物理光学与应用光学(第二版)课件第七章.ppt

第 7 章几何光学基础
几何光学的基本定律
单个折射球面的光路计算
单个折射球面的近轴区成像
球面反射镜成像
共轴球面光学系统
薄透镜成像
平面的折射成像
平面镜和棱镜系统
例题
几何光学的基本定律
波面、光线和光束
发射光能的物体称为光源。实际光源都有一定的大小, 光源的大小影响着光源辐射光场的分布。如果光源的大小与其辐射光能的作用距离相比可略去不计时, 该光源称为点光源。点光源是为了简化光波传播问题的研究而引入的一个物理模型, 它被抽象为一个几何点。
光源发出的光波是一种电磁波, 可以采用描述电磁波的基本参数描述光波, 譬如频率、波长和相位等。实际光源发射的光波包含多种频率的成分, 称为复色光。通常为了简化光波传播问题的研究, 主要研究单一频率的光波, 即单色光(或简谐电磁波)。对于由同一光源发出的单色波, 在同一时刻由相位相同的各点所形成的曲面称为该光波的波面。波面可以是平面、球面或其它曲面, 单色点光源的波面为球面。光波沿波面的法线方向前进, 将该方向定义为光波的方向, 通常用波矢量描述, 它与波面垂直。
光波的传播过程实际上是光能量的传播过程, 光能量在空间的传播可以用能流密度矢量描述。在几何光学中, 光学元件结构尺寸比波长大的多, 光波传播时, 衍射效应和矢量特性可以忽略不计, 通常采用一种简化的方法表征光能量的传播。为了了解这种处理方法, 我们首先看一个简单的例子。
考虑图7-1所示的水作稳定流动的水管, 水流在水管内任一点的流速确定, 可以将水管看做是由许多的细小的细水管即流管构成。如果流管上各点沿轴线的切线方向和水流速度方向相同, 则每个流管的水只会在该管内流动, 不会流到管外, 这时可以将水在水管中的流动看做水在许多细小流管中的流动。
图7-1 水作稳定流动的水管
类似地, 光在空间传播时, 如果系统的结构尺寸比波长大得多, 传播过程中光的衍射可以忽略, 则可以在空间定义许多细小的管道, 称为光管, 光管上任一点沿轴线的切线方向与光波在该点的能流密度矢量方向相同, 这时光在空间的传播可以看做光沿许多细小的光管传播。相对系统的结构尺寸, 如果光管非常细, 则可以用一条曲线表示, 该曲线就是几何光学的光线。光线是几何光学中为了简化光能量在空间的传播方向而引入的一个模型, 光线被抽象为既无直径又无体积的几何线, 它的切线方向实际上表示了光波能量的传播方向。
在各向同性介质中, 能流密度矢量和波矢量方向相同,光线方向即代表了能量的流动方向, 也表示光波传播的波矢量方向。光源发出的光场在空间任一点的光线和相应的波面垂直, 光波波面法线就是几何光学中的光线。
同一波面的光线束称为光束。如果光束中光线能够直接相交一点或各光线的反向延长线能够相交于一点, 这样的光束称为同心光束。球面波对应于会聚或发散的同心光束, 平面波对应于平行光束, 有时和同一波面对应的光束沿两个相互垂直的方向分别会聚成位于不同位置的两条线段, 称为像散光束, 如图7-2所示。
图7-2 几种光束
几何光学中的传播规律和成像原理,是用光线的传播途径加以直观表示的,光线的这种传播途径称为光路。实际上, 一个点光源发出的光线为数条,不可能对每一条光线都求出其光路。几何光学的做法是从光束中取出一个适当的截面, 求出其上的几条光线的光路,这种截面通常称为光束截面。
基本定律
几何光学理论是以实验定律为基础的理论。为了研究光在介质和光学系统中的传播路径,历史上,人们从不同角度描述光的传播路径,形成了多个基本定律。这些定律主要有光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的折射定律和反射定律、费马原理和马吕斯定律。
1. 光的直线传播定律
在各向同性的均匀介质中,光沿着直线传播,这就是光的直线传播定律。这是一种常见的普遍规律。光波在均匀介质中传播时,如果遇到的障碍物大小或通过孔径的大小比波长大得多,衍射可以忽略,就可以基于光的直线传播定律分析光波的传播。例如,利用光的直线传播定律可以很好地解释影子的形成、日蚀、月蚀等现象。