光學(xué)教程幾何光學(xué)部分.ppt

1、第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，第二章，理想光學(xué)系統(tǒng)，第三章，光學(xué)儀器基礎(chǔ)，第二章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)。基于光的概念，用三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律和幾何方法討論了光傳播和光成像的規(guī)律。第1章，幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，第3章，幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，1.1幾何光學(xué)的基本定律，1.2物體的基本概念，1.3球體和球面系統(tǒng)，1.4平面和平面系統(tǒng)，1.5光學(xué)材料(自學(xué))，第1章，幾何光學(xué)的基本定律，4.1基本概念與發(fā)光體(光源)的大小和它的輻射作用距離相比，發(fā)光點(diǎn)和發(fā)光體可以從計(jì)時(shí)中省略，它可以被視為任何發(fā)光體(光源)可以被視為無數(shù)這樣的發(fā)光點(diǎn)的集合。第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，5，球面波，平面波，波面，光線，1.1幾何光學(xué)基本定律

2、，光線代表光能傳播路徑的定向幾何線。各向同性介質(zhì)中點(diǎn)光源的光線：第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，6，1.1，幾何光學(xué)基本定律，光束大量光線的集合。第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，7，1.1幾何光學(xué)基本定律，基本實(shí)驗(yàn)定律和線性傳播的基本定律在均勻介質(zhì)中，光以直線傳播。光的直線傳播定律是幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，只有當(dāng)光在均勻介質(zhì)中不受阻礙地傳播時(shí)，它才能成立。第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，8，1.1幾何光學(xué)基本定律，光在非均勻介質(zhì)中是一條曲線，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，9，1.1幾何光學(xué)基本定律，反射定律和折射定律當(dāng)光傳播到兩種不同介質(zhì)之間的理想光滑界面時(shí)，通常會發(fā)生反射和折射，其傳播方向遵循折射定律和反射定律。夾角為生成量，正時(shí)為正時(shí)

3、。導(dǎo)出的公式是通用的。第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，10，1.1幾何光學(xué)基本定律，反射定律反射光線，入射光線和法線在同一平面；入射光和反射光分別位于法線的兩側(cè)。入射光線與法線之間的角度與反射光線與法線之間的角度相同，即第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，11，1.1幾何光學(xué)基本定律，折射定律折射光線，入射光線與法線固定在同一平面上；入射光和反射光分別位于法線的兩側(cè)。折射角的正弦與入射角的正弦之比是一個(gè)常數(shù)，它等于前一種介質(zhì)與后一種介質(zhì)的折射率之比，即第1章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，12，1.1幾何光學(xué)基本定律，確定反射光和折射光方向的幾何作圖法，第1章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，13，1.1幾何光學(xué)基本定律。從數(shù)學(xué)上講，反射定律可以看作是折

4、射定律的一個(gè)特例，這使它成為反射。這表明，任何從折射定律推導(dǎo)出來的公式，只要是成立的，都可以應(yīng)用于反射。第1章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，14，1.1幾何光學(xué)基本定律，獨(dú)立傳播定律當(dāng)來自不同光源的光線同時(shí)通過空間中的某一點(diǎn)時(shí)，它們不會相互影響，并且每條光線獨(dú)立傳播。利用這個(gè)定律，我們可以在不考慮其他射線影響的情況下研究某一射線的傳播。這可以大大簡化光傳播的研究。第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，15，1.1幾何光學(xué)基本定律，全反射現(xiàn)象只是反射而不是折射。條件：光從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)的入射角大于或等于臨界角。應(yīng)用：棱鏡、光纖等。第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，16，示例：水(n=4/3)空氣(n=1):集成電路=48.59氧玻璃(

5、n=1.5)空氣(n=1):集成電路=41.81氧，1.1幾何光學(xué)基本定律，增加視場角，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)1.1幾何光學(xué)基本定律，光路：光在均勻介質(zhì)中的幾何路徑s與介質(zhì)折射率n的乘積，即光路是光經(jīng)過的路徑，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，19，1.1幾何光學(xué)基本定律。當(dāng)光在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，即介質(zhì)的折射率n是位置的函數(shù)，那么光在該介質(zhì)中傳播的幾何路徑不是直線而是空間曲線，如圖所示。此時(shí)，從點(diǎn)A到點(diǎn)B的光路是：第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，20，1.1幾何光學(xué)基本定律，費(fèi)馬原理指出，當(dāng)光在空間的兩個(gè)固定點(diǎn)之間傳播時(shí)，實(shí)際的光路是一個(gè)特定的極值。數(shù)學(xué)表達(dá)式的含義：費(fèi)馬原理是幾何光學(xué)的基本原理。均勻介質(zhì)中的線性傳

