第一章几何光学基本定律与成像概念.ppt

第一章第一章 几何光学几何光学基本原理和成像概念基本原理和成像概念仪器科学与光电工程学院v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v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 §1-1 光波和光线光波和光线v一、光波与光线一、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，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其它情况均可以将光看成是电磁波§可见光的波长范围：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，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；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；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白光：是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光v光波在真空中的传播速度：§3×108m/s仪器科学与光电工程学院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基本概念v光源（发光体）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）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，只有位置发光点：无大小，无体积，只有位置发光体：由无数个发光点组成发光体：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基本概念波面（波阵面）：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的传播，即沿着波面法线方向传播波面分：任意曲面波（像差作用实际光学系统使同心光束不同心）平面波（在距发光点无限远处），对应平行光束球面波（以发光点为中心的同心球面），对应同心光束基本概念基本概念v光线：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v光束：光束：无限多条光线的集合仪器科学与光电工程学院基本概念基本概念仪器科学与光电工程学院同心光束：同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波发自一点或会聚于一点，为球面波•平行光束平行光束：：光线彼此平行，是平面波光线彼此平行，是平面波基本概念基本概念仪器科学与光电工程学院像散光束像散光束像散光束像散光束：：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。

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，这个途径称为的传播途径，这个途径称为光路光路光路光路仪器科学与光电工程学院第二节第二节 光线的传播规律光线的传播规律v（一）光的直线传播定律（一）光的直线传播定律在各向同性的均匀透明介质中，光是沿直线传播的但只在一定的条件下成立（见书）v（二）光的独立传播定律（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？）v（三）光的折射定律与反射定律（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几何光学基本定律v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，折射定律就转化为反射定律。

v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第三节 马吕斯定律和费马原理马吕斯定律和费马原理v一、马吕斯定律一、马吕斯定律v定义（见书）v由于光程l 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：二、费马定律：v定义（见书）v反射定律和折射定律均可由费马原理导出v实际光程可能是极小值，也可能是极大值，还可能是常量仪器科学与光电工程学院第四节第四节 光路可逆和全反射光路可逆和全反射v一、光路的可逆性原理一、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v（四）全反射现象（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：①光线从光密介质射向光疏介质，即②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第五节第五节 光学系统及成像的基本概念光学系统及成像的基本概念仪器科学与光电工程学院※※光学系统光学系统 的作用之一是对物体的作用之一是对物体成像成像成像成像，因此必须搞，因此必须搞清物像的基本概念和它们的关系清物像的基本概念和它们的关系※※物体通过光学系统（物体通过光学系统（光组光组光组光组）成像，光学系统）成像，光学系统(各各种光学仪器种光学仪器)由一系列由一系列光学零件光学零件 组成※※光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，称为称为光轴光轴光轴光轴这种系统被称为这种系统被称为“ “共轴系统共轴系统共轴系统共轴系统” ”光轴光轴光学零件的分类光学零件的分类v透镜透镜——正透镜和负透镜正透镜和负透镜v反射镜反射镜——凸面镜和凹面镜凸面镜和凹面镜v棱镜棱镜——反射棱镜和折射棱镜反射棱镜和折射棱镜v平行平板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在光学仪器中最常用的光学零件常用的光学零件是透镜，目前绝是透镜，目前绝大多数是大多数是球面透球面透球面透球面透镜（系统）镜（系统）镜（系统）镜（系统）。

双凸双凸正月牙正月牙平凸平凸平凹平凹负月牙负月牙双凹双凹由这些球面系统由这些球面系统（透镜）组成的（透镜）组成的光学系统有对称光学系统有对称轴，也称为轴，也称为共轴共轴共轴共轴球面系统球面系统球面系统球面系统仪器科学与光电工程学院v由两个球面构成的透镜中，通过两球面球心的直线由两个球面构成的透镜中，通过两球面球心的直线为为光轴光轴光轴光轴光轴光轴顶点顶点光轴与透镜面的交点称为：光轴与透镜面的交点称为：顶点顶点顶点顶点仪器科学与光电工程学院v若有一个面为平面，则光轴通过球面的若有一个面为平面，则光轴通过球面的球心与平面垂直球心与平面垂直光轴光轴顶点顶点成像的基本概念成像的基本概念v光学系统的光学系统的基本作用基本作用是接收由物体表面各点发出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，最终生成的一部分入射球面波，并改变其形状，最终生成物体的像物体的像v光学系统的成像，光学系统的成像，本质上本质上就是进行光束变换就是进行光束变换弄清弄清物点物点，，像点像点，，共轭共轭，，共轭距共轭距的概念的概念仪器科学与光电工程学院物像的虚实物像的虚实仪器科学与光电工程学院※※ 由实际光线成的像，称为由实际光线成的像，称为实像实像。

