幾何光學(xué)-像差-光學(xué)設(shè)計(jì)_理論總結(jié)

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1、第一章幾何光學(xué)的基本定律?本章要點(diǎn)：1.發(fā)光點(diǎn)、波面、光線、光束2.光的直線傳播定律、光的獨(dú)立傳播定律、反射定律和折射定律及其矢量形式3.全反射及臨界角4.光程與極端光程定律（費(fèi)馬原理）5.光軸、頂點(diǎn)、共軸光學(xué)系統(tǒng)和非共軸光學(xué)系統(tǒng)6.實(shí)物（像）點(diǎn)、虛物（像）點(diǎn)、實(shí)物（像）空間、虛物（像）空間7.完善成像條件§1-1發(fā)光點(diǎn)、波面、光線、光束?發(fā)光點(diǎn)----本身發(fā)光或被照明的物點(diǎn)。既無(wú)大小又無(wú)體積但能輻射能量的幾何點(diǎn)。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，把一個(gè)物體看成由許多物點(diǎn)組成，把這些物點(diǎn)都看成幾何點(diǎn)(發(fā)光點(diǎn))。把不論多大的物體均看作許多幾何點(diǎn)組成。研究每一個(gè)幾何點(diǎn)的成像。進(jìn)而得到物體的成像規(guī)律。當(dāng)然這種點(diǎn)是

2、不存在的，是簡(jiǎn)化了的概念。一個(gè)實(shí)際的光源總有一定大小才能攜帶能量，但在計(jì)算時(shí)，一個(gè)光源按其大小與作用距離相比很小便可認(rèn)為是幾何點(diǎn)。今后如需回到光的本質(zhì)的討論將特別指出。波面---發(fā)光點(diǎn)在某一時(shí)刻發(fā)出的光形成波面如果周圍是各向同性均勻介質(zhì)，將形成以發(fā)光點(diǎn)為中心的球面波或平面波光線----波面的法線即幾何光學(xué)中所指的光線光束---波面法線族。發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的在各向同性的均勻介質(zhì)的光束為同心光束光束與波面的對(duì)應(yīng)關(guān)系：§1-2幾何光學(xué)的基本定律---應(yīng)用光學(xué)的基礎(chǔ)　　幾何光學(xué)將光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)傳播問(wèn)題和物瞇成像問(wèn)題歸結(jié)為光線的傳播問(wèn)題。光線的傳播遵循以下基本定律。??光的直線傳播定律?　　光在各向同性的均勻

3、介質(zhì)中沿直線傳播。?(忽略衍射現(xiàn)象)??光的獨(dú)立傳播定律?！　∫圆煌耐緩絺鞑サ墓馔瑫r(shí)在空間某點(diǎn)通過(guò)時(shí)，彼此互不影響，各路光好像其他光線不存在似地獨(dú)立傳播。而在各路光相遇處，其光強(qiáng)度是簡(jiǎn)單地相加，總是增強(qiáng)的。(忽略干涉現(xiàn)象)光的干涉：??光的反射定律與光的折射定律?　　當(dāng)光傳至二介質(zhì)的光滑分界面時(shí)遵循反射與折射定律。光的反射定律：①入射光線、法線和反射光線在同一平面內(nèi)；②入射光線與反射光線在法線的兩側(cè)，且有：光的折射定律：?①折射光線與入射光線和法線在同一平面內(nèi)；②折射角與入射角的正弦之比與入射角的大小無(wú)關(guān)，僅由兩介質(zhì)的性質(zhì)決定，當(dāng)溫度、壓力和光線的波長(zhǎng)一定時(shí)，其比值為一常數(shù)，等于前一介質(zhì)與

4、后一介質(zhì)的折射率之比，即反射定律是折射定律當(dāng)n'=-n時(shí)的特殊情況??光線傳播的可逆性(由上圖中)·令CO為入射光線，則OA為反射光線（反射定律）·令BO為入射光線，則OA為折射光線（折射定律）　　由此說(shuō)明光的傳播是可逆的，即光路的可逆性?！　∫陨隙山鉀Q了光在各向中同性均勻介質(zhì)中的傳播和在兩介質(zhì)分界面且改變方向的問(wèn)題。因此可解決光經(jīng)任何界面后繼續(xù)傳播的方向，是光線經(jīng)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)傳播的基礎(chǔ)。§1-3全反射???當(dāng)光入射到光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)的分界面時(shí)，不會(huì)發(fā)生全反射。?當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，逐漸增大入射角到某一值時(shí)，折射角達(dá)90度，使折射光線沿界面掠射而出。若入射角繼續(xù)增大，將會(huì)發(fā)生全

5、反射。對(duì)應(yīng)于折射角為90度的入射角稱臨界角：全反射的應(yīng)用：等腰直角棱鏡：當(dāng)2U在某范圍內(nèi)時(shí),斜面上發(fā)生全反射,則透明介質(zhì)界面上不需要鍍反射膜光導(dǎo)纖維n2>n1,I>Im時(shí)全反射,用于傳像和傳光§1-4矢量形式的折射定律和反射定律??當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的界面在界面較復(fù)雜，或當(dāng)光線是三維空間中的空間光線時(shí)，應(yīng)用矢量形式匠折(反)射定律較為方便，并且反射定律是特殊形式的折射定律。兩矢量正向平行兩矢量反向平行并將長(zhǎng)度為的折射光線矢量和長(zhǎng)度為的入射光線矢量分別記為和，得????????????????或?????上式兩邊同與作標(biāo)積，得??當(dāng)時(shí)，矢量與正向平行，反之兩矢量為反向平行。?已知兩介質(zhì)折射率和光線的入

6、射角求折射角時(shí)，于是得矢量形式的折射定律：在的情況下　矢量形式的反射定律：§1-5費(fèi)馬原理?是幾何光學(xué)的最基本的定律，上述的幾個(gè)定律皆由此導(dǎo)出。介紹之前，首先介紹一個(gè)新的概念-----光程．光程-----光線在介質(zhì)中傳播的距離與該介質(zhì)折射率的乘積????????得?　　　　?????　　光程相當(dāng)于光在介質(zhì)中走過(guò)這段路程的時(shí)間內(nèi)，在真空中所走過(guò)的幾何路程。圖中A到B的光程???????　　當(dāng)光在非均勻介質(zhì)中傳播，所走的路徑不是直線，A到B的光程為　　　　　??費(fèi)馬原理：(極端光程定律)?　　光線從一個(gè)點(diǎn)傳播到另一個(gè)點(diǎn)是沿著光程為極值(極大、極小、常量)的途徑傳播的。??????????????

7、???????　　關(guān)于光傳播路徑的幾個(gè)定律均可由費(fèi)馬原理得到。A到B經(jīng)界面一次反射的最短路徑由可得對(duì)橢球面，光程為穩(wěn)定值對(duì)PMQ面，光程為極大值對(duì)SMP面，光程為極小值§1-6成像概念和完善成像條件　　光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，光學(xué)系統(tǒng)由一系列折（反）射表面組成，其中主要是折射球面，也可能有平面和非球面。①光軸——對(duì)于一個(gè)球面，光軸是通過(guò)球心的直線?對(duì)于一個(gè)透鏡，光軸為兩個(gè)球心的連線?②頂點(diǎn)——光軸與球面的交點(diǎn)?③