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浙大应用光学第1章 几何光学的基本定律

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应用光学总结

应用光学总结

• 放大率特性曲线 • 共轴多光组组合光路计算
• 透镜与薄透镜
第四章
• 平面镜成像性质
单平面镜的成像性质
• 镜像、一致像 镜像、
双平面镜的成像性质 反射棱镜及其展开 • 平面镜与棱镜成像方向的方法 • 棱镜展开外形尺寸计算
第五章
• 光阑及其作用 • 孔径光阑、视场光阑 、渐晕光阑 、消杂光光阑 孔径光阑、 渐晕光阑 消杂光光阑
• 理想光学系统的组合与光路计算
• 双光组组合 • 焦点位置公式
f 2 f 2' x 'F = − ∆
f 1 f 1' xF = ∆
焦距公式
f 1' f 2 ' f' = − ∆
f1 f 2 f = ∆
f 1' f 2 ' f' = f 1' − f 2 − d
∆ = d − f 1' + f 2
M 250 Γ = = f' f'
显微系统
• 放大率公式
Γ = β × Γe
0.61λ 0.61λ σ= = n sin U max NA
• 最小分辨距 • 数值孔径 数值孔径NA • 有效放大率 • 线视场
500 NA < Γ < 1000 NA
照明系统： 照明系统：
• 照明系统的设计原则 • 临界、柯勒照明（远心光路） 临界、柯勒照明（远心光路）
• 可以得到下列三个重要公式
1 1 1 1 n( - ) = n' ( - ) = Q r l r l'
• 阿贝不变量，用Q表示。说明一折射球面 阿贝不变量， 表示。 表示 的物空间和像空间的Q值是相等的 的物空间和像空间的 值是相等的

应用光学，工程光学经典习题，例题汇总

应用光学，工程光学经典习题，例题汇总
（2）角度：一律以锐角来度量，规定顺时针转为正，逆时针转为负。 U、U ' ——由光轴起转到光线；
I、I ' ——由光线起转到法线；
——由光轴起转到法线。
6. 近轴光路计算公式（6 个）
答： i lru r
l'
r
ri ' u'
i'
n n'
i
u 2 u1'
u' u i i' l2 l1' d1
（1）垂轴放大倍率为多少？
（2）照相胶片离照相物镜像方焦点 F 多远？
解：根据题意，鱼先经水面成像，由公式（2-9）为
1 l'
1.33 1000mm
0
解之得
l' 751.88mm
然后再被照相物镜成像，其 x 值为
定的介质来 说，是一个和入射角无关的常数 n1 sin I1 n1 sin I 2 。
2、如何区分实物空间、虚物空间以及实像空间和虚像空间？是否可 按照空间位置来划分物空间和像空间？
答：实物空间：光学系统第一个曲面前的空间。虚物空间：光学系统第一个曲面 后的空间。实像空间：光学系统最后一个曲面后的空间。虚像空间：光学系统最 后一个曲面前的空间。物空间和像空间在空间都是可以无限扩展的，不能按照空 间进行划分。
统的组合焦距为： f ' 80mm
求像的方向有两种：
第一种方法：先对第一透镜成像，再对第二透镜成像。
图 1-23
首先对第一透镜成像，如图 1-23 所示，l1 50mm, f1' 100mm, 根据高斯成像公
式求得：
11 l1' l1
1 f1'
1 l1'