6、播、反射和折射定律可由費(fèi)馬原理導(dǎo)出。第1章，幾何光學(xué)的基本定律，第1章，幾何光學(xué)的基本定律，第1章，幾何光學(xué)的基本定律，和幾何光學(xué)的基本定律，22，1.1，表明光在均勻介質(zhì)中的線性傳播和它在平面界面上的反射和折射都是最短光路的例子。光也可能以很大的光程傳播一段距離，或者以某個(gè)穩(wěn)定值傳播。如圖3所示，光通過F和F:對于橢球體，光路是恒定的；對于內(nèi)部部分，光路最大；對于外部部分，光路是最小的。第1章，幾何光學(xué)的基本定律，23，1.1，幾何光學(xué)的基本定律，第1章，幾何光學(xué)的基本定律，24，1.1，光路可逆性原理在幾何光學(xué)中，任何光路都是可逆的。意思：利用這個(gè)原理，一些結(jié)論可以通過簡單的推理得到。第1

7、章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，25，1.1，幾何光學(xué)基本定律，練習(xí)P391-1，1-2，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，26，1.2，物體圖像的基本概念，光學(xué)系統(tǒng)(由多個(gè)反射和折射表面組成)的界面?zhèn)鞑ヌ匦裕悍瓷浜驼凵浔砻娴膸缀涡螤睿浩矫婧颓蛎?，?章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)， 27光學(xué)系統(tǒng)分類非成像光學(xué)系統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng)非球面成像光學(xué)系統(tǒng)球面成像光學(xué)系統(tǒng)(包括平面)非同軸球面成像光學(xué)系統(tǒng)同軸球面成像光學(xué)系統(tǒng)第1章基本幾何光學(xué)，28，1.2物像、物點(diǎn)和像點(diǎn)的基本概念：入射同心光束的中心稱為物點(diǎn)，入射同心光束的中心經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后仍是同心光束。 成像的本質(zhì)是將入射同心光束轉(zhuǎn)換成出射同心光束。保持光束的同心度。第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，2

8、9，1.2物像的基本概念，物點(diǎn)(發(fā)散入射光束的中心，是否有實(shí)際光通過)虛擬物點(diǎn)(會聚入射光束的中心，總是沒有實(shí)際光通過)像點(diǎn)(會聚出射光束的中心，是否有實(shí)際光通過)虛擬像點(diǎn)(發(fā)散出射光束的中心，總是有或沒有實(shí)際光通過)第1章幾何光學(xué)基礎(chǔ)， 30、1.2物體圖像的基本概念，第1章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，31、1.2物體圖像、物體和圖像的基本概念：物體被視為無數(shù)物體點(diǎn)的集合。 如果每個(gè)物點(diǎn)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后都有一個(gè)對應(yīng)的像點(diǎn)，那么像點(diǎn)的集合就被稱為光學(xué)系統(tǒng)生成的完美圖像(理想圖像)。物體和圖像之間的對應(yīng)在光學(xué)上變得共軛。物像互反和圖像具有相關(guān)性。物體和圖像所在的空間可以重疊。第1章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，32，1.2物方

9、空間和像方空間的基本概念，光束入射的空間和光束出射的空間，理想的成像光學(xué)系統(tǒng)保持光束的唯一性，并保持物體和圖像之間的相似性。第一章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，33，1.2物像基本概念，光學(xué)系統(tǒng)理想成像條件的同心度不變：物點(diǎn)發(fā)出的同心光束通過光學(xué)裝置后，同心度應(yīng)保持不變。等光程成像：物點(diǎn)發(fā)出的所有光線經(jīng)過光學(xué)組件后，都應(yīng)該以等光程到達(dá)像點(diǎn)。第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，34，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像。在光學(xué)系統(tǒng)中，平面可以看作是無限球面曲率的特例第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，35，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像，1.3.1符號規(guī)則1.3.2物點(diǎn)在軸上通過單折射球面的光程計(jì)算1.3.3物點(diǎn)在軸附近通過單折射球

10、面的成像1.3.4物點(diǎn)在軸附近通過單折射球面的成像1.3.5單反射球面的成像1.3.6同軸球面系統(tǒng)的成像1.3.7透鏡成像，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)， 330沿著軸的線的數(shù)量(如r，l，l):以頂點(diǎn)為原點(diǎn)，它向右為正，向左為負(fù)。 縱軸量：以光軸為標(biāo)準(zhǔn)，正在光軸上方，負(fù)在光軸下方。角度量是用銳角來測量的，從光軸或光作為起始邊緣開始，銳角順時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，37，1.3單球和共軸球系統(tǒng)的傍軸成像，說明不同的書可能有不同的符號規(guī)則，導(dǎo)出的物體像公式也不同。幾何圖形上所有數(shù)量的標(biāo)簽應(yīng)取絕對值。因此，對于圖紙中的負(fù)數(shù)量，必須在數(shù)量的字母前加上負(fù)號?！叭溆跋駥W(xué)”，第1章，

