学的时代!
学好光学 ,有助于进一步深入学习电动力学、光电
子技术、激光原理及应用等相关课程，同时也进一
步加深对微观和宏观世界的联系与规律的认识。
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光学的发展：经典光学 经典光学：
现代光学
1、几何光学
光的传播、反射、折射、成像等。 2、物理光学 ①波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。 ②量子光学：光的吸收、散射、色散、光
虚物成虚像
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
实物成实像
实物成虚像
虚物成实像
虚物成虚像
虚像只能人眼观察不能记录。 反向延长线并不是实际光线，只是人脑对进入人眼的光线的一种经 验性的逆向推理，实际并不存在，所以在成像位置上放上光屏，光 屏上并不会有光线照射到，因此虚像不能为光屏接收。
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
第一节 几何光学的基本定律 四、马吕斯定律
马吕斯定律描述了光经过多次反射折射后，光束与波面、光 线与光程的关系. 马吕斯定律：（1）光束在各向同性的均匀介质中传播时， 始终保持着与波面的正交性，并且（2）入射波面与出射波面 对应点之间的光程均为定值。
折反射定律、费马原理和马吕斯定律三者中任意一个均可视为几 何光学的三个基本定律之一，而把另两个作为其基本定律的推论。
3.光路计算和近轴光学系统
4.球面光学成像系统
第一节 几何光学的基本定律
一、关于光的基本概念 1、光波 （1）光是一种电磁波,其在空间的传播和在界面的行为遵从电 磁波的一般规律。 （2）可见光波长λ为400nm—760nm。对于不同波长的光，人 们感受到的颜色不同。 （3）光在真空中的传播速度c为：30万公里/秒，在介质中的 传播速度小于c，且随波长的不同而不同。 （4）单色光：具有单一波长的光。 复色光：不同波长的单色光混合而成的光。(如日光)
第二节 成像的基本概念与完善成像条件 二、完善成像条件 表述一：入射波面是球面波时，出射波面也是球面波。 表述二：入射是同心光束时，出射光也是同心光束。 表述三：物点及其像点之间任意两条光路的光程相等。
n0
1
n1
共轴光学系统
n’k
Ek E nk EAk n0 A1E n1EE1 n2 E1E2 nk n0 AO 1 n1OO 1 n2O 1O2 nk Ok E nk O Ak C
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
实物成实像
实物成虚像
虚物成实像
虚物成虚像
虚物不能人为设定，它是前一光学系统的实像被当前系统所截而得。 实物、虚像对应发散同心光束， 虚物、实像对应会聚同心光束。 因此，几个光学系统组合时，前一系统形成的虚像应看成是当前系 统的实物。
第三节 光路计算与近轴光学系统
大多数光学系统都是由折、反射球面或平面组成的 共轴球面光学系统。
而平面可看作是 r 的球面特例，反射则是折射在 n' n 时的特例，所以折射球面系统具有普通意义。 光学系统是由多个折射球面组成，因此首先讨论单 个折射球面折射的光路计算问题，再过渡到整个光学系 统。
第三节 光路计算与近轴光学系统 一、基本概念与符号规则
n
P n
Q
N
I
反射是折射在
时的特例 折射率：n=c/v 。 折射率是用来描述介质中光速减慢程度的物理量。
C
n n
真空的折射率为1，介质相对于真空的折射率为绝对折射率。
第一节 几何光学的基本定律
4、全反射现象 当光线射至透明介质的光滑分界面而发生折射时，必然 会伴随着部分光线的反射。在一定条件下，该界 面可以将全部入射光线反射回原介质而无折射光通过， 这就是光的全反射现象。 光密介质： 分界面两边折射率较高 n 的介质 P n 光疏介质： 分界面两边折射率较低 的介质
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
三、物、像的虚实
实际光线：光的反射现象中指的是反射 光线,在光的折射中指的是折射光线
实物（像）：由实际光线相交会聚而形成的物（像）。
虚物（像）：由光线的延长线相交形成的物（像） 。
请注意下图中的实物、实像、虚物、虚像以及物空间、像空间
实物成实像
实物成虚像
虚物成实像
n0 sin I1 n1 n2
第一节 几何光学的基本定律 三、费马原理
光程：光线在介质中传播的几何距离l与介质折射率n 的乘积。 s nl
光程等于光在真空中相同时间内传播的距离。
若介质折射率是空间坐标的函数n=n(x,y,z)，则从A点 到B点光线可能为一空间曲线，其光程方程为
s ndl
第二节 成像的基本概念与完善成像条件
一、光学系统与成像概念
1、光学系统的作用： 对物体成像，扩展人眼的功能。 2、完善像点： 若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍为 同心光束，该光束的中心即为该物点的完善像点。 3、完善像： 完善像点的集合。
