第三章幾何光學(xué)的基本原理

1、第3章 幾何光學(xué)的基本原理Chap.3 Basic Principles of Geometrical Optics,費(fèi)馬原理 成像的基本概念單心光束 物 像光在平面界面上的反射和折射 光導(dǎo)纖維光束單心性的破壞，全反射光在球面上的反射和折射近軸光線條件下球面反射的物像公式近軸光線條件下球面折射的物像公式近軸物近軸光線成像的條件薄透鏡共軸理想光具組的基點(diǎn)和基面,主 要 內(nèi) 容,直

2、線傳播、反射、折射成像問題波面的線度遠(yuǎn)大于波長時(shí)----光沿直線傳播，幾何光學(xué)是近似的、實(shí)用的不涉及波長、相位等概念，使用波面、波線的概念幾何光學(xué)所研究的對(duì)象實(shí)際上就是波動(dòng)光學(xué)中當(dāng)波長趨于零的極限情況，幾何光學(xué)屬于波動(dòng)光學(xué)的一部分。,Notice:,幾何光學(xué)的點(diǎn)、線、面,點(diǎn)：光源、物體、像都看成是點(diǎn)的集合。線：光波的傳播抽象成幾何線一樣的光線，相當(dāng)于波面的法線，代表了光的傳播方向。光波由一束光線表示，平面波對(duì)應(yīng)于平行光束，球面

3、波對(duì)應(yīng)于同心光束如圖,平行光束與同心光束,,,球面波,,,,,,,,波線,,平面波,3.1 幾個(gè)基本概念和定律 費(fèi)馬原理,3.1.1、光線與波面,光線：描述光的傳播方向的幾何線。在均勻介質(zhì)中，光線與波線重合。 光束與光線： 光線是幾何線，無橫截面積，是假想的光束是實(shí)際存在的，總有一定的橫截面積且無法通過小孔獲取細(xì)光束----衍射的存在會(huì)使得光束不細(xì)反粗.,光線≠光束，不能把很窄很細(xì)的一束光叫做光線,一束光可以看

4、做是由許多光線構(gòu)成的。,光束,3.1.2、幾何光學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)定律 （1）光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律 （物體的影子、小孔成像 ）,,（2）光通過兩種介質(zhì)分界面時(shí)的反射定律和折射定律 （3）光的獨(dú)立傳播定律和光路可逆原理.,,光的獨(dú)立傳播定律：兩束光在傳播途中相遇時(shí)互不干擾，即每一束光的傳播方向及其他性質(zhì)（頻率、波長、偏振狀態(tài)）都不因另一束光線的存在而發(fā)生改變。,適用條件： 光波面線度R遠(yuǎn)大于

5、光波長λ（否則，用衍射光學(xué)）,光路的可逆性原理：當(dāng)光線沿與原來方向相反的方向傳播時(shí)，其路徑不變。（由折射定律的對(duì)稱性可得）,例如：光束相交處的光強(qiáng)是一種簡(jiǎn)單的疊加，探照燈。不考慮光的干涉現(xiàn)象,1、費(fèi)馬原理的描述 光在指定的兩點(diǎn)間傳播，實(shí)際的光程總是一個(gè)極值。（大多是極小值）極小值：圖（ｂ）　 光的直線傳播、 光的反射定律、 折射定律　極大值：圖（c）恒定值：圖（a）,3.1.3 費(fèi)馬原理 (Fermat’

6、s Principle),用費(fèi)馬原理解釋三個(gè)基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律1）均勻介質(zhì)中的直線傳播兩點(diǎn)間直線距離最短----光路為直線2）反射定律 只有當(dāng)APB’為直線時(shí) APB的光程最短， 此時(shí)： i=i’ 入射光線、法線、反射光線共面,,,3) 折射定律 AC’>AC，C’B>CB入射點(diǎn)必在入射面與界面的交線上----入射光線、法線、反射光線共面n1AC+n2CB-

7、---極小值,,,,光程取極大值的例子:,左圖表示凹球面反射鏡，C為其球心，P為球面頂點(diǎn)，過C作PC的垂線，A和A’為垂線上任意一對(duì)與C點(diǎn)等距離的點(diǎn)。光路APA’滿足反射定律，為實(shí)際光路?？梢宰C明，它與鄰近光路相比，光程為極大值。,證: 過凹球面的頂點(diǎn)P，以A和A’為焦點(diǎn)作橢球面。顯然，橢球面在球面的外面，它們相切于P點(diǎn)。對(duì)球面的任意鄰近光路AQA’,由于A’R+RQ>A ’ Q,所以(ARA’)>(AQA’), 而(A

8、RA’)=(APA’),故(APA’)>(AQA’)。,即凹球面反射鏡的這條實(shí)際光路APA’與鄰近光路比，為光程極大。,回轉(zhuǎn)橢球面的凹面鏡：光程取恒定值,在均勻介質(zhì)中的兩點(diǎn)間（直線傳播）、經(jīng)平面反射的兩點(diǎn)間，以及經(jīng)平面折射的兩點(diǎn)間的實(shí)際光路均是光程取極小值的情形。,成像系統(tǒng)的物點(diǎn)和像點(diǎn)之間為光程取恒定值的情形。,物點(diǎn),像點(diǎn),3.1.4 單心光束 實(shí)像和虛像,1.單心光束：凡是具有單個(gè)頂點(diǎn)的光束﹙同心光束﹚。,單心光束（同心光

