preliminarytheoriesofgeometricOpticschapter1幾何光學(xué)的基本原理幾何光學(xué)的基本原理第一章本章內(nèi)容本章內(nèi)容Contentschapter11

幾何光學(xué)的基本定律2費(fèi)馬原理3成像的基本概念4光在平面上的反射和折射5光導(dǎo)纖維棱鏡光在單球面上的折射和反射8薄透鏡9共軸球面系統(tǒng)的逐次成像法10共軸球面系統(tǒng)傍軸成像的矩陣方法BasiclawsofgeometricOptics機(jī)械波的產(chǎn)生及描述幾何光學(xué)的基本定律1–1ssss1.1幾何光學(xué)的基本定律光線—光能傳播方向的幾何線光束—有一定幾何關(guān)系的一些光線的集合一.光源和光線1.光源光源—任何發(fā)光物體：太陽(yáng)、燭焰、鎢絲白熾燈、日光燈、高壓水銀熒光燈等,LED/OLED點(diǎn)光源—可看成幾何上的點(diǎn)，只有空間位置無(wú)體積的光源2.光線和光束幾何光學(xué)中不考慮衍射效應(yīng)，用幾何方法討論成像規(guī)律3.光波波面波面：在任意時(shí)刻,振動(dòng)相位值相同的各點(diǎn)所構(gòu)成的曲面光振動(dòng)—用電磁波中電場(chǎng)強(qiáng)度的變化表示波面對(duì)應(yīng)的法線方向就是光束的傳播方向二.幾何光學(xué)的基本定律1.光的直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播2.光的獨(dú)立傳播定律：兩束光在傳播途中相遇時(shí)互不干擾，即每一束光的傳播方向及其他性質(zhì)(頻率、波長(zhǎng)、偏振狀態(tài))都不因另一束光線的存在而發(fā)生改變(1)光的反射定律：反射線位于入射面內(nèi)，反射線和入射線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角，即(2)光的折射定律：折射線位于入射面內(nèi),折射線與入射線分居法線兩側(cè)，入射角的正弦與折射角的正弦之比為一與入射角無(wú)關(guān)的常數(shù)，即*漫射：當(dāng)界面粗糙時(shí),各入射點(diǎn)處法線不平行,即使入射光是平行的,反射光和折射光也向各方向分散開(kāi)—漫反射或漫折射。介紹3.光的折射、反射定律：三.折射率光在真空中的傳播速度為c折射率較大的介質(zhì)稱(chēng)為光密介質(zhì)，折射率較小的介質(zhì)稱(chēng)為光疏介質(zhì)。平行光的折射有在線性介質(zhì)的光場(chǎng)中，光的振動(dòng)頻率僅由光源決定，它與傳播的介質(zhì)無(wú)關(guān)。同一譜線的光波在不同介質(zhì)中雖然有不同速度，但其頻率是不會(huì)改變的，均同于真空中的光頻，即n

>1，介質(zhì)中的波長(zhǎng)變短了！介質(zhì)中的光頻是否等于真空中的光頻?思考折射率可為負(fù)嗎?參考p115§3.6!科西公式：夫瑯禾費(fèi)線標(biāo)識(shí)符號(hào)－h(huán)GFeDCA’－波長(zhǎng)（nm）365.0404.7435.8486.1546.1589.3656.3766.5950.8色視覺(jué)（紫外）藍(lán)青青綠綠黃橙紅紅（紅外）冕玻璃（K9）1.535821.529821.526261.521951.518291.516301.513891.511041.50778鋇冕玻璃（BaK7）1.594171.586201.581541.575971.571301.568801.565821.562381.55866輕火石玻璃（QF3）1.611971.599681.592801.584811.578321.574901.570891.566381.56172重火石玻璃（ZF1）1.700221.682291.672451.661191.652181.647501.642071.636091.63007常用無(wú)色光學(xué)玻璃的折射率在正常情況下，介質(zhì)的折射率隨光波長(zhǎng)的增加而減小物質(zhì)名稱(chēng)分子式密度溫度（℃）折射率丙酮CH3COCH30.791201.35930甲醇CH3OH0.794201.32900乙醇C2H5OH0.800201.36180苯C6H60.880201.50120二硫化碳CS21.263201.62760四氯化碳CCL41.591201.46070三氯甲烷CHCL31.489201.44670乙醚C2H5OC2H50.715201.35380甘油C3H8O31.260201.47300松節(jié)油0.8720.71.47210橄欖油0.9201.47630水H2O1.00201.33300空氣正常溫度和氣壓1.000293氫氣H21.000132氮?dú)釴21.000296氧氣O21.000271二氧化碳CO21.000448甲烷CH41.000444一些液體和氣體的折射率(對(duì)鈉燈黃光即夫瑯禾費(fèi)D線λ=589.3nm)?

色散：一種介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率。棱鏡分光是先后兩次折射引起的色散效應(yīng)。大氣中的虹霓是陽(yáng)光經(jīng)大量水滴的折射和反射而產(chǎn)生的色散現(xiàn)象。水晶的色散明顯強(qiáng)于玻璃或有機(jī)玻璃。1.現(xiàn)象:一束白光經(jīng)界面折射,就被分為不同顏色的光束。色散現(xiàn)象原因：折射、干涉、衍射、散射、偏振？鴿子脖頸羽毛水面的汽油膜茶水表面的濃縮油滴燒焦的不銹鋼炊具表面云中的小水滴碟翼蚌殼表面貓眼石色散現(xiàn)象原因：折射、干涉、衍射、散射、偏振？四.光的可逆性由于折射定律的對(duì)稱(chēng)性,可得出光線傳播的可逆性。表明：當(dāng)光線沿與原來(lái)方向相反的方向傳播時(shí)，其路徑不變。當(dāng)光從光密()射到光疏()介質(zhì)時(shí),一般情況下,折射角大于入射角,當(dāng)入射角為某一ic

時(shí),折射角為,折射線沿界面?zhèn)鞑?。?臨界角若入射角再增大，就不再有折射線了，此時(shí)光線將全部返回光密介質(zhì)，且反射角等于入射角—全反射利用全反射原理，可制成光學(xué)元件——光纖利用高折射率材料制成芯線，外包一層低折射率的皮，由于光線的全反射，光線在芯內(nèi)是鋸齒形折線的徑跡。單根階躍型光纖只能傳光而不能傳圖像，將眾多光纖集束為光纜便可傳圖像。稱(chēng)為階躍型光纖的數(shù)值孔徑應(yīng)用例一一介質(zhì)的折射率沿介質(zhì)表面的法線方向連續(xù)變化，光線斜入射，求在介質(zhì)中光線路徑的方程。xz解：將介質(zhì)分成由許多折射率遞增的薄層,當(dāng)薄層的厚度趨于零，層數(shù)趨于無(wú)限多時(shí)就過(guò)渡到連續(xù)變化。在折射率連續(xù)變化的極限情形下，上式可寫(xiě)為在每個(gè)交界面上,光線滿(mǎn)足折射定律:，介質(zhì)中光線路徑的方程：將上式對(duì)z求微商得:即：由上式不難看出，在均勻介質(zhì)中光沿直線傳播。

例二一自聚焦光纖的折射率分布函數(shù)為解：將折射率分布方程代入例一的光線路徑方程：

式中

1為x=0處光線與x軸夾角。上