4、物空间、像空间： 物（像）所在的空间。
第二节 成像的基本概念与完善成像条件 5、共轴光学系统： 若光学系统中各个光学元件表面的曲率中心在一条直 线上，则该光学系统是共轴光学系统。 6、光轴： 光学系统中各个光学元件表面的曲率中心的连线。 光轴
设在空间存在如下一个折射球面OE：
C：球面中心（曲率中心） r ：折射球面的曲率半径 O：光轴与球面的交点称
2.证明：光线相继经过几个平行分界面的多层媒质时，出 射光线的方向只与两边的折射率有关，与中间各层媒质 无关。
3.在水中深度为y处有一发光点Q，作QO垂直于水面，求 射出水面折射光线的延长线与QO交点Q’的深度y’与入 射角 的关系。 4.设光导纤维玻璃芯和外包层的折射率分别为n1和n2 （n1>n2），垂直端面外的媒质的折射率为n0。试证明： 能使光线在纤芯发生全反射的入射光束的最大孔径角 满足 n0 sin I1 称为纤维的数值孔径。 2 2 。其中，
S1
一般情况下，交会处的光强度 是各光束强度的简单叠加： I=I1+I2 若1=2、相位差不随时间变 化,且振动方向不是相互垂直， 则此区内的光强分布将呈现为 相干分布。
S2
第一节 几何光学的基本定律 3、反射定律和折射定律
入射角、反射角和折射角，由光线转向法线，顺 时针方向旋转形成的角度为正，反之为负。 反射定律： 入射光线、反射光线和分界面上入射点的法线三者在同一 平面内。 入射角和反射角的绝对值相等而符号相反，即入射光线和反 射光线位于法线的两侧，即： I I
A
I
Im
Q
n n
第一节 几何光学的基本定律 由折射定律可求出临界角Im
由： n sin I
n sin I
全反射条件： ①光线从光密介质进入光疏介质； ②入射角大于临界角。 应用：反射棱镜、光纤等。
I
。 sin I m n sin I / n n sin 90 / n n / n
工程光学
杨静 yangjingwdx@
物理与机电工程学院
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验
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实物成实像
实物成虚像
实像与虚像的判断：
虚物成实像
虚物成虚像
1、实际光线相交形成的是实像,由实际光线的反向延长线相交形成的 是虚像. 2、可以用光屏承接到或记录下来的是实像,不能用光屏记录下来的 是虚像. 3、倒立的必定是实像,正立的必定是虚像. 4、像与物体如果位于透镜的异侧就是实像,像与物体如果位于透镜 的同侧就是虚像.
A
B
n
dl
A
B
第一节 几何光学的基本定律
费马原理： 光线从一点传播到另一点，其间无论进行了多少次反 射或折射，其光程为极值（极大、极小、常量）。光是 沿着光程为极值的方向传播的。 由极值条件得费马原理的数学表示：
费马原理可解释：在均匀介质中，光沿直线传播。 在非均匀介质中，光不再沿直线传播，此时折射率n 为空间位置的函数，其光程应为极值。 费马原理是描述光线传播的基本定律，利用费马原 理可以导出光的直线传播定律和反射、折射定律。
A
N
I
I
B
n
P n
O N
I
Q
C
第一节 几何光学的基本定律
折射定律： 入射光线、折射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面 内。 入射角的正弦与折射角的正弦之比和入射角的大小无关，只 与两种介质的折射率有关。 A N B I I 折射定律可表示为
sin I n sin I n n sin I n sin I
s ndl 0
A
B
A
（x,0）
B
C
• 1、费马原理：几何光学中的一条重要原理，由此 原理可证明光在均匀介质中传播时遵从的直线传 播定律、反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜 的等光程性等。 • 2、光的可逆性原理是几何光学中的一条普遍原理， 该原理说，若光线在介质中沿某一路径传播，当 光线反向时，必沿同一路径逆向传播 。 • 3、费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径， 不论光线正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。 因而借助于费马原理可说明光的可逆性原理的正 确性。光在任意介质中从一点传播到另一点时， 沿所需时间最短的路径传播。
⑦晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的
电光效应等。
瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激
拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光……
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第一章 几何光学的基本定律与成像概念 几何光学
几何光学，把光看成一条射线，研究光在透明均 匀介质中的传播规律。 本章主要介绍：