1-1几何光学的基本原理

物空间 光 学 系 统
像空间
光 学 系 统 实物成虚实象
实物成实象
光 学 系 统 虚物成实象
二、球面透镜
（一）厚透镜和薄透镜 1、厚透镜：一切真实的透镜都有一定的中心 厚度，因此都是厚透镜。 2、薄透镜：透镜厚度为零的透镜。 3、薄透镜组：两个或两个以上的薄透镜组合 而成的光学系统。
平行光线通过凸透镜会聚于一点（焦点）； 从焦点发出的光线通过凸透镜而平行。
（2）二次反射棱镜 相当于双面镜。其出射光线与入射光线的 夹角取决于两反射面的夹角，像与物一致， 不存在镜像。
（3）三次反射棱镜 常用为施密特棱镜 出射光线与入射光线夹角为45度，奇次反 射成镜像。 最大特点：因为光线在棱镜中的光路很长， 可以折叠光路，使仪器结构更紧凑。
2、屋脊棱镜


正透镜：具有正的光焦度，对光束有会聚作用，又叫会聚 透镜或凸透镜。 应用：望远镜、准直仪、光学收发器、放大器、辐射计等 负透镜：具有负的光焦度，对光束有发散作用，又叫发散 透镜或凹透镜。 应用：激光光束扩展器＼光学特征读取器＼观察器和发射 系统等。




凸透镜有：平凸、双凸、月凸。 凹透镜有：平凹、双凹、月凹。
光的本质

光的波粒二象性 光是一种电磁辐射，由于光的折射、 反射、衍射等现象，说明光具有波动性； 同时光还具有热辐射、光电效应等作用， 又说明光具有粒子性，因此可以把光的这 种性质叫作光的波粒二象性。 光学分：波动光学和几何光学。

波动光学的起源

以波动理论研究光的传播及光与物质相互作用的 光学分支。17世纪，R.胡克和C.惠更斯创立了光 的波动说。惠更斯曾利用波前概念正确解释了光 的反射定律、折射定律和晶体中的双折射现象。 这一时期，人们还发现了一些与光的波动性有关 的光学现象，例如F.M.格里马尔迪首先发现光遇 障碍物时将偏离直线传播，他把此现象起名为 “衍射”。胡克和R.玻意耳分别观察到现称之为 牛顿环的干涉现象。这些发现成为波动光学发展 史的起点。
§1-1 几何光学的基本原理


几何光学——撇开光的波动本性，以几何 定律和某些实 定律为基础的光学称为几何 光学。 本质：几何光学是光学学科中以光线为基 础，研究光的传播和成像规律的一个重要 的实用性分支学科。在几何光学中，把组 成物体的物点看作是几何点，把它所发出 的光束看作是无数几何光线的集合，光线 的方向代表光能的传播方向。
3
γ’
E
C
i’
B
1 B
D
五、全反射
(一)全反射现象
光由光密介质射入光疏介 质，当入射角增大到某一角度 时，折射光线完全消失，只剩 反射光线，光被全部反回。 空气
γ
i
玻璃
(二)发生全反射的条件
1、光密 光疏 2、条件：i＞C C为临界角
1 c arcsin n
例：水深度为60cm处有一 个青蛙，在水面上方看到的 青蛙上升了多少cm?
n1
ic
n1 n2
临界角。
(三)应用 1、判断射入三角棱镜 的光路走向（n=2）
全反射棱镜
2、分析：水下 人的视野范围
θ
3 arcsin 4
1-2 光学元件
光学系统通常由若干个光学元件构成。
1-1-1 透镜元件
透镜：由透明物质（如玻璃、石英、岩 盐、水晶、树脂等）制成的一种光学元件。 一、正透镜和负透镜

1、简单棱镜 （1）一次反射棱镜


相当于单块平面镜，对物成镜像。 在主截面内的坐标改变方向，垂直于主截面的坐 标不改变方向，而O’Z’始终沿出射光轴方向。 常用有直角棱镜、等腰棱镜和道威棱镜。
道威棱镜是一种像旋转器。光线经过此棱镜后，此像被颠倒180°。 另外，使此棱镜以其光轴为轴旋转时，像的旋转角为棱镜旋转角的两倍。 一般而言，道威棱镜是利用临界角原理实现内部全反射，所以场角 有限。同时，保持反射面清洁和使用平行光很重要。
折射现象中光路可逆
A
(二)折射率
折射率是反映媒质光学性质的物理量
sin i n sin
——折射率
C n V
光疏媒质 光疏媒质 光密媒质 光密媒质
i＞γ
i＜γ
A
(三)应用
1、光从玻璃砖的一面射 入将从另一面射出
i
O
γ
AO∥EB 光线发生侧移
2、如图1、2、3为三条光 2 线请根据光路走向判断 •1、2、3哪条为入射光线、 折射光线、反射光线？ • AB、CD哪个是界面？哪 A 条是法线？
1-2-2 反射元件


