第十四章 光学-几何光学

第二部分光的干涉,第十四章光学,第三部分光的衍射,第四部分光的偏振,第一部分几何光学,本章在简单介绍几何光学的基本原理后，主要讨论光的波动性，光的粒子性在近代物理中介绍,第一部分几何光学,14-5薄透镜,14-4光在球面上的反射和折射,14-3光在平面上的反射和折射,14-2几何光学基本定律,14-1关于光的本性的认识发展简史,傅科测出光在水中的速度小于空气中速度决定性判据,1719世纪,牛顿的微粒说,惠更斯的波动说,光是从光源发出的微粒流,光是介质（以太）中的机械波,开始占统治地位,19世纪初,波动说,杨氏双缝实验显示干涉现象,惠更斯-菲涅耳原理能,1850年,波动说,获得更多的支持,14-1关于光的本性的认识发展简史,解释光直线传播和衍射现象,解释与实物作用过程（光的吸收与发射）中发生的现象,解释传播过程（反射、折射、干涉、衍射和偏振）中发生的现象,赫兹实验证实了,19世纪60年代,麦克斯韦电磁波理论,光电效应、康普顿效应,20世纪初,波动理论遭遇困难,光具有波粒二象性,表现为粒子,表现为波动,光是电磁波的预言,等不能用波动说解释,在远近有端(小孔)于光，故景库(倒像)内也,一、光的直线传播定律,墨经(两千年前)对针孔成像的记载,这种几何线称为光线,在均匀介质中光沿直线传播，光线为直线,142几何光学基本定律,壁,高,下,首,高,下,足,下光,上光,屏,午,端,景库,光之入照若射,针孔成像是光沿直线传播的典型实例,用带有方向的几何线表示光的传播方向,光线因折射向上弯曲,非均匀介质中光线,炎热夏日的阳光下，远处路面似乎是潮湿的,冷空气,热空气,产生错觉的影像,将因折射而沿曲线传播,二、光的反射和折射定律,反射定律：反射光线在入射面内，且i=i,法线,入射面,i,i,r,n1,n2,折射定律：折射光线在入射面内，且,第一介质和第二介质的绝对折射率定义为,两种介质的相对折射率定义为,v1、v2分别为光在两介质中的速度,三、全反射,i1,r1,n1,n2,ic称为全反射的临界角,采用尼康6mm鱼眼镜头拍摄的照片,i2,r2,ic,全反射,水折射率n1=1.33,空气折射率n2=1.0,249=98的空间范围,全反射刚好出现时的入射角,鱼从水中往天上看时，得到,全反射的应用,全反射棱镜,45,45,45,改变光的行进方向,角锥棱镜,光导纤维,传递光能或光信息,作为反射器,45,45,自行车反光片,v1为光在折射率为n1的介质中的传播速度,折射率的定义为,设、1分别为光在真空中、介质中的波长,四、光程,设为单色光的频率，c为光在真空中的传播速度,则,S,P,折射率与几何路程的乘积nr称为光程,nr+nr,光在介质中所走过的路程折算成,光在介质中走过路程为r，所需要的时间为r/v,S到P的光程为,光程,光波经过两种介质,在相同的时间内，光在真空中走过的路程为,在折射率为n的介质中光传播的速度为v,相同时间内光在真空中的路程,一个发射光线的光源与几何点一样,单心光束,发散光束,点光源物点,像点实像,14-3光在平面上的反射和折射,像点虚像,这样的光源称为点光源或物点,只有几何位置而没有大小,平面是最简单的光学系统,n1,S,一、平面反射成像,n2,S,点光源物点,像点实像,像点虚像,n1,S,n2,S,虚物点,对称平面,当人眼的观察位置移动,二、平面折射成像,发散光束,人眼看到的物点的近似像点,焦散曲线,近似像点,所观察到的虚像点位置也随之移动,平面折射的情况下不能理想成像,近轴条件,球面,主光轴,球面中心,14-4光在球面上的反射和折射,顶点,一、近轴条件下单球面的反射,物距,像距,根据反射定律得,-i=i,AC为角平分线,反射点或折射点与顶点之间圆弧的圆心角很小,物点到主光轴的距离远小于球面的曲率半径,近轴条件下，角-u与-u都很小，得,代入上式得,即得球面反射镜在近轴条件下的反射公式,物点在无穷远处,焦距,焦点,焦点的共轭点是无穷远点,物点S放置在主光轴上的无穷远处时有,焦距,焦点,对于凸面镜,f0，s0，则s恒为正值,无论物体放在镜面前何处，得到的都是虚像,虚像点,发散光束,在近轴条件下折射定律可写为,二、近轴条件下单球面的折射,实像点,n(-i)=n(-i),将三角关系,代入上式得,近轴条件下，角-u与-u都很小，得,物距,像距,即得单球面在近轴条件下的折射公式,像方焦点F，像方焦距,当像点位于像方无穷远处时，物方焦点F，物方焦距,可得高斯公式,当入射光为与主光轴平行的平行光时，,由两个共轴折射曲面构成的光学系统称为透镜,14-5薄透镜,若透镜的厚度比焦距小很多，则称为薄透镜,六种基本透镜类型的主截面,采用逐次成像法进行推导,一、薄透镜成像的基本公式,物距,对O2是虚物点,第一球面O1折射后成像于S,像距,对于球面O2,对O2是物距,两式相加得,空气中n1=n21,二、焦点焦距焦平面副光轴,F,平行光会聚于焦点,焦点发出的光成平行光,像方焦距,主光轴,像方焦点,焦平面,主光轴,同相面,A,B,物方焦点,由得,f,F,f,物方焦距,由得,像方焦距f表征薄透镜的会聚与发散光束的能力,薄透镜成像的高斯公式,像高与物高之比b称为成像的横向放大率,空气中的薄透镜,f0的透