传播 镜面反射希腊欧几里德 光学 平面镜成像几何光学时期 建立光的反射定律和折射定律 光学仪器伽利略望远镜开普勒 折光学 开普勒天文望远镜笛卡尔 折射定律 正弦形式 费马 费马原理 光学发展史 波动光学时期微粒说 直线传播 反射和折射定律波动说 折射 反射和双折射电磁理论 光是一种电磁波量子光学时期光子说光的性质现代光学时期传递函数建立光全息激光的诞生 应用光学研究内容 对象 应用光学 利用光的直线传播概念 研究光在光学仪器中的传播和成像特性 几何光学的基本定律和成像概念几何光学理想光学系统 平面及平面系统光学系统的光束限制 光度学像差理论 影响光学系统成像质量的七大几何像差单色像差 球差 彗差 像散 场曲 畸变色差 位置色差 倍率色差理想光学系统 望远系统 显微系统 照相系统 摄影系统 放映系统 眼睛 第1章几何光学的基本定律与成像概念 主要内容 几何光学的基本概念几何光学的基本定律及可逆性原理费马原理成像的概念重点 可逆性原理 费马原理和成像概念难点 可逆性原理 物像之间的等光程性 1 1几何光学的基本概念 光波 是一种电磁波 其振动方向和光的传播方向垂直 是横波 绝对折射率 光源 辐射光能的物体 本身发光或被照明后发光 点光源 光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时 光源称为点光源 在几何光学里 发光点被抽象为一个既无体积又无大小的几何点 但能辐射能量 1 1几何光学的基本概念 光线 波面的法线 在几何光学里 光线被抽象为既无体积又无直径的几何线 几何线的方向代表光线的方向 即光能的传播方向 波面 光波是电磁波 光源可看作波源 在某一瞬时 其振动位相相同的各点所构成的曲面 光束 与波面对应的法线束 包括同心光束 平行光束和像散光束 1 1几何光学的基本概念 光束与波面的对应关系 平行光束 平面波 发光点理想光学系统点同心光束理想光学系统同心光束 发光点实际光学系统斑同心光束实际光学系统非同心光束 1 2几何光学基本定律及可逆性原理 一 几何光学三大定律1 光的直线传播定律 在各向同性的均匀透明介质中 光总是沿着直线传播 成立条件 各向同性均匀透明介质中 行进过程中无小孔 狭缝等 忽略衍射 不均匀介质 1 1几何光学的基本概念 2 独立传播定律 从不同发光体发出的相互独立的光线 以不同路径传播在空间某点相遇时 彼此互不影响 独立传播 相遇处的光强简单相加 总是增强 成立条件 此定律只对非相干光准确成立 忽略关涉现象 1 2几何光学基本定律及可逆性原理 3 光的折射和反射定律反射定律 入射光线 反射光线和投射点法线三者共面入射光线和反射光线位于法线两侧 且有 光滑分界面 粗糙表面 1 2几何光学基本定律及可逆性原理 折射定律 入射光线 折射光线和投射点法线三者共面折射角正弦和入射角正弦之比在一定温度和压力下对一定波长的光线而言是一常量 等于两介质折射率之比 其中相对折射率 与空气比较的折射率 注 反射定律是折射定律的一种特例 1 2几何光学基本定律及可逆性原理 二 全反射临界角 光从光密介质入射到光疏介质时 折射角等于90度时对应的入射角 全反射 光从光密介质进入光疏介质时 如果两种介质分界面把光能全部返回第一种介质中去 这种现象称为全反射 全反射条件 1 2几何光学基本定律及可逆性原理 全反射应用全反射棱镜光导纤维 简称 光纤 1 2几何光学基本定律及可逆性原理 三 光路可逆性原理光沿原路返回 注 对于反射和折射现象 无论均匀介质还是非均匀介质 简单光学系统还是复杂光学系统 光的可逆性均成立 反射 一定存在入射光折射 特定条件下可能没有 全反射 1 3费马原理 费马原理是从光程的观点描述光传播的规律 是几何光学最基本的定律 一 光程 光在介质中经过的几何路程与光在该介质中的折射率的乘积 1 均匀介质中 注 光在某种介质中的光程等于它在相同时间内在真空中所走过的路程 2 非均匀介质 1 3费马原理 二 费马原理 光线从空间一点传播到另一点的实际路径是沿着光程为极值 极大 极小 常量 的路径传播的 三 用费马原理理解光的三大几何定律均匀介质两点间以直线最短 直线传播 反射折射 1 4成像的概念 一 物和像的基本概念光轴 光学零件曲率中心的连线 对于一个球面 光轴是通过球心的直线对于一个透镜 光轴是两个球心的连线顶点 光轴与球面的交点共轴光学系统 所有的球心都在一条直线上非共轴光学系统 所有的球心不全在一条直线上 1 4成像的概念 物点 实物点和虚物点 像点 实像点和虚像点 物空间和像空间 进入光学系统的实际光束所在的空间为物空间 从光学系统出射的实际光束所在的空间 物象方介质折射率 入射光线和出射光线所在介质折射率 1 4成像的概念 二 物像之间的等光程性完善像点 点物成点像 即 发散或会聚光束经光学系统后变成另一束发散或会聚光束 完善成像条件 物点光学系统 像点同心光束光学系统 同心光束球面波光学系统 球面波 1 4成像的概念 物像之间的等光程性 费马原理可知 光线沿着光程为极值的路径传播 则物点发出的所有光线均沿着光程为极值的路径传播 则所有光线光程相等 1 4成像的概念 三 等光程面 根据物像之间的等光程性等光程面 一个曲面能对给定物点成像到指定点 1 反射等光程面 有限远物 有限远像 旋转椭球面 构成反射式望远物镜的格里高里系统中的副反射镜 1 4成像的概念 无限远物 有限远像 旋转抛物面 最早的反射式天文望远物镜就是单个抛物面做成的 称为牛顿系统 1 4成像的概念 有限远实 虚 物 有限远虚 实 像 旋转双曲面当双曲面变为一个平面时 就是平面反射镜成像 1 4成像的概念 2 折射等光程面 有限远物成有限远像 等光程面是一个卵形面 等光程面是一个四次方的曲线方程 为卵形面 对x轴旋转对称 做成透镜 增加一个球心在A 点 半径为O A 的球面 O A 的大小决定透镜的厚度和口径大小 1 4成像的概念 有限远物成像到无限远 像点在无限远 出射的是平面波 第1章作业1 已知光在真空中的传播速度为 求光在以下各介质中的速度 水 n 1 333 冕玻璃 n 1 51 重火石玻璃 n 1 65 加拿大树胶 n 1 526 2 一个玻璃球 折射率为1 73 入射光线