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11几何光学的基本概念

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眼应用几何光学( 基本概念 )

眼应用几何光学( 基本概念 )
会聚光束和发散光束
• 若为出射会聚光束时对应实像，
出射发散光束时对应虚像。
• 若为入射会聚光束时对应虚物，
入射发散光束时对应实物。
光
学
系 统
P
1.实物成实象
光
学
P
系
统
2.实物成虚象
光
学
P
系
P
统
3.虚物成实象
光
P
学
P
系
统
4.虚物成虚象 39
说明： 1、由于光束有会聚与发散之分，物与像就有
实与虚之分，并且，实物和虚物都可能成 实像或虚像； 2、这里的物和像与入射和出射光束一样都是 对于给定的光学系统而言，而且是相互对 应的；
8
光线和波面
Y
x
u
波线
光线
平面波
0
波阵面（等相面）
波阵面
波线
球面波
均匀、各向同性媒质 中光线与波阵面垂直
9
（二）发光体和发光点 1、发光体 2、发光点
10
（三）光线与光束 1、光线
• 几何光学的光线定义:既无直径、又无体积， 而有方向性的几何线，其方向代表光能传播 的方向。
11
采用光线概念的意义：
漫反射
19
折射定律
入射光线、折射光线和分界面分界面入射点处的
法线三者同处在一个平面上，入射角I 和折射角 I’ 有
下述关系：
N
I I
A
B
I I
nsin I n sin I
Pn n
O
Q
N I C
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！
29

大学物理-11章：几何光学(1)

大学物理-11章：几何光学(1)

当透镜厚度与其曲率半径相比不可忽略不计时，称为厚透镜。
§3 薄透镜成像
二、薄透镜焦点和焦平面 焦点F，F'
像方焦平面：在近轴条件，过像方焦点F且与主轴垂直的平面。 物方焦平面：在近轴条件，过物方焦点F且与主轴垂直的平面。
P'
F
O
F'
O
P
特点
①所有光线等光程 ②过光心的光线不改变方向
§3 薄透镜成像
ic
arcsin
n2 n1
就不再有折射光线而光全部被反射，这种对光
线只有反射而无折射的现象叫全反射．
光学纤维—直径约为几微米的单根（多根）玻璃（透明塑料）纤维 原理：利用全反射规律
内层：n1 1.8 外层：n2 1.4
i2 ic
i2 ic 的光线在两层介质间多次
全反射从一端传到另一端
n0
i0
相当于光用相1 同B n的d时l 间在真
空中传播的路c 程A
为什么要引入光程的概念？
同频率的两束光波，分别在两种不同的介质中传播，在相同 的传播时间内，两光波所传播的几何路程不同：
t l1 l2 l1 l2
1 2 c / n1 c / n2
t c n1l1 n2l2
相同的时间内传播的几何路程不同，但光程相同。 借助光程，可将光在各种介质中走过的路程 折算为在真空中的路程，便于比较光在不同 介质中传播所需时间长短。
如果有另一点C’位于线外，则对应于C’，必可在 OO’线上找到它的垂足C’’
因为 AC' AC'' C' B C'' B AC'C' B AC''C'' B 而非极小值．

几何光学总结

几何光学总结

（4）光学元件的线度应比光的波长大得多，否 ）光学元件的线度应比光的波长大得多，
则不能把光束简化为光线。 则不能把光束简化为光线。
二、费马原理
费马原理是一个描述光线传播行为的原理. 费马原理是一个描述光线传播行为的原理. （一）光程 在均匀介质中,光程为光在介质中通过的几何路程 在均匀介质中,光程为光在介质中通过的几何路程 l 与该介质的折射率 n 的乘积： 的乘积：
M n d Q O -P 顶点 h r C P´ Q´ n´
D
光轴
M n d Q -P O h r C P´ Q´ n´
D
符号规则： 符号规则： 线段：光轴方向上，以顶点为起点， （1）线段：光轴方向上，以顶点为起点，沿光线 进行方向为正，反之为负；垂直方向上， 进行方向为正，反之为负；垂直方向上，主光轴上方 为正，反之为负。 为正，反之为负。 球面的曲率半径： （2）球面的曲率半径：球心在球面顶点的右方为 反之为负。 自左向右为正方向） 正，反之为负。(自左向右为正方向）
∆ = nl
n=
c
υ
∆ l ∴ = c υ
∆ l =υt = υ c
•直接用真空中的光速来计算光在不同介质中通过一定 直接用真空 直接用真空中的光速来计算光在不同介质中通过一定 几何路程所需要的时间。 几何路程所需要的时间。
∆ nl t= = ⇒∆ = ct c c
•光程表示光在介质中通过真实路程所需时间内,在真 光程表示光在介质中通过真实路程所需时间内, 光程表示光在介质中通过真实路程所需时间内 空中所能传播的路程。 空中所能传播的路程。 k ∆ 1 k ∆ = ∑nli , t = = ∑nli 分区均匀介质: 分区均匀介质: i i c c i=1 i=1 连续介质: 连续介质:

