第19章几何光学ppt课件

1、光学的实际体系光学的实际体系以光的直线传播为根底，采用几何方法研讨以光的直线传播为根底，采用几何方法研讨光在透明介质中的传播问题。光在透明介质中的传播问题。物理光学物理光学动摇光学：动摇光学：以光的动摇性为根底，研讨以光的动摇性为根底，研讨光的传播及其规律。光的传播及其规律。量子光学：量子光学：以光和物质相互作用时所显示以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为根底，研讨光的出的粒子性为根底，研讨光的一系列规律。一系列规律。现代光学现代光学非线性光学非线性光学激光光谱学激光光谱学信息光学信息光学集成光学集成光学统计光学统计光学.几何光学：几何光学：其根底是光波长趋于零其根底是光波长趋于零光疏媒质光

2、疏媒质8光导纤维的光路光导纤维的光路内窥镜内窥镜全反射的运用全反射的运用高锟高锟16.2 共轴理想光学系统的成像共轴理想光学系统的成像一、光程一、光程 光在均匀介质走过的几何路程光在均匀介质走过的几何路程 r 与与介质折射率介质折射率 n 之乘积。用之乘积。用 l 表示。表示。光程的物理意义：表示光在介质中经过真实路程所需时光程的物理意义：表示光在介质中经过真实路程所需时间内间内,在真空中所能传播的路程。在真空中所能传播的路程。即：即： l = nrrnr光程光程SsnLdSn介质中：介质中：折合到真空中：折合到真空中：二、费马原理二、费马原理 光从一点传播到另一点将循着这样光从一点传播到另一

3、点将循着这样一条途径，光沿所需求时间为极值可一条途径，光沿所需求时间为极值可以是极大值、极小值，也可以是常量以是极大值、极小值，也可以是常量的途径传播。的途径传播。即：光沿着光程为极值的途径传播。即：光沿着光程为极值的途径传播。所用时间为：所用时间为：1dStn sc时间时间 t 有极值的条件是有极值的条件是:1d 0Stn sc或或d 0SLn s光程：光程：光在光在i介质中的光程等于在一样时间介质中的光程等于在一样时间t内光线在真空中所走的路程。内光线在真空中所走的路程。光线沿光程为平稳值的途径而传播。光线沿光程为平稳值的途径而传播。平稳值的三种根本含义：平稳值的三种根本含义：极小值极小值

4、直线传播、反射、折射直线传播、反射、折射极大值极大值凹球面反射镜凹球面反射镜常数常数成像系统的物像关系成像系统的物像关系费马原理推论：物象等光程，费马原理推论：物象等光程，即由物点发出的一切光线经过即由物点发出的一切光线经过光具组后均应以相等的光程到光具组后均应以相等的光程到达像点达像点 。费马原理的运用费马原理的运用(1)反射定律反射定律 aABiiPdxbnA与与B时折射率为时折射率为n的均匀介质的均匀介质中的两点，有一光线中的两点，有一光线APB，其，其光程为：光程为：2222()()L APBn axn bd x根据费马原理，这光程根据费马原理，这光程应为极小，所以应为极小，所以112

5、2222211()(2 )() 2()( 1)022dLnaxxnbdxdxdx上式可以写成：上式可以写成：2222()xdxaxbdxsinsin iiii由图可知：由图可知：即：即：这就是反射定律。这就是反射定律。1122222211()(2 )() 2()( 1)022dLnaxxnbdxdxdxBdAaiiPxbn费马原理的运用费马原理的运用(2)折射定律折射定律 折射定律的证明取极小值折射定律的证明取极小值y设设A(0,yA)，O(x,0) ，B(xB，yB)2222AO+BO =itiAtBBnnnxyn (xx)y22222()d2=0d()BitABBxxxnnxxyxxy22

