《光学》课程教学课件（PPT讲稿）第三章 几何光学的基本原理

第三章几何光学的基本原理 1光线的概念 2 费马原理 3 单心光束、实象和虚象 4 光在平面界面上的反射和折射光学纤维 5 光在球面上的反射和折射 6 光连续在几个球面界面上的折射，虚物的概念 7 薄透镜 8 近轴物点近轴光线成象的条件 9理想光具组的基点和基面 10理想光具组的放大率，基点和基面的性质 11 一般理想光具组的作图求象法

第三章 几何光学的基本原理 1 光线的概念 2 费马原理 3 单心光束、实象和虚象 4 光在平面界面上的反射和折射光学纤维 5 光在球面上的反射和折射 6 光连续在几个球面界面上的折射，虚物的概念 7 薄透镜 8 近轴物点近轴光线成象的条件 9 理想光具组的基点和基面 10 理想光具组的放大率，基点和基面的性质 11 一般理想光具组的作图求象法

在波面线度远较波长为大时，研究光 的反射，折射成象等问题，如果不用波长、 位相等波动概念而代之以光线和波面等概念， 并用几何的方法来研究，将更为方便

在波面线度远较波长为大时，研究光 的反射，折射成象等问题，如果不用波长、 位相等波动概念而代之以光线和波面等概念， 并用几何的方法来研究，将更为方便

第一节光线的概念 一、光线与波面 “光线”只能表示光的传播方向，决不可认为是从实际光束中借助于有孔光 阑分出一个狭窄部分。只有在的极限情况下，光的传播过程才用不着以次波叠加 原理来分析，而只用光线表示光的传播方向。我们说“光束由无数光线构成”， 不过是说光沿无数不同的方位传播罢了在各向同性介质中，光的传播方向总是和 波面的法线方向相重合。在许多实际情况下，人们经常考虑的只是光的传播方向 问题，可以不去考虑位相。这时波面就只是垂直于光线的几何平面或曲面。这种 极限情况，实际上是把光线和波面都看作是抽象的数学概念。对许多实际问题， 借助于光线的概念，应用某些基本的实验定律及几何定律，就可以进行一切必要 的计算而不必涉及光的本性问题。这部分以几何定律和某些基本实验定律为基础 的光学称为几何光学。 第一、二章波动光学中主要考虑的是波长、振幅和位相，这一章所考虑的主 要是光线和波面。几何光学所研究的实际上就是波动光学的极限情况

第一节 光线的概念 一、光线与波面 “光线”只能表示光的传播方向，决不可认为是从实际光束中借助于有孔光 阑分出一个狭窄部分。只有在的极限情况下，光的传播过程才用不着以次波叠加 原理来分析，而只用光线表示光的传播方向。我们说“光束由无数光线构成” ， 不过是说光沿无数不同的方位传播罢了在各向同性介质中，光的传播方向总是和 波面的法线方向相重合。在许多实际情况下，人们经常考虑的只是光的传播方向 问题，可以不去考虑位相。这时波面就只是垂直于光线的几何平面或曲面。这种 极限情况，实际上是把光线和波面都看作是抽象的数学概念。对许多实际问题， 借助于光线的概念，应用某些基本的实验定律及几何定律，就可以进行一切必要 的计算而不必涉及光的本性问题。这部分以几何定律和某些基本实验定律为基础 的光学称为几何光学。 第一、二章波动光学中主要考虑的是波长、振幅和位相，这一章所考虑的主 要是光线和波面。几何光学所研究的实际上就是波动光学的极限情况

二、几何光学的基本实验定律 (1)光在均匀介质中的直线传播定律。 (2)光通过两种介质分界面时的反射和折射定律。 (3)光的独立传播定律和光路可逆定律

二、几何光学的基本实验定律 （1）光在均匀介质中的直线传播定律。 （2）光通过两种介质分界面时的反射和折射定律。 （3）光的独立传播定律和光路可逆定律

第二节费马原理 费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。也就是说， 光沿光程值为最小、最大或恒定的路程传播。 a ⊙) (e) 图3.1

第二节 费马原理 费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。也就是说， 光沿光程值为最小、最大或恒定的路程传播。 图3.1

