第一章-几何光学基本定律与成像概念.教学内容
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ch1 几何光学基本定律与成像概念
21
22
三、近轴光线的光路计算
概念： 近轴区
近轴光线
（5）式表明：在近轴区，像距l'仅是物距l的函数，与 孔径角u无关，所以轴上物点在近轴区所成的像为完善 像，称为高斯像。这样一对构成物像关系的点称为共轭 点。
23
由于在近轴区，有： 所以，由式(1) (2) (3) (4) (5) (6) 可推出：
第一章 几何光学基本定律 与成像概念
主讲人：仝卫国
华北电力大学 自动化系
1
主要内容
以光线为对象用几何方法来研究：光在介质 中的传播规律，以及光学系统的成像特性。
一、几何光学基本定律 二、成像的概念与完善成像条件 三、光路计算及近轴光学系统 四、球面光学系统
2
§1.1 几何光学的基本定律
光程[l]取极小值
M ( x,0, z ) M ( x,0,0)
13
六、马吕斯定律 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保 持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面 对应点之间的光程均为定值。 表明：垂直于波面的光线束经过任意多次的折、 反射后，无论折、反射面形如何，出射光束仍垂 直于出射波面。 * 折射定律、费马原理、马吕斯定律三者等价
27
28
29
30
31
s
B A
ndl 0
两点之间光沿着所需时间为极值的路径传播
11
3.费马原理的应用
根据直线是两点间最短距 离这一几何公理,于真空 或均匀介质,费马原理可 直接得到光线的直线传播 定律。 费马原理只涉及光线传播 路 径, 并 未 涉 及 到光 线的 传播方向。若路径AB的路 径取极值，则其逆路径BA 的光程也取极值——包含 了光的可逆性。 由费马原理导出光的反射 定律
第一章 几何光学的基本定律与成像forStudents
完善成像
入射波为球面波时，出射波也为球面波 入射光为同心光束时，出射光亦为同心光束 物点及其像点之间任意二条光路的光程相等
完善成像
等光程成像
无限远物点完善成像
完善成像
等光程成像
完善成像
无限、有限距离物点折射、反射成像？
等光程面仅对特定的点才有意义，成完善像
对一定大小的物体成像时，不能对物体上所有 点满足等光程条件，不能完善成像 非球面制造困难 实际光学系统多用一系列球面组成的光学系统
第一章
几何光学的基本定律与成像概念
Basic laws of geometrical optics and basic imaging concepts
几何光学的基本定律
一、基本概念
1. 光波— 电磁波（横波）
Wave properties of light
E = A cos ( kz – wt )
应用光子学基础
光电系统
生物组织
应用光子学基础
光的产生、传播、 调制与检测
生物医学光子学
光与生物组织的 相互作用
生理、生化参数检测
生物医学影像
……
课程主要内容
几何光学
光的产生、传播、调制与检测 光电探测
几何光学基本定律与成像
光电效应 典型光电探测器件 光电探测器性能参数 光电探测系统的噪声 微弱光信号检测方法
物象都有虚实之分： 实物— 物方实际光线直接相交而成的点。 虚物— 物方实际光线不能相交，延长线相交而成的点。 实象— 象方实际光线直接相交的点。 虚象— 象方实际光线不能直接相交，反向延长相交。 物空间— 构成物的光线所处的空间。（实物、虚物） 象空间— 构成象的光线所处的空间。（实象、虚象）
PPT_第一章—几何光学基本定律与成像概念
1. 基本概念
光波——光是一种电磁波 波长范围：1mm~10nm 可见光：380~760nm 红外光：波长>760nm 紫外光：波长<400nm 光速： . m/s (真空) 介质中都小于
一、几何光学的基本定律和原理
1. 基本概念
准单色光的获取 可以通过棱镜、光栅、激光器、滤光片由复色光得 到单色光。
7 2013~2014学年《几何光学》课件 yanglp@
一、几何光学的基本定律和原理
2. 几何光学的基本定律
——入射光线； ——入射角 ——反射光线； ——反射角 ——折射光线； ——折射角 ——法线
光的反射定律： ① 入射光线、法线、反射光线在同一平面内； ② 入射光线和反射光线位于法线两侧，且
数学表达——一阶微分为零，即：
理解：实际光路取极值是指与邻近光路相比较取极小（经 平面反射或经平面折射的两点间）、极大（凹球面镜）或 稳定值（完善成象光学系统的物象点之间）
