绿
青
蓝
紫
4
光的本质 • 现代物理学认为光具有波、粒二象性：既 • • • • •
有波动性，又有粒子性。 一般除研究光与物质相互作用，须考虑光 的粒子性外，其它情况均可以将光看成是 电磁波。 可见光的波长范围：380-780nm。 单色光：同一波长的光引起眼睛的感觉是 同一个颜色，称之为单色光。 复色光：由不同波长的光混合成的光。 白 光：由各种波长光混合在一起而成的一 种复色光。
I2 C
30
1.4 光路可逆和全反射
•光路可逆 •光的全反射
total reflection
在一般情况下，光线至透明介质 的分界面时，将同时发生反射和 折射。在一定的条件下，界面可 将入射光线全部反射回去，而无 折射现象，这就是光的全反射。
31
光的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ反射 1、现象
空气 水
A
O1
I2
O2
O3 I0
虚物不能人为设定，它是前一系统所成的像被
当前系统截取得到的。
A
A
A’
51
请判断物与像的虚实
A a. 实物成实像
A’
A
A’ b. 实物成虚像
A’ c. 虚物成实像 （对于第二个透镜）
A
A’
A
d. 虚物成虚像
52
注意：物、像的概念是相对于光组来说的
这意味着光信号越容易耦合入光纤。
40
第一章 几何光学基本原理
1.1 光波和光线 1.2 几何光学基本定律 1.4 光路可逆和全反射 1.6 光学系统类别和成像 1.7 理想像和理想光学系统
41
1.6 光学系统类别和成像
一. 光学系统基本概念
光学系统：由一系列反射、折射表面（零件） 按一定方式组合而成，从而满足一定使用要求 的组合 球面系统：光学表面均为球面 共轴球面系统：各球面的球心均在一直线上 光轴：系统的对称轴（连接各球心的直线） 顶点：光轴与球面的交点
33
当光线从玻璃射向与空气接触的表面时，玻 璃的折射率不同、对应的临界角不同
n I0
1.5 41°4 8’
1.52
1.54
1.56 39°5 2’
1.58 39°1 6’
1.60 38°4 1’
1.62
1.64
1.66 37°3’
41°8’ 40°3 0’
37°7’ 37°3 4’
34
•
例如 从某种玻璃到空气的交界面：n=1.5, n′=1 Im=sin-1 1.5/1=41.8° I > Im,可发生全反射
49
虚物和虚像
物方光线延 长线交点
B’
A
像方光线反像 延长线交点
虚像不能被相机底片、CCD等探测器接 收，但可以被眼睛观察到。
50
注意：实物与虚物的区别： ※ 实物：自己发光的物体。
如灯泡、蜡烛等，也可以是被照明后发光的物 体，如人物，景物等。
※ 虚物：不是由实际光线而是由光线的延长线 相交而成的物。
37
光导纤维号称现代信息系统的神经
由内层折射率较高的纤芯和外层折射率较低的包层组成
38
光纤
临界入射角： 数值孔径：
1 2 n12 n2 sin i n0
NA n0sin i n n
2 1
2 2
39
定义
na sin i0
为光纤的数值孔径
是光纤能够传送的光能越多。
i0 越大，可以进入光纤的光能就越多，也就
20
1.2 几何光学基本定律
•
光的直线传播定律 各向同性的均匀介质 局限性 • 当光经过尺寸与光波长接近或更 小的小孔或狭缝时，光的传播将 偏离直线——“光的衍射” • 当光在非均匀介质中传播时，是 沿曲线传播的
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•光的独立传播定律
从不同光源发出的光线，在空间 某点相遇时，彼此互不影响，各 光线独立传播 利用这条定律，研究某一光线传 播时，可不考虑其它光线的影响。 大大简化我们对光线传播的研究
11
• 波前
wave front
波前：某一瞬间波动所到达的位置构成的曲面 波面：传播过程中振动相位相同的各点所连结成 的曲面 在任何的时刻都只能有一个确定的波前； 波面的数目则是任意多的
t + Δt 时刻波前 t 时刻波前
光线是波面的法线 波面是所有光线的垂 直曲面
A
点光源A的光线和波面
12
好累！太不方 便了！
7
• 按照近代物理学的观点，光具有波粒二象
性，那么如果只考虑光的粒子性，把光源发 出的光抽象成一条条光线，然后按此来研究 光学系统成像。
问题变得简单 而且实用！
8
几何光学：以光线为基础，用几何的方法来研究光在
介质中的传播规律及光学系统的成像特性。
• 点：光源、焦点、物点、像点 • 线：光线、法线、光轴 • 面：物面、像面、反射面、折射面
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光线是波面的法线 波面是所有光线的垂直曲面 同心光束：由一点发出或交于一点的光束 有限远 对应的波面为球面波
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像散光束：不严格交于一点，波面为非球面
15
平行光束: 波面为平面
无限远
16
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第一章 几何光学基本原理
1.1 光波和光线 1.2 几何光学基本定律 1.4 光路可逆和全反射 1.6 光学系统类别和成像 1.7 理想像和理想光学系统
O4
I1 R1