几何光学ppt

几何光学ppt

几何光学的基本概念
01
光线
光线是几何光学的最基本概念，它表示光的传播方向和路径。
02
成像
成像是指光线经过透镜或其他介质后，在另一侧形成光像的过程。
02
光线的基本性质
光线传播的基本原理
光线的直线传播
光在均匀介质中是沿直线传播的，大气层是不均匀的，当光从大气层外射到地面时，在空中的传播路线变成曲线。
反射定律
光线从一种介质射向另一种介质时，在两种介质的分界面处，一部分光线会改变传播方向，回到第一种介质中传播，这种现象称为光的反射。
折射定律
光线从一种介质射向另一种介质时，在两种介质的分界面处，光线与界面不平行，而是发生偏折，这种现象称为光的折射。
反射定律与折射定律
光线的干涉
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，它们的振幅相加，而光强则与振幅的平方成正比。当两束光波的相位差为2π的整数倍时，它们的光强相加，产生干涉现象。
几何光学与量子力学的关系
量子力学在光学中的应用
量子力学对光的相干性的研究有助于理解光场的波动性质，解释例如干涉和衍射等现象。
另一方面，量子力学对光的量子性质的研究揭示了光子的粒子性质，为量子信息处理和量子计算等领域提供了基础。
量子力学在光学中的应用主要集中在光的相干性和光的量子性质的研究上。
06
光学系统的组合与优化
显微镜和望远镜都是通过组合不同的透镜和反射镜等光学元件来优化光学性能，以实现更好的成像效果。
照相机的基本结构
照相机的工作原理
照相机的自动对焦与防抖功能
照相机的基本原理
04
几何光学应用实例
近视、远视和散光现象
01
近视、远视和散光是常见的视力问题，几何光学原理在眼镜设计中起到关键作用，通过矫正镜片的光学特性，能够减少或消除这些视力问题。

大学物理-第十一章光的干涉

大学物理-第十一章光的干涉

x14 x 4 x1
d x14 D ( k 4 k1 )
d
( k 4 k1 ) λ
0 .2 7 .5 500nm 1000 3
(2)当λ =600nm 时,相邻两明纹间的距离为
D 1000 4 x 6 10 3.0mm d 0 .2
2 10 2 20
合光强
I I1 I 2 2 I1 I 2 cos( 2 1 )
若
其中 2 1 2 π
则
I1 I 2 I 0
干涉项
I 4 I 0 cos (π )
2
4 I 0 , k
0 , (2k 1) 2
s
s1
d o
θ
r1
θ
B
p
r2
x
o
s2
d ' d
r
d'
光程差
x r2 r1 d sin d d' x
d tan sin
实 验 装 置
s
s1
d o
θ
r1
θ
B
p
x
o
r2
s2
d ' d
r
d'
相长干涉（明） 2k π， 2 （k = 0,1,2…） x k 加强 d k 0,1,2, d' (2k 1) 减弱 2 d' k 明纹 k 0 , 1 , 2 , x d 'd k 1, 2, 暗纹
波动光学
光的干涉 光的衍射 光的偏振
光学研究光的传播以及它和物质相互作用。 通常分为以下三个部分：