2013~2014学年《几何光学》课件 yanglp@ 20
, ,0
, 0,0
19
2013~2014学年《几何光学》课件
光的折射定律： 入射光线、法线、折射光线在同一平面内； 折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小 无关，只与两种介质的折射率有关。即 sin 或 sin sin sin
9 2013~2014学年《几何光学》课件 yanglp@ 10
由于 ，所以 空气的折射率为 . ，介质相对于空气的折射 率称为相对折射率，简称折射率 光密介质——分界面两边 折射率高的介质 光疏介质——分界面两边 折射率低的介质
全反射棱镜
用以代替平面反射镜，减少反射时的光能损失
光波——光是一种电磁波 波长范围：1mm~10nm 可见光：380~760nm 红外光：波长>760nm 紫外光：波长<400nm 光速： . m/s (真空) 介质中都小于
一、几何光学的基本定律和原理
1. 基本概念
准单色光的获取 可以通过棱镜、光栅、激光器、滤光片由复色光得 到单色光。
7 2013~2014学年《几何光学》课件 yanglp@
一、几何光学的基本定律和原理
2. 几何光学的基本定律
——入射光线； ——入射角 ——反射光线； ——反射角 ——折射光线； ——折射角 ——法线
光的反射定律： ① 入射光线、法线、反射光线在同一平面内； ② 入射光线和反射光线位于法线两侧，且
数学表达——一阶微分为零，即：
理解：实际光路取极值是指与邻近光路相比较取极小（经 平面反射或经平面折射的两点间）、极大（凹球面镜）或 稳定值（完善成象光学系统的物象点之间）
2013~2014学年《几何光学》课件 yanglp@ 20
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2013~2014学年《几何光学》课件
光的折射定律： 入射光线、法线、折射光线在同一平面内； 折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小 无关，只与两种介质的折射率有关。即 sin 或 sin sin sin
9 2013~2014学年《几何光学》课件 yanglp@ 10
由于 ，所以 空气的折射率为 . ，介质相对于空气的折射 率称为相对折射率，简称折射率 光密介质——分界面两边 折射率高的介质 光疏介质——分界面两边 折射率低的介质
全反射棱镜
用以代替平面反射镜，减少反射时的光能损失
第一章_几何光学的基本定律与成像的概念-PPT文档资料
1.1.1 光波
1、光波性质 性质：光是一种电磁波，
是横波。 可见光波，波长范围
390nm—780nm 光波分为两种： 1)单色光波―指具有单
一波长的光波； 2)复色光波―由几种单
色光波混合而成。如： 太阳光
1.1.1 光波
2、光波的传播速度v
1)与介质折射率n有关； 2)与波长λ有关系。
所以介质的折射率是针对某一特定波长提出的， 我们平时所说的介质折射率，
是对于可见光中心波长， λ约550nm的d光而言的。
1.1.2、光源
从物理学角度来看，能够辐射能量的物体成为 发光体，也就是光源。
当光源大小与辐射光能的作用距离相比可以忽 略，称为“点光源”。
在几何光学中，我们取发光物体上的某些特定 几何点来代表发光体，也称为“点光源”，人为 认为这些点无限小，能量密度无限大，实际上是 不存在这样的点光源的。
可以表示为： I = - I”
在不光滑的反射界面，反射定律还成立么？
1.2.3 折射定律
折射定律：入射光线、 折射光线、通过投射 点的法线三者位于同 一平面，且：
反射时，取n’=-n，则有I=-I”,即折射定律转换为反射定律 说明反射定律是折射定律的一个特例！
折射定律的推导
设光线在两介质中的速度 分别为v1和v2，则有： QQ’=v1t，OO’=v2t 所以sinI1=QQ’/OQ’
R n 0 n n 1 1 2,R n 0 为 光 垂 直 入 射 （ I＝ 0 ） 时 的 反 射 率
sinI2=OO’/OQ’ 两式相比，得：
sinI1 QQ' V1 n2 sinI2 OO' V2 n1
1.2.5 折射率
(完美版)几何光学基本定律与成像概念演示文稿.PPT文档
在几何光学中，发光体与发光点概念与物理学中完全不同。
无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称 为发光体。在讨论光的传播时，常用发光体上某些特定的 几何点来代表这个发光体。在几何光学中认为这些特定点 为发光点，或称为点光源。
