点光源 ： •
线光源 ：
面光源：
1.1
几何光学的基本概念
3. 光 线
物理学观点： 当光能从一个由两个光孔限制的细长空间（光管）中通过， 光管的横截面积与其长度相比可以忽略时，称此光管为“物 理光线”。 几何光学观点： 无直径、无体积、而有方向性的几何线。其方向代表光能传
播方向。
自然界中不存在这种能量密度为无限大的光线。 几何光学的发光点和光线的概念可以把复杂的能量传输和光
第一章 几何光学的基本定律与 成像概念

几何光学基本概念 几何光学的基本定律


费马原理及马吕斯定律
成像概念
1.1 几何光学的基本概念
1. 光波— 电磁波（横波）
1.1 几何光学的基本概念
1. 光波— 电磁波（横波）
在可见光范围内，不同波长引起不同颜色感觉。 可见光波长：400nm-760nm。
1.1 几何光学的基本概念
1. 光波— 电磁波（横波）
1.1 几何光学的基本概念
2. 光源（发光体）
物理学观点： 发光体：辐射光能的物体。 点光源：当光源大小与辐射光能的作用距离相比可忽略时。
几何光学观点： 发光体：本身发光的物体或者被照明的物体在研究光的传播 时的统称。 点光源（发光点）：讨论光传播时，常用发光体上的某些特 定几何点代表发光体。 • 发光点没有体积和线度，能量密度应为无限大。 • 是一种假设，在自然界不存在。
学成像问题归结为简单的几何运算问题。
1.1
几何光学的基本概念
4. 波面与光线
光波向周围传播，某一瞬时，其振动相位相同的各点所构 成的曲面称为波面。 可分为平面波、球面波或任意曲面波。
各向同性介质中，光沿着波面的法线方向传播。则认为光
波波面的法线即为几何光学中的光线。
光线
光源 波面
1.1
光线束在各向同性介质的传播过程中，始终保持着与波面的 正交性。
1.3 费马原理及马吕斯定律
2. 马吕斯定律—费马原理—折、反射定律
等 价 等 价
费马原理
马吕斯定律
光的直线传播定律 光的反射、折射定律
三者之间可以相互推导
1.4 成像的概念
1. 光 轴
光学系统通常由一个或多个光学元件组成，各光学元件由球 面、平面或非球面包围一定折射率的介质而组成。
1.2
几何光学的基本定律
2. 光的独立传播定律
从不同光源发出的光束以不同方向通过空间某点时，彼此 互不影响，各光束独立传播。 适用于不同发光点发出的光。
两束光波叠加后相干生成稳定的干涉条纹，必须满足3个基本相干条 件：频率相同、振动方向相同、相位差恒定。 必须利用同一发光原子（点）发出的光波分离成两束相干光波在波列 长度范围内重叠才能满足条件。
单色光：具有单一波长的光。复色光：几种单色光混合而成。 紫外光波段：1-400nm （真空紫外波段：100-300nm） 近红外波段：0.76-3μm （短波红外） 红外波段：3-6μm （中波红外） 远红外波段：6-15μm （长波或热红外） 极远红外波段：15-1000μm 太赫兹波段： 30μm-3mm （0.1-10THz）
1.4 成像的概念
思考题
光学系统中，被前一个折射面对物所成的像为后一个相邻折 射面的物。 图中各物（像）点位于哪个空间？是实的还是虚的？
1.4 成像的概念
单个界面对特定点成完善像
实际光学系统多采用一系列球面，满足一定条件时，能对 光轴附近的小物体近似成完善像。
课后作业
1.1， 1.4，1.8
1.1 几何光学的基本概念
5. 光束—像散光束
球面波通过实际光学系统总会发生变形，相应的光束不再会 聚于一点。 从实际波面上取出一个波面元进行讨论； 波面元上通过某点必有两条法截线（法线平面与曲面交线）； 一条曲率半径最大，另一条最小，且互相垂直（主截线）。
1.1
几何光学的基本概念
5. 光束—像散光束
几何光学的基本概念
5. 光束—与波面对应的法线（光线）集合
对应于波面为球面的光束称为同心光束。
发散光束：由实际点或光线延长线通过的一点发出的。
不能在屏上会聚成亮点，但能被人眼直接观察到。 会聚光束：所有光线或其延长线通过一点。 可以在屏上接收到亮点。 平行光束：与平面波相对应，是同心光束的一种特殊情况。
由反射定律和折射定律可知，当光线 自B点或C点投射到分界面上O点时， 反射光线或折射光线必沿OA方向射出。
