1、.,工程光學(xué),第一章 幾何光學(xué)的基本定律和物像概念,.,概述,光學(xué)是研究光的本性、光的傳播、光與物質(zhì)的相互作用以及光的實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)。,光主要以波動(dòng)的形式存在。光的本質(zhì)是電磁波。,光學(xué)系統(tǒng)的主要作用是傳輸光能和對(duì)研究的目標(biāo)成像。,幾何光學(xué)撇開了光的波動(dòng)本性，采用一種簡(jiǎn)便和實(shí)用的幾何學(xué)的方法來(lái)研究光的傳播和光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)的成像規(guī)律。,.,目錄,第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律 第二節(jié) 成像基本概念與完善成像條件,.,第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律,一、幾何光學(xué)的點(diǎn)、線、面 二、幾何光學(xué)的基本定律 三、費(fèi)馬原理,.,一、幾何光學(xué)的點(diǎn)、線、面,點(diǎn)：光源、物體、像都看成是點(diǎn)的集合。 線：光波的傳播抽象成幾何線一樣

2、的光線，相當(dāng)于波面的法線，代表了光的傳播方向。 光波由一束光線表示，平面波對(duì)應(yīng)于平行光束，球面波對(duì)應(yīng)于同心光束。 如圖,.,平行光束與同心光束,同心光束,球形波面,平面波面,平行光束,.,各類光束及對(duì)應(yīng)的波面,.,二、幾何光學(xué)的基本定律,幾何光學(xué)的基本定律決定了光線在一般情況下的傳播方式，也是我們研究光學(xué)系統(tǒng)成像規(guī)律以及進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。 幾何光學(xué)的基本定律有三大定律：,.,1 光的直線傳播定律,各向同性的均勻介質(zhì)中，光沿著直線傳播。 用光的直線傳播定律可以解釋日蝕、月蝕等自然現(xiàn)象，也可以解釋光照射物體時(shí)為什么會(huì)出現(xiàn)影子等類似問(wèn)題，小孔成像就是利用了光的直線傳播定律。,.,光的直線傳

3、播圖例,.,2 光的獨(dú)立傳播定律,當(dāng)兩束或多束光在空間相遇時(shí)，各光線的傳播不會(huì)受其它光線的影響。 例如：光束相交處的光強(qiáng)是一種簡(jiǎn)單的疊加，探照燈。,.,3光的折射定律和反射定律,當(dāng)一束光線由折射率為n的介質(zhì)射向折射率為n的介質(zhì)時(shí)，在分界面上，一部分光線將被反射，另一部分光線將被折射，反射光線和折射光線的傳播方向?qū)⒆裱瓷涠珊驼凵涠伞?.,光線經(jīng)界面后的傳播,A,.,反射定律,入射光線、入射點(diǎn)界面的法線、反射光線三者共面，入射光線與反射光線分居于法線的兩側(cè)，且入射角與反射角絕對(duì)值相等。,.,入射光線、入射點(diǎn)界面的法線、折射光線三者共面，入射角I與折射角I之間滿足下列關(guān)系式 反射定律看作是折射

4、定律中的一個(gè)特例。,折射定律,.,推論,光路的可逆性,用射出去的光路在一定條件下可以決定射回的光路。 利用光路的可逆性可以由物求像，也可以由像求物。,圖1-3 光路的可逆性,.,全反射現(xiàn)象,全反射：折射光線因大于等於折射光線因大于等于90而消失，所有的光線反射到原介質(zhì)中的現(xiàn)象。 在一定的條件下,光線發(fā)生全反射 光線由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)； 入射角大于臨界角。二者缺一不可。,折射率較高的介質(zhì),折射率較低的介質(zhì),折射角等于90度時(shí)的入射角,.,全反射現(xiàn)象,TEXT,TEXT,TEXT,.,全反射的應(yīng)用舉例,（1）全反射棱鏡,.,全反射的應(yīng)用舉例,（2）光纖的全反射傳光,全反射光纖,.,三、費(fèi)馬原理