9、束）：光線本身或其延長線可以交于一點(diǎn)的光束。（一束光線有一個(gè)共同的中心）,發(fā)散光束：由一發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光束；匯聚光束：向唯一中心會(huì)聚的光束。,2 .物點(diǎn)與像點(diǎn)物點(diǎn)： 入射到光學(xué)系統(tǒng)的單心光束的頂點(diǎn)（P） 像點(diǎn)：經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)出射后又匯聚的單心光束的頂點(diǎn)（P?）3實(shí)像與虛像實(shí)像點(diǎn)： 會(huì)聚的出射單心光束的頂點(diǎn)（P?）虛像點(diǎn)： 發(fā)散的出射單心光束的頂點(diǎn)（P?）,物點(diǎn)：發(fā)光點(diǎn)，或入射單心光束的頂點(diǎn)。,

10、實(shí)物點(diǎn)：發(fā)散的入射光束的頂點(diǎn)。,實(shí)物：由實(shí)物點(diǎn)構(gòu)成的物體。,虛物點(diǎn)：會(huì)聚的入射光束的頂點(diǎn)，或入射光束延長線的交點(diǎn)。,像點(diǎn)：光具組（光學(xué)系統(tǒng)）出射的單心光束的頂點(diǎn)。,實(shí)像點(diǎn)：會(huì)聚的單心出射光束的頂點(diǎn)。,虛像點(diǎn)：發(fā)散的單心出射光束的頂點(diǎn)。,3.1.5 實(shí)物、實(shí)像、虛像的概念,實(shí)物點(diǎn)、實(shí)像點(diǎn)、虛像點(diǎn)的集合分別稱為實(shí)物、實(shí)像、虛像。,實(shí)物成虛像,實(shí)物成虛像,虛物成實(shí)像,物空間（物方）：包含入射光束及其延長線的空間。,像空間（像方）：包含出射光束

11、及其延長線的空間。,物與像,光學(xué)系統(tǒng)的幾種物像關(guān)系,實(shí)物、實(shí)像和虛像的聯(lián)系和區(qū)別1、實(shí)物點(diǎn)： 發(fā)散的入射單心光束的頂點(diǎn)（P）2、 光學(xué)系統(tǒng)： 由不同材料做成的不同形狀的反射面、折射面以及光闌組成的系統(tǒng)，其作用是變換光束．反射鏡、棱鏡、透鏡、光闌等是構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)的基本元件。3、人眼的特點(diǎn)： 人眼只能看到發(fā)散單心光束的頂點(diǎn)，而看不見光線本身。,4、人眼對(duì)物、象的區(qū)別和聯(lián)

12、系 人眼不能判斷進(jìn)入人眼的光線是否經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，因此，人眼不能區(qū)分物、像；人們對(duì)物、像的判斷要借助環(huán)境等其他條件5、光學(xué)儀器對(duì)物、象的區(qū)別和聯(lián)系 只要是發(fā)散的單心光束進(jìn)入光學(xué)儀器，不論光束如何形成，對(duì)光學(xué)儀器而言均是實(shí)物成像；,實(shí)物、實(shí)像的意義在于有光線實(shí)際發(fā)自或通過該點(diǎn)，而虛物、虛像僅僅是由光的直線傳播性質(zhì)給人眼造成的一種錯(cuò)覺，實(shí)際上并沒有光線經(jīng)過該點(diǎn)。,物像的相對(duì)性,物和像都是相對(duì)于某一成像系統(tǒng)

13、而言的，如果物體連續(xù)經(jīng)過幾個(gè)成像系統(tǒng)，則前一個(gè)系統(tǒng)所成的像即成為下一系統(tǒng)的物，如此不斷成像得到最終的像。因此物和像并不是絕對(duì)的，對(duì)于連續(xù)成像的系統(tǒng)，物與像的角色在具體情況下發(fā)生變化，計(jì)算時(shí)應(yīng)取相應(yīng)空間的折射率。,物像轉(zhuǎn)換,結(jié)束 返回,實(shí)物、虛物、實(shí)像、虛像視情況而定，但作為第一個(gè)（原始、出發(fā)的）物一定是“實(shí)體”。,折射光束的張角有一定限制，因

14、此圖中的像點(diǎn)再發(fā)出的光束也有一定范圍限制，這和本身是一發(fā)光物點(diǎn)的情況不同。,平面反射鏡是一個(gè)最簡(jiǎn)單的理想光學(xué)系統(tǒng)，它不改變光束的單心性，能成完善的像。所成的像與原物大小相同，而物和像以平面鏡為對(duì)稱。 平面反射時(shí)光束的單心性保持不變,3.2.1. 光在平面上的反射,3.2 光在平面界面上的反射和折射 光導(dǎo)纖維,光在平面界面上折射時(shí)單心性受到破壞，不能完善成像,3.2.2、光束單心性的破壞,平行光束折射時(shí)仍為平行光束,

15、,由折射定律及幾何關(guān)系，可求出各像點(diǎn)的坐標(biāo)。,分析：當(dāng)y不變時(shí)，它們隨 x1 或 i1 而變。　　 如果光束是單心的，則P ?就是折射光束的唯一頂點(diǎn)；　 如果光束不是單心的，則P ?不是折射光束的唯一頂點(diǎn)，P1、P2也可能是折射光束的頂點(diǎn)，此時(shí)必須考慮光束中光線的空間分布。,討論一小束入射光束：?、賹D面繞 oy軸轉(zhuǎn)一小角度?折射光束的單心性已被破壞：光束中的所有光線并不相交于單獨(dú)的一點(diǎn)，而是交于兩條相互垂直的線