11、幾何光學(xué)基礎(chǔ)，38，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像，任意光線在軸上一個(gè)物點(diǎn)通過單折射球的光程計(jì)算根據(jù)幾何關(guān)系，對于給定的折射球(R，N，N)，可以由已知的L和U得到相應(yīng)的L和U。第1章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，39，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像。從上述結(jié)果可以看出，當(dāng)L為常數(shù)值時(shí)，L是角度u的函數(shù)。也就是說，由軸上的物點(diǎn)A發(fā)射的同心光束在被球面折射后將失去其同心度。當(dāng)重要官員上的點(diǎn)被球面成像時(shí)，其圖像通常是不完美的(這種成像缺陷被稱為像差，這將在后面討論)。第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，40，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像。當(dāng)從點(diǎn)A發(fā)射的光線非常接近光軸(近軸光線)時(shí)，在U5范圍內(nèi)，有一個(gè)近似

12、公式，從該公式可以知道，L不隨U而變化，即物體點(diǎn)在軸上發(fā)射的細(xì)光束經(jīng)球面折射后可以完善成像。第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，41，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像，在傍軸光條件下，結(jié)合上述公式，可以得到如下結(jié)果：第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，42，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像，物體像公式為給定的折射球面，方程的右邊是一個(gè)不變量， 其被稱為折射球的冪(當(dāng)R取第1章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，43，1.3單球和同軸球系統(tǒng)的傍軸成像時(shí)，當(dāng)物點(diǎn)位于光軸左側(cè)無窮遠(yuǎn)處時(shí)，對應(yīng)的像點(diǎn)被稱為像焦點(diǎn)F，而像距被稱為像焦點(diǎn)F，它是從物像公式，第1章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，44，1.3單球和同軸球系統(tǒng)的傍軸成像，當(dāng)像點(diǎn)位于右側(cè)無窮遠(yuǎn)處時(shí)獲得的)

13、。 對應(yīng)的物點(diǎn)稱為物焦點(diǎn)，物距稱為物焦距，相當(dāng)于像距。它是從物體成像公式，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，45，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像中獲得的。兩個(gè)焦距之間的關(guān)系可以改寫為(高斯公式)，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，46，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像，傍軸成像。第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，47，1.3單球和同軸球系統(tǒng)的傍軸成像，單折射球?qū)ΠS物點(diǎn)的成像傍軸區(qū)域的垂直物平面可以看作是由單折射球近似的理想像平面(如果物平面有大的面積，它的像平面會彎曲，這在像差理論中稱為像平面彎曲)。近軸物點(diǎn)b被穿過單折射球的細(xì)光束成像在b上。第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，48，1.3單光束的傍軸成像第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，5

14、0，1.3單球和同軸球系統(tǒng)的傍軸成像，當(dāng)物點(diǎn)沿軸移動有限距離時(shí)，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，51，1.3單球和同軸球系統(tǒng)的傍軸成像，角度放大，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，52，1.3單球和同軸球系統(tǒng)的傍軸成像，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，53，1.3單球和同軸球系統(tǒng)的傍軸成像，拉格朗日亥姆霍茲不變量幾何光學(xué)基礎(chǔ)，54，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像，可以知道一對特殊的共軛點(diǎn)：當(dāng)l=r時(shí)，有l(wèi)=r，并且有，第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，55，1平行于光軸入射的光線將穿過像焦點(diǎn)，并在被球面折射后穿過物焦點(diǎn)，并且穿過平行于光軸的曲率中心的入射光線在穿過球面后不會改變相反的方向。 第一章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，56，1.3單球和同

15、軸球系統(tǒng)的傍軸成像，反射球面傍軸成像的物像公式在中間，使第一章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，57，1.3單球面和同軸球系統(tǒng)的傍軸成像，焦距在中間，使第一章幾何光學(xué)基礎(chǔ)，58，1.3單球面和同軸球系統(tǒng)的傍軸成像，放大率為0，成為正像，物像與側(cè)面不同，與虛擬現(xiàn)實(shí)不同。第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，59，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像，當(dāng)l=r時(shí)，一對特殊的共軛點(diǎn)具有l(wèi)=r和-1，1，第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，60，1.3單球面和同軸球面系統(tǒng)的傍軸成像，作圖法根據(jù)下面的任意兩條射線，球面鏡的成像問題可以用作圖法方便地確定。平行于光軸入射的光線被球面鏡反射，然后穿過焦點(diǎn)。穿過平行于光軸的曲率中心的光線被球面鏡反射，然后轉(zhuǎn)向相反的方向。第一章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，61，1.3單球面和共軸球面系統(tǒng)的傍軸成像，共軸球面成像系統(tǒng)的所有球面的曲率中心位于同一條直線上，成像問題可以通過將單折射球面成像公式逐一應(yīng)用于系統(tǒng)的每個(gè)球面(逐次成像法)來解決。第1章，幾何光學(xué)基礎(chǔ)