6、22BitABBxxxnnxy(xx)y即：即：sinsinitnint光在单球面上的傍轴成像光在单球面上的傍轴成像ABCO反射面反射面甲凹面镜甲凹面镜ABCO反射面反射面乙凸面镜乙凸面镜球球面面镜镜主光轴：球面上中心点主光轴：球面上中心点O与球心与球心(曲率中心曲率中心)C所连直线。所连直线。副光轴：经过曲率中心的任何直线。副光轴：经过曲率中心的任何直线。光轴：光学系统的对称轴光轴：光学系统的对称轴光轴光轴傍轴光线：与光轴夹角较小，并接近光轴的光线傍轴光线：与光轴夹角较小，并接近光轴的光线蓝线蓝线傍轴光线傍轴光线绿线绿线非傍轴光线非傍轴光线一、根本概念和符号一、根本概念和符号OCpBr rP

7、AQ Mq符号法那么规定如下符号法那么规定如下:(1)沿着光线前进的方向沿着光线前进的方向物点在镜前，物距物点在镜前，物距p0；物点在镜后，物距；物点在镜后，物距p0；像点在镜后，像距；像点在镜后，像距q0。反之，。反之，p0。反之，。反之，q0r0。反之，。反之，r0r2fSSC113像像IIfp2f22IISSCF112pf1233IISSCF12像像IIpf光学的来源和光的本质光学的来源和光的本质 我国早在春秋时代我国早在春秋时代中记载了许多光学景象，如：中记载了许多光学景象，如：光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方面长光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方面长期在

8、世界居于领先位置。期在世界居于领先位置。 近代光学的开展不断伴随对光的本质的研讨，他阅历近代光学的开展不断伴随对光的本质的研讨，他阅历了几个时代：了几个时代：古希腊欧几里德，把光看作触须投射错误认识古希腊欧几里德，把光看作触须投射错误认识十七世纪开场，对光的本性的认识，有两种学说并立十七世纪开场，对光的本性的认识，有两种学说并立以牛顿为代表的微粒说，以为光是按照惯性定律沿直线以牛顿为代表的微粒说，以为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解释干涉、衍射、偏振释干涉、衍射、偏振光光 学学 惠更斯提出光的动摇实际，以为光

9、是在一种特殊介质惠更斯提出光的动摇实际，以为光是在一种特殊介质中传播的机械波。解释了光的反射、折射、衍射。中传播的机械波。解释了光的反射、折射、衍射。 托马斯托马斯.杨和菲涅尔在十九世纪初透过实验和进一杨和菲涅尔在十九世纪初透过实验和进一步的实际任务，验证了光的动摇实际，胜利地解释了光的干步的实际任务，验证了光的动摇实际，胜利地解释了光的干涉、衍射。涉、衍射。 动摇光学存在缺乏，把光看作是机械波，光在真空中动摇光学存在缺乏，把光看作是机械波，光在真空中传播需求媒质，于是臆想出传播需求媒质，于是臆想出“以太，以为真空中充溢了以太，以为真空中充溢了“以太，但找不到。以太，但找不到。 十九世纪六十年

10、代，麦克斯韦建立了电磁场实际，预言十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场实际，预言电磁波存在，电磁波存在，1887年赫兹经过实验，发现了电磁波，电磁波年赫兹经过实验，发现了电磁波，电磁波的速度等于光速，以为光是电磁波。的速度等于光速，以为光是电磁波。 科学家们以为光的本质研讨已完成科学家们以为光的本质研讨已完成-光是一种电磁波光是一种电磁波 随着技术的开展和实验条件的完善，发现了光电效应，随着技术的开展和实验条件的完善，发现了光电效应，康普顿效应，利用动摇光学无法解释，康普顿效应，利用动摇光学无法解释，1900年普朗克提出年普朗克提出量子假说，量子假说，1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效应。应。 目前关于光的本质光是什么只能讲：目前关于光的本质光是什么只能讲： 光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。少女？少女？老妇？老妇？但两种图象不会同时