3、光线
当光能从一两孔间通过，如果孔径与孔距相比可 以忽略则称穿过孔间的光管的正透镜见图（a）所示；发散透镜或负 透镜，特点是心薄边厚，如图（b）所示。
正透镜的成 像：如图所 示
物点和像点：
像散光束：
二、完善成像的概念
发光物体可以被分解为无穷多个发光物点，每个物点发 出一个球面波，与之对应的是以物点为中心的同心光束。经 过光学系统之后，该球面仍然是一球面波，对应的光束仍是 同心光束，那么，该同心光束的中心就是物点经过光学系统 后所成的完善像点。
1.光的直线传播定律
在各向同性的均匀介质中，光线按直线 传播。例子：影子的形成、日食、月蚀等。
2.光线的独立传播定律 不同的光线以不同的方向通过某点时，
彼此互不影响，在空间的这点上，其效果 是通过这点的几条光线的作用的叠加。
利用这一规律，使得对光线传播情况 的研究大为简化。
3.光的折射定律和反射定律
几何光学基本定律与成像概念演示文稿
第一章：几何光学基本定律与 成像概念
第一节 几何光学的基本定律和原理 一、光波与光线
1、光的本质
光和人类的生产、生活密不可分； 人类对光的研究分为两个方面：光的本性，以此来研究各种光学现象， 称为物理光学；光的传播规律和传播现象称为几何光学。 1666年牛顿提出的“微粒说” 1678年惠更斯的“波动说” 1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光的电磁波 1905年爱因斯坦提出了“光子”说 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。
无论是本身发光或是被照明的物体在研究光的传播时统称 为发光体。在讨论光的传播时，常用发光体上某些特定的 几何点来代表这个发光体。在几何光学中认为这些特定点 为发光点，或称为点光源。
3、光线
当光能从一两孔间通过，如果孔径与孔距相比可 以忽略则称穿过孔间的光管的正透镜见图（a）所示；发散透镜或负 透镜，特点是心薄边厚，如图（b）所示。
正透镜的成 像：如图所 示
物点和像点：
像散光束：
二、完善成像的概念
发光物体可以被分解为无穷多个发光物点，每个物点发 出一个球面波，与之对应的是以物点为中心的同心光束。经 过光学系统之后，该球面仍然是一球面波，对应的光束仍是 同心光束，那么，该同心光束的中心就是物点经过光学系统 后所成的完善像点。
1.光的直线传播定律
在各向同性的均匀介质中，光线按直线 传播。例子：影子的形成、日食、月蚀等。
2.光线的独立传播定律 不同的光线以不同的方向通过某点时，
彼此互不影响，在空间的这点上，其效果 是通过这点的几条光线的作用的叠加。
利用这一规律，使得对光线传播情况 的研究大为简化。
3.光的折射定律和反射定律
几何光学基本定律与成像概念演示文稿
第一章：几何光学基本定律与 成像概念
第一节 几何光学的基本定律和原理 一、光波与光线
1、光的本质
光和人类的生产、生活密不可分； 人类对光的研究分为两个方面：光的本性，以此来研究各种光学现象， 称为物理光学；光的传播规律和传播现象称为几何光学。 1666年牛顿提出的“微粒说” 1678年惠更斯的“波动说” 1871年麦克斯韦的电磁场提出后，光的电磁波 1905年爱因斯坦提出了“光子”说 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。
第1章 几何光学基本定律与成像概念.
物方孔径角
A 球心• C
•
顶点O
光轴
一、基本概念与符号规则
注意：习惯上，一般取光线的方向自左向 右进行
第二节：成像的基本概念与完善成像条件
一、光学系统与成像概念 物点发出的球面波（同心光束）经光学系统后仍
为球面波（同心光束），则其中心为物点的完善像点。 物体上每个点的完善成像点的集合即为物体的完善像。
物所在空间称物空间，像所在空间称像空间。
下面介绍成像的几个基本概念： 光束的分类； 物像与光束的对应关系； 完善成像的条件。
几何光学波面只是垂直于光线的几何曲面。
几何光学就是应用几何光线的概念来研 究光在不同条件下传播特性的一门学科！
二、几何光学基本定律
几何光学以下面几个基本定律为基础：
1. 光的直线传播定律 2. 光的独立传播定律 3. 光的反射定律：I = I 4. 光的折射定律
N
A
B
I I
Pn
Q
n O
N I C
n siIn n siIn
以上四个基本定律是几何光学研究各种光的 传播现象和规律以及光学系统成像特性的基础！