浙江大学 应用光学课件

浙江大学 应用光学课件
I”= -I
Hale Waihona Puke O I’N’C
nQ n’
B
1
光的折射定律：
①入射光线、法线和折射光线在同一平面内；
②折射角和入射角的正弦之比在一定温度和压力下对一定波
长的光线而言为一常量，与入射角和大小无关。即
sin I' = n
sin I n'
或
n'sinI' = nsinI
其中：n=C/v C——光在真空中的速度 v——光在介质中的速度
阿贝不变量
折射球面的物像位置关系
光线经折射球面时 的u,u’关系
3.（近轴区）折射球面的光焦度，焦点和焦距 可见，当（n’-n）/r一定时，l’仅与l有关。
正负含义？ φ = n'−n r
f
'=
l'l
→
−∞
=
n' n '− n
r
f
=
ll
'
→
∞
=
−
n n '− n
r
光焦度 （折射面偏折光线的能力）
f’像方焦距（点），后焦距（点）
细光束，A——》A’ 完善成像
B1’ A1’
同心球面A1AA2——》曲面A1’A’A2’ 完善成像 由公式，l变小，l’也变小，平面B1AB2——》曲面B1’A’B2’
不再是平面：像面弯曲
2. 细小平面以细光束经折射球面成像： 平面物——》平面像，完善成像
近轴光线所在的区域叫近轴区
对近轴光，已知入射光线求折射球面的出射光线：即由 l, u — >l’,u’ ,以上公式组变为：
i= l− r u r
i'= n i n'

