《工程光学基础》几何光学与成像理论讲义

工程光学基础 几何光学与成像理论

1 几何光学与成像理论 工程光学基础

第一章几何光学基本定律与 成像概念 几何光学主要是以光线为模型来研究光 在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。 本章主要介绍: 1几何光学的几本定律 2.成像的概念和完善成像的条件 3光路计算和近轴光学系统

2 几何光学主要是以光线为模型来研究光 在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。 本章主要介绍： 1.几何光学的几本定律 2.成像的概念和完善成像的条件 3.光路计算和近轴光学系统 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 基本概念 光线:在几何光学中,通常将发光点发 出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向 的几何线,即光线。光线的方向代表光的传 播方向。光线的传播途径称为光路。 波面:发光点发出的光波向四周传播时, 某一时刻其振动位相相同的点所构成的面称 为波阵面,简称波面。光的传播即为光波波 阵面的传播

3 一、基本概念 光线：在几何光学中，通常将发光点发 出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向 的几何线，即光线。光线的方向代表光的传 播方向。光线的传播途径称为光路。 波面：发光点发出的光波向四周传播时， 某一时刻其振动位相相同的点所构成的面称 为波阵面，简称波面。光的传播即为光波波 阵面的传播。 第一节 几何光学的基本定律

光束:几何波面与几何光线的关系:在 各项同性介质中,波面上某点的法线即代表 了该点处光的传播方向,即光沿着波面法线 方向传播,因此,波面法线即为光线。与波 面对应的所有光线的集合,称为光束。 同心光束:通常波面可分为平面波、球 面波和任意曲面波。与平面波对应的光束成 为平行光束,与球面波对应的光束称为同心 光東

4 光束：几何波面与几何光线的关系：在 各项同性介质中，波面上某点的法线即代表 了该点处光的传播方向，即光沿着波面法线 方向传播，因此，波面法线即为光线。与波 面对应的所有光线的集合，称为光束。 同心光束：通常波面可分为平面波、球 面波和任意曲面波。与平面波对应的光束成 为平行光束，与球面波对应的光束称为同心 光束

同心光束可分为会聚光束和发散光束, 如图1-1所示。同心光束经实际光学系统后, 由于像差的作用,将不再是同心光束,与之 对应的光波则为非球面光波 图1-1波面与光束 a)平面光波与平行光束b)球面光波与发散光束 c)球面光波与会聚光束

5 同心光束可分为会聚光束和发散光束， 如图1-1所示。同心光束经实际光学系统后， 由于像差的作用，将不再是同心光束，与之 对应的光波则为非球面光波。 图1-1 波面与光束 a)平面光波与平行光束 b)球面光波与发散光束 c)球面光波与会聚光束

折射率:折射率是表征透明介质光学性 质的重要参数。我们知道,各种波长的光在 介质中的传播速度会减慢。介质的折射率正 是用来描述介质中光速减慢程度的物理量, 这就是折射率的定义

6 折射率：折射率是表征透明介质光学性 质的重要参数。我们知道，各种波长的光在 介质中的传播速度会减慢。介质的折射率正 是用来描述介质中光速减慢程度的物理量， 即： (1-1) 这就是折射率的定义。 v c n =

几何光学基本定律 几何光学把研究光经过介质的传播问题 归结为如下四个基本定律,它是我们研究各 种光的传播现象和规律以及物体经过光学系 统的成像特性的基础。 (1)光的直线传播定律 (2)光的独立传播定律 (3)光的折射定律 (4)光的反射定律

7 二、几何光学基本定律 几何光学把研究光经过介质的传播问题 归结为如下四个基本定律，它是我们研究各 种光的传播现象和规律以及物体经过光学系 统的成像特性的基础。 （1）光的直线传播定律 （2）光的独立传播定律 （3）光的折射定律 （4）光的反射定律

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

8 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 图1-2光的反射与折射现象

9 3.光的折射定律和反射定律

如图1-2所示,入射光线AO入射到两种 介质的分界面PQ上,在O点发生折反射,其 中,反射光线为OB,折射光线为OC,MN 为界面上O点处的法线。入射光线、反射光 线和折射光线与法线的夹角Ⅰ、I"和/分别 称为入射角、反射角和折射角,它们均以锐 角度量,由光线转向法线,顺时针方向旋转 形成的角度为正,反之为负。 10

10 如图1-2所示，入射光线AO入射到两种 介质的分界面PQ上，在O点发生折反射，其 中，反射光线为OB，折射光线为OC， 为界面上O点处的法线。入射光线、反射光 线和折射光线与法线的夹角 、 和 分别 称为入射角、反射角和折射角，它们均以锐 角度量，由光线转向法线，顺时针方向旋转 形成的角度为正，反之为负。 NN' I I" I