几何光学基本原理

绿
青
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光的本质 • 现代物理学认为光具有波、粒二象性：既 • • • • •
有波动性，又有粒子性。 一般除研究光与物质相互作用，须考虑光 的粒子性外，其它情况均可以将光看成是 电磁波。 可见光的波长范围：380-780nm。 单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是 同一个颜色，称之为单色光。 复色光：由不同波长的光混合成的光。 白 光：由各种波长光混合在一起而成的一 种复色光。
I2 C
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1.4 光路可逆和全反射
•光路可逆 •光的全反射
total reflection
在一般情况下，光线至透明介质 的分界面时，将同时发生反射和 折射。在一定的条件下，界面可 将入射光线全部反射回去，而无 折射现象，这就是光的全反射。
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光的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ反射 1、现象
空气 水
A
O1
I2
O2
O3 I0
虚物不能人为设定，它是前一系统所成的像被
当前系统截取得到的。
A
A
A’
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请判断物与像的虚实
A a. 实物成实像
A’
A
A’ b. 实物成虚像
A’ c. 虚物成实像 （对于第二个透镜）
A
A’
A
d. 虚物成虚像
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注意：物、像的概念是相对于光组来说的
这意味着光信号越容易耦合入光纤。
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第一章 几何光学基本原理
1.1 光波和光线 1.2 几何光学基本定律 1.4 光路可逆和全反射 1.6 光学系统类别和成像 1.7 理想像和理想光学系统
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1.6 光学系统类别和成像
一. 光学系统基本概念
光学系统：由一系列反射、折射表面（零件） 按一定方式组合而成，从而满足一定使用要求 的组合 球面系统：光学表面均为球面 共轴球面系统：各球面的球心均在一直线上 光轴：系统的对称轴（连接各球心的直线） 顶点：光轴与球面的交点
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当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻 璃的折射率不同、对应的临界角不同
n I0
1.5 41°4 8’
1.52
1.54
1.56 39°5 2’
1.58 39°1 6’
1.60 38°4 1’
1.62
1.64
1.66 37°3’
41°8’ 40°3 0’
37°7’ 37°3 4’
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•
例如 从某种玻璃到空气的交界面：n=1.5, n′=1 Im=sin-1 1.5/1=41.8° I > Im,可发生全反射
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虚物和虚像
物方光线延 长线交点
B’
A
像方光线反像 延长线交点
虚像不能被相机底片、CCD等探测器接 收，但可以被眼睛观察到。
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注意：实物与虚物的区别： ※ 实物：自己发光的物体。
如灯泡、蜡烛等，也可以是被照明后发光的物 体，如人物，景物等。
※ 虚物：不是由实际光线而是由光线的延长线 相交而成的物。
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光导纤维号称现代信息系统的神经
由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包层组成
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光纤
临界入射角： 数值孔径：
1 2 n12 n2 sin i n0
NA n0sin i n n
2 1
2 2
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定义
na sin i0
为光纤的数值孔径
是光纤能够传送的光能越多。
i0 越大，可以进入光纤的光能就越多，也就
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1.2 几何光学基本定律
•
光的直线传播定律 各向同性的均匀介质 局限性 • 当光经过尺寸与光波长接近或更 小的小孔或狭缝时，光的传播将 偏离直线——“光的衍射” • 当光在非均匀介质中传播时，是 沿曲线传播的
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•光的独立传播定律
从不同光源发出的光线，在空间 某点相遇时，彼此互不影响，各 光线独立传播 利用这条定律，研究某一光线传 播时，可不考虑其它光线的影响。 大大简化我们对光线传播的研究
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• 波前
wave front
波前：某一瞬间波动所到达的位置构成的曲面 波面：传播过程中振动相位相同的各点所连结成 的曲面 在任何的时刻都只能有一个确定的波前； 波面的数目则是任意多的
t + Δt 时刻波前 t 时刻波前
光线是波面的法线 波面是所有光线的垂 直曲面
A
点光源A的光线和波面
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好累！太不方 便了！
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• 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象
性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发 出的光抽象成一条条光线，然后按此来研究 光学系统成像。
问题变得简单 而且实用！
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几何光学：以光线为基础，用几何的方法来研究光在
