大学物理几何光学课件

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引言：光学的起源和光的本质我国早在春秋时代《墨经》中记载了许多光学现象，如：光的直线传播，反射、折射等，中国古代在几何光学方面长期在世界居于领先地位。近代光学的发展一直伴随对光的本质的研究，他经历了几个时代：古希腊（欧几里德），把光看作触须投射（错误认识）十七世纪开始，对光的本性的认识，有两种学说并立以牛顿为代表的微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒，解释光的直线传播，反射、折射。无法解释干涉、衍射、偏振光学1\n惠更斯提出光的波动理论，认为光是在一种特殊介质中传播的机械波。解释了光的反射、折射、衍射。托马斯.杨和菲涅尔（在十九世纪初）透过实验和进一步的理论工作，验证了光的波动理论，成功地解释了光的干涉、衍射。波动光学存在不足，把光看作是机械波，光在真空中传播需要媒质，于是臆想出“以太”，认为真空中充满了“以太”，但找不到。十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，预言电磁波存在，1887年赫兹通过实验，发现了电磁波，电磁波的速度等于光速，认为光是电磁波。科学家们认为光的本质研究已完成---光是一种电磁波2\n随着技术的发展和实验条件的完善，发现了光电效应，康普顿效应，利用波动光学无法解释，1900年普朗克提出量子假说，1905年爱因斯坦提出光子学说。解释了光电效应。目前关于光的本质（光是什么）只能讲：光具有波粒二象性，既是粒子，也是波。3\n少女？老妇？但两种图象不会同时出现在你的视觉中。光在某些条件下表现出粒子性，在另一些条件下表现出波动性，而两种性质虽寓于同一体中，却不能同时表现出来。例如：两种图象寓于同一幅画中；4\n第16章几何光学光学的理论体系以光的直线传播为基础，采用几何方法研究光在透明介质中的传播问题。物理光学波动光学：以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律。量子光学：以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础，研究光的一系列规律。现代光学非线性光学激光光谱学信息光学集成光学统计光学……….几何光学：其基础是光波长趋于零（<0；物点在镜后，物距p<0；(2)像点在镜前，像距q>0；像点在镜后，像距q<0；(3)凹面镜的曲率半径r为正，凸面镜的曲率半径r为负。几个物理名词：1）顶点：O2)曲率中心、曲率半径：C，r3)主光轴：CO4)物距、像距：Q点是像点。p，q20\n图16-12单球面镜傍轴反射成像(a)凹球面CpBrPMOQn1n2Aq21\n根据费马原理即：在傍轴近似条件下，上式变成：当22\n由此可知：由前式：可得：傍轴光线条件下球面反射的物像公式。23\n相当于平行主光轴的光束经球面反射后，将在光轴上会聚成一点，该像点称为反射球面的焦点。顶点O到F的距离叫做焦距。以f表示。OFOCFOCFF’过焦点且垂直于主光轴的平面：焦平面24\n球面折射成像(1)折射球面的基本概念折射球面：n：物方介质的折射率n’：像方介质的折射率C：球心(曲率中心)Q：物点Q'：像点轴上物点的折射成像Qss'rOMCn'n-u'uhQ'iHi'顶点：球面的对称中心点O副光轴：通过曲率中心的任何直线（主光轴除外）主光轴：球面顶点O和曲率中心C的连线25\n光线从左向右，规定光路图中各几何量的符号如下：①物距p：物点Q位于球面顶点O的左侧，即对实物点，p>0。反之，p<0。②像距q：像点Q'位于球面顶点O的右侧，即对实像点，q>0。反之，q<0。③曲率半径r：球心C位于球面顶点O的右侧时，r>0。反之，r<0。④物像及轴外点高度：以主光轴为基准，向上为正，向下为负。(2)符号规则QpqrOMCn2n1-u'uhQ'iHi'实正虚负凸正凹负上正下负26\n(3)推导单球面折射成像根据费马原理：QpqrOMCn2n1u'-uhQ'iHi'll'整理得：27\nQpqrOMCn2n1-u'uhQ'iHi'll'傍轴近似条件：单球面镜傍轴折射成像28\n一、透镜透镜——将玻璃、水晶等磨成两面为球面（或一面为平面）的透明物体。凸透镜：中间厚边缘薄的透镜。中间薄边缘厚的透镜。凹透镜：⑥①②③④⑤①双凸透镜，②平凸透镜，③凹凸透镜，④双凹透镜，⑤平凹透镜，⑥凸凹透镜。薄透镜成像29\n主光轴——透镜两球面的中心C1和C2的连线。副光轴——所有通过光心的直线。焦点——平行主光轴的光线经透镜后所汇聚的点F。焦平面——过焦点，且垂直于主光轴的平面。总结：30\nP两次单球面成像的物像距公式分别为：薄透镜：若透镜的中心厚度与物像距等成像参量相比很小，即，薄透镜傍轴成像物像距公式：因为：O1O2On1n2nQ∑1∑2p1q2q1dp2r2r131\n得到薄透镜物像方的焦距公式：若：薄透镜傍轴成像的高斯公式令：32\n若：则得到高斯公式的简化形式：33\n作图法：可以直观了解系统成像的位置、大小和虚实情况。作图时可以选择下列三条特殊光线。（1）平行于主光轴的光线：其反射线必通过焦点（凹球面）或者其反射线的延长线通过焦点（凸球面）；（2）通过曲率中心的光线：其反射线和入射线是同一条直线而方向相反；（3）通过焦点的光线或入射光的延长线通过焦点的光线，其反射线平行于主光轴。34\nSS’CF1123像II’p>2fSS’C113像II’ff36