1-第一章-几何光学基本定律与成像概念.ppt

工 程 光 学 授课教师：张瑾 Tel: E-mail: hnzjin@ 淮南师范学院物理与电子信息系 第一章 几何光学基本定律与成像概念 第一节 几何光学的基本定律 第二节 成像的基本概念与完善成像条件 第三节 光路计算与近轴光学系统 第四节 球面光学成像系统 第一节 几何光学的基本定律 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发出的光抽象成一条条光线，然后按此来研究光学系统成像。 几何光学：以光线为基础，用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。 点：光源、焦点、物点、像点 线：光线、法线、光轴 面：物面、像面、反射面、折射面 2、光线（Light Rays） 3、光束（Beam）：与波面对应的所有光线的集合 与一般反射相比：全反射几乎无能量的损失。 ★ 应用1：棱镜改变光路方向 问题：与平面镜相比？ 6 、折射定律的矢量形式—光的反射折射定律 结论: 光在介质中传播时,有偏向折射率 较高一侧的趋势 根据上述定性结论,可以对渐变介质中光波传播作定性的分析 3、光程最短的例子 均匀介质中直线传播； 平面分界面上反射和折射等 例2：折射：设A(0,y2), O(x,0), B(x1,y1)，则 概念：光波、光线、波面、光束； 几何光学基本定律：直线传播定律、折射与反射定律 、 独立传播定律、可逆性原理 费马原理（光程极值） 马吕斯定律（光线束与波面正交、入射出射波面间等光程） 第二节 成像的基本概念与完善成像条件 第三节 光路计算与近轴光学系统 第四节 球面光学成像系统(Paraxial Region) ★ 成像特性分析： 第一章 小结 几何光学的基础：基本概念及基本定律 成像分析： 1、完善像的定义及完善成像条件 2、光路中的基本概念与符号规则 3、光路计算： 1）内容： a. 成像位置关系（计算公式） b. 成像特性分析（放大率） ——虚实正倒缩放、共轭点沿轴移动、光束孔径角变化 a. 球面——平面 b.宽光束实际光线——近轴光线 （球差） （高斯像、物像共轭） c. 折射————反射 （反射-折射定律；成像公式、放大率公式、拉赫不变量） d. 单个球面——共轴系统： 过渡公式（近轴——宽光束）、成像放大率 思考：一个沿轴向有一定厚度的物体，经单个折射球面成 像后，所得像是否与物体等倍率的相似？ 2、轴向放大率 对阿贝不变式 微分得： ★ 讨论： 1) ，物、像沿轴同向移动； 2) ，空间物体成像会发生变形。 ——反映光轴上一对共轭点沿轴向的移动量之比。 3、角放大率 ★ 拉格朗日—— 赫姆霍兹不变量 ——近轴区的三个不变量之一！ ——取决于共轭点位置。 ——反映折射球面将光束变宽或变细的能力。 二、单个反射球面成像（凹面/凸面） 折射—反射变换： 1、物像位置关系 折射球面： 反射球面： 例：当物点位于球面镜球心： 折射球面 2、反射球面的成像放大率 折射—反射变换： ★ 反射球面镜的拉赫不变量： 例:一个点状物体放在凹面镜前0.05m处，凹面镜的曲率半径为0.20m，试确定光线自左向右传播、自右向左传播两种情况下，各自所得像的位置及性质。 ⑴ 光线自左向右传播，如图(a) l′= +0.10m ＞0 －l = 0.05m ; －r =0.20m； ？ → 虚像 ⑵ 光线自右向左传播，如图（b） l′ = －0.10m ＜0 → 虚像 l =0.05m ， r =0.20m ？ 思考：哪种方法分析虚实像更快捷？ 三、共轴球面系统 1、近轴光线的过渡公式 ★ 相邻球面间隔di：第i 面顶点到第i+1面顶点的沿轴距离， 顺光线方向为正。 ★ 近轴光线入射高度的过渡： ★ 对整个系统，拉赫不变量始终是恒定值。 2、反射成像放