几何光学的三个基本定律

几何光学的三个基本定律

几何光学的三个基本定律一、引言几何光学是研究光在直线传播过程中的行为的光学分支。

其理论基础是几何光学三个基本定律，这些定律揭示了光在透明介质中的传播规律。

本文将详细介绍这三个基本定律，并探讨它们对光学现象的解释和应用。

二、第一定律：直线传播定律直线传播定律是几何光学中最基本的定律，它表明光线在均匀介质中直线传播。

光的传播路径可以用直线表示，且沿一定方向传播。

这意味着光线在不同介质之间传播时会发生折射，但在同一介质内则是直线传播。

三、第二定律：反射定律反射定律是几何光学的第二个基本定律，它描述了光线在界面上的反射行为。

根据反射定律，入射光线与法线的夹角等于反射光线与法线的夹角，而且入射光线、反射光线和法线在同一平面内。

这个定律解释了为什么我们能够看到镜子中的自己，以及为什么我们可以利用反射现象制作反光镜和平面镜。

四、第三定律：折射定律折射定律是几何光学中的第三个基本定律，它描述了光线在不同介质中的折射行为。

根据折射定律，入射光线、折射光线和法线在同一平面内，而且入射角和折射角之间的正弦比等于两个介质的折射率之比。

这个定律解释了为什么我们能看到水中的鱼和游泳池底部的景物，以及为什么光能够通过透镜形成清晰的图像。

1. 折射率的定义折射率是指光在某一介质中的速度与真空中速度之比。

高折射率的介质会使光线偏折得更多，而低折射率的介质则会使光线偏折得较少。

2. 斯涅尔定律斯涅尔定律是折射定律的一种特殊形式，适用于光线从一介质射入另一介质的情况下。

根据斯涅尔定律，入射角、折射角和两个介质的折射率之比满足一个简单的数学关系式。

五、光学现象的应用几何光学的三个基本定律在光学现象的解释和应用中起着重要的作用。

以下是几个常见光学现象及其与定律的关系：1. 倒影倒影是一种反射现象，发生在平面镜或其他光滑表面上。

根据反射定律，镜子中的物体通过镜面反射形成倒立的像。

这个现象在我们日常生活中的镜子和反光材料中得到了广泛应用。

2. 折射折射是光线在不同介质之间传播时发生的偏折现象。

(完美版)几何光学基本定律与成像概念演示文稿.PPT文档

(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。

应用光学第一章

应用光学第一章

光的直线传播图例
当两束或多束光在空间相遇时，各光线的传播不会受其它光线的影响。
例如：光束相交处的光强是一种简单的叠加，探照灯。
2．的独立传播定律
3．光的折射定律和反射定律
当一束光线由折射率为n的介质射向折射率为n′的介质时，在分界面上，一部分光线将被反射，另一部分光线将被折射，反射光线和折射光线的传播方向将遵循反射定律和折射定律。
全反射现象
TEXT
TEXT
TEXT
返 回
全反射的应用举例
全反射棱镜
全反射的应用举例
（2）光纤的全反射传光
全反射光纤
返 回
费马原理与几何光学的基本定律一样，也是描述光线传播规律的基本理论。
它以光程的观点描述光传播的规律，涵盖了光的直线传播和光的折、反射规律，具有更普遍的意义。
根据物理学，光在介质中走过的几何路程与该介质折射率的乘积定义为光程。设介质的折射率为n，光在介质中走过的几何路程为l，则光程s表示为
返 回
几何光学的基本定律决定了光线在一般情况下的传播方式，也是我们研究光学系统成像规律以及进行光学系统设计的理论依据。
几何光学的基本定律有三大定律：
二、几何光学的基本定律
的直线传播定律
各向同性的均匀介质中，光沿着直线传播。 用光的直线传播定律可以解释日蚀、月蚀等自然现象，也可以解释光照射物体时为什么会出现影子等类似问题，小孔成像就是利用了光的直线传播定律。
虚物和虚像
物方光线延长线交点
像方光线反像延长线交点
B’
A
返 回
物空间：即物体所在的空间；实物所在的空间为实物空间，虚物所在空间为虚物空间，无论实物空间还是虚物空间都使用实物空间介质的折射率。
像空间：即像所在的空间；实像所在的空间为实像空间，虚像所在空间为虚像空间，无论实像空间还是虚像空间都使用实像空间介质的折射率。

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 几何光学的基本定律与成像概念汇总

第一章几何光学的基本定律与成像概念1. 几何光学的基本定律（内容、表达式、现象解释）1）光的直线传播定律2）光的独立传播定律3）反射定律和折射定律：（全反射条件、图1-6光纤结构和全反射应用）4 5）马吕斯定律：定律内容 2. 完善成像条件（3种表述）图1-10 光线经过单个折射面的折射3. 应用光学中的符号规则（6条）4.5. 单个折射面的成像公式（定义、公式、意义）12）轴向放大率α3）角放大率γ4）αγ= β5）拉赫不变量66. 球面反射镜成像公式第二章理想光学系统1. 共轴理想光学系统的成像性质是什么？（3大点），尤其是第三点。

2. 无限远的轴上（外）物点的共轭像点是什么？它发出的光线有何性质？c n v=3. 无限远的轴上（外）像点的对应物点是什么？（主点，主平面）4. 物（像）方焦距的计算公式为何？5. 物方主平面与像方主平面的关系为何？其用途为何？光学系统的节点及性质？6.6. P21）7. 解析法求像方法？（牛顿公式、高斯公式）12）*高斯公式：物、像位置相对于主点确定3理想光学系统两焦距之间的关系？8. 由多个光组组成的理想光学系统的成像公式？（过渡公式, 关键是物、像前后关系）9. 光学间隔的定义，组合系统的物方和像方焦距计1. 平面光学元件的种类？作用？（3点）2.3. 平行平板的成像特性？（3点）近轴区内的轴向位移公式？4. 反射棱镜的种类（4种）、基本用途。

