《第一章几何光学基本定律与成像概念.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章几何光学基本定律与成像概念.ppt（35页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、,第一章 几何光学 基本原理和成像概念,仪器科学与光电工程学院,几何光学：撇开光的波动本质，仅以光线为基础，研究光在介质中传播问题的学科。 本章以光线为基础，用几何的方法，研究光的传播规律及光学系统的成像特征。,仪器科学与光电工程学院,1-1 光波和光线,一、光波与光线 一般除研究光与物质相互作用，须考虑光的粒子性外，其它情况均可以将光看成是电磁波。 可见光的波长范围：380-780nm 单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是同一个颜色，称之为单色光； 复色光：由不同波长的光混合成的光称为复色光； 白光：是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。 光波在真空中的传播速度： 3108m/s,仪器科
2、学与光电工程学院,仪器科学与光电工程学院,仪器科学与光电工程学院,基本概念,光源（发光体）：从物理学的角度看，能辐射光能的物体称为光源。一切自身发光或受照发光的物体可看成光源。 点光源（发光点） ：当光源的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，此光源可认为是点光源。如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个发光点。 发光点：无大小，无体积，只有位置 发光体：由无数个发光点组成 因此研究物体成像时，可以用某些 特征点的成像规律来推断整个物体的 成像。,仪器科学与光电工程学院,基本概念,波面（波阵面）：光波向周围传播，在某一瞬时，其振动相位相同的点所构成的曲面称为波面。光的传播即为光波波面
3、的传播，即沿着波面法线方向传播。,基本概念,光线：在几何光学中，将发光点发出的光抽象为许多携带能量并带有方向的几何线。光线是无直径、无体积，而有方向性的几何线，其方向代表光能传播的方向。 光束：无限多条光线的集合。,仪器科学与光电工程学院,基本概念,仪器科学与光电工程学院,同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波,平行光束：光线彼此平行，是平面波,基本概念,仪器科学与光电工程学院,像散光束：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。,在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元件中的传播途径，这个途径称为光路,仪器科学与光电工程学院,第二节 光线的传播规律,（一）光的直线传播定律 在各向同性的均匀
4、透明介质中，光是沿直线传播的。但只在一定的条件下成立（见书） （二）光的独立传播定律 从不同发光体发出的互相独立的光线，以不同方向相交于空间介质中某一点，彼此互不影响，各光线独立传播。（大家能举出几个生活中的例子吗？） （三）光的折射定律与反射定律 光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光能量折射入另一介质。,仪器科学与光电工程学院,几何光学基本定律,实验证明： （1） 反射光线和折射光线都在入射面内，它们与入射光分别在法线两侧。 （2）反射角等于入射角。 （3）折射角的正弦与入射角的正弦比与入射角无关，仅由两种介质的性质决定。即 当n=-n时
5、，折射定律就转化为反射定律 。 一定波长的单色光在真空中的传播速度与它在给定介质中的传播速度之比，称为该介质对指定波长的光的绝对折射率。即： n = c/v 通常所讲的介质的折射率是介质相对于空气的折射率。,仪器科学与光电工程学院,第三节 马吕斯定律和费马原理,一、马吕斯定律 定义（见书） 由于光程l是几何路径s和介质折射率n的乘积，即 即光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。 表明：只要光线的传播时间t相同，他们的光程也就相同，即任意两波面之间是等光程。,仪器科学与光电工程学院,二、费马定律： 定义（见书） 反射定律和折射定律均可由费马原理导出。 实际光程可能是极小值，也可能是极大值
