物理几何光学

物理几何光学1第1页，课件共36页，创作于2023年2月惠更斯提出光的波动理论，认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。托马斯.杨和菲涅尔（在十九世纪初）透过实验和进一步的理论工作，验证了光的波动理论，成功地解释了光的干涉、衍射。波动光学存在不足，把光看作是机械波，光在真空中传播需要媒质，于是臆想出“以太”，认为真空中充满了“以太”，但找不到。十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言电磁波存在，1887年赫兹通过实验，发现了电磁波，电磁波的速度等于光速，认为光是电磁波。科学家们认为光的本质研究已完成---光是一种电磁波2第2页，课件共36页，创作于2023年2月随着技术的发展和实验条件的完善，发现了光电效应，康普顿效应，利用波动光学无法解释，1900年普朗克提出量子假说，1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效应。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。3第3页，课件共36页，创作于2023年2月少女？老妇？但两种图象不会同时出现在你的视觉中。

光在某些条件下表现出粒子性，在另一些条件下表现出波动性，而两种性质虽寓于同一体中，却不能同时表现出来。例如：两种图象寓于同一幅画中；4第4页，课件共36页，创作于2023年2月第16章几何光学光学的理论体系以光的直线传播为基础，采用几何方法研究光在透明介质中的传播问题。物理光学波动光学：以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律。量子光学：以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础，研究光的一系列规律。现代光学非线性光学激光光谱学信息光学集成光学统计光学……….几何光学：其基础是光波长趋于零（<<a）5第5页，课件共36页，创作于2023年2月一、直线传播定律在均匀各向同性介质中，光沿直线传播。如：针孔成像就是光沿直线传播的结果。针孔成像光阑16.1几何光学的基本定理2009.7.22四川省遂宁市大英县观察到的日全食6第6页，课件共36页，创作于2023年2月2.光的独立传播定律：来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持原来的传播方向继续传播。7第7页，课件共36页，创作于2023年2月入射光线、反射面的法线和反射光线三者处在同一平面上，入射光线和反射光线分居于入射点界面法线的两侧，入射角等于反射角。3、反射定律：光的反射en界面SR漫反射光路可逆性原理8第8页，课件共36页，创作于2023年2月其中：n21称为介质2相对于介质1的相对折射率4、折射定律入射光线折射光线

i

入射角折射角enn1n2分界面入射光线、折射光线和分界面的法线en三者同处在一个平面上，入射角i和折射角

有下述关系：9第9页，课件共36页，创作于2023年2月物质相对于真空的折射率称为绝对折射率（简称折射率），其定义为：光在真空中的传播速度光在介质中的传播速度两种介质相比较，折射率大的介质，光在其中的传播速度小，称为光密介质；折射率小的介质，光在其中的传播速度大，称为光疏介质。折射定律也可表示为：斯涅耳定律（Snell’sLaw）10第10页，课件共36页，创作于2023年2月当有临界角A：相应于折射角为90°的入射角。全反射：当入射角i大于临界角A时，将不会出现折射光，入射光的能量全部反射回原来介质的现象。（n1＞n2）5、全反射en旋转反射镜11第11页，课件共36页，创作于2023年2月12光导纤维的光路内窥镜全反射的应用12第12页，课件共36页，创作于2023年2月16.2共轴理想光学系统的成像一、光程光在均匀介质走过的几何路程r与介质折射率n之乘积。用l表示。光程的物理意义：表示光在介质中通过真实路程所需时间内,在真空中所能传播的路程。即：l=nr光程介质中：折合到真空中：13第13页，课件共36页，创作于2023年2月二、费马原理光从一点传播到另一点将循着这样一条路径，光沿所需要时间为极值（可以是极大值、极小值，也可以是常量）的路径传播。即：光沿着光程为极值的路径传播。所用时间为：时间t有极值的条件是:或14第14页，课件共36页，创作于2023年2月光程：光在i介质中的光程等于在相同时间t内光线在真空中所走的路程。光线沿光程为平稳值的路径而传播。平稳值的三种基本含义：极小值——直线传播、反射、折射极大值——凹球面反射镜常数——成像系统的物像关系费马原理推论：物象等光程，即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。15第15页，课件共36页，创作于2023年2月费马原理的应用(1)——反射定律