介质中的传播规律及光学系统的成像特性。
• 点：光源、焦点、物点、像点 • 线：光线、法线、光轴 • 面：物面、像面、反射面、折射面
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光线是波面的法线 波面是所有光线的垂直曲面 同心光束：由一点发出或交于一点的光束 有限远 对应的波面为球面波
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像散光束：不严格交于一点，波面为非球面
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平行光束: 波面为平面
无限远
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第一章 几何光学基本原理
1.1 光波和光线 1.2 几何光学基本定律 1.4 光路可逆和全反射 1.6 光学系统类别和成像 1.7 理想像和理想光学系统
O4
I1 R1
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当入射角增大到某一程度时，折射角达到90° 折射光线沿界面掠射出去，这时的入射角为 临界入射角
sin I m n sin I / n n sin 90 / n n / n
' ' ' '
当I > Im时，I′变为虚数 折射光消失，能量全部被反射
发生全反射的条件： •光线由光密向光疏介质入射 •入射角>临界角
• 反射定律可以看作折射定律的特殊情况
(n′= -n)
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判断光线如何折射
I1 空气 n=1 水 n=1.33
I1 玻璃 n=1.5 I2 I2 空气 n=1
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I1 c 空气 n小 玻璃 n大 空气 n小 玻璃 n大
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第一章 几何光学基本原理
1.1 光波和光线 1.2 几何光学基本定律 1.4 光路可逆和全反射 1.6 光学系统类别和成像 1.7 理想像和理想光学系统
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1.4 光路可逆和全反射
• 光路可逆
1、现象
• 全反射
A
B
用射出去的光路在一定条件下可以决定射回的光路 利用光路的可逆性可以由物求像，也可以由像求物。
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2、证明 直线传播 ： 反射：I1=R1
R1=I1 A I1 R1 A B B
折射：
n1 Sin I1 = n2 Sin I2 n2 Sin I2 = n1 Sin I1
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• 由两个球面构成的透镜中，通过两球面球心的直线为光轴。
光轴与透镜面的交点称为：顶点
光轴
顶点
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• 若有一个面为平面，则光轴通过球面的球心与平面垂直。
光轴
顶点
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光学系统
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光学系统分类
按有无对称轴分： 共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统：没有对称轴线 按介质分界面形状分： 球面系统：系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：系统中包含有非球面 共轴球面系统：系统光学零件由球面构 成，并且具有一条对称轴线
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1.2 几何光学基本定律
• 几何光学是以光线的概念为基础，采用
几何的方法研究光在介质中的传播规律
和光学系统的成像特性。
• 按几何光学的观点，光经过介质的传播问
题可归结为四个基本定律：光的直线传播 定律、光的独立传播定律、光的反射定律 和折射定律
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几何光学的适用条件
•光学系统的尺度远大于光波的波长 •介质是各向同性的
入射 面
n
I I ''
界面
I
'
n'
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• 折射定律
在同一平面内
nsinI=n'sinI′
• 折射率n：表征透明介质光学性质的重要参数之一。
n=c/v
描述介质中的光速相对于真空中的 光速减慢程度的物理量
空气，n 略大于1（实际应用中大都假设为≈1） 水，n ≈1.3 玻璃，n ≈1.45 –1.75
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• 光的反射和折射定律
光传播到两种不同介质的 光滑分界面上时，继续传播 的光线或返回原介质，或进 入另一介质。前者称为光的 反射，后者为光的折射。
I
-I′′
n
I′
n′
• 光的反射定律
同一平面内；法线的两侧 反射角等于入射角 I′′=-I
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法线: 过投射点所做的分界面垂线 入射角: 入射光线和法线的夹角 反射角: 反射光线和法线的夹角 折射角： 折射光线和法线的夹角 入射面：入射光线和法线所构成的平面
第一章 几何光学基本原理
微电子技术系 王昱琳
第一章 几何光学基本原理
1.1 光波和光线 1.2 几何光学基本定律 1.4 光路可逆和全反射 1.6 光学系统类别和成像 1.7 理想像和理想光学系统
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1.1 光波和光线
• 光波
光波是一种电磁波，是一定频率范围 内的电磁波，波长比一般的无线电波 短 • 可见光：380nm-780nm • 紫外光：5-380nm • 红外光：780nm-40µm • 近红外：780nm-3µm • 中红外：3µm－6µm • 远红外：6µm－40µm
由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子 性的研究方法只是一种对真实情况的近似 处理方法。必要时要辅以波动光学理论。