光学课件-几何光学基本原理.pptVIP

几何光学基本原理 （一）光波和光线 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。 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称为复色光； 白光是由各种波长光混合在一起而成的一种复色光。 Spectrum of electromagnetic ( or Hertzian) wave 光是一种电磁波 对人的视觉起作用的电磁波称为可见光。波长范围约为4000 à～7600 à波长以纳米（nm）或埃（à）为单位。1 nm = 10E－9 m 不同的波长，在视觉上形成不同的色觉,即赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中：红 6400~7500 ->红外橙 6000~6400黄 5500~6000绿 4800~5500蓝 4500~4800紫 4000~4500 ->紫外人眼对5550 à（555nm）的黄绿光最敏感 2、光源 从物理学的角度看，辐射光能的物体称为发光体，或称为光源。 点光源是当光源的大小 与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，此光源可认为是点光源。 例如：人在地球上观察体积超过太阳的恒星仍认为是一个发光点。 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为物理学上的光线。 几何光学上的光线是无直径、无体积的，而有方向性的几何线，其方向代表光能传播的方向。 4、波面 光波是电磁波，任何光源可看作波源，光的传播正是这种电磁波的传播。光波向周围传播，在某一瞬时，其相位相相同的各点所构成的曲面称为波面。波面可分为平面波，球面波或任意曲面波。 在各向同性介质中，光沿着波面法线方向传播，所以可以认为光波波面法线就是几何光学中的光线。 5、光束 与波面对应的法线（光线）的集合，称为光束，对应于波面为球面的光束称为同心光束。 球面光波对应的同心光束按光的传播方向不同又分为会聚光束和发散光束。会聚光束所有光线实际通过一个点。 与平面波相对应的是平行光束，是同心光束的一种特殊形式 （二）几何光学的基本定律 1. 三个基本定律（1） 光线在均匀介质中按直线传播，称直线传播定律。（2） 来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持原来的传播方向继续传播，这就是光的独立传播定律。（3） 光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光能量折射入另一介质。 实验证明：* 反射光线和折射光线都在入射面内，它们与入射光分别在法线两侧。* 入射角等于反射角。即 θi = θr 折射率(n) 一定波长的单色光在真空中的传播速度与它在给定介质中的传播速度之比，称为该介质对指定波长的光的绝对折射率。即： n = c/v 折射率高的介质，光速低，称为光密介质； 折射率低的介质，光速高，称为光疏介质。 相对折射率：当光线从第一介质进入第二介质时，第二介质相对于第一介质的折射率称为相对折射率，其值为第二介质折射率与第一介质折射率之比。 通常所讲的介质的折射率是介质相对于空气的折射率。 入射角的正弦和折射角的正弦之比为一常数，即sinθ1/sinθ2 = n21n21称为介质2相对介质1的相对折射率。上式称为斯涅尔（Snell）定律。 ∵ n = c/v (此为折射率定义) ∴ n21 = n2/n1∴ n1sinθ1 = n2sinθ2相对而言，n大的介质叫光密介质；n小的介质叫光疏介质。当光线由光疏入光密时，θ1 > θ2。 折射定律 Refractive law 光路的可逆和全反射 由上述的斯涅尔定律不难看出，光线的传播是可逆的，即光逆向传播时，将沿正向传播的反方向传播。见上图。 光全反射、光纤 ⅰ光的全反射 由斯涅尔定律可知，当光线由光密进入光疏时，有θ2 > θ1，则当入射角增加至θC时，折射角为90°。 θ1 > θC时，将无θ2，光将全部反射回光密介质，这种现象叫全反射。θC称为临界角。如图所示 由斯涅尔定律， n1.si