16、段上。 子午焦線： 一條由P?所 描出的垂直圖 面的焦線；　弧矢焦線： 一條是位于 圖面內(nèi)的焦線 P1P2。,∵ 單心光束的波面是球面,∴ 在平面界面上折射后，波面的形狀發(fā)生變化，不再是球面了。這樣形成的互相垂直的兩小段像且不那么清晰的現(xiàn)像稱為像散。,弧矢焦線,子午焦線,,,② 當(dāng)i1＝0，即當(dāng)P所發(fā)出的光束幾乎垂直于界面時(shí),有 x ?＝0 ， y ? = y1

17、 = y2 = y? n2 ? n1 。,這表明 y ?近似地與入射角 i1 無關(guān)，則折射光束是近似單心的，y? 稱為像視深度，y 為物的實(shí)際深度。 如果：n1 > n2，那么 y ? y ,即像點(diǎn)P?位于物點(diǎn) P 的下方，視深度增大。 （從水中看水面上的物體）,3.2.3 全反射 光導(dǎo)纖維,1.全反射：對(duì)光線只有反射而無折射的現(xiàn)像。當(dāng)光從光密介質(zhì)n1射向光疏介質(zhì)

18、n2（<n1）時(shí)，i1? ?i2? ?i1 ＝ic ?i2 ＝90?， n1 sinic ＝n2 sin90? —— 臨界角 如果：i?ic,那么不再有折射光線而光全部被反射。,,臨界角(Critical angle):,,按照波動(dòng)理論，產(chǎn)生全反射時(shí)除反射波外，在光疏介質(zhì)中并非完全不存在透射波，只不過它沿界面方向傳播，且其振幅在垂直界面方

19、向按指數(shù)衰減，透入深度只有波長量級(jí)，稱為倏逝波，或隱失波。,但平均來說，光波的能量全部返回光密介質(zhì)，在光疏介質(zhì)中并不形成透射光。,詳見122頁例3.2,全反射：折射光線因大于等于90而消失，所有的光線反射到原介質(zhì)中的現(xiàn)象。在一定的條件下,光線發(fā)生全反射① 光線由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；② 入射角大于臨界角。二者缺一不可。,2. 光導(dǎo)纖維 芯料－涂層界面發(fā)生全反射條件為：而：又

20、 此即為光線在芯料－涂層界面發(fā)生全反射時(shí)，入射角應(yīng)滿足的條件。,,,,,討論： ① 如果入射角 i 的上限用u0表示，則有： or: u0 n0 sinu0為光纖的數(shù)值孔徑，其值越大，通過光纖的光功率就越大。 ② 對(duì)于空氣中的光纖

21、 ∵n0 ＝1 ∴,,,光導(dǎo)纖維,Light can travel with little loss in a curved optical fiber, because the light is totally reflected whenever it strikes the core-cladding interface and because the absorption of light by th

22、e core itself is small.,Optical fiber,,醫(yī)學(xué)應(yīng)用,A bronchoscope 肺部,A colonoscope, shown in use in this X-ray photograph 結(jié)腸鏡,內(nèi)窺鏡,3.2.4. 棱 鏡,,,棱鏡是一種常見的光學(xué)元件，它的主要用途是：轉(zhuǎn)換光傳播的方向（全反射）；作色散元件（折射）。,全反射棱鏡---潛望鏡,波羅棱鏡（使像轉(zhuǎn)過180°）-

23、-陸地望遠(yuǎn)鏡,五角棱鏡（使像轉(zhuǎn)過90°）--單鏡頭反光相機(jī),角錐棱鏡（后反射鏡）,（1）反射棱鏡,全反射棱鏡用來改變光線方向，比用一般平面鏡，能量損失要小得多。,（2）折射棱鏡,三棱鏡：由兩個(gè)不平行的折射平面圍成的透明介質(zhì)元件，其A為折射棱角，也稱為頂角主截面：垂直于兩主折射界面的截面.偏向角：出射線與入射線間的交角.?＝(i1-i2 )+(i?1 -i?2 )= i1 +i ?1 -A 最小偏向角：,,,計(jì)算折射

24、率：應(yīng)用：① 折射計(jì)②利用光的色散起分光作用,3.3 光在球面上的反射和折射,一、符號(hào)法則二、球面反射對(duì)光束單心性的破壞三、近軸光線條件下球面反射的物像公式四、球面折射對(duì)光束單心性的破壞五、近軸光線條件下球面折射的物像公式六、高斯公式和牛頓公式,,1、幾個(gè)概念：1）頂點(diǎn)：球面的中心O2）曲率中心：球面的球心C3）曲率半徑：球面的半徑r4）主軸（光軸）：連接頂點(diǎn)O和曲率中心C的直線5）主平面：包含主軸的平

25、面 主軸是唯一的，主平面有無窮多,3.3.1、符號(hào)法則,主軸（光軸）-------光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱軸,2、符號(hào)法則 規(guī)定——笛卡兒符號(hào)法則： （1）線段長度： 都從頂點(diǎn)算起，頂點(diǎn)右方線段長度的數(shù)值為正，反之左方線段長度數(shù)值為負(fù)； 軸上為正，下為負(fù)。（物、像均滿足）,（2）光線方向的傾斜角度以主軸（或球面法線）按小于90°的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向光線，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。（3）圖中所標(biāo)長度和角

26、度（幾何量）均為正值。 一般都假定光線自左向右進(jìn)行。 符號(hào)規(guī)定的意義：由求出量的正負(fù)可判斷像的虛、實(shí)、倒、正等結(jié)果。,,M,n,n’,單個(gè)折射面成像系統(tǒng)的笛卡爾符號(hào)規(guī)則,3.3.2、球面反射對(duì)光束單心性的破壞,,,,凹球面鏡,將l、l?代入光程公式，并利用費(fèi)馬原理，對(duì)?求導(dǎo)并令其等于 0 得： s ? s ? 隨 ? 而變，光束的單心性被破壞。,另一種思路:,結(jié)論：因?yàn)閡 隨光線而變，所以s

