第一章 几何光学相关基础知识

• 不同介质都有各自相应的折射率 比如：空气的折射率约是1,水的折射率约是 1.33,透明玻璃的折射率约是1.5 • 同一介质不同的波长色光具有不同的折射
率。波长长的色光折射率低，波长短的色 光折射率高。 红光折射率最低，紫光折射率最高 • 折射率高的介质折光能力强，但光速慢。 光密介质
• 折射率低的介质折光能力弱，光速快。 光疏介质
正，由下向上为正，反之则为负。 2.角度 一律以锐角来度量，规定顺时针为正，逆时 针为负。
光学系统中的光阑
• 光阑百度文库其作用 含义：光阑中心与光轴重合且垂直于光轴放 置的通光孔屏。限制成像光束的光孔。 视其作用分为： 孔径光阑 视场光阑 消杂光光阑
孔径光阑 (有效光阑）
• 限制轴上物点入射光束大小的光阑 • 控制像平面的亮暗程度 • 人眼的瞳孔和照相机的光圈都是这种光阑
• 光束 • 非同心光束
• 同心光束 发散光束 会聚光束 平行光束
几何光学的基本定律
• 光的直线传播定律 在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传 播的 • 光的独立传播定律 来自不同方向的光线在传播途中相遇，彼此 互不影响，各自独立传播，在相交处，其作 用是简单的相加 • 光的反射定律 同平面分居两侧
第一章
几何光学相关基础知识
光学发展的不同时期
萌芽时期(公元前15世纪末-公元前16世纪）
眼镜，凸面镜，凹面镜，暗箱，幻灯
几何光学时期（公元16世纪-公元17世纪末）
牛顿“微粒说”
光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的 粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高 速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人 的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光 的微粒说．牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的 直进、反射和折射现象．由于微粒说通俗易懂， 又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了
• 由几种单色光相混合后产生的光叫复色光
白光经三棱镜后分裂诚不同颜色 的光
• 不同波长的光波在真空中均以相同速度传 播
c=3.0×10⁸m/s
光在离开了真空后，在水，玻璃等透明介质 中传播速度要慢，且随波长不同而改变。光 在真空中的光速c与其在相应介质中的光速比 v，叫做折射率
n=c/v
关于折射率你要知道的
计算题
• 计算光在玻璃中的光速比是多少？
发光体和发光点
• 发光体：一切自身发光的物体或被发光的 物体均为发光体。
• 当忽略发光体的大小与辐射光能的作用距 离相比忽略时，称为发光点和点光源。
• 比如太阳
光线，光束
• 光线：既无体积又无直径，但有一定方向 的几何线，用来表示光能传播方向。
• 有一定关系光线的集合，称为光束
杨氏/马吕斯 光的电磁理论 杨氏/菲涅尔/
波长/声速
马吕斯
19世纪末-20 黑体/光电/康 波粒二象性物 普朗克/麦因
世纪初
普特效应
质波
斯韦
20世纪末-现 激光/传递函 光的受激辐射 肖洛/爱因斯
代
数/全息
坦
几何光学基本定律
基本概念
什么是光？
• 光是一种电磁波，具有波粒二象性，又叫 光波。
• 波长范围10-10⁶nm，可见光波长380-760nm • 单一波长且具有特定颜色的光称为单色光
几何相差概述
• 球差 • 慧差 • 像散和像面弯曲 • 畸变 • 位置色差和倍率色差
量相等，符号相反。
i=-i‘ • 折射定律 同平面，分居两侧 入射角sin与反射角sin之比是常数，即为2种 介质的折射率之比
sini/sini’=n‘ /n • 光路可逆 光线自a点投射到b点，反向光线必沿原先的 同一条路径通过a点。 任何光线的光路都是可逆的
计算题
• 当光线以30度入射角从空气射向水中，水 的折射率为1.33，问其反射光线和折射光线 的方向？
视场光阑
• 起限制成像范围作用的光孔 • 如一个人通过窗户向外看，这个窗户就是
视场光阑，它的大小决定了我们观察视物 的大小
光阑的作用
• 一个物点发出远轴光线经透镜折射后，与 近轴光线不重合，如图a，这种像差叫球面 像差，简称球差。
• 球差导致点光源成像不是一个点而是一个 圆减少球差最简单的方法是在透镜前加一 个光阑，让近轴光线通过
子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科 现代光学（20世纪末-60世纪初）
爱因斯坦提出光量子
时期 萌芽 几何 波动 量子 现代
阶段
实验
理论
代表人物
15世纪末-16 （简单）
世纪初
光学原件
反射定律
16世纪-17世 望远镜和显微 折射定律
纪末
镜
欧几里得
开普勒/笛卡 尔/斯涅尔/牛 顿
19世纪
光的全反射
• 1入射光线必须由光密介质射向光疏介质， 即n>n’
• 2入射角必须大于临界角，即i=i’ 临界角im=arcsin（n'/n）
计算题
当光线从水中射向空气时，水的折射率为 1.33，问其产生全反射的临界角是多少？
球面和共轴球面系统的理想成像
• 符号规则 1.线段 与笛卡尔坐标方向一样，规定由左向右为
人们的承认和支持．
光学发展不同时期
波动学说（19世纪） 惠更斯“波动说” 菲涅耳
认为地壳运动是由地球不同大小的波动的发展引起的。光的波动说 是粒子流相互关系反应的结果
量子光学（19世纪末-20世纪初） 普朗克“镭射的量子论”
量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、 传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。 量子光学一词是在有了激光后才提出来的。量子光学是以辐射的量