在凸透镜在凸透镜2f 外放一个点燃的蜡烛，后面放一个纸屏，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线的反向延长线相交得来※※ 由反射或折射光线的反向延长线相交所由反射或折射光线的反向延长线相交所得的像称为得的像称为虚像虚像虚像虚像如照镜子，显微镜，望远镜等如照镜子，显微镜，望远镜等F’F’仪器科学与光电工程学院与像类似，物也分两种与像类似，物也分两种※※ 实物实物实物实物：自己发光的物体自己发光的物体※※ 虚物虚物虚物虚物：不是由实际光线而是由光线的延长线：不是由实际光线而是由光线的延长线相交而成的物相交而成的物虚物不能人为设定虚物不能人为设定虚物不能人为设定虚物不能人为设定，它是前一系统所成的像被，它是前一系统所成的像被当前系统截取得到的。

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，如灯泡、蜡烛等，也可以是被照明后发光的物体，如人物，景物等如人物，景物等AA’A仪器科学与光电工程学院请判断物与像的虚实请判断物与像的虚实AA’AA’AA’AA’a. 实物成实像实物成实像b. 实物成虚像实物成虚像c. 虚物成实像虚物成实像（对于第二个透镜）（对于第二个透镜）d. 虚物成虚像虚物成虚像仪器科学与光电工程学院判断虚实小窍门：判断虚实小窍门：※※ 实物，虚像对应发散的同心光束实物，虚像对应发散的同心光束※※ 虚物，实像对应汇聚的同心光束虚物，实像对应汇聚的同心光束照相机照相机实物实物物的物的虚像虚像照相机的实物照相机的实物仪器科学与光电工程学院注意：注意：物、像的概念是物、像的概念是相对于相对于光组光组来来说的说的B1L1L2ABB’A1A’对于对于L1而言，而言，A1B1是是AB的像的像; 对对L2而言，而言，A1B1是物，是物，A’B’是像，则是像，则A1B1称为称为中中间像间像仪器科学与光电工程学院※※物所在的空间为物所在的空间为物空间物空间，像所在的空间为，像所在的空间为像空间像空间，两者的范围都是（，两者的范围都是（-∞,+∞-∞,+∞））※※ 通常对于某一光学系统来说，某一位置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，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是一一对应的，这种关系称为物与像物与像的共轭的共轭。

第六节第六节 理想像和理想光学系统理想像和理想光学系统一、理想光学系一、理想光学系统的定的定义光学系光学系统成像的最基本要求成像的最基本要求——成像清晰成像清晰理想像理想像——每一个物点每一个物点对应唯一的像点，即点唯一的像点，即点对应点，直点，直线对应直直线，平面，平面对应平面平面把成像符合上述关系的光学系把成像符合上述关系的光学系统称称为理想光学系理想光学系统仪器科学与光电工程学院共轴理想光学系统的成像性质共轴理想光学系统的成像性质v① ① 位于光位于光轴上的物点上的物点对应的共的共轭像点也必然在光像点也必然在光轴上；位上；位于于过光光轴的某一截面内的物点的某一截面内的物点对应的共的共轭像点必位于像点必位于该平平面的共面的共轭像面内；像面内；过光光轴的任意截面成像性的任意截面成像性质都是相同的都是相同的v② ② 垂直于光垂直于光轴的平面物所成的共的平面物所成的共轭平面像的几何形状完全平面像的几何形状完全与物相似即在整个物平面上无与物相似即在整个物平面上无论哪一部分，物与像的大哪一部分，物与像的大小比例等于常数，即垂直于光小比例等于常数，即垂直于光轴的同一平面上的各部分具的同一平面上的各部分具有相同的放大率。

有相同的放大率v③ ③ 一个共一个共轴理想光学系理想光学系统，如果已知两，如果已知两对共共轭面的位置和面的位置和放大率，或者一放大率，或者一对共共轭面的位置和放大率，以及面的位置和放大率，以及轴上的两上的两对共共轭点的位置，点的位置，则其它一切物点的像点都可以根据其它一切物点的像点都可以根据这些些已知的共已知的共轭面和共面和共轭点来表示点来表示仪器科学与光电工程学院v二、物点理想成像的条件二、物点理想成像的条件等光程等光程由由马吕斯定律可做解斯定律可做解释三、理想成像的界面三、理想成像的界面等光程面等光程面仪器科学与光电工程学院。