aABii’PdxbnA与B时折射率为n的均匀介质中的两点，有一光线APB，其光程为：根据费马原理，这光程应为极小，所以16第16页，课件共36页，创作于2023年2月上式可以写成：由图可知：即：这就是反射定律。BdAaii’Pxbn17第17页，课件共36页，创作于2023年2月费马原理的应用(2)——折射定律折射定律的证明（取极小值）y设A(0,yA)，O(x,0)，B(xB，yB)即：18第18页，课件共36页，创作于2023年2月光在单球面上的傍轴成像ABCO反射面（甲）凹面镜ABCO反射面（乙）凸面镜球面镜主光轴：球面上中心点O与球心(曲率中心)C所连直线。副光轴：通过曲率中心的任何直线。光轴：光学系统的对称轴光轴傍轴光线：与光轴夹角较小，并靠近光轴的光线蓝线—傍轴光线绿线—非傍轴光线一、基本概念和符号19第19页，课件共36页，创作于2023年2月OCpBrPAQMq符号法则规定如下:(1)沿着光线前进的方向物点在镜前，物距p>0；物点在镜后，物距p<0；(2)像点在镜前，像距q>0；像点在镜后，像距q<0；(3)凹面镜的曲率半径r为正，凸面镜的曲率半径r为负。几个物理名词：1）顶点：O2)曲率中心、曲率半径：C，r3)主光轴：CO4)物距、像距：Q点是像点。p，q20第20页，课件共36页，创作于2023年2月图16-12单球面镜傍轴反射成像(a)凹球面CpBrPMOQn1n2Aq21第21页，课件共36页，创作于2023年2月根据费马原理即：在傍轴近似条件下，

上式变成：当22第22页，课件共36页，创作于2023年2月由此可知：由前式：可得：傍轴光线条件下球面反射的物像公式。23第23页，课件共36页，创作于2023年2月相当于平行主光轴的光束经球面反射后，将在光轴上会聚成一点，该像点称为反射球面的焦点。顶点O到F的距离叫做焦距。以f表示。OFOCFOCFF’过焦点且垂直于主光轴的平面：焦平面24第24页，课件共36页，创作于2023年2月球面折射成像(1)折射球面的基本概念

折射球面：n：物方介质的折射率n’：像方介质的折射率C：球心(曲率中心)Q：物点Q'：像点

轴上物点的折射成像Qss'rOMCn'n-u'uhQ'iHi'顶点：球面的对称中心点O

副光轴：通过曲率中心的任何直线（主光轴除外）主光轴：球面顶点O和曲率中心C的连线

25第25页，课件共36页，创作于2023年2月光线从左向右，规定光路图中各几何量的符号如下：

①物距p：物点Q位于球面顶点O的左侧，即对实物点，p>0。反之，p<0。②像距q：像点Q'位于球面顶点O的右侧，即对实像点，q>0。反之，q<0。③曲率半径r：球心C位于球面顶点O的右侧时，r>0。反之，r<0。④物像及轴外点高度：以主光轴为基准，向上为正，向下为负。

(2)符号规则QpqrOMCn2n1-u'uhQ'iHi'实正虚负凸正凹负上正下负26第26页，课件共36页，创作于2023年2月(3)推导单球面折射成像根据费马原理：QpqrOMCn2n1u'-uhQ'iHi'll'整理得：27第27页，课件共36页，创作于2023年2月QpqrOMCn2n1-u'uhQ'iHi'll'傍轴近似条件：单球面镜傍轴折射成像28第28页，课件共36页，创作于2023年2月一、透镜透镜——将玻璃、水晶等磨成两面为球面（或一面为平面）的透明物体。凸透镜：中间厚边缘薄的透镜。中间薄边缘厚的透镜。凹透镜：⑥①②③④⑤①双凸透镜，②平凸透镜，③凹凸透镜，④双凹透镜，⑤平凹透镜，⑥凸凹透镜。薄透镜成像29第29页，课件共36页，创作于2023年2月主光轴——透镜两球面的中心C1和C2的连线。副光轴——所有通过光心的直线。焦点——平行主光轴的光线经透镜后所汇聚的点F。焦平面——过焦点，且垂直于主光轴的平面。总结：30第30页，课件共36页，创作于2023年2月P两次单球面成像的物像距公式分别为：薄透镜：若透镜的中心厚度与物像距等成像参量相比很小，即，薄透镜傍轴成像物像距公式：因为：O1O2On1n2nQ∑1∑2p1q2q1dp2r2r131第31页，课件共36页，创作于2023年2月得到薄透镜物像方的焦距公式：若：薄透镜傍轴成像的高斯公式令：32第32页，课件共36页，创作于2023年2月若：则得到高斯公式的简化形式：33第33页，课件共36页，创作于2023年2月作图法：可以直观了解系统成像的位置、大小和虚实情况。作图时可以选择下列三条特殊光线。（1）平行于主光轴的光线：其反射线必通过焦点（凹球面）或者其反射线的延长线通过焦点（凸球面）；（2）通过曲率中心的光线：其反射线和入射线是同一条直线而方向相反；（3）通过焦点的光线