27、′ 也隨光線而變，并非唯一值。故球面反射后光束不能保持單心性，即不能嚴(yán)格地理想成象。,凸球面鏡也有類似的結(jié)論,3.3.3、近軸光線條件下球面反射的物像公式,,近軸光線(paraxial ray) ---- 與光軸夾角較小，并靠近光軸的光線,因此球面鏡物方焦點(diǎn)與像方焦點(diǎn)重合 .,凹面鏡,凸面鏡,球面反射物像公式：,P′高斯像點(diǎn),,,適用條件： ① 近軸光線 凹、凸球面均可用，且無論 s? , s , f ? 的數(shù)值大小及

28、正負(fù).,,若u極小，即入射光僅在傍軸的狹窄范圍內(nèi)傳播，則可得,,或,,,To a good approxomation,例題：一個(gè)點(diǎn)狀物放在凹面鏡前0.05m處，凹面鏡的曲率半徑為0.2m，試確定像的位置和性質(zhì)。,解：,若光線自左向右傳播，,若光線自右向左傳播，,3.3.4 、球面折射對(duì)光束單心性的破壞,,,s′,( 圖中標(biāo)絕對(duì)值 ),凸球面鏡,將l、l ? 代入光程公式，并利用費(fèi)馬原理，對(duì)?求導(dǎo)并令其等于 0 得：

29、 s ? 隨 ? 而變，光束的單心性被破壞。,球面折射,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P,n,-u,-i1,A,-i2,n′,u′,C,P′,O,r,-s,s′,從主軸上P點(diǎn)發(fā)出單心光束，其中一條光線在A點(diǎn)發(fā)生折射，折射后的光線交主軸于P`點(diǎn)。P`點(diǎn)的位置由s`確定。,球面法線,,顯然，s′也是隨u（u′）而變的，不同的光線將有不同的s′值，故球面折射時(shí)光束亦不能保持單心性。,3.3.5、近軸光線條件下球面折

30、射的物像公式,1.近軸： ? 很小，cos? ? 1，l ≈ - s ， l ?≈ s ?， ? 2.光焦度公式： 單位：m -1 ，稱為屈光度，表示光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的折光程度，?越大表示折光程度越大。,,,,,,,近軸條件下球面折射的物像關(guān)系公式,3 . 物象共軛 物點(diǎn)與像點(diǎn)的位置可以互換 物點(diǎn)與像點(diǎn)互為共軛點(diǎn)

31、 入射光線與折射光線互為共軛光線 入射波面與折射波面互為共軛波面4. 物空間和像空間 物空間（物方）：入射光線所在的空間。 像空間（像方）：折射光線所在的空間。注意：物不一定在物空間，像不一定在像空間 物空間和像空間的點(diǎn)不僅一一對(duì)應(yīng)， 而且共軛（共軛光線、共軛波面、共軛點(diǎn)）,5.焦點(diǎn)和焦距 像方焦點(diǎn)：F ?，

32、 物方焦點(diǎn)：F， 關(guān)系：,物方焦點(diǎn)F,物方焦距f,像方焦點(diǎn)F′,像方焦距f′,6.討論：① （“－”表示 F 和 F ? 永遠(yuǎn)位于界面兩方） ②  ， ? 球面反射  （可看作是折射的特例）

33、,以上結(jié)論對(duì)于凹球面鏡也成立！,3.3.6、高斯公式和牛頓公式,,,,,,如果：把測(cè)量物距、像距的原點(diǎn)分別選作物方焦點(diǎn) F 和像方焦點(diǎn) F ?，（它們?nèi)宰袷胤?hào)法則），并用 x、x ? 表示 物距、像距則有： 即：,,,,牛頓公式與高斯公式是等價(jià)的,------牛頓公式,解：方法1 啞鈴左端折射面相當(dāng)于一個(gè)凸球面，右端相當(dāng)于一個(gè)凹球面，根據(jù)笛卡爾符號(hào)法則,3.4 光連續(xù)在幾個(gè)球面界面上的折射 虛物的概念,3.4.1、共軸

34、光具組多個(gè)球面的光軸都在同一直線上的系統(tǒng)。共軸目的：可以最大限度地利用近軸光線的能量，減少像差。3.4.2、逐個(gè)球面成像法P1 ? P1? ? P2? ? P3? ? P4?,要注意各次的物距像距等有不同的起算頂點(diǎn) O1、O2、O3、…。,3.4.3虛物的概念： 會(huì)聚的入射單心光束的頂點(diǎn)（P）注意：①　?、?③ 滿足符號(hào)法則與物象公式,,,,,實(shí)像：會(huì)聚的出射光束的頂點(diǎn),在像

35、空間,3.5 薄 透 鏡,主軸、主平面、孔徑、透鏡的厚度： 厚度d與曲率半徑r相比,,,,3.5.1、近軸條件下薄透鏡的成像公式,,光程,當(dāng)A點(diǎn)在透鏡上移動(dòng)時(shí)，只有h是變量， 由費(fèi)馬原理 ，并考慮到在近軸 條件下，l ≈ - s , l? ≈ s? (略去h2項(xiàng))化簡(jiǎn)得

36、 ——薄透鏡的物像公式,,,,,也可用逐次成像法推導(dǎo)薄透鏡成像公式,那么：   ——薄透鏡的高斯公式,討論：,1）光焦度：F

37、 =F 1+F2,2）焦點(diǎn)和焦距：,3）光心： 當(dāng)n1=n2時(shí)，通過光心O的光線不改變方向，所有的軸上距離從O量起 4）實(shí)像和虛像： (1) 光線自左向右進(jìn)行，Sˊ>0：實(shí)像； Sˊ0：虛像； 實(shí)像在像空間，虛像在物空間,,,,5）會(huì)聚透鏡和發(fā)散透鏡 透鏡的會(huì)聚和發(fā)散性質(zhì),與透鏡的形狀及兩側(cè)的介質(zhì)有關(guān)； n/n

