物理几何光学的基本原理31-2课件

第3章几何光学的基本原理（GeometricalOptics）第3章（GeometricalOptics）1费马原理成像的基本概念单心光束物像光在平面界面上的反射和折射光导纤维光束单心性的破坏，全反射光在球面上的反射和折射近轴光线条件下球面反射的物像公式近轴光线条件下球面折射的物像公式近轴物近轴光线成像的条件薄透镜共轴理想光具组的基点和基面几何光学的基本原理费马原理成像的基本概念几何光学的基本原理2光线光学。光线:代表光能量传播方向的一根线光线是指细光束，通过对其观察建立了几何光学的基本定律。波面:垂直于光线的几何平面或曲面.点光源(发光点)经过圆孔，衍射。孔径或，则衍射效应。/D0的极限：几何光学。Abeamoflightgeneratedbyalaser.Thebeamisvisiblebecauseparticlesintheairhavescatteredthelight.3.折射定律(Snell定律)

3.1几何光学基本定律“三定律”：1.直线传播(均匀媒质中)2.反射定律

(4.光路的可逆性)折射率n=cv临界角，全内反射(只讲方向，不讲强弱)光线光学。光线:代表光能量传播方向的一根线光线是指细光束，3费马原理(Fermat’sPrinciple)1.最小时间原理Fermat(1675)：“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。QP(2)反射定律PQMP

==ii对应的折线QMP最短。(3)折射定律(可逆性)费马原理(Fermat’sPrinciple)1.42.光程均匀媒质：PQnL(长度l)L是任一设想的路径光程(QP)=nl沿L分段均匀：n1n3n2

l1

l2

l3PMN(QMNP)=n1

l1+n2

l2+n3

l3Opticalpath利用光程概念，可以将光在介质中通过的几何路程折算到在真空中通过的路程。Q2.光程均匀媒质：PQnL(长度l)L是任一设想5一般：QPdln(x,y,z)Ln(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”。一般：QPdln(x,y,z)Ln(x,y,z)光程6Thebendingofraysthroughinhomogeneousmedia.在非均匀介质中光线是弯曲的曲线Thebendingofraysthroughin73.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。这种思路对以后物理思想的发展有重要影响。分析力学(Lagrange,Hamilton)Schrödinger的量子力学3.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8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。

成像系统的物点和像点之间为光程取稳定值的情形。物点像点在均匀介质中的两点间（直线传播）、经平面反射9成像的基本概念成像是几何光学研究的中心问题1、单心光束与物像关系单心光束（同心光束）：光线本身或其延长线可以交于一点的光束。（一束光线有一个共同的中心）

各种“成像”，这里指经反射或折射的光学成像。光具组：由若干反射或折射面组成的光学系统。

理想光具组：能够使通过系统的单心光束仍保持单心性的光学系统。

光学系统理想成像的条件：表述1—单心性不变：由物点发出的单心光束通过光具组后应保持其单心性不变。

表述2—等光程性：由物点发出的所有光线通过光具组后均应以相等的光程到达像点。

成像的基本概念成像是几何光学研究的中心问题1、单心光束与物像10PP’A等光程面(2)其他的反射等光程面都是旋转二次曲面反射等光程面(1)平面镜:对任何物点都是等光程面(Asphericalmirrors)对一特定的物点成完善像旋转椭球面：两焦点共轭，皆实或皆虚。可用于聚光，极特殊情况用于成像。PA+AP’=常数以P、P’为焦点的旋转椭球面PP’AConcaveellipticalConvexellipticalPP’A等光程面(2)其他的反射等光程面都是旋转二次曲面11旋转抛物面：焦点和轴上无限远点共轭，可实可虚。

广泛使用（发射或接收）。旋转双曲面：两焦点共轭，一实一虚。PA-AP’=常数以P、P’为焦点的旋转双曲面ConcavehyperbolicPP’AConvexhyperbolicPP’A旋转抛物面：焦点和轴上无限远点共轭，可实可虚。旋转双曲面：两12The2.4m-diameterhyperboloidal（双曲面）primarymirroroftheHubbleSpaceTelescopeAnoff-axisparabolicmirrorelement（离轴抛物面镜