反射元件是利用反射面反射光线的光学元件 反射系统至少有一个反射面，反射面是指按 照反射定律使光线有规则反射的光线表面。 作用：折转光路、缩小仪器体积、改变像的 正倒关系等。
一、反射镜 1、平面反射镜（平面镜） 是光学系统中唯一能成完善象的最简单光 学零件。 如：穿衣镜、化妆镜。
理想光学系统：也叫近轴光学系统， 就是能对任意宽空间内的点以任意宽的光 束成完善象的光学系统。
一、物与象的概念
• 物：入射光线会聚点的集合或入射光线延长线会聚点的集合
• 像：出射光线会聚点的集合或出射光线延长线会聚点的集合。
• 实物或实像：由实际光线会聚成的点构成的物或像。 • 虚物或虚像：由实际光线延长线会聚成的点构成的物或像。 实物→发散 虚物→会聚 实象→会聚的心 象：出射光束的心 虚象→发散的心
讨论：一束太阳光斜射到平面镜的 表面，平面镜的另一侧可看到耀眼 的光亮，为什么？ 讨论：一束太阳光斜射到粗糙的木 板表面，则无论从哪个方向观察， 都看不到耀眼的亮光，为什么？
问？？？
1、电影银幕为什么要用粗布做？ 2、黑板的问题~ 3、雨后天睛的夜晚，为了不踩到地上的积水，有经 验的人往往这样做： （1）迎着月光走，地上发亮处是积水，所以 千万别往上踩； （2）背着月光走，地上暗处是积水，所以千 万别往上踩。 你能解释这样做的道理吗？
二、反射棱镜
定义：将一个或多个反射工作平面制作在同一块 玻璃上的光学零件。 用途：转折光轴、转像、倒像、扫描等 名次解释 棱镜的光轴：棱镜光轴为折线。 光轴的折射次数 = 棱镜反射面数 棱：工作面间的交线。 主截面：垂直于棱线的平面。 光轴位于主截面内——光轴截面 分类：简单棱镜、屋脊棱镜、立方角锥棱镜和复 合棱镜。
C
i改变，r也随之改变 i增大，r增大 i减小，r减小
O
空气 玻璃
ß
N’ B 折射光线
2、折射定律
•折射光线在入射光线和法线所在的平面上，折射光 线和入射光线分居在法线的两侧。 •入射角的正弦跟折射角的正弦之比为一常数。
sin i 常数 sin r
3、折射现象解释
视深比实深浅
空气 水
A’
4、光路可逆

带有屋脊面得棱镜 屋脊面：由两个互成直角的反射面组成，作用是 不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下， 增加一次反射，使系统总的反射次数由奇数变为 偶数，使物象相似。
三、光锥

是一种圆锥体状的聚光镜，可制成空心和实心两 种类型。 是一种非成像的聚光元件，与场景类似，可增加 光照度或减小探测器面积。
光污染 光污染比较常见的是眩光。如汽车夜 间行驶时产生的车灯光，电焊产生的 强光会使人的视觉瞬间下降。大城市 高层建筑的玻璃幕墙会产生很强烈的 镜面反射，使局部地区温度升高，同 时强烈的反射光使人双目难睁，影响 车辆行驶和行人安全。
四、光的折射
(一)光的折射
入射光线 法线 光从一种媒质射入另一 A N 种媒质时，传播方向发 生改变的现象。 i 1、光的折射 反射光线
P是烛焰顶上的 一点，P´点不 是实际的发光 点，也不是光 的会聚点，因 而把P´点叫做 发光点P的虚像
P
P′
实像：由实际光线会聚而成的,可以在光屏 上显现出来。 虚像：由实际光线的反向延长线相交而成 的，不可以在光屏上显现出来。

平面镜成像规律 (1)平面镜所成的像是虚像； (2)像和物体到平面镜的距离相等； (3)像和物体的大小相等； (4)它们的连线与镜面垂直。
2、反射种类
M
M
镜面反射
漫反射
都遵循反射定律
3、光路可逆
在反射现象中光路是可逆的
镜面反射： 1、反射面是光滑的。 2、入射光线是平行光线，反射光线也是平行光线。 也就是说入射光线朝一个方向入射，反射光线也 向一个方向传播 漫反射： 1、反射面是粗糙不平的。 2、入射光线是平行光线，反射光线却向各个不同 的方向传播。也就是说入射光线朝一个方向入射， 反射光线向不同的镜叫场镜。 它是在不改变光学系统光学特性的前提下， 改变成像光束位置。 应用：常用于红外光学系统中。
五 浸没透镜
是粘接在探测器表面的高折射率冠状透镜。 一般制成半球状或超半球的透镜，使像面浸没在 折射率较高的介质中。 它是二次聚光元件，主要作用是显著减小探 测器的光敏面积，提高信噪比。
二 柱面透镜
一个柱面和一个平面或一个柱面和一个球面 组成的透镜都叫柱面透镜。 应用：只要求在一个尺寸上进行放大的场合，比如 将一个点图像转换成一个线图像，或者只改变一个 图像的高度而不改变它的宽度等。 如：线照明，条纹号码扫描，激光投影等
三 阶梯透镜（菲涅耳透镜）
应用：电视放大镜，书写投影仪的聚 光镜，照相机取景器的场景等
四、分束元件
是将入射光通量分割成反射 和透射两部分并保证两者有 适当比例关系的元件。 应用：分色棱镜用于彩色 电视摄像机中。 分色棱镜根据各种彩色光 的波长不同，把光分解为 红、绿、蓝光。分色的作 用是通过在棱镜的分光面 上蒸镀的金属薄膜来完成 的。这层薄膜叫做分色膜。

1-3 典型光学元件的物象关系
想 一 想 1.“床前明月光，疑是地上霜。”明亮的 月球是光源吗？ 为什么？ 2.萤火虫、正在放映电影的银幕都是光源 吗？ 为什么？