二、几何光学基本定律
角度的符号： (1) 均以锐角度量； (2) 由光线转向法线，顺时 针方向形成的角度为正，逆 时针方向为负。
N
A
B
I I
Pn
Q
n O
N I C
定律的局限性：例如当光经过小孔时会出现衍射， 不再沿直线传播；当两束相干光相遇时，会出现干 涉；
回顾
• 几何光学的基础：折、反定律，费马原理和吕马 斯定律三者可以互相推导出来，因此，三者之中任 一个可以作为几何光学的基本定律，而其他二者可 以作为推论！
第一章几何光学基本定律与成像概念
nsin I nsin I
① 色散现象：sin I n sin I f ()
n ② 全反射
nc v
III. Total Internal Reflection
nsin I nsin I
I Im
★
Critical Angle：sin
Im
n sin n
I
n sin 90 n
★Δ AEC中，由正弦定律 sin I sin(U )
L r
r
★由折射定律 sin I n sin I
n
★ ΔAEC 及ΔA′EC: U I U I
sin I (L r) sinU r
U U I I
★ ΔA′EC中，由正弦定律 sin I sinU L r r
各向同性、均匀介质：直线 S
非均匀介质：曲线
★ 波(阵)面（Wavefront）： 某一时刻光波振动位相相同的点所构成的面。
★ 波面法线 （Normal）：各向同性介质中对应于光线。
3、光束（Beam）：与波面对应的所有光线的集合
beams and wavefronts
a parallel beam
n n n n l l r
由阿贝不变式：
1.6 1 1.6 1
l1
5
2
l1′= +16cm ＞0 → 实像P ′
⑵ 光线遇到凹折射球面：
l2 = 16cm－20cm =－4cm， r =－2cm；
20cm
（光路图中各量都用绝对值）
1 1.6 11.6 l2 4 2
第一章 几何光学基本定律与成像概念
第一节 几何光学的基本定律 第二节 成像的基本概念与完善成像条件 第三节 光路计算与近轴光学系统 第四节 球面光学成像系统
第一章几何光学的基本定律与成像forStudents详解
第一章 几何光学的基本定律与成像概念
Basic laws of geometrical optics and basic imaging concepts
几何光学的基本定律
一、基本概念
1. 光波— 电磁波（横波）
Wave properties of light
E = A cos ( kz – wt )
小孔成像
题目1：小孔成像系统性能分析
定量分析 小孔大小、形状等因素对成像的影响 适应的范围 Matlab模拟、结果可视化展示
4. 光的折射定律
折射定律可归结为：入射光线、折射光线和投射点 的法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角正弦
之比与入射角大小无关，而与两介质性质有关。对一定
波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一
平行光束— 波面为平面。 象散光束— 波面为曲面，不聚于一点。
二、基本定律
1. 光的直线传播定律 在同一种各向同性、均匀介质中，光沿直线传播。 2. 光的独立传播定律 从不同光源发出的光束以不同方向通过空间某点，互 不影响，各自独立传播。 3. 光的反射定律 反射定律可归结为：入射光线、 反射光线和投射点法线三者在同一 平面内，入射角和反射角二者绝对值 相等，符号相反。即入射光线和反射 光线位于法线的两侧。 反射定律可表示为 I I ''
光线方向代表光能传播的方向。
4. 波面— 某一时刻，振动位相相同的各点构成的面。 波面可分为：平面波、球面波、任意曲面波。
波面法线方向即为光传播方向。
光源
光线
波面
5. 光束— 与波面对应的法线集合。
同心光束— 波面为球面，聚于一点。 发散光束— 光线在前进方向上无相交趋势。 会聚光束— 光线在前进方向上有相交趋势。
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三、物、像的虚实
天津理工大学王娟
——取决于是否是入射、出射的实际光线的交点。
实物
虚像
天津理工大学王娟
第三节 光路计算与近轴光学系统
一、基本概念与符号法则
1、单个折射球面 光轴、顶点、子午面、物/像距
2、笛卡尔（坐标）法则
左
右
(1) 像方参量：
加撇号´与物方参量加以区别。
(2) 光线传播方向： 一般假定自左向右为正.