大学物理第十一章光学第14节 几何光学

大学物理第十一章光学第14节 几何光学
O
M
ni
i´
Q
p
Q2
nL n0 ni nL nL d r1 r2 p1´ n0 1 1 1 物方焦距 f nL n0 ni nL p p f r1 r2 1 ' 当ni＝no1 f f 1 1 磨镜者公式 ( nL 1) r1 r2
镜头(相当于凸透镜)在物和底片之间移动 光阑——影响底片接受的光通量和景深 光阑直径大，曝光量大，但景深短； 光阑直径小，曝光量小，但景深长；
第十一章 光学
第十一章 光学
物理学
第五版
11-7 单缝衍射 11-14 几何光学
2.平面的折射成像 ' n sin i sin i ' 2 2 sin i cos i 1 n sin i ' y y y x cot i ' sini cosi n cosi ' ' y x cot i
x
r2 0 r1
r1 0, r2 0 r1 r2
凹透镜中央薄，边缘薄厚；像方焦距为负； 像方焦点在入射区，物方焦点在折射区。
第十一章 光学
物理学
第五版
凹透镜成像图
1 2 F´ hi
11-14 11-7 单缝衍射 几何光学
1
pI´
2
凹透镜成像的三条特殊光线： 经过物方焦点的光线折射后平行于主光轴前进 平行于主光轴的光线折射后为指向像方焦点的光线 经过光心的光线不改变方向 实物经薄凹透镜成的像总是正立，缩小的虚像，且与 实物在凹透镜同侧；虚物经薄凹透镜成的像总是倒立， 放大的实像，与虚物在凹透镜同侧。
第十一章 光学
物理学
第五版
11-7 单缝衍射 11-14 几何光学

11几何光学的基本概念

or farsighted eyes)
凹透镜调节远点靠 近眼睛，使得最后 成像在视网膜上。
凸透镜调节近点远 离眼睛，使得最后 成像在视网膜上。
眼睛构造和眼睛缺陷
9
缺陷调节
①远视眼需要戴凸透镜把近点调远，以 使近处物体经眼睛聚焦在视网膜上。
③散光需要戴柱形透镜来调节眼 睛对不同方位聚焦位置的不同。
ff
1 1 1 s s f
2、做图法 由物点发出的三条特殊光线中任意两条来确定像的位置和大小： ①经过光心的光线；②平行光轴的光线；③过物空间焦点的光线。
物
F
n
n F
实像
虚像
F
n
n F
3、应用---眼睛
近视眼(Myopic
Or nearsighted eyes)
远视眼(Hyperopic
P
P'
(c) 凹透镜，实物点和虚像点
(diverging lens, real object, virtual image)
Q
Q'
(d)凸透镜，虚物点和实像点
R'
R
11 . 3 薄透镜成像(Thin lens formation)
一. 薄透镜 通过光心的任何光线不改变方向
光轴
光心 O
二. 薄透镜的焦距和焦平面(focal length and focal plane)
②近视眼需要凹透镜把远点调近，以 使远处物体经眼睛聚焦在视网膜上。
其它光学仪器
照相机(Camera)
显微镜(microscope)
放大镜(Magnifier)
其它光学仪器
望远镜(Telescope)
二. 费马原理 B B 光传播的实际路径是使光学 M n d l n d l 长度取极值的路径 N A MA B l 或者说，在A、B两点之间， T ( N ) T ( M ) N AB AB 光沿需要时间最短的路径传播 A 三. 光在均匀各向同性媒质中传播定律 1. 光的直线传播定律 光在均匀媒质中沿直线传播 normal incident light reflected light 2. 光的反射定律 i1 i1

几何光学的基本概念和定律

5、物点成完善像的界面方法
1、共轴球面光学系统－光学系统及其完善像
(1) 球面光学系统 各光学元件表面均为球面或者平面的光学系统。 (2)共轴球面光学系统：球面光学系统中，各光学元件表面的 曲率中心在同一直线上的光学系统。 (3)光轴：共轴球面光学系统中各光学元件表面的曲率中心所 在的直线。 (4)子午面：共轴球面光学系统中，通过光轴的平面。
说明 (1) N0方向从入射介质指向折射介质, 判断方法—A﹒N0>0 (2) |A|=n
(4) 反射定律的矢量形式—光的反射折射定律
A' ' A Γ r N0 Γ r为反射偏向常数 Γ r 2A N
0
A=nA0
-I I
n
A=n A0 N0 n t
A' ' A 2( A N0 )N0
I
-I n n I 反射和折射定律
说明 (a) 上面结论i和ii即为反射定律，结论i和iii为折射定律；
(b) 反射定律可以看作折射定律的特殊形式； n－>n＝－n，I－>I； (c) 介质界面及曲率半径均较波长大得多，反射和折射定律在曲面的 局部仍适用。
(3) 折射定律的矢量形式—光的反射折射定律
(1) 实验
(a) 开普勒实验(1611年) (b) 斯涅耳实验 (1621年)
(2) 内容 (3) 折射定律的矢量形式
A' A Γ t N 0 A [ n'2 n 2 ( A N 0 ) 2 A N 0 ]N 0
(4) 反射定律的矢量形式
A' ' A Γ r N0 A 2(A N0 )N0
A=n A0
A' A Γ t N ,

