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第10章 几何光学的近轴理论
10.2 几何光学的基本概念
1、几何光学是关于物体所发出的光线经光学系统成像的理论。
2、几何光学是建立在实验的基础之上的。
3、几何光学中,光的物理模型是几何学上的线,即”光线”。
4、“光线”模型来自于物理实验。
一、几何光学的实验定律
1、光的直线传播定律
在均匀介质中,光沿直线传播。非均匀介质,光的传播发生偏折。
几何光学的局限: a.几何光学是关于光的唯象理论;b.不涉及光的物理本质。c.对于光线,是无法从物理上定义其速度的;d.在几何光学领域,也无法定义诸如波长、频率、能量等物理量。
2、光的反射定律
a.发射光在入射面内;b.反射角等于入射角。
3、光的折射定律(Snell定律)(法国笛卡尔定律)
折射率:只与两种介质有关。
光的色散:一束平行的白光(复色光) 从一种媒质(例如真空或空气)射入另一种媒质时只要入射角不等于0,不同颜色的光在空间散开来。说明不同颜色的光具有不同的折射角,即不同的折射率。
4、光路可逆原理
光线如果沿原来反射和折射方向入看时,则相应的反射和折射光将沿原来的入射光的方向。(可以说是物像共轭)
二、费马(Fermat)原理
光实际传播的路径,是与介质有关的。
两点间光的实际路径,是光程平稳的路径。
椭球面内两焦点间光的路径,光程是恒定的。
在椭球面上一点作相切的平面和球面,则经平面反射的光线中,实际光线光程最小,经球面反射的光线中,实际光线光程最大。
抛物面焦点发出的光,反射后变为平行光,汇聚在无穷远处,光程为极大值。
物像之间的等光程性
物点Q与像点Q‘之间的光程总是平稳的,即不管光线经过何路径,凡是由Q通过同样的光学系统到达Q’的光线,都是等光程的。
三、几何光学定律成立的条件
1、光学系统的尺度远大于光波的波长。
2、介质是各向同性的。
3、光强不是很大
10.3 反射与折射的应用
10.3.1 光在平面上的反射
“虚光线”与“虚像”
平面镜可以严格成像。
10.3.2 光在平面上的折射
1、折射光
来自同一点光源的入射光,经平面折射后,其折射光线的反向延长线不再汇聚于同一点。因而严格说来,折射是不能成像的。
不是不能成像,而是不能严格成像。
2、棱镜
3、全反射
4、全反射棱镜
5、光纤
单根光纤不能传输图像