光在均匀介质中直线传播。反射和折射定律都是费马原理的必然结果。 B B 图3.2 C℃垂直平面1，则：C>C CB>C。 因此折射点必OO在上入射面 和折射面在同一平面内

光在均匀介质中直线传播。反射和折射定律都是费马原理的必然结果。 图3.2 垂直平面1，则： 。因此折射点必 在上入射面 和折射面在同一平面内

设：A(G,),B:(G乃)，C:(c0 x<x<x 则：6=4Gn,CB-ny(-x+斤+hGs-x92+5 ds n(x-x) n2(x2-x) d Vx-x)2+听x2-)2+月 nA'C nCB' AC =(n sini-nsiniz)=0 CB n sini=n sin iz 同样能证明反射定律

设： 则： 同样能证明反射定律

第三节单心光束、实象和虚象 一、 单心光束、实象和虚象 如果仅考虑光束的传播方向而不讨论其它问题，那么一个光 束可以看成是由许多光线构成的。根据这个概念可以把发光点看 做是一个发散光束的顶点，凡是具有单个顶点的光束叫做单心光 束。如果在反射或折射之后光线的方向虽然改变了，但光束中仍 然能找到一个顶点，也就是说光束的单心性没有遭到破坏，那么 这个顶点便是发光点P的象。在这种情况下，每个发光点都给出一 和它对应的象点。如果光束中各光线实际上确是在该点会聚的， 那么这个聚点叫做实象。如果反射或折射后的光束仍是发散的， 但是把这些光线反向沿长后仍能找到光束的顶点，则光束仍保持 单心性。这个发散光束的会聚点叫做虚象

第三节 单心光束、实象和虚象 一、单心光束、实象和虚象 如果仅考虑光束的传播方向而不讨论其它问题，那么一个光 束可以看成是由许多光线构成的。根据这个概念可以把发光点看 做是一个发散光束的顶点，凡是具有单个顶点的光束叫做单心光 束。如果在反射或折射之后光线的方向虽然改变了，但光束中仍 然能找到一个顶点，也就是说光束的单心性没有遭到破坏，那么 这个顶点便是发光点P的象。在这种情况下，每个发光点都给出一 和它对应的象点。如果光束中各光线实际上确是在该点会聚的， 那么这个聚点叫做实象。如果反射或折射后的光束仍是发散的， 但是把这些光线反向沿长后仍能找到光束的顶点，则光束仍保持 单心性。这个发散光束的会聚点叫做虚象

二、实物、实象、虚象的联系与区别 由于光能量包含在光束之中，所以只有当光束进入人眼时，方能 引起视觉效应。人眼所能看到的，即能成像于视网膜上的只是光束 的顶点，而不是光束本身。另一方面光在通过混浊物时，我们似乎 可以看到光束。（解释原因） (a) 图3.3 (c

二、实物、实象、虚象的联系与区别 由于光能量包含在光束之中，所以只有当光束进入人眼时，方能 引起视觉效应。人眼所能看到的，即能成像于视网膜上的只是光束 的顶点，而不是光束本身。另一方面光在通过混浊物时，我们似乎 可以看到光束。（解释原因） 图3.3

d 图3.4 人眼的感觉是直接沿刚刚进入瞳孔前的光线方向来判断光束发散顶点 的位置，“物点”和“象点”都不过是进入瞳孔的发散光束的顶点，对 眼睛来说引起的视觉都没有什么不同。 三种情况无法单独用眼晴来直接辨别光束的顶点是否有实际光线通过。 (b)不能看到实物。(c)虚象所在之处没有光线通过。()A处看不 到b、,同发光物点不同

(d) 图3.4 人眼的感觉是直接沿刚刚进入瞳孔前的光线方向来判断光束发散顶点 的位置，“物点”和“象点”都不过是进入瞳孔的发散光束的顶点，对 眼睛来说引起的视觉都没有什么不同。 三种情况无法单独用眼睛来直接辨别光束的顶点是否有实际光线通过。 （b）不能看到实物。（c）虚象所在之处没有光线通过。(e) 处看不 到 ，同发光物点不同