第三章-几何光学基本原理.ppt

Chap.3 Basic Principles of Geometrical Optics 主 要 内 容 3.1 光线的概念 3.2 费马原理 3.3 单心光束 实像和虚像 3.4 光在平面界面上的反射和折射 光学纤维 3.5 光在球面上的反射和折射 3.6 光连续在几个球面界面上的折射 3.7 薄透镜 3.8 近轴物点近轴光线成像的条件 3.9 理想光具组的基点和基面 3.10 理想光具组的放大率 基点和基面的性质 3.11 一般理想光具组的作图求像法和物像公式 3.1 光线的概念 一、光线与波面 光线只表示光的传播方向,不可认为是从实际光束中借助有孔光阑分出的狭窄部分 二、几何光学的基本实验定律 （1）光的直线传播定律（小孔成像、物体的影子） （2）光的反射定律和折射定律 （3）光的独立传播定律和光路可逆原理. 适用条件： 光波面线度R远大于光波长λ 3.2 费马原理  3.3 单心光束 实像和虚像 1.单心光束：具有单个顶点的光束。 　　①发散光束：由一发光点发出的光束； 　　 ②会聚光束：向中心会聚的光束。 （具有一定关系的一些光线的集合称为光束） 2.光学系统：由不同材料做成的不同形状的反射面、折射面以及光阑组成的系统，其作用是变换光束．反射镜、棱镜、透镜、光阑等是构成光学系统的基本元件。 3. 物和像 物点：入射到光学系统的单心光束的顶点（P） 像点：经光学系统出射后又汇聚的单心光束的顶点（P?） 实物点：发散的入射单心光束的顶点（P） 虚物点：会聚的入射单心光束的顶点（P） 实像点：会聚的出射单心光束的顶点（P?） 虚像点：发散的出射单心光束的顶点（P?） 　实物点、虚物点、实像点、虚像点的集合分别称为实物、虚物、实像、虚像。 注意： 　　① 　　 　　② 简言之“实”－“实在有”， 　　　“虚”－“虚假”“无” 4. 物空间和像空间 物空间（物方）： 　　　　物所在的空间。 像空间（像方）： 　　　　像所在的空间。 注意：物空间和像空间的 点不仅一一对应，而且共 轭（共轭光线、共轭点） 5.物像之间的等光程性 　　　物点P和像点P? 之间各光线的光程都 相等（费马原理） 3.4 光在平面界面上的反射和折射 光学纤维 一. 光的平面反射成像 二. 光的平面折射成像 三. 全反射 光学纤维 四. 棱镜 一. 光的平面反射成像 一个平面镜是最简单的光学系统 　　平面反射镜 是一个最简单的 理想光学系统， 它不改变光束的 单心性，能成完 善的像。所成的 像与原物大小相同，而物和像以平面镜为对称。 　　 　　 如果光束是单心的， 则P?就是折射光束的顶点 　如果光束不是单心的， 则P?不是折射光束的顶点， 此时必须考虑光束中光线的空间分布。（推导见P215附录3.1) 讨论： 　①将圆绕oy轴转一小角度? 　折射光束的单心性已被破坏： 　光束中的所有光线并不相交 　于单独的一点，而是交于两 　条相互垂直的线段上。 　子午焦线：一条由P?所描出的垂直图面的焦线； 　弧矢焦线：一条是位于图面内的焦线P1P2。 ∵ 单心光束的波面是球面， ∴ 在平面界面上折射后，波面的形状发生变化，不再是球面了。这样形成的互相垂直的两小段像且不那么清晰的现象称为像散。 ② 当i1＝0，即当P所发出的光束几乎垂直于界面时,有 x?＝0 ，y? = y1 = y2 = y? n2 ? n1 。 这表明y?近似地与入射角i1无关，则折射光束是近似单心的，y?称为像视深度，y为物的实际深度。 如果：n1 n2，那么y?y,即像点p?位于物点p的上方，视深度减小。 （渔民叉鱼） 如果：n1 n2, 那么y?y,即像点p?位于物点p的下方，视深度增大。 例. P162 L 3.1 PPˊ= d(1-1/n) 三. 全反射 光学纤维 1.全反射： 对光线只有反射而 无折射的现象。 当光从光密介质n1射 向光疏介质n2（n1）时 i1? ?i2? ?i1 ＝ic ?i2 ＝90? n1 sinic ＝n2 sin90? ——临界角 如果：i?ic,那么不再有折射光线而光全部被反射。 例如： n2 =1的空气对于n1 =1.5的玻璃而言，临界角ic≈42°。 2. 光学纤维