几何光学的基本原理和成像的概念


反射成像具有虚实互换、物像等大、 物像等距等特点。
光线传播
光线在反射镜上遵循反射定律，即入 射角等于反射角。
折反射镜成像系统
折反射镜构成
由透镜和反射镜组合而成，兼具 透射和反射成像特性。
光线传播
光线在折反射镜系统中同时受到折 射和反射作用。
优缺点
折反射镜成像系统具有结构紧凑、 成像质量高等优点，但也存在装调 复杂、成本较高等缺点。
数码成像系统
成像原理
数码成像系统通过光电转换器件 （如CCD或CMOS）将光信号转 换为电信号，再经过模数转换和
处理后形成数字图像。
像素与分辨率
像素是数码成像系统的基本单元， 分辨率则决定了图像的清晰度和
细节表现能力。
色彩表现
数码成像系统通过色彩滤波阵列 （CFA）和插值算法等技术实现
彩色成像。
05
感光元件
相机内的感光元件（如CCD或CMOS）接收透过 镜头的光线，并将其转化为数字信号。
图像处理器
图像处理器对数字信号进行处理，生成可视化的 图像。
显微镜成像原理
物镜
显微镜的物镜负责将物体放大，形成一个倒立、放大的实像。
目镜
目镜进一步放大物镜所成的像，提供一个正立、放大的虚像供观 察者观察。
照明系统
相干光波的条件
两束光波要产生干涉现象，必须满足相干条件，即频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
干涉条纹的特点
干涉条纹是等间距的明暗相间的条纹，其间距与光波长和干涉装置有关。
光的衍射原理
衍射现象的分类
根据衍射屏的尺寸与光波长的关系，衍 射现象可分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍 射。
VS
衍射条纹的特点
衍射条纹是不等间距的明暗相间的条纹， 其间距与光波长、衍射角和衍射屏尺寸有 关。

第十一章 几何光学181212


n1 n2 n2 n1
uv
r
f2

n2 r n2 n1
f1
n1 r n2 n1
f2
n2 r n2 n1
①f1 、f2可正可负， F1、F2可以是实焦点，也可 以是虚焦点，单球面对光线可以起到会聚作用， 也可以起到发散作用。
②当f1 、f2为正时， F1、F2是实际光线交汇点， 就是实焦点，对光线起会聚作用；
1 1 n 1( 1 1 )
uv
r1 r2
透镜有两个焦点；若薄透镜两侧介质n不同时，
两焦距不等；当薄透镜两侧介质n相同时，两焦
距也相等。
薄透镜焦距公式
f