112d l l -'=1 12∆-'=x x 2111f f d +'-=∆kkk k y y y y y y y y ββββ 2122111⋅='⋅'⋅'='=nn f f '-='tgU h f =' ' tgU h f =1(' n d l -=∆6. 光楔的偏向角公式及其应用（测小角度和微位移）7.8. 常用的光学材料有几类？各有何特点？第六章光线的光路计算及像差理论1. 么？2.3. 各种像差的定义、影响因素、性质、消像差方法？4. 哪些像差与孔径有关？哪些像差与视场有关？第十一章光的电磁理论基础1. 波动方程及光波的表达式1）波动方程的由来、表达式、式中的物理意义2）光波的表达式（属于波动方程的解）♦平面波解♦简谐波解（三角形式、矢量形式、指数形式）3）光波参数之间的关系4）平面波的性质（3条）[] (cos t v z A E -ω＝[] cos( (2cos t kz A E Tt z A E ωλπ--＝＝([]t z y x k A E t A E ωγβαω-++-∙cos cos cos cos r k cos(＝＝] r k (exp[t i A E ω-∙＝1(-=n αδ2.123. 掌握四种不同条件下光波叠加后形成的物理现象、合成波表达式及其性质（见表）第十二章光的干涉和干涉系统1. 干涉及干涉条件1）什么是干涉？2）干涉条件（3条）2. 杨氏双缝干涉1）干涉性质：分波前的干涉2）实验装置3）干涉公式及条纹性质♦光程差♦条纹亮暗条件1\ 2）条纹可见度的影响因素：（两相干光束的振幅比、光源大小、光源单色性）4. 平行平板的双光束干涉 3）干涉条纹性质♦♦条纹级次（中心级次高，边缘级次低）5. 楔形平板的双光束干涉3）干涉条纹性质♦♦两条纹间对应的厚度变化♦楔角第十三章光的衍射1.2.第十五章光的偏振和晶体光学基础1. 什么是自然光、偏振光和部分偏振光？2.3.4.5. 为暗条纹时当为亮条纹；时当, 21( , d D m x d D m x λλ+== (m M m MI I I I K +-= cos 1((21δK I I I ++=nh 2λ=∆neα=∆=6.什么是晶体的光轴、主平面、主截面?什么什么是晶体的光轴、主平面、主截面什么什么是晶体的光轴是正负晶体？是正负晶体？7.什么是寻常光（O 光）非常光（e 光）什么是寻常光（、非常光什么是寻常光、非常光（，8.晶体双折射产生偏振光？晶体双折射产生偏振光？晶体双折射产生偏振光9.对于光线不同入射方向，应用布儒斯特角对于光线不同入射方向，对于光线不同入射方向判断光的偏振特性。

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

几何光学基本定律_图文.

§1 几何光学的基本定律1.1 几何光学三定律折射定律的斯涅耳(W. Snell, 1621公式 1.2 全反射1.3 棱镜与色散1.4 光的可逆性原理定义:撇开光的波动本性,仅以光的直线传播、反射折射定律为基础,研究光在透明介质中的传播问题。

适用范围:尺度远大于波长,是应用光学的基础特点:原理简单、计算复杂,计算软件(追迹的发展替代了复杂的计算§1 几何光学的基本定律光线 (rayof light :用一条表示光传播方向的几何线来代表光,称这条几何线为光线1.1 几何光学三定律1. 直线传播定律:在均匀介质中光沿直线传播2. 独立传播定律:不同方向的光线相交,不影响每一光线的传播3. 反射 (reflection、折射 (refraction定律:在两种媒质的界面发生反射、折射夏日机场跑道上方温度梯度较大,导致空气折射率发生变化:例:机场跑道能看多远?n y (=n 01+βy(β≈1.5⨯10-6/m人站在跑道的一端,最远能看多远?例:全反射棱镜光纤发展历史✧~1840, D Colladon 和 J Babinet提出可以依靠光折射现象来引导光线的传播。

✧1854, J Tyndall在英国皇家学会的一次演讲中用实验证实:光线能够沿盛水的弯曲管道传输。

✧1927, JL Baird利用光纤阵列传输图像。

✧1957, Hirschowitz 在美国胃镜学会上展示了研制的光导纤维内窥镜。

✧1961, E Snitzer完成了单模光纤的理论工作。

✧1963,西泽润一提出了使用光纤进行通信的概念。

✧1964,西泽润一他发明了渐变折射率光学纤维 (gradedindex fiber,GIF 。

✧1970,美国康宁玻璃 (Corning Glass根据高锟的设想,制造出当时世界上第一根超低损耗光纤,得到 30米光纤样品,首次迈过了“20dB/km” 的门槛。

✧1972,4dB/km。

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