）The2.4m-diameterhyperboloida13Thissolar-thermalelectricplantintheMojaveDesertuseslongrowsofparabolic（抛物面）mirrorstofocusthesun’sraysonoil-filledpipes,whicharelocatedatthefocalpointofeachmirror.Thissolar-thermalelectricpl14折射等光程面笛卡尔卵形面：四次曲面，给定后只有一对共轭点。Ahyperbolicinterfacebetweenairandglass折射等光程面笛卡尔卵形面：四次曲面，给定后只有一对共轭点。A15SeveralhyperboliclensesseenincrosssectionAselectionofasphericallenses实际使用的折射面几乎全是球面

(加工，照顾多点

)近来很多照相机用了非球面透镜Severalhyperboliclensesseen16PolishingasphericallensComparisonofsphericalandparaboloidalmirrorsIntheparaxialregionPolishingasphericallensComp17完善像共轭点共轭光线共轭光束光学系统成像完善像共轭点共轭光线共轭光束光学系统成像18Q单心光束P1P2像散光束单心光束与像散光束不满足理想成像条件时，也就是说，如果通过光具组后光束的同心性被破坏，则出射光束变像散光束，像点变为弥散斑。

像散光束：空间彼此不能交于一点，但有一定关系的光线的集合。

Q单心光束P1P2像散光束单心光束与像散光束不满足理想成像条192、物像的分类物点：发光点，或入射单心光束的顶点。

实物点：发散的入射光束的顶点。

实物：由实物点构成的物体。

虚物点：会聚的入射光束的顶点，或入射光束延长线的交点。

像点：光具组（光学系统）出射的单心光束的顶点。

实像点：会聚的单心出射光束的顶点。

虚像点：发散的单心出射光束的顶点。

物空间（物方）：包含入射光束及其延长线的空间。

像空间（像方）：包含出射光束及其延长线的空间。

2、物像的分类物点：发光点，或入射单心光束的顶点。实物点：20QQ'光具组实物成实像实物成虚像QQ'光具组实物成虚像虚物成实像物空间像空间QQ'光具组实物成实像实物成虚像QQ'光具组实物成虚像虚物成21虚物成实像光具组QQ'虚物成虚像光具组QQ'物与像虚物成实像光具组QQ'虚物成虚像光具组QQ'物与像22Thereflectedrayliesintheplaneformedbytheincidentrayandthenormal.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。

