几何光学基本定律与成像概念

工程光学王红敏1工程光学绪论第1章几何光学根本定律与成像概念第2章抱负光学系统第3章平面与平面系统第4章光学系统中的光束限制第5章光度学根底第6章光线的光路计算及像差理论第7章典型光学系统第8章现代光学系统第9章光学系统的像质评价2绪论红外A’bCC’DdeFgG’h紫外红橙黄绿青兰紫>770766.5709.5656.3643.9589.3587.6546.1486.1435.8434.1404.7<40034波长（cm）电磁波名称主要用途104中波（MF）收音机102UHF超高频电视1微波雷达、微波炉10-3红外线（IR）红外线照相0.76×10-4

红色光0.76×10-4~0.38×10-4可见光0.38×10-4紫色光千万分之1（10-7）紫外线（UV）杀菌一亿分之1（10-8）X-光分析、诊断百亿分之1（10-9）千亿分之1（10-10）伽玛射线治疗等民生应用5光学始终在进展之中并会有更大的进展〔1〕初级光学阶段〔2〕经典光学阶段〔3〕近代光学阶段工程光学的争论内容及应用工业、农业、医疗、航空航天、国防等几何光学及其适用范围6第1章几何光学根本定律与成像概念§1.1 几何光学的根本定律§1.2成像的根本概念与完善成像条件§1.3光路计算与近轴光学系统7 第一章几何光学的根本原理

§1.1几何光学的根本定律几何光学的根本定律一、几个根本概念3、光线:无直径、无体积携带光能带有方向的几何线，代表光的传播方向。1、发光点：一个既无大小又无体积的几何点。2、发光体〔光源〕：能辐射光能量的物体。 很多发光点组成4、波面：同一时刻振动位相一样的点构成的等相位面。 光束87、像散光束——不聚交于同一点或不是由同一点发出的光束．对应的波面外形为非球面。6、平行光束——没有聚交点而相互平行的光线束．对应的波面为平面．同心光束平行光束像散光束几何光学的根本定律5、同心光束：——相交于同一点或由同一点发出的一束光线．其对应的波 面为球面。〔会聚光束、发散光束〕9二、几何光学的根本定律

1、光的直线传播定律

2、光的独立传播定律

3、光的反射和折射定律——两种介质cBAII’-I”几何光学的根本定律n’=-n10反射定律：反射光线位于入射光线和法线所打算的平面；反射光线和入射光线位于法线两侧，且反射角与入射角确定值相等，符号相反。折射定律：折射光线位于入射光线和法线所打算的平面内；折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅取决于两种介质的性质。4、光的全反射：光线从光密介质射向光疏介质； ②入射角大于临界角。几何光学的根本定律11A全反射棱镜、光导纤维、分划板照明、3600平面光束仪减少光能损失几何光学的根本定律125、光路的可逆性3600平面光束的形成入射激光束分划板照明31物2传输过来的像3可弯曲的纤维束几何光学的根本定律cBAII’-I”136、费马原理:

光从一点传播到另一点，其光程为极值。稳定值极大值几何光学的根本定律BAI’IZLOnn’d1d2ABOCBANA’O’ZL14生活中光的应用实例

海市蜃楼

彩色喷泉

钻石7、马吕斯定律：光线与波面的正交性。入、出射波面对应点间光程为定值。几何光学的根本定律15几何光学的根本定律16§1.2成像的根本概念与完善成像条件一、光学系统与物像概念完善像点完善像物空间像空间光学系统共轴光学系统光轴二、完善成像条件 入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。或 入射光为同心光束时，出射光也为同心光束。或 物点A1和像点Ak’之间任意两条光路的光程相等。成像的根本概念与完善成像条件17共轴光学系统AkA1ww’EkE10k0201成像的根本概念与完善成像条件18四、物像的相对性 A’B’相对镜子成像来说它是像；相对人眼成像来说它又是物；而对整个光组(包括镜子和人眼)成像来说，A’B’为中间像。 所以，人眼从镜子里看物体，实际上经过了二次成像。 凡争论成像过程中谈及物像关系时，均需指出它们所针对的光组。三、物像的虚实成像的根本概念与完善成像条件共轭性：共轭点、共轭线、共轭面。19 §1.3光路计算与近轴光学系统一、根本概念与符号规章1、常用符号：n、n’——折射率r——球面的曲率半径y——物体的大小y’——像的大小I——光线的入射角I’——光线的折射角L——物体到折射面或反射面的距离〔物方截距〕L’——折射面或反射面到像的距离〔像方截距〕U——入射光线和光轴倾斜的角度〔物方孔径角〕U’——出射光线和光轴倾斜的角度〔像方孔径角〕f——光轴与法线的夹角-Lo光路计算与近轴光学系统20光路计算与近轴光学系统2、符号规章〔一〕光线行进方向从左向右。〔二〕沿轴线段：以球面顶点O为原点，与光线行进方向一样者为正，与光线行进方向相反者为负。〔三〕垂轴线段：以光轴为界，在光轴之上为正，在光轴之下为负。(四〕角度符号〔一律以锐角来衡量〕：(1)光线与光轴的夹角：光轴转向光线，顺时针为正，逆时针为负。(2)光线与法线的夹角：光线转向法线，顺时针为正，逆时针为负。(3)光轴与法线的夹角：光轴转向法线，顺时针为正，逆时针为负。21二、实际光线和近轴光线的光路计算光路计算与近轴光学系统22

1、垂轴放大率b2、轴向放大率a3、角放大率g一、单个折射面成像单折射球面光学系统拉赫不变量球面光学成像系统§1.4 球面光学成像系统23结论：b>0时，y’、y同号，正像；否则，倒像； l’、l同号，物像虚实相反，否则，物像虚实一样。|b|>1时,|y’|>|y|,成放大的像；反之，成缩小的像。a>0,当物点沿轴向移动时，其像点沿光轴同向移动；a≠b,空间物体成像时要变形。g表示折射球面将光束变宽或变细的力量，只与共轭点的位置有关，与光线的孔径角无关。球面光学成像系统24┷光轴的物平面以细光束经折射球面成像小孔光阑球面光学成像系统25二、球面反射镜1、物像位置公式

2、成像放大率物点位于球心时n’=-n球面光学成像系统26a<0，物体沿光轴移动时，像总是以相反方向移动。