38、 n/n,6) 當(dāng)薄透鏡放在空氣中時(shí)，焦距公式：高斯公式： 7)牛頓公式：,例題,3.5.2、橫向放大率（垂軸放大率）,n1=n2 n1與n2任意討論：（1） >0，像正立； 1，像放大; <1，像縮小; =1，等大。（3） ，也適應(yīng)于單球面成像。（4）近軸物和近軸光線。,,3.5.3、薄透鏡的作圖求像法,1. 特殊光線作圖法：軸外物點(diǎn)

39、 利用兩個(gè)焦點(diǎn)和光心，三者取其二。2. 任意光線作圖法：物點(diǎn)在軸上或軸外不遠(yuǎn)處 近軸條件下，利用兩個(gè)焦平面和副軸。焦點(diǎn)的性質(zhì)：一束平行于光軸的光線入射，經(jīng)透鏡折射后，必會(huì)聚于像方焦點(diǎn)；一束通過物方焦點(diǎn)的光束，經(jīng)透鏡折射后，必平行于光軸出射。焦平面的性質(zhì)：一束平行光入射透鏡，必會(huì)聚于像方焦平面上一點(diǎn)；經(jīng)過物方焦平面上一點(diǎn)的入射光束，經(jīng)透鏡折射后，必為平行光。注意光心的存在,特殊光線作圖法,物方焦平面：

40、 通過物方焦點(diǎn)F與主軸垂直的平面；像方焦平面： 通過像方焦點(diǎn)F‘與主軸垂直的平面。副軸： P 或 P ‘ 與光心 O 的連線。,⑴ 利用物方焦平面與副軸作圖法（凸透鏡） ①從 P 點(diǎn)作沿主軸的入射線，折射后方向不變； ②從 P 點(diǎn)作任一光線 PA，與透鏡交于A點(diǎn)，與物方焦平面交于B點(diǎn)； ③作輔助線（副軸）BO，過A作與BO平行的折射光線與沿著主軸的折射線交于點(diǎn) P‘ ，

41、則 P‘ 就是物點(diǎn) P 的像點(diǎn)。,⑵ 利用像方焦平面與副軸作圖法（凸透鏡） ①從P點(diǎn)作沿主軸的入射線，折射后方向不變； ②從P點(diǎn)作任一光線 PA ，與透鏡交于A點(diǎn)；過透鏡中心O作平行于PA的副軸OB’與像方焦平面交于B'點(diǎn)； ③連接 A、B‘ 兩點(diǎn)，它的延長線與沿著主軸的光線交于點(diǎn) P’ ，則 P’就是所求像點(diǎn)。,⑶ 利用像方焦平面與副軸作圖法（凹透鏡） ①PA為從物點(diǎn)P發(fā)出的任一光線,與透鏡交于A點(diǎn)；

42、②過透鏡中心O作 平行于PA的副軸 OB‘，與像方焦平 面交于B'點(diǎn)； ③連接A、B‘ 兩點(diǎn)， 線段AB‘的延長線 就是折射光線,它 與沿主軸的光線交于點(diǎn) P'，則P‘就是所求像點(diǎn)。,注意：（1）近軸物、近軸光線；（2）光線 的變向點(diǎn)在界面上；（3）光線必須用帶箭頭的實(shí)直線表示，其延長線用不帶箭頭的虛直線表示；（4）所有輔助線（如副光軸，焦平面等）都用虛線表示；（5）

43、圖中的基點(diǎn)采用規(guī)定的字母表示，如C（曲率中心），O（頂點(diǎn)），F(xiàn)（物方焦點(diǎn)），F(xiàn)‘（像方焦點(diǎn)）等。,討論：⑴推廣：軸外不遠(yuǎn)處——近軸⑵條件：近軸光線下，且透鏡兩邊介質(zhì)的折射率相同。⑶意義：同一物點(diǎn)的任意兩條特殊光線通過透鏡折射后的交點(diǎn)便是對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)。注意： 無光心問題，同樣利用焦點(diǎn)及焦平面的性質(zhì)作圖；單球面折射與反射同樣方法作圖。,透鏡組的作圖成像法,3.6 近軸物點(diǎn)近軸光線成像的條件,目前僅研究了光線從單獨(dú)一點(diǎn)

44、發(fā)出而被球面反射或折射后所產(chǎn)生的像點(diǎn)，而且是近軸光線條件下的成像問題。問題1 由于物體總是存在一定形狀和大小，不在主軸上的任意一個(gè)發(fā)光點(diǎn)所發(fā)出的光束，經(jīng)球面反射或折射后是否仍能保持光束的單心性？問題2 應(yīng)在怎樣的條件下才能保持光束的單心性，并成像于單獨(dú)的一點(diǎn)？,條件：從物點(diǎn)所發(fā)出的所有光線到達(dá)象點(diǎn)時(shí)的光程都應(yīng)該相等----物像的等光程性—費(fèi)馬原理的推論。,3.6.1、近軸物在近軸光線條件下球面反射的 成像公式,,,光程,