平面镜是一个最简单的、不改变光束单心性的、能成完善像的光学系统3.2光在平面界面上的反射和折射光导纤维1、光在平面上的反射ReflectionThereflectedrayliesinthe23ThebundleofraysfromthetopoftheobjectappearstooriginatefromtheimagebehindthemirrorThereisanimagepointforeverysourcepointThebundleofraysfromtheto24Forthewomantoseeherfull-sizedimage,onlyahalf-sizedmirrorisneeded.Multiplereflectionscanbeobtainedwithtwoplanemirrors.Forthewomantoseeherfull-25Manyemergencyvehiclesarereversed-letteredsotheletteringappearsnormalwhenviewedthroughtherearviewmirrorofacarManyemergencyvehiclesarere26TheincomingraythatstrikespointAeventuallyemergesalongBD,paralleltotheincomingray.ThisarrayofcornerreflectorswasleftontheMoonbytheApollo14astronauts.Acornerreflector入射光线反射光线Theincomingraythatstrikes272、光在平面上的折射RefractionAbeamoflightisrefractedasitentersatankofwater.2、光在平面上的折射RefractionAbeamof283、光束单心性的破坏光线在折射时，除平行光束折射时仍为平行光束外，单心光束将被破坏。设子午焦线弧矢焦线像散：物点出射光束不能保持单心性3、光束单心性的破坏光线在折射时，除平行光束折射时仍为平行光29当P所发出的光束几乎垂直于界面时，，这时，P1、P2和P’三点方能几乎合在一起，折射光束几乎仍保持为单心的。当P所发出的光束几乎垂直于界面时，，这时，P1、P2和P’30[物理]几何光学的基本原理31-2课件314、全反射（TotalInternalReflection：TIR）光导纤维临界角ic4、全反射（TotalInternalReflectio32按照波动理论，产生全反射时除反射波外，在光疏介质中并非完全不存在透射波，只不过它沿界面方向传播，且其振幅在垂直界面方向按指数衰减，透入深度只有波长量级，称为倏逝波，或隐失波。但平均来说，光波的能量全部返回光密介质，在光疏介质中并不形成透射光。按照波动理论，产生全反射时除反射波外，在光疏介质中并非完全不33临界角(Criticalangle):临界角(Criticalangle):34光导纤维Lightcantravelwithlittlelossinacurvedopticalfiber,becausethelightistotallyreflectedwheneveritstrikesthecore-claddinginterfaceandbecausetheabsorptionoflightbythecoreitselfissmall.Opticalfiber光导纤维Lightcantravelwithlitt35医学应用Abronchoscope肺部Acolonoscope,showninuseinthisX-rayphotograph结肠镜内窥镜医学应用Abronchoscope肺部Acolo36关节显微手术Lightraysemanatingfromthebee’sbodyenterthetubeand,inpart,areguidedaroundthe90degreesturnviaTIR,eventuallyexitingthroughthefrontsurfaceandallowingyoutoseethebee.关节显微手术Lightraysemanatingfro375、棱镜(Prisms)棱角A偏向角色散装校方便，反射率恒定，常可代替45°安放的平面反射镜当时：A入射光线出射光线5、棱镜(Prisms)棱角A偏向角色散装校方便，反射率38AdispersivedeviceAdispersivedevice39ToeffectachangeintheorientationofanimageorinthedirectionofpropagationofabeamToeffectachangeintheorie40RainbowsThecolorsofarainbowresultfromdispersioninthereflectionoflightfromindividualwaterdropletsintheair.RainbowsThecolorsofarainbo41AftertwointernalreflectionThedisksoverlap,soitisrelativelybrighterbelowtheprimaryrainbowandabovethesecondaryrainbow,butdarkerbetweenthem.AftertwointernalreflectionT42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A’R+RQ>A’Q,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。光程取极大值的例子:左图表示凹球面反射镜，C为43回转椭球面的凹面镜：光程取恒定值回转椭球面的凹面镜44全反射棱镜波罗棱镜五角棱镜角锥棱镜全反射棱镜波罗棱镜五角棱镜角锥棱镜45第3章几何光学的基本原理（GeometricalOptics）第3章（GeometricalOptics）46费马原理成像的基本概念单心光束物像光在平面界面上的反射和折射光导纤维光束单心性的破坏，全反射光在球面上的反射和折射近轴光线条件下球面反射的物像公式近轴光线条件下球面折射的物像公式近轴物近轴光线成像的条件薄透镜共轴理想光具组的基点和基面几何光学的基本原理费马原理成像的基本概念几何光学的基本原理47光线光学。光线:代表光能量传播方向的一根线光线是指细光束，通过对其观察建立了几何光学的基本定律。波面:垂直于光线的几何平面或曲面.点光源(发光点)经过圆孔，衍射。孔径或，则衍射效应。/D0的极限：几何光学。Abeamoflightgeneratedbyalaser.Thebeamisvisiblebecauseparticlesintheairhavescatteredthelight.3.折射定律(Snell定律)

3.1几何光学基本定律“三定律”：1.直线传播(均匀媒质中)2.反射定律

(4.光路的可逆性)折射率n=cv临界角，全内反射(只讲方向，不讲强弱)光线光学。光线:代表光能量传播方向的一根线光线是指细光束，48费马原理(Fermat’sPrinciple)1.最小时间原理Fermat(1675)：“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。QP(2)反射定律PQMP

