《幾何光學(xué)》word版

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1、工程光學(xué)講義主講：劉文超湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院第一章幾何光學(xué)基本定律與成像概念本章重點：幾何光學(xué)的基本術(shù)語及基本定律、光路計算及完善成像的條件。第一節(jié)?幾何光學(xué)基本定律一、光波與光線1、光波性質(zhì)性質(zhì)：光是一種電磁波，是橫波。我們平常看到的光波屬于可見光波，波長范圍390nm—780nm光波分為兩種：單色光波及復(fù)色光波2、光波的傳播速度ν光波的傳播速度不是一個常數(shù)，而是一個變量，它主要與以下二因素：①與介質(zhì)折射率n有關(guān)；②與波長λ有關(guān)系。????????ν＝c/n???式中，c為光在真空中的傳播速度；n為介質(zhì)折射率。３、光線：是沒

2、有直徑、沒有體積卻攜有能量并具有方向性的幾何線。４、光束：同一光源發(fā)出的光線的集合。５、波面（等位相面）????常見波面有：平面波、球面波、柱面波。二、幾何光學(xué)的四大基本定律1、直線傳播定律：在各向同性的均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播（光線是直線）。2、獨立傳播定律：從不同光源發(fā)出的光束，以不同的方向通過空間某點時，彼此互不影響，各光束獨立傳播。3、折射定律：入射光線、反射光線、通過投射點的法線三者位于同一平面，入射角等于反射角且大小相等符號相反。（分居法線兩側(cè)）???4、折射定律：入射光線、折射光線、通過投射點的法線三者位于同一平面，

3、并且有：???式中，Ｉ為入射角；Ｉ為折射角；n為第一種介質(zhì)折射率；n為第二種介質(zhì)折射率。以上我們分析了四大定律，下面我們講一下光學(xué)中一個非常重要的現(xiàn)象－全反射現(xiàn)象。三、全反射現(xiàn)象（又稱完全內(nèi)反射）1、定義：從光密介質(zhì)射入到光疏介質(zhì)，并且當入射角大于臨界角時，在二種介質(zhì)的分界面上光全部返回到原介質(zhì)中的現(xiàn)象。2、臨界角是：折射角剛好為900的入射角。其數(shù)學(xué)表示形式如下：??????根據(jù)折射定律??????3、全反射發(fā)生的條件要想發(fā)生全反射，必須滿足以下二個條件：①入射光必須從光密介質(zhì)射入到光疏介質(zhì)；②入射角必須大于臨界角。4、全反射的

4、應(yīng)用。①反射棱鏡：棱鏡是光學(xué)設(shè)計時使用的比較多的一類光學(xué)元件，而其中的部分棱鏡就利用了全反射的特點。如：一次反射式的等腰直角棱鏡。②光纖（是光學(xué)纖維的簡稱）――它也是基于全反射的道理，主要用于光學(xué)通訊當中。光纖的功能：具有傳光、傳象及傳輸其它信號的功能，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、國防得到廣泛的應(yīng)用。光纖保證發(fā)生全反射的條件：n0sinI1稱為光纖的數(shù)值孔徑，式中，I1為設(shè)射入光纖端面的入射角。四、費馬原理（又稱為極值光程定律）????費馬原理首次提出了光程的概念，并從光程角度出發(fā)，對光的傳播定律進行了高度概括。1、光程（S）：指光在介質(zhì)中傳播

5、的幾何路程（S）與該介質(zhì)折射率n的乘積。其數(shù)學(xué)表示形式為：S=nl????若光經(jīng)過m層均勻介質(zhì)，則總的光程可寫為：??????????????????若光經(jīng)過的是非均勻介質(zhì)，即n是一個變量，這時光程可表示為：???????????????2、費馬原理：光從一點傳播到另一點，經(jīng)過任意多次反射和折射光程為極值。其數(shù)學(xué)表示如下：???????????????????五、馬呂斯定律：光束在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時，始終保持著與波面的正交性，且入射波面與出射波面各對應(yīng)點之間的光程為定值?！?－2?成象的基本概念與完善成像條件一、光學(xué)系統(tǒng)與

6、完善成象的概念1、光學(xué)系統(tǒng)：由一系列的光學(xué)元件所構(gòu)成的系統(tǒng)。這里所說的光學(xué)元件可以是透鏡、反射鏡、棱鏡等。光學(xué)系統(tǒng)又分為：共軸光學(xué)系統(tǒng)及非共軸光學(xué)系統(tǒng)2、完善成象：象與物體只有大小的變化沒有形狀的改變（物與象是完全相似的）。二、完善成像的條件入射為球面波，出射也為球面波（入射為同心光束，出射也為同心光束）。三、物、象的虛實物有虛實之分，象也有虛實之分。物：發(fā)出入射光波的。象：由出射光波形成的。1、實物、實象：由實際光線相交而成的就稱為實；2、虛物、虛像：由實際光線的延長線相交而成的。實象可由人眼或接收器（屏幕、CCD、底片、光電倍

7、增管等）所接收；虛象不可以被接收器所接收，但是卻可以被人眼所觀察。3、物空間、象空間物所在的空間稱為物空間；象所在的空間叫象空間。無論是物空間還是象空間都是無限延伸的，不能機械的以左右劃分。§1－3?光路計算與近軸光學(xué)系統(tǒng)一、符號規(guī)則（新笛卡爾符號規(guī)則）新笛卡爾符號規(guī)則對所涉及的線段及角度都作了相應(yīng)的規(guī)定：假設(shè)光是自左向右傳播則有：①對垂軸線段：以光軸為準，在光軸之上為“＋”，光軸之下為“－”；②對沿軸線段：以頂點O為原點，頂點到光線與光軸交點的方向與光的傳播方向相同則為“＋”，反之則為“－”；③光線與光軸夾角（稱為孔徑角）：由光

8、軸轉(zhuǎn)向光線，以銳角方向進行度量，順時針為“＋”，逆時針為“－”；④法線與光軸的夾角（）：由光軸以銳角轉(zhuǎn)向法線，順時針為“＋”，逆時針為“－”；⑤光線與法線的夾角：由光線以銳角轉(zhuǎn)向法線，順時針為“＋”，逆時針為“－”；⑥折射面之間的間隔（d）：由前一