45、,Q與A離主光軸很近,(1) 近軸物體:,(2) 近軸光線:,如右圖：,很小，略去不記，,光線近軸： ， 入射點(diǎn)很低，A靠近光軸。物空間孔徑角u很小。,光線與光軸的夾角小于50時(shí)，有sinu ≈tanu ≈ u 光學(xué)系統(tǒng)滿足這樣條件的區(qū)域，軸上發(fā)出的同心光束，經(jīng)系統(tǒng)變換后，仍為同心光束，即點(diǎn)物可成點(diǎn)像．近軸條件限制了光線與光軸的夾角．,利用二項(xiàng)式定理將上式展開略去高次項(xiàng)：,要保持光程恒定，則變量h的系數(shù)必為零。

46、,與軸上物點(diǎn)球面反射成象公式相同.表明垂軸物生成垂軸象，但必須在近軸條件下.,121,通過推導(dǎo)可以知道，要使不在主軸上的一個(gè)發(fā)光點(diǎn)Q能夠理想成像于單獨(dú)一個(gè)像點(diǎn)Q?，必須同時(shí)滿足兩個(gè)限制條件：,（1）光線必須是近軸的。即光線在球面上的反射點(diǎn)或折射點(diǎn)到主軸的距離遠(yuǎn)小于球面的曲率半徑r ﹙h«r﹚ 。,（2）物點(diǎn)必須是近軸的。即物點(diǎn)離主軸的距離y必須比它離球面的頂點(diǎn)的距離s小得多﹙y«s﹚ 。,3.6.2、近軸物在近軸光線

47、條件下球面折射的物像公式,,同球面反射類似，可得光程為,同球面反射類似，可得球面折射物象公式,3.6.3 亥姆霍茲-拉格朗日定理,1、近軸光線——仰角或俯視角較小,2、近軸物——入射角和反射角較小,3、亥姆霍茲——拉格朗日定理,127,由上式可以看出，y和y? 受到近軸物點(diǎn)的限制，u和u? 受到近軸光線的限制。上式正好把軸外物點(diǎn)理想成像的兩個(gè)限制條件聯(lián)系起來了。,—稱為亥姆霍茲—拉格朗日定理（恒等式）,凡物點(diǎn)不在主軸上而能理想成像，即能

48、夠保持光束單心性的，都必須滿足稱為亥姆霍茲—拉格朗日定理（恒等式）。,若要使共軸的兩個(gè)或兩個(gè)以上球面折射時(shí)，能產(chǎn)生理想的像，每一次折射都必須遵從稱為亥姆霍茲—拉格朗日定理（恒等式）。即,128,即,－,,,,3.7 理想光具組的基點(diǎn)和基面,逐個(gè)球面成像法面臨的困難:理論上可以解決任意多個(gè)球面的成像問題，但運(yùn)算繁瑣，而且實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中各球面間的相對(duì)位置往往并不完全知道。,解決問題的簡(jiǎn)化方法：以一個(gè)等效的光具組代替整個(gè)共軸的光學(xué)系統(tǒng)，并設(shè)

49、法找出這個(gè)光具組的焦點(diǎn)在內(nèi)的基點(diǎn)，那么就可以不考慮光在該系統(tǒng)中的實(shí)際路徑而確定像的大小和位置。,理想光具組：①可以保持光束單心性②像和物在幾何上相似。,,高斯理論成立的條件：,1、光線仍舊限于近軸；,2、不要求光具組是“薄”的；,3、須建立一系列基點(diǎn)和基面(請(qǐng)猜猜?),用這些基點(diǎn)和基面就可以描述光具組的基本光學(xué)特性，而不用去研究光具組中實(shí)際的光線，從而把問題大大簡(jiǎn)化。這些基點(diǎn)和基面是：焦點(diǎn)、主點(diǎn)、 節(jié)點(diǎn)；焦平面和主平面，節(jié)平面。,基點(diǎn)和

50、基面的定義三對(duì)基點(diǎn)和基面：焦點(diǎn)和焦平面、主點(diǎn)和主 平面、節(jié)點(diǎn)和節(jié)平面物方主點(diǎn)H：確定物方各量的基準(zhǔn)點(diǎn)（ -s, -f 等）；物方主平面：通過H點(diǎn)垂直于主軸的平面；像方主點(diǎn)H'：確定像方各量的基準(zhǔn)點(diǎn)（s'，f ' 等）；像方主平面：通過H'點(diǎn)垂直于主軸的平面； 物方焦點(diǎn)F，物方焦平面：通過F點(diǎn)垂直于主軸的平面，物方焦距-f；像方焦點(diǎn)F&#

51、39; ，像方焦平面：通過F'點(diǎn)垂直于主軸的平面，像方焦距f ' 。（焦點(diǎn)和焦平面的定義與前面相同）,,,節(jié)點(diǎn)和節(jié)平面特征：通過物方節(jié)點(diǎn)K和像方節(jié)點(diǎn)K′的任意共軛光線方向不變，即： 物方節(jié)點(diǎn)K，物方節(jié)平面：通過K點(diǎn)垂直于主軸的平面；像方節(jié)點(diǎn)K'，像方節(jié)平面：通過K'點(diǎn)垂直于主軸的平面。 薄透鏡的光心既是主點(diǎn)，又是節(jié)點(diǎn)。,,厚透鏡是由兩個(gè)單球面鏡組合而成的，因此厚透鏡實(shí)際上是兩個(gè)單球面組

52、合的簡(jiǎn)單光具組。,對(duì)由任意多個(gè)共軸光具組復(fù)合而成的情況，可以先把兩個(gè)相鄰的單光具組合并為一個(gè)光具組，求出其基點(diǎn)；然后逐次和下一個(gè)單光具組合并.所以這里只討論把兩個(gè)相鄰光具組合并成一個(gè)時(shí)，如何求出其焦點(diǎn)和主點(diǎn)的位置即可。,3.7.1 空氣中厚透鏡物像公式和基點(diǎn)、基面,上圖表示置于空氣中的軸厚度為?的厚透鏡，P和P'分別為物點(diǎn)和像點(diǎn)，F(xiàn)和F'分別為物方焦點(diǎn)和像方焦點(diǎn)。在近軸條件下，厚透鏡的物像關(guān)系可以通過對(duì)曲率半徑為r1和r