==ii对应的折线QMP最短。(3)折射定律(可逆性)费马原理(Fermat’sPrinciple)1.492.光程均匀媒质：PQnL(长度l)L是任一设想的路径光程(QP)=nl沿L分段均匀：n1n3n2

l1

l2

l3PMN(QMNP)=n1

l1+n2

l2+n3

l3Opticalpath利用光程概念，可以将光在介质中通过的几何路程折算到在真空中通过的路程。Q2.光程均匀媒质：PQnL(长度l)L是任一设想50一般：QPdln(x,y,z)Ln(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”。一般：QPdln(x,y,z)Ln(x,y,z)光程51Thebendingofraysthroughinhomogeneousmedia.在非均匀介质中光线是弯曲的曲线Thebendingofraysthroughin523.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。这种思路对以后物理思想的发展有重要影响。分析力学(Lagrange,Hamilton)Schrödinger的量子力学3.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53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。

成像系统的物点和像点之间为光程取稳定值的情形。物点像点在均匀介质中的两点间（直线传播）、经平面反射54成像的基本概念成像是几何光学研究的中心问题1、单心光束与物像关系单心光束（同心光束）：光线本身或其延长线可以交于一点的光束。（一束光线有一个共同的中心）

各种“成像”，这里指经反射或折射的光学成像。光具组：由若干反射或折射面组成的光学系统。

理想光具组：能够使通过系统的单心光束仍保持单心性的光学系统。

光学系统理想成像的条件：表述1—单心性不变：由物点发出的单心光束通过光具组后应保持其单心性不变。

表述2—等光程性：由物点发出的所有光线通过光具组后均应以相等的光程到达像点。

成像的基本概念成像是几何光学研究的中心问题1、单心光束与物像55PP’A等光程面(2)其他的反射等光程面都是旋转二次曲面反射等光程面(1)平面镜:对任何物点都是等光程面(Asphericalmirrors)对一特定的物点成完善像旋转椭球面：两焦点共轭，皆实或皆虚。可用于聚光，极特殊情况用于成像。PA+AP’=常数以P、P’为焦点的旋转椭球面PP’AConcaveellipticalConvexellipticalPP’A等光程面(2)其他的反射等光程面都是旋转二次曲面56旋转抛物面：焦点和轴上无限远点共轭，可实可虚。

广泛使用（发射或接收）。旋转双曲面：两焦点共轭，一实一虚。PA-AP’=常数以P、P’为焦点的旋转双曲面ConcavehyperbolicPP’AConvexhyperbolicPP’A旋转抛物面：焦点和轴上无限远点共轭，可实可虚。旋转双曲面：两57The2.4m-diameterhyperboloidal（双曲面）primarymirroroftheHubbleSpaceTelescopeAnoff-axisparabolicmirrorelement（离轴抛物面镜

）The2.4m-diameterhyperboloida58Thissolar-thermalelectricplantintheMojaveDesertuseslongrowsofparabolic（抛物面）mirrorstofocusthesun’sraysonoil-filledpipes,whicharelocatedatthefocalpointofeachmirror.Thissolar-thermalelectricpl59折射等光程面笛卡尔卵形面：四次曲面，给定后只有一对共轭点。Ahyperbolicinterfacebetweenairandglass折射等光程面笛卡尔卵形面：四次曲面，给定后只有一对共轭点。A60SeveralhyperboliclensesseenincrosssectionAselectionofasphericallenses实际使用的折射面几乎全是球面

(加工，照顾多点

)近来很多照相机用了非球面透镜Severalhyperboliclensesseen61PolishingasphericallensComparisonofsphericalandparaboloidalmirrorsIntheparaxialregionPolishingasphericallensComp62完善像共轭点共轭光线共轭光束光学系统成像完善像共轭点共轭光线共轭光束光学系统成像63Q单心光束P1P2像散光束单心光束与像散光束不满足理想成像条件时，也就是说，如果通过光具组后光束的同心性被破坏，则出射光束变像散光束，像点变为弥散斑。