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当入射角增大到某一程度时，折射角达到90° 折射光线沿界面掠射出去，这时的入射角为 临界入射角
sin I m n sin I / n n sin 90 / n n / n
' ' ' '
当I > Im时，I′变为虚数 折射光消失，能量全部被反射
发生全反射的条件： •光线由光密向光疏介质入射 •入射角>临界角
• 反射定律可以看作折射定律的特殊情况
(n′= -n)
25
判断光线如何折射
I1 空气 n=1 水 n=1.33
I1 玻璃 n=1.5 I2 I2 空气 n=1
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I1 c 空气 n小 玻璃 n大 空气 n小 玻璃 n大
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第一章 几何光学基本原理
1.1 光波和光线 1.2 几何光学基本定律 1.4 光路可逆和全反射 1.6 光学系统类别和成像 1.7 理想像和理想光学系统
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1.4 光路可逆和全反射
• 光路可逆
1、现象
• 全反射
A
B
用射出去的光路在一定条件下可以决定射回的光路 利用光路的可逆性可以由物求像，也可以由像求物。
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2、证明 直线传播 ： 反射：I1=R1
R1=I1 A I1 R1 A B B
折射：
n1 Sin I1 = n2 Sin I2 n2 Sin I2 = n1 Sin I1
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• 由两个球面构成的透镜中，通过两球面球心的直线为光轴。
光轴与透镜面的交点称为：顶点
光轴
顶点
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• 若有一个面为平面，则光轴通过球面的球心与平面垂直。
光轴
顶点
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光学系统
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光学系统分类
按有无对称轴分： 共轴系统：系统具有一条对称轴线，光轴 非共轴系统：没有对称轴线 按介质分界面形状分： 球面系统：系统中的光学零件均由球面构成 非球面系统：系统中包含有非球面 共轴球面系统：系统光学零件由球面构 成，并且具有一条对称轴线
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1.2 几何光学基本定律
• 几何光学是以光线的概念为基础，采用
几何的方法研究光在介质中的传播规律
和光学系统的成像特性。
• 按几何光学的观点，光经过介质的传播问
题可归结为四个基本定律：光的直线传播 定律、光的独立传播定律、光的反射定律 和折射定律
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几何光学的适用条件
•光学系统的尺度远大于光波的波长 •介质是各向同性的
入射 面
n
I I ''
界面
I
'
n'
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• 折射定律
在同一平面内
nsinI=n'sinI′
• 折射率n：表征透明介质光学性质的重要参数之一。
n=c/v
描述介质中的光速相对于真空中的 光速减慢程度的物理量
空气，n 略大于1（实际应用中大都假设为≈1） 水，n ≈1.3 玻璃，n ≈1.45 –1.75
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• 光的反射和折射定律
光传播到两种不同介质的 光滑分界面上时，继续传播 的光线或返回原介质，或进 入另一介质。前者称为光的 反射，后者为光的折射。
I
-I′′
n
I′
n′
• 光的反射定律
同一平面内；法线的两侧 反射角等于入射角 I′′=-I
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法线: 过投射点所做的分界面垂线 入射角: 入射光线和法线的夹角 反射角: 反射光线和法线的夹角 折射角： 折射光线和法线的夹角 入射面：入射光线和法线所构成的平面
第一章 几何光学基本原理
微电子技术系 王昱琳
第一章 几何光学基本原理
1.1 光波和光线 1.2 几何光学基本定律 1.4 光路可逆和全反射 1.6 光学系统类别和成像 1.7 理想像和理想光学系统
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1.1 光波和光线
• 光波
光波是一种电磁波，是一定频率范围 内的电磁波，波长比一般的无线电波 短 • 可见光：380nm-780nm • 紫外光：5-380nm • 红外光：780nm-40µm • 近红外：780nm-3µm • 中红外：3µm－6µm • 远红外：6µm－40µm
由于光具有波动性，因此这种只考虑粒子 性的研究方法只是一种对真实情况的近似 处理方法。必要时要辅以波动光学理论。