53、2的兩個(gè)折射球面逐次成像求得。,設(shè)物點(diǎn)P離球面O1的距離為 ，像點(diǎn)P'離球面O2的距離為 ，則對(duì)折射球面O1由（3-17）式可得:,對(duì)折射球面O2，也可得到：,式中 是第一個(gè)折射球面形成的像與頂點(diǎn)O1間距離。若令：,其中 是第一個(gè)折射球面的像方焦距，并令：,其中 是第二個(gè)折射球面的物方焦距，則上述兩個(gè)公式可改寫為:,消去上述兩式中的 ，并把測(cè)量物距和像距的參考原點(diǎn)從原來的O1和O2

54、處分別移動(dòng)了距離P和P'后，像距和物距 滿足如下關(guān)系：,式中 是厚透鏡的像方焦距，其值為：,（3-42）,,（3-41）,或：,再進(jìn)行適當(dāng)代換可解得：,物像位置的關(guān)系式（3-41）可以表示成公式（3－42）的較簡(jiǎn)單的形式。,若令：,則在空氣中厚透鏡物像公式的高斯形式即為：,厚透鏡的基點(diǎn)和基面,上式在形式上與空氣中薄透鏡物像公式的高斯形式完全相同。但是必須注意，上式中的物距s不是從頂點(diǎn)O1量起，而從H點(diǎn)量起，H

55、點(diǎn)與O1點(diǎn)間的距離為p；像距 S'也不是從頂點(diǎn) O2量起，而是從 H'量起， H'與O2點(diǎn)間的距離為p'。,H和H'點(diǎn)分別叫做物方主點(diǎn)和像方主點(diǎn)。,在近軸條件下，通過H和H'點(diǎn)垂直于主軸的平面分別叫物方主平面和像方主平面。,一束平行于主軸的入射光，通過光具組后所成的像，即為像方焦點(diǎn)F’；從物方焦點(diǎn)F發(fā)出的光，通過光具組后，將成為平行光。在近軸條件下，通過F點(diǎn)和F'點(diǎn)并垂直于主

56、軸的平面分別叫物方焦平面和像方焦平面。主點(diǎn)至焦點(diǎn)的距離即為焦距。,總之，測(cè)量s和f時(shí)，原點(diǎn)取在物方主點(diǎn)H；測(cè)量s'和f'時(shí)，原點(diǎn)取在像方主點(diǎn)H'。這樣，厚透鏡的物像公式仍然與前面高斯公式的形式相同。,如果物距x和像距x'分別從物方焦點(diǎn)和像方焦點(diǎn)量起，f和f'分別從物方主點(diǎn)和像方主點(diǎn)量起，物和像的位置關(guān)系仍可用牛頓公式表示，即：,厚透鏡的兩個(gè)主點(diǎn)的位置可由

57、 和 兩式計(jì)算得到。p和p’分別從O1和O2量起，當(dāng)p和p’為正值時(shí)，主點(diǎn)H和H’各自位于頂點(diǎn)O1和O2的右方；當(dāng)p和p’為負(fù)值時(shí)，主點(diǎn)各自位于頂點(diǎn)O1和O2的左方。,例題(習(xí)題11)：有一折射率為1.5、半徑為 4 cm的玻璃球，物體在距球表面 6 cm 處，求：（1）從物所成的像到球心之間的距離；（2）求像的橫向放大率。,解：,（1）利用空氣

58、中厚透鏡物像公式可知：,,其中n=1.5,r1=4cm,r2=-4cm，δ=8cm,即主點(diǎn)H1、H2分別位于O1、O2右方和左方4cm 處，容易看出，H1、H2重合于球心O。,按題意，物離物方主點(diǎn)H的距離為：-（6 +4）cm,于是由：,,（2）,,,由此可見，得到的是放大的倒立的像。,3.7.2復(fù)合光具組的基點(diǎn),基面和物像公式,?：(Ⅰ)的像方焦點(diǎn)F1′和（Ⅱ）的物方焦點(diǎn)F2之間的距離－ －系統(tǒng)的光學(xué)間隔。 之右時(shí)，

59、 為正； 之左時(shí)， 為負(fù)。 d：（Ⅰ）的像方主點(diǎn)H1′和（Ⅱ）的物方主點(diǎn)H2之間的距離 。 H2 在H1'之右時(shí)，d為正；H2在H1'之左時(shí)，d為負(fù)。,,?,?,圖3-31,為簡(jiǎn)明起見，圖中所示的光具組I和Ⅱ的像方焦距都是正的，且Δ和d也是正的。顯然，只要用d來代替厚透鏡中兩個(gè)單球面鏡間的距離（厚透鏡的厚度）δ ，并考慮到I和Ⅱ之間的介質(zhì)的折射率n=1，那么對(duì)這一復(fù)合光具組來說，其焦距的大

60、小和主點(diǎn)的位置可由（3－43）式、（3—45）式和（3—46）式得到，即：,（3-50）,（3-51）,（3-52）,上式中，p從H1量起，p'從H2'量起，而f從H量起，f' 從H'量起，如圖3－31所示。,若考慮到式中 d=Δ+f1'-f2，以及在空氣中的f1'=-f1，f2'=-f2，則以上三式還可以寫成如下形式：,由（3-50）式變形可得：,在空氣中f2=-f2'，

