应用光学第1章 几何光学的基本定律

物理光学：研究光的本性，并由此来研究各
种光学现象

几何光学：研究光的传播规律和传播现象
二、课程性质和任务

课程性质：以几何光学为理论基础，以光学
系统中光的传播、成像、光度学、光学系统设 计原理等为主要内容的课程。利用光的直线传 播概念，研究光在光学仪器中的传播和成像特 性。

任务：让学生掌握光学系统成像的基本概念、

几何光学：几何光学的基本定律和成像概念、理 想光学系统、平面系统、光学系统的光束限制、 光度学

像差理论：影响光学系统成像质量的七大几何像 差。 理想光学系统：望远系统、显微系统、照相系统、 摄影系统、放映系统、眼睛。

第1章 几何光学的基本定律 与成像概念
ห้องสมุดไป่ตู้
主要内容：
几何光学的基本概念 几何光学的基本定律及可逆性原理 费马原理 成像的概念

1655年意大利数学家格里马第首先发现光的衍射现象，是 光的波动学说的最早倡导者；
1669年丹麦的巴塞林纳斯教授在冰洲石中发现了双折射现 象； 1672年胡可也观察到衍射现象； 1678年发现光的偏振现象，发现牛顿环现象。


——这就迫使人们去揭示光的本质。
一、光是什么？——光的本性

研究光的意义: 90%信息由视觉获得,光波是视 觉的载体

重点：可逆性原理、费马原理和成像概念 难点：可逆性原理、物像之间的等光程性
1.1 几何光学的基本概念

几何光学是以光线的概念为基础,采用几何方法 研究光在介质中的传播规律和光学系统的成像 特性。
基本概念：
光源、光波、光线、波面、光束
四大实验定律： 按几何光学的观点，光经过介质的传播问题可 归结为：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。
6.光束：具有一定关系的光线的集合 （1）同心光束:同一发光点发出或交于同一点的 光束。
同心发散光束 球面波
同心会聚光束
球面波
(2)平行光束：发光点位于无穷远,波面为平面.
平行光束 平面波
(3)像散光束：即不相交于一点，又不平行，但有一 定关系的光线的集合。

光束与波面的对应关系
平行光束—平面波 同心光束—球面波
发散光束 会聚光束
发光点 理想光学系统 点 发光点 实际光学系统 斑
同心光束理想光学系统同心光束 同心光束实际光学系统非同心光束
1.2 几何光学基本定律及可逆性原理
一、几何光学三大定律
1.光的直线传播定律：在各向同性、均匀、透明
介质中，光总是沿着直线传播。 成立条件：各向同性、均匀、透明介质中，行进 过程中无小孔、狭缝等——忽略衍射；

光是什么？弹性粒子－弹性波－电磁波－波粒 二象性
1666年：牛顿提出微粒说，弹性粒子 1678年：惠更斯提出波动说，以太介质中传播的弹性 波 1873年：麦克斯韦提出电磁波解释，电磁波 1905年：爱因斯坦提出光子假设 20世纪：人们认为光具有波粒二象性
• • • • •

光的本质是电磁波 光的传播实际上是波动的传播

各向同性介质：光学介质的光学性质不随方 向而改变。 各向异性介质：单晶体（双折射现象） 均匀介质：光学介质的不同部分具有相同的 光学性质——均匀各向同性介质 绝对折射率：
c n( ) v ( ) v c, n 1


4.波面：光波是电磁波，光源可看作波源，在某 一瞬时，其振动位相相同的各点所构成的曲 面。
3. 光线是能够传输能量的几何线，具有方向，光 波的传播问题就变成了几何的问题，所以称之 为几何光学。 4.几何光学的适用条件：光学系统的尺度远大于 光波的波长；介质是均匀和各向同性的。
五、课程要求


课前预习，课后复习，按时 交作业 平时作业和出勤：30% 期末考试：70%
四、课程的研究内容
绪论
对光学认识的早期

萌芽时期
春秋战国 墨子《墨经》 直线传播、镜面反射 希 腊 欧几里德《光学》 平面镜成像

律——光学仪器 1610伽利略望远镜 1611开普勒《折光学》开普勒天文望远镜 1630笛卡尔——折射定律（正弦形式） 1657费马——费马原理
几何光学时期——建立光的反射定律和折射定
从十七世纪开始发现与光的直线传播不符的事实：

2.光源:任何能辐射光能的物体(本身发光或被照
明后发光)。
点光源：光源的大小与辐射光能的作用距离相 比可忽略时，光源称为点光源。

在几何光学里，发光点被抽象为一个既无体积 又无大小的几何点，但能辐射能量。 实际光源总有一定大小并携带能量。
3.光学介质：光从一个地方传至另一个地方的 空间。例如：空气、水、玻璃。
知识和理论，学会光学系统设计的基本方法， 具备光学系统的分析和设计能力。
三、课程的研究对象
1. 研究对象：不考虑光的本性问题，把光认为 是光线，研究光的传播规律和传播现象。
2.采用光线概念的意义：
（1）用光线的概念可以解释绝大多数光学现象：影子、 日食、月食 （2）绝大多数光学仪器都是采用光线的概念设计的
1.光波：是一种电磁波，是一定频率范围内的
电磁波，其振动方向和光的传播方向垂直， 是横波，其波长比一般的无线电波短。
可见光：400nm——760nm 紫外光：5nm——400nm 红外光：780nm——40μm 近红外：780nm——3μm 中红外：3μm——6μm 远红外：6μm——40μm 光波与电磁波关系？
等相位面
t + Δt 时刻 t 时刻
A
波面为球 面
5.光线：传输光能的有方向的几何线。

在几何光学里,光线被抽象为既无体积又无直 径的几何线,几何线的方向代表光线的方向， 即光能的传播方向。
实际光线是不存在的！
波面与光线之间的关系 在各向同性介质中,光沿着波面的法线方向传 输,所以波面的法线就是光线。 光线是波面的法线 波面是垂直所有光线的曲面
太阳 地球 月亮
不均匀介质？
光线轨迹：曲 线
2.独立传播定律：从不同发光体发出的相互
独立的光线，以不同路径传播在空间某点相 遇时，彼此互不影响（频率、波长、振幅）， 独立传播。相遇处的光强简单相加，总是增 强。
成立条件：此定律只对非相干光准确成立—— 忽略干涉现象。
屏上被两发光点同时照 亮区域的照度等于两光 光点产生的照度之和。