6、，还可能是常量,仪器科学与光电工程学院,第四节 光路可逆和全反射,一、光路的可逆性原理 即光线的传播是可逆的。,仪器科学与光电工程学院,（四）全反射现象 在一定条件下，入射到介质上的光全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，即发生全反射。 产生全反射的条件： 光线从光密介质射向光疏介质，即 入射角大于临界角，即,全反射有比一般反射更优越的性能，它几乎无能量的损失，因此用途广泛。光纤就是其中的一种。,仪器科学与光电工程学院,仪器科学与光电工程学院,第五节 光学系统及成像的基本概念,仪器科学与光电工程学院,光学系统 的作用之一是对物体成像，因此必须搞清物像的基本概念和它们的关系。,物体通过光学系
7、统（光组）成像，光学系统(各种光学仪器)由一系列光学零件 组成。,光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，称为光轴。这种系统被称为“共轴系统”,光学零件的分类 透镜正透镜和负透镜 反射镜凸面镜和凹面镜 棱镜反射棱镜和折射棱镜 平行平板,仪器科学与光电工程学院,仪器科学与光电工程学院,在光学仪器中最常用的光学零件是透镜，目前绝大多数是球面透镜（系统）。,由这些球面系统（透镜）组成的光学系统有对称轴，也称为共轴球面系统,仪器科学与光电工程学院,由两个球面构成的透镜中，通过两球面球心的直线为光轴。,光轴,顶点,光轴与透镜面的交点称为：顶点,仪器科学与光电工程学院,若有一个面为平面，则光轴通过球面的球
8、心与平面垂直。,顶点,成像的基本概念,光学系统的基本作用是接收由物体表面各点发出的一部分入射球面波，并改变其形状，最终生成物体的像。 光学系统的成像，本质上就是进行光束变换。 弄清物点，像点，共轭，共轭距的概念,仪器科学与光电工程学院,物像的虚实,仪器科学与光电工程学院, 由实际光线成的像，称为实像。,在凸透镜2f 外放一个点燃的蜡烛，后面放一个纸屏，当纸屏放到某一位置时，会在屏上得到蜡烛清晰的像。,如电影，幻灯机，照相机成像,仪器科学与光电工程学院,有的光学系统成的像，能被眼睛看到，却无法在屏上得到,这些像不是由实际光线相交得来，而是由实际光线的反向延长线相交得来。, 由反射或折射光线的反向
9、延长线相交所得的像称为虚像,如照镜子，显微镜，望远镜等。,仪器科学与光电工程学院,与像类似，物也分两种, 实物：自己发光的物体。, 虚物：不是由实际光线而是由光线的延长线相交而成的物。,虚物不能人为设定，它是前一系统所成的像被当前系统截取得到的。,如灯泡、蜡烛等，也可以是被照明后发光的物体，如人物，景物等。,仪器科学与光电工程学院,请判断物与像的虚实,a. 实物成实像,b. 实物成虚像,c. 虚物成实像,（对于第二个透镜）,d. 虚物成虚像,仪器科学与光电工程学院,判断虚实小窍门：, 实物，虚像对应发散的同心光束。, 虚物，实像对应汇聚的同心光束。,照相机,实物,物的虚像,照相机的实物,仪器科
10、学与光电工程学院,注意：物、像的概念是相对于光组来说的,对于L1而言，A1B1是AB的像; 对L2而言，A1B1是物，AB是像，则A1B1称为中间像,仪器科学与光电工程学院,物所在的空间为物空间，像所在的空间为像空间，两者的范围都是（-,+）, 通常对于某一光学系统来说，某一位置上的物会在一个相应的位置成一个清晰的像，物与像是一一对应的，这种关系称为物与像的共轭。,第六节 理想像和理想光学系统,一、理想光学系统的定义 光学系统成像的最基本要求成像清晰 理想像每一个物点对应唯一的像点，即点对应点，直线对应直线，平面对应平面 把成像符合上述关系的光学系统称为理想光学系统,仪器科学与光电工程学院,共
11、轴理想光学系统的成像性质, 位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然在光轴上；位于过光轴的某一截面内的物点对应的共轭像点必位于该平面的共轭像面内；过光轴的任意截面成像性质都是相同的。 垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像的几何形状完全与物相似。即在整个物平面上无论哪一部分，物与像的大小比例等于常数，即垂直于光轴的同一平面上的各部分具有相同的放大率。 一个共轴理想光学系统，如果已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率，以及轴上的两对共轭点的位置，则其它一切物点的像点都可以根据这些已知的共轭面和共轭点来表示。,仪器科学与光电工程学院,二、物点理想成像的条件 等光程 由马吕斯定律可做解释 三、理想成像的界面 等光程面,仪器科学与光电工程学院,Thank You !,