61、故上式可變?yōu)椋?若兩光具組接觸，則d=0，因而有：,光焦度,可以證明復(fù)合光具組物像間的關(guān)系也可以用高斯公式和牛頓公式（證明略）,也可以這樣確定復(fù)合光具組的焦距公式和主點(diǎn)的位置： 如圖：可由圖上的幾何關(guān)系求出像方焦點(diǎn)和主點(diǎn)的位置，利用光路可逆，讓光從右向左傳播，求出物方焦點(diǎn)和主點(diǎn)的位置，,理想光具組的放大率基點(diǎn)和基面的性質(zhì),1）理想光具組的橫向放大率,,,n1=n2 n1與n2任意,2）理想光具組的角放大率,,,

62、3）基點(diǎn)和基面的性質(zhì),A.主點(diǎn)和主平面的性質(zhì) ① 位于物方主點(diǎn)H的一個(gè)物點(diǎn)必成像于像方主點(diǎn)H′，兩個(gè)主點(diǎn)是相互共軛的。,,,,② 光具組的兩主平面是共軛平面，面上任一對(duì)共軛點(diǎn)到主軸的距離相等。 ∵ 若物點(diǎn)是在物方主平面上，即 ： 則：像點(diǎn)位于像方主平面上，即： ∴ 入射到物方主平面上某一點(diǎn)M的任意一條光線，將從像方主平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)M′（在主軸上面或下面同一高度

63、處）射出光具組。,B.節(jié)點(diǎn)和節(jié)平面的性質(zhì) ①節(jié)點(diǎn)K和K′處光線的特征是 ? = + 1 ∵x是從F量起，x′是從F′量起；∴在f′>0的情況下，K在F的右邊，與F相距 f′；而K′在F′的左邊，與F′相距 f 。（把K當(dāng)作物、 K′當(dāng)作像來量?。?,,,②節(jié)平面上一對(duì)共軛直線的橫向放大率：?＝+1 ——節(jié)（主）平面的特征

64、 ， 若：n＝n′，有： ， 而 ? ＝ +1 ，∴ ? ＝＋1 。 由上可知，這也是主平面的特征。 故：光具組的兩邊為同一介質(zhì)時(shí)，節(jié)平面和主平面重合，物像兩方焦距的絕對(duì)值相等。 （例如置于空氣中的光具組）,一般理想光具組的作圖求像法和物像公式,一、三條光線作圖法 二、任意光線作圖法 三、光具組的物像公式,

65、1）三條光線作圖法,若物點(diǎn)Q不在主軸上，則可利用下述三條特殊光線的任兩條求其共軛像點(diǎn)的位置(已知基點(diǎn)）,,,,,,2）任意光線作圖法,若物點(diǎn)在主軸上，則可利用焦平面的性質(zhì)來確定像的位置，其步驟如下：（對(duì)于任意光線（或它的延長線），則仍可按此法作之）,,,,,,3）光具組的物像公式,表示物像關(guān)系的高斯公式和牛頓公式等仍然成立，只是把頂點(diǎn)代以主點(diǎn)而已，即物距從物方主點(diǎn)算起，像距從像方主點(diǎn)算起。,,,,,·,·,例

66、 一個(gè)凸透鏡和一個(gè)凹透鏡組合成為共軸光具組。用作圖法求該光具組的主點(diǎn)、焦點(diǎn)位置。,已知F1’、 F2 、 F2’的位置和L1、 L2 的相對(duì)位置，可用逐面成像法求H、H’、F、F’。,,,,·,·,,·,·,,F,H,F’,H’,,像方主平面,物方主平面,第3章 小結(jié),一 、基本概念和基本規(guī)律,二、光在平面界面上的反射和折射,,,PPˊ= d(1-1/n),三、光在球面上的反射和折射,,,,,,四

67、、薄透鏡 Ф= ，,空氣中的薄透鏡：,薄透鏡作圖成像法,五、復(fù)合光具組,例題1：凸透鏡的焦距為10 cm，凹透鏡的焦距為4cm， 兩透鏡相距12cm，已知物置于凸透鏡左方20cm處，計(jì)算像的位置并作光路圖。,解：,如圖所示，設(shè)物為 PQ，就透鏡 O1而言，根據(jù)新笛卡兒符號(hào)法則可知：,f’=10 cm （像方焦點(diǎn)在透鏡的右方） （物置于透鏡的左

68、方）代入薄透鏡的高斯公式 得：得， （P’Q’ ），為倒立的實(shí)像(未考慮凹透鏡的存在)。,(2)實(shí)像P’Q’對(duì)凹透鏡而言為虛物,(像方焦點(diǎn)在透鏡O2的左方),S2=20-12=8cm,(虛物位于在透鏡O2的右方),應(yīng)用公式,可得:,(P’’Q’’，正立虛像）,例題2：在焦距為30 cm的凸透鏡 O1前 15 cm處置一物點(diǎn)在主軸上，在透鏡后d=15 cm處放一平面鏡

69、O2垂直于主軸，試求像的位置。,（1）如圖所示，設(shè)物點(diǎn)為P，就透鏡O1而言，由符號(hào)法則可知：,「解」,f1’=30 cm（像方焦點(diǎn)在透鏡的右側(cè)）,S1=-15 cm（物在透鏡的左側(cè)）,代入高斯公式：,得：S1’=-30cm,因?yàn)?S1’為負(fù)值，像在透鏡的左方，所以經(jīng)透鏡 O1成的像 P’ 為一虛像，且和物位于透鏡的同側(cè)．,（2）就平面鏡O2而言， S2=-d+S1’=45 cm,像P’對(duì)透鏡而言是