Q 出射光线
O
I’
N
即
sin I = n ab sin I '
33
nab:介质 b 对介质 a 的相对折射率，如果介质 a 为真空， 则介质 b 对真空的折射率也称为绝对折射率，用nb 表 示。
Applied Optics
也可表述为：
c nb = vb
c：在真空中光速，vb：在介质 b 中光速 两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的 速度表示 v
23 Applied Optics
一. 发光点 几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当 光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也 可认为是一个点。 天体 遥远的距离 观察者
24
Applied Optics
任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1、本身发光。 2、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成 像规律来推断整个物体的成像。
35 Applied Optics
（二）反射定律 （1）反射光线在由入 射光线和法线所决定的 平面内
入射光 线
法线 N I I” O
反射光线
（2）入射角 I和反射角I’’ 的绝对值相同，可表示为
I " = I
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
36 Applied Optics
第一章 几何光学基本原理
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
日用：扫描仪、光碟、 照相机
10
Applied Optics
光的本质
光的本质的认知过程 1666年 年 牛顿 微粒说 弹性粒子 1678年 年 惠更斯 波动说 以太弹性波 1905年 年 爱因斯坦 光子假设 1801年 年 托马斯杨 托马斯 杨 双缝实验
第一章 几何光学基本原理
光波和光线 几何光学基本定律 光路可逆和全反射 光学系统类别和成像的概念 理想像和理想光学系统
46
Applied Optics
1-4 光学系统类别和成像的概念
※光学系统 的作用之一是对物体成像，因此必须搞 清物像的基本概念和它们的关系。 ※ 物体通过光学系统（光组）成像，光学系统(各 种光学仪器)由一系列光学零件 组成。。 ※ 光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线， 称为光轴。这种系统被称为“共轴系统” 光轴
这意味着光信号越容易耦合入光纤！
44 Applied Optics
光的直线传播定律、独立传播定律、折射和反射定 律是几何光学的基本定律，是研究光线传播和成像 问题的基础。 ※从上述定律可以得到光线传播的一个重要原理— 光路的可逆性原理。利用这一原理，可以由物求像， 也可以由像求物。
45
Applied Optics
4 Applied Optics
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
农业：收割、除草、 叶面与果实的检测
5
Applied Optics
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
军事：望远镜、夜视 仪、导弹制导、激光 测距、无人驾驶侦探 机、平视显示器等等
6 Applied Optics
光轴
顶点
50 Applied Optics
常见光学零件 1、反射镜
51
Applied Optics
2、透镜 （1）正透镜：中心比边缘厚度大，起会聚作用 （2）负透镜：中心比边缘厚度小，起发散作用
正透镜 （会聚透镜）
52
负透镜 （发散透镜）
Applied Optics
正透镜
15
Applied Optics
参考书目 1、安连生，《应用光学》，北京理工大学出版社 2、张以谟，《应用光学》，电子工业出版社 3、石顺祥，《物理光学与应用光学》， 西安电子科技大学出版社 4、胡玉禧，《应用光学》，中国科技大学出版社 5、赵凯华，《光学》，北京大学出版社
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Applied Optics
1 i0 = arcsin( n 2 n' 2 ) 可以得到： na 当入射角 i < i0 时，可以全反射传送，
当 i > i0 时，光线将会透过内壁进入包层
43 Applied Optics
定义
na sin i0 为光纤的数值孔径
i0越大，可以进入光纤的光能就越多，也就是光纤 能够传送的光能越多。
现在 波粒二象性
11
1873年 年 麦克斯韦 电磁场理论
Applied Optics
光的本质
光具有波粒二象性。一般看作电磁波
可见光波长： 400~760nm
物理光学 几何光学
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波动性 粒子性
Applied Optics
光的研究
二十世纪六十年代，激光问世。 从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了 许许多多新兴的光学学科。 傅立叶光学 全息光学 薄膜光学
20 Applied Optics