对于均匀和非均匀折射率介质、简单和
复杂光学系统中，光的可逆性均成立。
1.2
几何光学的基本定一般镜面反射，因 为镜面的金属镀层对光 有吸收作用，全反射理 论上可使入射光全部反 射回原介质。
(b)
1.3 费马原理及马吕斯定律
1. 费马原理（光程极值原理）
1.3 费马原理及马吕斯定律
1. 费马原理—应用
1.3 费马原理及马吕斯定律
2. 马吕斯定律（光束与波面、波面与光程的关系）
垂直于波面的光线束（法线集合）经过任意次反射和折射后， 无论折射面和反射面的形状如何，出射光束仍垂直于出射波 面，保持光线束仍为法线集合的性质；且入射波面与出射波 面对应点之间光程均为定值。
2. 物像空间的判断方法—— 光学系统第一个曲面以前的空间称为“实 物空间”，第一个曲面以后的空间称为“虚物空间”；光学系统最后 一个曲面以后的空间称为“实像空间”，最后一个曲面以前的空间称 为“虚像空间”。 3. 物空间（不论是实物还是虚物）介质的折射率是指实际入射光线所在 空间介质折射率，像空间（不论是实像还是虚像）介质的折射率是指 实际出射光线所在空间介质的折射率。 4. 物和像都是相对某一系统而言的，前一系统的像则是后一系统的物。 物空间和像空间不仅一一对应，而且根据光的可逆性，若将物点移到 像点位置，使光沿反方向入射光学系统，则像在原来物点上。这样一 对相应的点称为“共轭点”。
1.2
几何光学的基本定律
3. 光线经过两种均匀介质分界面的传播定律
光学不变量
1.2
几何光学的基本定律
4. 光路的可逆性
假定某一条光线，沿着一定的路线。由A传播到B，如果我 们在B点沿着出射光线，按照相反的方向投射一条光线，则 此反向光线仍沿着此同一条路线，由B传播到A。光线传播 的这种性质，叫做“光路可逆性”。
像散差越小，光束越
接近于同心光束，波 面越接近于球面波。
1.2
几何光学的基本定律
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。 可以解释：影子的形成、日蚀、月蚀等现象。
是一切精密的天文、大地和其他测量的基础。
光波在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向，绕过障碍 物的边缘而进入几何阴影区，并在障碍物后的观察屏上呈现光强的不 均匀分布，这种现象称为光的衍射。 几何光学是波动光学在������∕������→������时的极限情形。
1.2 几何光学的基本定律
3. 光线经过两种均匀介质分界面的传播定律
一光束投射在两种透明而均匀的介质的理想平滑分界面上（入射光）； 有一部分光能被反射回原来的介质，称为“反射”（反射光）； 另一部分光能通过分界面射入第二种介质中去，但改变了传播方向， 称为“折射”（折射光）。
粗糙分界面上任一微小反射面仍然 遵守反射定律。
实物（实像）— 物方（像方）实际光线会聚而成的点。 虚物（虚像）— 物方（像方）实际光线延长线会聚而成的点。 物空间（像空间）— 构成物（像）的光线所处的空间。
实像可以被接收。
虚像可以被眼睛观察， 不能直接被接收，需
要转换为实像被接收。
1.4 成像的概念
3. 成完善像的条件
1. 物点不管是虚的还是实的，都是入射光线的交点；像点则是出射光线 的交点。无论是物还是像，光线延长线的交点都是虚的，而实际光线 的交点都是实的。
1.2 几何光学的基本定律
5. 全反射—应用
a) 使光线传播方向改变90°。
b) 使光线传播方向改变180°,使像的上下方位A、B倒转 过来 ，但左右方位C、D不变。 c) 使像的上下方位A、B和左右方位C、D都倒转过来。
1.2
几何光学的基本定律
n2 γ ic n1 n2
5. 全反射—应用
n0 i
组成光学系统的各个光学元件的表面曲率中心在同一条直线
上的光学系统称为共轴光学系统，该直线称为光轴。
一个球面有 无数光轴
一个透镜有 一个光轴
共轴球面系统
非共轴球面系统
1.4 成像的概念
2. 成像的有关概念
1.4 成像的概念
3. 成完善像的条件
发光体（自发光或被照明物体）每一物点发出球面波，通过 光学系统后仍为球面波，会聚为物体的完善像；或入射波面 和出射波面对应点间的光程为定值（马吕斯定律）。