n
n0 n0
1 ( r1

1 1
r2
)
比
薄透镜公式 1 1 n n0 ( 1 1 )
较
例11-2 从几何光学的角度来看，人眼可简化为 高尔斯特兰简化眼模型。这种模型将人眼成像归 结成一个曲率半径为5.7mm、媒质折射率为1.33 的单球面折射成像。⑴试求这种简化眼的焦点位 置和焦度；⑵若已知某物在膜后24.02mm处视网 膜上成像，求该物应放在何处。
解⑴：已知n1=1.0, n2=1.33, r=5.7mm
ur
a.从F1到折射面顶点的距离(物距)叫第一焦距，f1 u=f1，v =∞
n1 n2 n2 n1
uv
r
f1
n1 r n2 n1
n1
n2
平行主光轴光线成像 于F2处，F2称为折 射面的第二焦点。
F2
v r
b.从F2到折射面顶点的距离(像距)叫第二焦距，f2
u= ∞ ，v =f2
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or farsighted eyes)
凹透镜调节远点靠 近眼睛，使得最后 成像在视网膜上。
凸透镜调节近点远 离眼睛，使得最后 成像在视网膜上。
眼睛构造和眼睛缺陷
9
缺陷调节
①远视眼需要戴凸透镜把近点调远，以 使近处物体经眼睛聚焦在视网膜上。
③散光需要戴柱形透镜来调节眼 睛对不同方位聚焦位置的不同。
②近视眼需要凹透镜把远点调近，以 使远处物体经眼睛聚焦在视网膜上。
其它光学仪器
照相机(Camera)
显微镜(microscope)
放大镜(Magnifier)
其它光学仪器
望远镜(Telescope)
第三篇
光 学 (optics)
光学
几何光学： 撇开光的波动本性，而仅以光 (Geometric Optics) 的直线传播为基础, 研究光在 透明介质中的传播问题的光学 称几何光学。 物理光学： 是研究光的波动性和光的粒子性 (Physical Optics) 的光学。
波动光学：以光的波动性为基础; 量子光学：以光的粒子性为基础。
光是一种电磁波，它在真空中的传播速度为：C = 3.0 108(米/秒 )
光做为一种波动，它的基本特性表现在三个方面: 光的干涉 光的衍射 Interference Diffraction 光的偏振 Polarization
第11章 几何光学基本概念
什么是几何光学?
用几何的方法研究光的传播、成像等物理现象 。
F -f f'
F'
G H f'
P F'
(a) 薄凸透镜物空间焦距 (b) 薄凸透镜象空间焦距
(c) 薄透镜的焦平面
所有方向的平行光的像点组成的面，称为透镜的像空间焦平面
三. 薄透镜的成像位置 1. 公式法
物
F
n
n F
-f
-s 成像公式 (高斯公式)
f
s
像
f f 1 s s
当薄透镜物空间和像空间的折射率（ n= n )，则
ff
1 1 1 s s f
2、做图法 由物点发出的三条特殊光线中任意两条来确定像的位置和大小： ①经过光心的光线；②平行光轴的光线；③过物空间焦点的光线。
物
F
n
n F
实像
虚像
F
n
n F
3、应用---眼睛
近视眼(Myopic
Or nearsighted eyes)
远视眼(Hyperopic
2 .光程 真实光线轨迹的光学长度 N是真实光线轨迹，AB两点间的光程为： L 光从A传到B所需要的时间：
1 TAB ( N ) dt c N A N A
B B N A B
A
n dl
dl
N A
n dl
B
L c
光程：L cTAB ( N )
光在媒质中传播的几何距离所相应 的光程，是用相同时间在真空中传 播的距离。
什么情况下可以用几何的方法研究光学问题?
0
当光的波长与研究中的其他长度比较，可以忽 略时，可以用这种几何方法。
11 . 1 几个重要的基本概念
一. 光学长度与光程
1 .光学长度 媒质中的几何长度与折射率的乘积
L
M
M A
n dl
B
n
c

媒质折射率
l
N
B
均匀媒质时，n 是常数： L nl
(Law of Reflection)
3. 光的折射定律
(Law of Refraction)
n1 sin i1 n2 sin i2
i1 i2
n1 n2
i1 i1
ic
当光从光密媒质(n1大)射向光疏媒质(n2小)时：
n1 n2
i2
refracted light
当 i2 = 900时观测不到折射光线，这种现象称为全反射(Total internal reflection). 全反射临界角：产生全反射的最小入射角 sin ic n2 n1 (critical angle)
P
P'
(c) 凹透镜，实物点和虚像点
(diverging lens, real object, virtual image)
Q
Q'
(d)凸透镜，虚物点和实像点
R'
R
11 . 3 薄透镜成像(Thin lens formation)
一. 薄透镜 通过光心的任何光线不改变方向
光轴
光心 O
Hale Waihona Puke 二. 薄透镜的焦距和焦平面(focal length and focal plane)
二. 费马原理 B B 光传播的实际路径是使光学 M n d l n d l 长度取极值的路径 N A MA B l 或者说，在A、B两点之间， T ( N ) T ( M ) N AB AB 光沿需要时间最短的路径传播 A 三. 光在均匀各向同性媒质中传播定律 1. 光的直线传播定律 光在均匀媒质中沿直线传播 normal incident light reflected light 2. 光的反射定律 i1 i1
等光程原理：两个波阵面之间所有光线的光程必须保证相等。 几何光学中光线偏折都是光程变化的结果。
11 . 2 物和像 (object and image)
(a) 物与像
P Q
光 学 系 统
Q' P'
(b) 凸透镜，实物点和实像点
(converging lens, real object, real image)