从本质上讲，光是电磁波，它是按照波动理论进 行传播。 但是按照波动理论来讨论光经透镜和光学系 统是的传播规律或成像问题时将会造成计算 和处理上的很大困难，在实际解决问题时也 不方便。
太不方便了！
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Applied Optics
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。
27 Applied Optics
同心光束：发自一点或会聚于一点，为球面波
平行光束：光线彼此平行，是平面波
28
Applied Optics
像散光束：光线既不平行，又不相交，波面为曲面。
在几何光学中研究成像时，主要要搞清光线在光学元 件中的传播途径，这个途径称为光路 实际做法：从光束中取出一个适当的截面，再求出其 上几条光线的光路，即可解决成像问题。这种截面称 为光束截面
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
天文：资源勘探、星 际探索
7
Applied Optics
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
医学：CT、胃镜、虹 膜检测、生物检测
8
Applied Optics
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
通信：光缆通讯
9
Applied Optics
进入光纤的光线在纤芯与包层的分界面上连续发生 全发射，直至另一i0
n
i '0
B
i'0
π
2
A
S 当
42
π
2
i'0 大于临界角时，就发生全发射。
Applied Optics
n'
na
i0
n
i '0
B
i '0
π
2
A
S n 根据折射定律，又有： a sin i0 = n sin i'0
应用光学
Applied Optics
1
研究光的意义
自然界中的光学现象
佛光
2
彩虹
日晕
Applied Optics
光学的应用领域越来越广泛 工业 通信 日用 医学 天文
3 Applied Optics
农业
军事
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
工业：显微镜、汽车 车身的检测、机器人 视觉、材料金相结构 等等
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Applied Optics
三、折射和反射定律 光的折射和反射定律研究光传播到两种均匀介质的 分界面时的定律。 入射光线
法线
（一）折射定律 I：入射角 I’：折射角
I O Q 出射光线 na nb
I’
N
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Applied Optics
入射光线 I
法线
（1）折射光线位于由入射光线和 法线所决定的平面内，折射光线和 入射光线分居法线两侧。 （2）入射角的正弦和折射角的正 na 弦之比与两角度的大小无关，仅决 nb 定于介质的性质，为一恒量nab
光波和光线 几何光学基本定律 光路可逆和全反射 光学系统类别和成像的概念 理想像和理想光学系统
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Applied Optics
1-3 光路可逆和全反射
全反射现象 一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。 由公式 n sin I = n' sin I ' 可知
sin I < sin I '
Applied Optics
第一章
几何光学基本原理
Applied Optics
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第一章 几何光学基本原理
光波和光线 几何光学基本定律 光路可逆和全反射 光学系统类别和成像的概念 理想像和理想光学系统
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1-1 光波和光线
在工农业、科学技术以及人类生活的各个领域，使 用着种类繁多的的光学仪器，如望远镜，显微镜， 投影仪等。 光学系统：千差万别 但是其基本功能是共同的：传输光能或对所研究的 目标成像。 研究光的传播和光学成像的规律对于设计 光学仪器具有本质的意义！
课程要求 上课时间：周二 3、4节 地点：A340 单周周四 5、6节 地点：A244 答疑安排：周二下午 三号实验楼206办公室 考核方式：闭卷考试 计分方式：平时成绩 30% 考勤+作业 期末成绩 70% 卷面成绩 课程要求：缺勤一次扣5分，三次和三次以上缺勤者不 缺勤一次扣5
准参加期末考试
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Applied Optics
二、光线 发光点向四周辐射光能量，在几何光学中将发光 点发出的光抽象为带有能量的线，它代表光的传 播方向。
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Applied Optics
三、光束 一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光向 四周传播，形成以发光点为球心的球面波。 某一时刻相位相 同的点构成的面 称为波面 波面上某一点的法线就是这一点上光的传播方 向，波面上的法线束称为光束