sin
b sin 独立传播定律
不同光源发出的光，在空间某点相遇时，彼此互不影响，各 光束独立传播。
★ 局限1：没有考虑波动性，如干涉。 ★ 局限2：没有考虑光束能量很强的情况，如非线性效应。
3、光路可逆性原理
——光沿反方向传播， 必定沿原光路返回。
4、反射定律和折射定律
四、马吕斯定律
天津理工大学王娟
★ 表述：光在各向同性的均匀介质中传播时， 始终保持着光线束与波面正交； 且入射波面和出射波面对应点之间的光程为定值。
五、小 结
• 概念：光波、光线、波面、光束； • 几何光学基本定律：直线传播定律、折射与反射定律 、
独立传播定律、可逆性原理 • 费马原理（光程极值） • 马吕斯定律（光线束与波面正交、入射出射波面间等光程）
cl v
ct
sc
B
s A n d l
非均匀介质中 的光线与光程
2、Fermat’s Principle：光从空间一点到另一点是沿着
光程为极值的路径传播的。
实际路径上，
δs δ
B
ndl 0
A
（极大、极小、恒定）
3、光程最短的例子
• 均匀介质中直线传播； • 平面分界面上反射和折射等
M
例1：反射 任设M上的点C或E，作A的镜像A， ∴ ACB = ACB (或AEB = AEB) 在AB中，以直线AB，交反射面M于D为最短路径，有：
天津理工大学王娟
光纤通常用d = 5～60m的透明丝作芯料，为光密介质; 外有涂层，为光疏介质。满足光线在其中全反射，就可以实 现无损传输。
sinAo
1 n0
n12 n22
nc v
三、费马原理（Fermat’s Principle）
1、光程（Optical Path Length，OPL）
s
nl
cl v
nsinInsinI I Im
★ 临界角（Critical Angle） sinImn n sinIn n sin90on n
★ 反射能量的增强
天津理工大学王娟
与一般反射相比：全反射几乎无能量的损失。
★ 应用1：棱镜改变光路方向
天津理工大学王娟
• 问题：与平面镜相比？
★ 应用2：光纤通信原理
比较：物、像位置所在空间?
二、完善成像条件
共轴 光学系统：
天津理工大学王娟
★ 表述1：光束一致（入射、出射光束均为同心光束）。 ★ 表述2：波面一致（入射、出射波面均为球面波）。
★ 表述3：物、像点间任意光路的光程相等。 (A1Ak)常数
n 1 A 1 O n 1 O O 1 n 2 O 1 O 2 L n k O k O n k O A k n 1 A 1 E n 1 E E 1 n 2 E 1 E 2 L n k E kE n k E A k 常 数
第一章-几何光学基本定律与成 像概念.
2、光线（Light Rays）
★ 代表光能量传播方向的几何线。
—— 理想模型，不是细光束。
天津理工大学王娟
各向同性、均匀介质：直线 S
非均匀介质：曲线
★ 波(阵)面（Wavefront）： 某一时刻光波振动位相相同的点所构成的面。
★ 波面法线 （Normal）：各向同性介质中对应于光线。
(6) 光路图中，都用各量的绝对值表示，即全正。凡负值的量, 在图中均加负号。 例： L |L |L , ( x ) |L | |x |
i r
例2：折射：设A(0,y2), O(x,0), B(x1,y1)，则
ni AOnt OB
y
A
n i x2y 2 2 n t x x 12y 1 2
d d xn i
x2x y2 2n t
xx1 0 xx12y1 2
x
ni
x x2y2 2
nt
xx1 xx12y1 2
nisini ntsint
天津理工大学王娟
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
一、光学系统与成像概念
the Optical System
Object
Perfect Image
物点
完善像点
1、物像关系
物点为发散光束的顶点，经光学系统后，像点是会聚光 束的顶点。物、像光束均为同心光束。
3、物空间与像空间
天津理工大学王娟
★ the Object Space：入射光束所在的空间。 ★ the Image Space：出射光束所在的空间
——光入射到两种均匀介质的分界面上的规律。
I. the Law of Reflection
plane of incidence
I I （对称光路）
① 与 n 无关；无色散；
II. Snell’s Law
n n
nsinInsinI
① 色散现象：sinInsinIf()
n ② 全反射
nc v
III. 全反射（Total Internal Reflection）
(3) 沿轴线段：（如，物/像距） 以折射面顶点为坐标原点：其右方者为正，左方者为负.
天津理工大学王娟
左
右
(4) 垂轴线段：
（如，物像位置）
以主光轴为界： 其上方为正，下方为负。
(5) 夹角：按锐角方向旋转，顺时针为正，逆时针为负； 光轴与法线夹角：光轴转向法线 N
转向： 光线与法线夹角：光线转向法线 N 光线与光轴夹角（孔径角）：光轴转向光线
天津理工大学王娟
3、光束（Beam）：与波面对应的所有光线的集合
beams and wavefronts
a parallel beam
a divergent beam
a convergent beam
a plane wavefront
a spherical wavefront
像散光束
a curving wavefront
★ 同心光束：与球面波对应的光线束相交于球面波的球心。
天津理工大学王娟
二、几何光学的基本实验定律
1、直线传播定律（ Rectilinear Propagation Law)
★ 条件：各向同性的均匀介质 注：均匀介质：折射率处处相等，与位置无关。
各向同性介质：各个方向的折射率相等，与方向无关。
★ 局限：没有考虑波动性 如：衍射物 D,b ~