5、,費(fèi)馬原理與幾何光學(xué)的基本定律一樣，也是描述光線傳播規(guī)律的基本理論。 它以光程的觀點(diǎn)描述光傳播的規(guī)律，涵蓋了光的直線傳播和光的折、反射規(guī)律，具有更普遍的意義。 根據(jù)物理學(xué)，光在介質(zhì)中走過(guò)的幾何路程與該介質(zhì)折射率的乘積定義為光程。設(shè)介質(zhì)的折射率為n，光在介質(zhì)中走過(guò)的幾何路程為l，則光程s表示為,.,費(fèi)馬原理,費(fèi)馬原理指出，光從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)沿的是極值光程路徑。即光沿光程為極大值、或極小值、或常量值的路徑傳播，其數(shù)學(xué)表示為光程的一階變分為0： 至于光程走的是極大值還是極小值，這要取決于折射表面的曲率及兩點(diǎn)之間的位置，大多數(shù)情況下是極小值。費(fèi)馬原理可以用來(lái)證明光的直線傳播定律和光的折、反射定律。,

6、.,第二節(jié) 成像基本概念與完善成像條件,一、物方光線和像方光線 二、物和像 三、物空間和像空間 四、物像的相對(duì)性,.,一、物方光線和像方光線,光學(xué)系統(tǒng)由若干不同介質(zhì)組成，對(duì)光線實(shí)現(xiàn)所需的傳播。 光線未通過(guò)系統(tǒng)前稱為物方光線。物方光線連接著物體。 光線通過(guò)系統(tǒng)后稱為像方光線，像方光線連接著物體的像。 為分析和處理問(wèn)題方便，常將光線沿傳播直線向任意方向延長(zhǎng)，延長(zhǎng)后的光線性質(zhì)不變。,.,二、物和像,物：物方光線的相交點(diǎn)稱為物； 像：像方光線的相交點(diǎn)稱為像； 實(shí)物：物方光線實(shí)際相交的點(diǎn)為實(shí)物點(diǎn)； 實(shí)像：像方光線實(shí)際相交的點(diǎn)為實(shí)像點(diǎn)； 虛物：物方光線延長(zhǎng)后相交點(diǎn)為虛物點(diǎn)； 虛像：像方光線延長(zhǎng)后相交的點(diǎn)為

7、虛像點(diǎn),a）實(shí)物成實(shí)像 (b) 實(shí)物成虛像 (c) 虛物成實(shí)像 (d) 虛物成虛像,.,虛物和虛像,物方光線延長(zhǎng)線交點(diǎn),像方光線反像延長(zhǎng)線交點(diǎn),B,A,.,三、物空間和像空間,物空間：即物體所在的空間；實(shí)物所在的空間為實(shí)物空間，虛物所在空間為虛物空間，無(wú)論實(shí)物空間還是虛物空間都使用實(shí)物空間介質(zhì)的折射率。 像空間：即像所在的空間；實(shí)像所在的空間為實(shí)像空間，虛像所在空間為虛像空間，無(wú)論實(shí)像空間還是虛像空間都使用實(shí)像空間介質(zhì)的折射率。,.,物像概念小結(jié),光線未通過(guò)系統(tǒng)（界面）前稱為物方光線，物方光線連接著物體（實(shí)物或虛物），物體所在空間為物方空間，物方空間使用系統(tǒng)前方介質(zhì)折射率 光線通過(guò)系統(tǒng)（界面）后稱為像方光線，像方光線連接著物體的像（實(shí)像或虛像），像所在空間為像方空間，像方空間使用系統(tǒng)后方介質(zhì)折射率,.,四、物像的相對(duì)性,物和像都是相對(duì)于某一成像系統(tǒng)而言的，如果物體連續(xù)經(jīng)過(guò)幾個(gè)成像系統(tǒng)，則前一個(gè)系統(tǒng)所成的像即成為下一系統(tǒng)的物，如此不斷成像得到最終的像。因此物和像并不是絕對(duì)的，對(duì)于連續(xù)成像的系統(tǒng)，物與