部分作业答案
几何光学部分
第一章 几何光学基本定律与成像
16、一束平行细光束入射到半径为30rmm、折射率为1.5n的玻璃球上，求其会聚点的位置。如果在凸面镀上反射膜，其会聚点应在何处？如果凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的会聚点在何处？反射光束经前表面折射后，会聚点又在何处？
解：玻璃球可以看作两个折射球面组合在一起，设凸面为第一面，凹面为第二面
（1）首先考虑光束射入玻璃球第一面时的状态，使用单折射球面物像关系公式
1111111nnnnllr
由11111.5;1;;30nnlrmm，得190lmm。
对于第二面，由于两球面顶点距离260drmm，
所以222121.0;1.5;30;30nnlldmmrmm，由物像关系
2222222nnnnllr
得215lmm，即会聚点位于第二面顶点右侧15mm 处。
（2） 将第一面镀膜，形成反射镜，就相当于凸面镜，则11111;1;;30nnlrmm，得到115lmm，即会聚点位于第一面顶点右侧15mm处。
（3）光线经过第一面折射后第二面镀膜则22221.5;1.5;30;30nnlmmrmm，得到210lmm，即反射光束在玻璃球内的会聚点位于第二面顶点左侧15mm处。
（4）再经过第一面折射，将其记为第三面，则
333231.5;1.0;2106050;30nnllrmmrmm
由物像关系
3333333nnnnllr
得375lmm，即光束从玻璃球出来后的会聚点位于第一面顶点右侧75mm处，也是第二面顶点右侧15mm 处。
第二章 理想光学系统
5、一个薄透镜对某一物体成实像，放大率为-1x,今以另一个薄透镜紧贴在第一个透镜上，则见像向透镜方向移动20mm，放大率为原先的3/4倍，求两块透镜的焦距为多少?
第一章 几何光学基本定律与成像概念
波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。光的传播即为光波波阵面的传播，与波面对应的法线束就是光束。
波前：某一瞬间波动所到达的位置。
光线的四个传播定律：
1）直线传播定律：在各向同性的均匀透明介质中，光沿直线传播，相关自然现象有：日月食，小孔成像等。
2）独立传播定律：从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响，各光线独立传播。
3）反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内，入射光线和反射光线在法线的两侧，反射角等于入射角。
4）折射定律：入射光线、法线和折射光线在同一平面内；入射光线和折射光线在法线的两侧，入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率之比，即nnII''sinsin
光路可逆：光沿着原来的反射（折射）光线的方向射到媒质表面，必定会逆着原来的入射方向反射（折射）出媒质的性质。
光程：光在介质中传播的几何路程S和介质折射率n的乘积。
各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。
各向异性介质：单晶体（双折射现象）
马吕斯定律：光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
费马原理：光总是沿光程为极小，极大，或常量的路径传播。
全反射临界角：12arcsinnnC
全反射条件：
1）光线从光密介质向光疏介质入射。
2）入射角大于临界角。
共轴光学系统：光学系统中各个光学元件表面曲率中心在一条直线上。
物点/像点：物/像光束的交点。
实物/实像点：实际光线的汇聚点。
虚物/虚像点：由光线延长线构成的成像点。
共轭：物经过光学系统后与像的对应关系。（A，A’的对称性）
完善成像：任何一个物点发出的全部光线，通过光学系统后，仍然聚交于同一点。每一个物点都对应唯一的像点。
理想成像条件：物点和像点之间所有光线为等光程。
工程光学习题答案
第一章习题及答案
1、已知真空中的光速c＝3*108m/s，求光在水（n=1.333）、冕牌玻璃（n=1.51）、
火石玻璃（n=1.65）、加拿大树胶（n=1.526）、金刚石（n=2.417）等介质中的
光速。
解：
则当光在水中， n=1.333 时，v=2.25*108m/s,
当光在冕牌玻璃中，n=1.51 时，v=1.99*108m/s,
当光在火石玻璃中，n＝1.65 时，v=1.82*108m/s，
当光在加拿大树胶中，n=1.526 时，v=1.97*108m/s，
当光在金刚石中，n=2.417 时，v=1.24*108m/s。
2、一物体经针孔相机在屏上成一60mm 大小的像，若将屏拉远50mm，则像的大
小变为70mm,求屏到针孔的初始距离。
解：在同种均匀介质空间中光线直线传播，如果选定经过节点的光线则方向
不变，令屏到针孔的初始距离为x，则可以根据三角形相似得出:所以x=300mm
即屏到针孔的初始距离为300mm。
3、一厚度为200mm 的平行平板玻璃（设n=1.5），下面放一直径为1mm 的金属
片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属
片，问纸片最小直径应为多少？
解：令纸片最小半径为x,
则根据全反射原理，光束由玻璃射向空气中时满足入射角度大于或等于全反
射临界角时均会发生全反射，而这里正是由于这个原因导致在玻璃板上方看不到
金属片。而全反射临界角求取方法为：
(1)
其中n2=1, n1=1.5,
同时根据几何关系，利用平板厚度和纸片以及金属片的半径得到全反射
临界角的计算方法为：
(2)
联立（1）式和（2）式可以求出纸片最小直径x=179.385mm， 所以纸片
最小直径为358.77mm。
4、光纤芯的折射率为n1、包层的折射率为n2,光纤所在介质的折射率为n0，求
光纤的数值孔径（即n0sinI1,其中I1 为光在光纤内能以全反射方式传播时在入
。
-可编辑修改- 第一章小结（几何光学基本定律与成像概念）
1 、光线、波面、光束概念。
光线：在几何光学中，我们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。
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等相位面称为波阵面，简称波面。
光束：与波面对应所有光线的集合称为光束。
2 、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：在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播的。
2 ）光的独立传播定律：不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。
3 ）反射定律和折射定律（全反射及其应用）：
反射定律：1、位于由入射光线和法线所决定的平面内；2、反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角和入射角绝对值相等，符号相反，即I’’=-I。
全反射：当满足1、光线从光密介质向光疏介质入射，2、入射角大于临界角时，入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生。sinIm=n’/n，其中Im为临界角。
应用：1、用全反射棱镜代替平面反射镜以减少光能损失。（镀膜平面反射镜只能反射90%左右的入射光能）2、光纤
折射定律：1、折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；2、折射角的正弦和入射角的正弦之比与入射角大小无关，仅由两种介质的性质决定。n’sinI’=nsinI。
应用：光纤
4 ）光路的可逆性 。
-可编辑修改- 光从A点以AB方向沿一路径S传递，最后在D点以CD方向出射，若光从D点以CD方向入射，必原路径S传递，在A点以AB方向出射，即光线传播是可逆的。
5 ）费马原理
光从一点传播到另一点，其间无论经历多少次折射和反射，其光程为极值。（光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的），也叫“光程极端定律”。
6 ）马吕斯定律
光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
