即折射光线较入射光线偏离法线
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当 光 由 光 密 介 质 射 向 光 46 疏
即当光束由光密媒质进入光疏媒质时，折射角总是 大于入射角。 对应于折射角等于90度时的入射角的被称为临界角 记为 I m ,可知
n sin I m n
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全反射的两个条件：
（1）光密到光疏介质； （2）入射角大于临界角；
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▲ 工程光学的研究内容
该课程的任务，就是利用光学的基本理论， 设计和研究各种测试用的计量仪器。
▲工程光学的学习方法
1.观察和实验 2. 学习理论回到实践
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本课程的主要参考资料
• 1、《工程光学》，郁道银，谈恒英编.机械 工业出版社. • 2、《工程光学》李湘宁 主编 科学出版社
宇 宙 1 号 太 阳 帆
宇宙1号的太阳帆面积 为530.93平方米，由光 压获得的推力为255克。 如果太阳帆的直径增 至300米，其面积则为 70686平方米，由光压 获得的推力即为0.034 吨。根据理论计算， 这一推力可使重约0.5 吨的航天器在200多天 内飞抵火星
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应该指出的是，人们对光 的认识还远未完结，对光 的本性、传播规律以及光 与物质相互作用的研究还 在不断继续。
• 相对折射率：当光线从第一介质进入第二介质时，第二介 质相对于第一介质的折射率称为相对折射率，其值为第二 介质折射率与第一介质折射率之比，记为n21。
• 通常所讲的介质的折射率是介质相对于空气的折射率。
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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。
s nl
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费马原理
• 费马原理指出，光从一点传播到另一点沿的是极值光程路径。即 光沿光程为极大值、或极小值、或常量值的路径传播，其数学表 示为光程的一阶变分为0：
s n dl 0
A
B
返回
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• 至于光程走的是极大值还是极小值，这要取决于折射表面的曲率及两 点之间的位置，大多数情况下是极小值。费马原理可以用来证明光的 直线传播定律和光的折、反射定律.
I’ N
n
即
sin I nab sin I '
nab :介质 a对介质 b 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
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也可表述为：
c nb vb
v b ：在介质 b 中光速
C：在真空中光速，
两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示
(quantum optics)
以光和物质相互作 用时显示的粒子性 为基础来研究光学 问题。
3
▲ 光学发展简史
• 1. 1600年前后，几何光学的基础初步 奠定时期（萌芽时期） 主要成就：
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4
1.对光的直线传播，反射，折射现象的定量描述。
2. 制成平面镜 球面镜 凸透镜，并研究了成像规律。 3.对天然色散现象进行了研究 4.懂得了矫正视力
• 3、《计量工程光学》 徐家骅 主编 机械工业出版社
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第一章
几何光学的基本原理
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§1-1 光波和光线
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
费马原理的应用
• 1、由费马原理导出反射 定律 • AM+MB=(AB)= (AM+MB ')=(AB') • I入射角=I'反射角
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2、费马原理导出折射定律
( AOB) n1 AO n2 OB n1 a12 x 2 n2 a12 (b x ) 2

博学 求真 惟恒 创新
工程光学
授课教师： 胡金敏
质量技术监督学院
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绪 论
▲ 研究内容 1、光的发射、传播、本性和光与其它物质相互作用的规律。 ２、光和物质的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的 机械作用、光的热效应、光的电效应、光的化学效应、光 的生理效应等。 内容可分为：几何光学（应用光学）和（物理光学）、波 动光学、量子光学、现代光学 ）。 ▲ 研究方法 观察和实验
日用：扫描仪、光碟、照相机
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哈勃太空望远镜
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“哈勃” 太空望远 镜拍摄的 狮子座“N GC 3370” 螺旋星系 的照片
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哈勃望远 镜2002年 5月到12 月拍摄到 的太空神 秘发光星 体图片
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人们还在不断研究光的应用领域
例如：光束相交处的光强是一种简单的叠加，探照灯。
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折射率(n)
• 一定波长的单色光在真空中的传播速度与它在给定介质中 的传播速度之比，称为该介质对指定波长的光的绝对折射 率。即： n = c/v
•
• 折射率高的介质，光速低，称为光密介质； • 折射率低的介质，光速高，称为光疏介质。
全反射的应用：
（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代 替平面反射镜。 （2）制造光导纤维。
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• 光纤通常用d = 5-60μm的透明丝作芯料，为 光密介质；外有涂层，为光疏介质。只要满足 光线在其中全反射，则可实现无损传输。 • 光纤按折射率随r分布特点可分为均匀光纤和非 均匀光纤两种。其中非均匀光纤具有光程短， 光能损失小，光透过率高等优点。
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5
5.发明了暗箱，透镜的组合，为制造光学仪器奠定了 基础
6.制成了人造光源（曲灯，蜡烛）
7. 开始对光的本性进行探索
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6
2. 1600年~1820年，快速发展时期
（1）制成了复式显微镜，促进了生物学 医学发展 （2）多样式望远镜，为天体研究及牛顿力学发展奠 定了基础 （3）形成了几何光学的基本定律（开普勒，菲涅 尔，费马定律
分析、抽象、综合
提出假设，形成理论
接受实践检验、完善理论
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光学
几何光学
(geometrical optics) 以光的直线传播 为基础，研究光 在透明介质中的 传播问题。
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波动光学
(wave optics)
以光的波动性 质为基础，研 究光的传播及 其规律问题。
量子光学
d ( AOB) dx
n1 x a x
2 1 2

n2 (b x ) a12 (b x ) 2
n1 sin I n2 sin I `
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§1-4 光的全反射
全反射现象
n sin I n' sin I '
当 n n可知
sin I sin I '
51
n'
na
i0
n
i '0
B
i '0

2
A
S 根据折射定律，又有：
na sini0 n sini'0
n n' )
2 2
1 可以得到： i0 arcsin( na
通常认为空气的折射率也为1，把其他介质相对于空 气的折射率作为该介质的绝对折射率。
提示：但是在设计高精度的太空中的光学仪器 时，就必须考虑空气和真空折射率的不同。
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法线
(二）反射定
（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
反射光线
N
律
I
O
I”
（2）入射角 I和反射角I’’ 的绝对值相同，可表示为
（一）折射定律
I：入射角
入射光线
法线
I
O
I’：折射角
I’ N
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nb na
Q
出射光线
36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。
nb na
Q
出射光线
（2）入射角的正弦和折射角的正弦 之比与两角度的大小无关，仅决定于 介质的性质，为一恒量 ab
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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
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传光原理：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，直至另一端出射。
n'
B
i'0
na
i0
S A
n
i '0

2
当
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2
i'0 大于临界角时，就发生全发射。
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• 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
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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。
红外侦察
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