像散光束：空间彼此不能交于一点，但有一定关系的光线的集合。

Q单心光束P1P2像散光束单心光束与像散光束不满足理想成像条642、物像的分类物点：发光点，或入射单心光束的顶点。

实物点：发散的入射光束的顶点。

实物：由实物点构成的物体。

虚物点：会聚的入射光束的顶点，或入射光束延长线的交点。

像点：光具组（光学系统）出射的单心光束的顶点。

实像点：会聚的单心出射光束的顶点。

虚像点：发散的单心出射光束的顶点。

物空间（物方）：包含入射光束及其延长线的空间。

像空间（像方）：包含出射光束及其延长线的空间。

2、物像的分类物点：发光点，或入射单心光束的顶点。实物点：65QQ'光具组实物成实像实物成虚像QQ'光具组实物成虚像虚物成实像物空间像空间QQ'光具组实物成实像实物成虚像QQ'光具组实物成虚像虚物成66虚物成实像光具组QQ'虚物成虚像光具组QQ'物与像虚物成实像光具组QQ'虚物成虚像光具组QQ'物与像67Thereflectedrayliesintheplaneformedbytheincidentrayandthenormal.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。

平面镜是一个最简单的、不改变光束单心性的、能成完善像的光学系统3.2光在平面界面上的反射和折射光导纤维1、光在平面上的反射ReflectionThereflectedrayliesinthe68ThebundleofraysfromthetopoftheobjectappearstooriginatefromtheimagebehindthemirrorThereisanimagepointforeverysourcepointThebundleofraysfromtheto69Forthewomantoseeherfull-sizedimage,onlyahalf-sizedmirrorisneeded.Multiplereflectionscanbeobtainedwithtwoplanemirrors.Forthewomantoseeherfull-70Manyemergencyvehiclesarereversed-letteredsotheletteringappearsnormalwhenviewedthroughtherearviewmirrorofacarManyemergencyvehiclesarere71TheincomingraythatstrikespointAeventuallyemergesalongBD,paralleltotheincomingray.ThisarrayofcornerreflectorswasleftontheMoonbytheApollo14astronauts.Acornerreflector入射光线反射光线Theincomingraythatstrikes722、光在平面上的折射RefractionAbeamoflightisrefractedasitentersatankofwater.2、光在平面上的折射RefractionAbeamof733、光束单心性的破坏光线在折射时，除平行光束折射时仍为平行光束外，单心光束将被破坏。设子午焦线弧矢焦线像散：物点出射光束不能保持单心性3、光束单心性的破坏光线在折射时，除平行光束折射时仍为平行光74当P所发出的光束几乎垂直于界面时，，这时，P1、P2和P’三点方能几乎合在一起，折射光束几乎仍保持为单心的。当P所发出的光束几乎垂直于界面时，，这时，P1、P2和P’75[物理]几何光学的基本原理31-2课件764、全反射（TotalInternalReflection：TIR）光导纤维临界角ic4、全反射（TotalInternalReflectio77按照波动理论，产生全反射时除反射波外，在光疏介质中并非完全不存在透射波，只不过它沿界面方向传播，且其振幅在垂直界面方向按指数衰减，透入深度只有波长量级，称为倏逝波，或隐失波。但平均来说，光波的能量全部返回光密介质，在光疏介质中并不形成透射光。按照波动理论，产生全反射时除反射波外，在光疏介质中并非完全不78临界角(Criticalangle):临界角(Criticalangle):79光导纤维Lightcantravelwithlittlelossinacurvedopticalfiber,becausethelightistotallyreflectedwheneveritstrikesthecore-claddinginterfaceandbecausetheabsorptionoflightbythecoreitselfissmall.Opticalfiber光导纤维Lightcant