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1、光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院OpticsGeometrical Optics几何光学几何光学*Basing on the three basic law*Basic theories of designing of optical instruments光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics1 Propagation of Light using Geometry几何光学三定律几何光学三定律 1.光的直线传播光的直线传播 Rectilinear propagation of light 2.反射定律反射定律 The Law of Reflection 3.折射定律折射
2、定律 The Law of Refraction全反射全反射 Total Internal Reflection棱镜和色散棱镜和色散 Prism and Dispersion光路可逆性光路可逆性 Optical Reversibility光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院OpticsNote:These three laws are valid when the wavelength of the light is much smaller than the dimensions of the relevant components of the optical system,that
3、is,wavelength0几何光学三定律几何光学三定律光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics物体的影子物体的影子小孔成像小孔成像海市蜃楼海市蜃楼P100 in OpticsMore hot,lower the index of refraction of the airA ray would pass through more of the less dense air than if it had traveled straight.To take a route that minimized the OPL(optical path length)非均匀介质光学光电与信息工
4、程学院光电与信息工程学院Optics当当n1n2时，时，将发生全反射将发生全反射.全反射全反射 Total Internal reflectionFiberFingerprint sensors全反射临界角全反射临界角即当即当 时全反射发生时全反射发生光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics min 是对应于顶角是对应于顶角 时的最小偏向角时的最小偏向角 minimum deviation angle.棱镜主要用途：棱镜主要用途：全反射棱镜测定棱镜材料的折射率n n棱镜还是一种色散元件，主要应用于分光。即利用棱镜对不同的波长的光有
5、不同的折射率性质来分析光谱。光谱仪光谱仪 望远镜望远镜i1 i2 当：or：棱镜和色散棱镜和色散 Prism and Dispersioni1i2光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics色散色散 Dispersion：n n随随的变化而变的现象。的变化而变的现象。正常色散：棱镜的折射率n随波长的减小而增加，有经验公式：n=A+B/2+C/4A+B/2(变化范围不大时)白光：白光：具有和太阳连续光谱相似的多色混合光。具有和太阳连续光谱相似的多色混合光。研究光谱的重要仪器棱镜光谱仪研究光谱的重要仪器棱镜光谱仪光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics光的可逆性光的可逆性 Re
6、versibility principle of light光的可逆性原理：光的可逆性原理：当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传播当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传播。光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics2 Huygenss Principle惠更斯原理惠更斯原理波的几何描述惠更斯原理的表述对反射和折射定律的解释惠更斯原理的局限光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院OpticsThe Description of The WaveThe wave can be seen as the propagation of the period permutation spher
7、ical wave plane wave波面为（以振源为中心的）球面的波称为球面波球面波。在离振源很远的地方，波面趋于一个平面，这种波称为平面波平面波。波线波线波面（等相位面）波面光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Opticseach point on the leading surface of a wave disturbance may be regarded as a secondary source of spherical waves,which themselves progress with the speed of light in the medium and who
8、se envelope at later times constitutes the new wavefront.The explanations of rectilinear propagation law,reflection and refraction laws by Huygens Principle(p16-19)Shortage of Huygens principleHuygenss Principle光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院OpticsThe explanations of reflection and refraction laws by Huygens P
9、rinciple(p16-19)光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics每条光线到达分界面上时，都同时发射两个次波：反射次波和折射次波当光线n到达Bn点时，A1点发出的反射次波波面和透射次波波面分别是以V1tn V2tn半径的半球面。按惠更斯原理：按惠更斯原理：某一时刻总扰动的波面是这些次波面的包络面反射次波和透射次波总扰动的波面是这些次波的波面的包络面，且包络面是通过Bn点的平面。设反射波总扰动的波面与各次波面相切于C1C2C3Cn透射波总扰动的波面与各次波面相切于D1D2D3Dn连接次波源与切点，即得总扰动的波线即反射光线A1C1 B2C2透射光线A1D1 B2D2（折射光线）
10、光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics由此可见，一种媒质的绝对折射率为v：该种媒质中的光速，n的物理意义：光在两种媒质中传播速度之比。从 知，光在光密媒质中传播速度小，这与实验相符。折射定律折射定律：在A1AnBn,A1BnD1中 (常数)反射定律反射定律：令光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics由惠更斯原理知，波面AB上每个面元都是一个次波中心，t时刻AB部分每一点发出的次波面是以vt为半径的球面，这些次波面的包络面为CD，可见CD也是以Q为中心的球面的一部分。按惠更斯说法，只有各次波面的包络面CD上发生可察觉的总扰动，即包络面两侧C和D之外的扰动是可以忽略不计的
11、。所以QAC和QBD就是透过孔隙的边缘线，它们都是直线。惠更斯这样说明了波的直进性。以上解释并不令人十分满意，因为CD两侧之外还有次波存在着，为什么次波在这些地方不发生作用呢？The explanation of rectilinear propagation lawDC光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院OpticsDisregarding the effectiveness of the overlapping wavelets,Huygens avoided the possibility of diffraction of the light into the region of
12、geometric shadow.Huygens also ignored the wavefront formed by the back half of the wavelets,since these wavefronts implied a light disturbance traveling in the opposite direction.diffraction of water wave：wavelength0几何光学是短波的极限情形几何光学是短波的极限情形Shortage of Huygens principle光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics3 Fer
13、mats Principle光程 Optical length费马原理 Fermats Principle对几何三定律的解释光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院OpticsOptical length L=nl,and it can be regarded as the length of light traveling in the vacuum in the same timeOptical length 光程：将在介质中行走的路径折算成相同时间内在真空中行走的路程光程：将在介质中行走的路径折算成相同时间内在真空中行走的路程光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院OpticsDescr
14、iption of Fermats principleIt means the path of light between two points should be minimum,maximum or stationary费马用光程的概念把几何光学三定律归结为一个统一的原理费马用光程的概念把几何光学三定律归结为一个统一的原理费马原理费马原理 Fermats Principle:A light ray in going from point A to point B must traverse an optical path length that is stationary with res
15、pect to variations of that path.光程一阶变分为零的四种情况光程一阶变分为零的四种情况横轴：不同的光线路径横轴：不同的光线路径 纵轴：光程纵轴：光程The actual path taken by a light ray in its propagation between two given points in an optical system is such as to make its optical path equal,in the first approximation,to other paths closely adjacent to the a
16、ctual one.光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics直线QMP最短，从而路径QMP的长度最短。根据费马原理，QMP是光线的实际路径。由对称性不难看出i=i。Explaining the three laws of geometrical opticsThe Law of ReflectionThe Law of Refraction光学光电与信息工程学院光电与信息工程学院Optics既然几何光学三定律可以归结为费马原理几何光学三定律可以归结为费马原理,那么费马原理就可以代替三定律而作为几何光学的理论基础.以下我们在讨论光线追迹问题或者说成象问题时可以采用采用费马原理结合几何学的知识费马原理结合几何学的知识来解决.光学仪器中很大一部分是成像的的仪器，如显微镜，望远镜，投影仪和照相机等皆是。成像是几何光学要研究的中心问题之一。下面介绍一些成像的基本概念。