光學(xué)成像基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)用教案

1、光線光線(gungxin)的傳播規(guī)律的傳播規(guī)律（幾何光學(xué)的基本定律）（幾何光學(xué)的基本定律）直線傳播定律光線在均勻透明介質(zhì)中按直線傳播 舉例：日食(rsh)、月食、影的形成等等獨(dú)立傳播定律 光線在介質(zhì)中的傳播是彼此獨(dú)立的第2頁(yè)/共15頁(yè)第1頁(yè)/共15頁(yè)第一頁(yè)，共16頁(yè)。反射定律反射定律(fn sh dn l)反射光線位于入射面內(nèi) 入射光線和介質(zhì)分界面法線構(gòu)成的平面(pngmin)反射角等于入射角 r = iABNnnirNO第3頁(yè)/共15頁(yè)第2頁(yè)/共15頁(yè)第二頁(yè)，共16頁(yè)。折射折射(zhsh)定律定律折射光線位于入射面內(nèi)n sinI1 = nsinI2反射定律可看作(kn zu)是折射定律在 n

2、= - n時(shí)的特例 當(dāng)n= - n時(shí)，I2 = - I1第4頁(yè)/共15頁(yè)第3頁(yè)/共15頁(yè)第三頁(yè)，共16頁(yè)。折射率和光速折射率和光速(un s)的關(guān)的關(guān)系系真空中： c介質(zhì)(jizh)中： u絕對(duì)折射率：介質(zhì)(jizh)對(duì)真空的折射率 n = cu相對(duì)折射率：一種介質(zhì)(jizh)對(duì)另一種介質(zhì)(jizh)的 折射率 n1,2 = u1u2 = n2n1第二種介質(zhì)(jizh)對(duì)第一種介質(zhì)(jizh)的相對(duì)折射率第5頁(yè)/共15頁(yè)第4頁(yè)/共15頁(yè)第四頁(yè)，共16頁(yè)。光程光程(un chn)的概念的概念 光程：光線在介質(zhì)中傳播的幾何路程 與該介質(zhì)折射率的乘積(chngj) 均勻介質(zhì)：L = n l = c

3、t 非均勻介質(zhì)：dL = ndl L =真空(zhnkng) n = 1L 介質(zhì) nltL = c tnL = 1 L = Ll = u tn l = cu u t = c t = LBAdlln )(ABln(l)第6頁(yè)/共15頁(yè)第5頁(yè)/共15頁(yè)第五頁(yè)，共16頁(yè)。費(fèi)爾馬原理費(fèi)爾馬原理(yunl) 費(fèi)(爾)馬：Fermat 法國(guó)數(shù)學(xué)家 費(fèi)爾馬原理：實(shí)際光線(gungxin)沿著光程為極值 （或穩(wěn)定值）的路線傳播 光程值：極小值、或極大值、或常量 L = 光線(gungxin)傳播的基本規(guī)律 幾何光學(xué)的基本定律：按具體情況分別說(shuō)明 費(fèi)爾馬原理：用統(tǒng)一的方式加以說(shuō)明 0)(dlln第7頁(yè)/共15頁(yè)

4、第6頁(yè)/共15頁(yè)第六頁(yè)，共16頁(yè)。由費(fèi)爾馬原理導(dǎo)出幾何由費(fèi)爾馬原理導(dǎo)出幾何(j h)光學(xué)的基光學(xué)的基本定律本定律直線傳播定律 折射率 n 為常數(shù) 均勻介質(zhì)中L = n l 兩點(diǎn)之間直線最短 光程為極小值反射定律(fn sh dn l)和折射定律 兩介質(zhì)的分界面為平面：光程為極小值第8頁(yè)/共15頁(yè)第7頁(yè)/共15頁(yè)第七頁(yè)，共16頁(yè)。兩介質(zhì)兩介質(zhì)(jizh)分界面為曲面時(shí)的光程值分界面為曲面時(shí)的光程值光程AA=AM+MA對(duì)M反射點(diǎn)：光程AA 的一級(jí)導(dǎo)數(shù)(do sh)為零橢球面：光程AA= 常數(shù) PQ面：與橢球面相切于M點(diǎn)（曲度(q d)比橢球面大） 光程AA為極大值 ST面：與橢球面相切于M點(diǎn)（曲度

5、(q d)比橢球面?。?光程AA為極小值MSTQP 焦點(diǎn)焦點(diǎn)橢球反射面AA第9頁(yè)/共15頁(yè)第8頁(yè)/共15頁(yè)第八頁(yè)，共16頁(yè)。光路可逆定理光路可逆定理1. 無(wú)論光線(gungxin)經(jīng)過(guò)多少次反射、折射2. 不管光線(gungxin)通過(guò)什么樣的介質(zhì)3. 光路總是可逆的 AABBOOn1n2I1 R1I1 I2第10頁(yè)/共15頁(yè)第9頁(yè)/共15頁(yè)第九頁(yè)，共16頁(yè)。全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象(xinxing) 條件(tiojin)：光線由光密介質(zhì)（高折射率） 射向光疏介質(zhì)（低折射率）； 光線入射角大于臨界角I0 求臨界角（ n1n2 ） n1sinI0 = n2sin90= n2 光線由介質(zhì)射向空氣120

6、arcsinnnI nI1arcsin0第11頁(yè)/共15頁(yè)第10頁(yè)/共15頁(yè)第十頁(yè)，共16頁(yè)。全反射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象(xinxing)的應(yīng)用的應(yīng)用 替代反射鏡反射鏡：反光膜吸收(xshu)約10的光； 反光膜易變質(zhì)、損傷 全反射棱鏡：減少光能損失 測(cè)量介質(zhì)的折射率已知 nA，求 nB（ nAnB ） 測(cè)出I0角值（亮暗的分界線） 00sinsinInnnnIABAB第12頁(yè)/共15頁(yè)第11頁(yè)/共15頁(yè)第十一頁(yè)，共16頁(yè)。例題例題(lt) 人眼(rn yn)垂直看水池一米深處的物體，試問(wèn)該物體的像到水面的距離是多少？ （水的折射率為1.33）ii1mn =1.33xbmnxnnbxbbnxbbin

7、i75. 033. 111111sinsin222222解第13頁(yè)/共15頁(yè)第12頁(yè)/共15頁(yè)第十二頁(yè)，共16頁(yè)。解法解法(ji f)2利用光程的概念(ginin) 物體到水面的光程為 1m物體像到水面的光程為 nx1mn =1.33mnxxn75. 033. 1111第14頁(yè)/共15頁(yè)第13頁(yè)/共15頁(yè)第十三頁(yè)，共16頁(yè)。作業(yè)題作業(yè)題1.已知鍺（Ge）的折射率為4.00，若要求從鍺射入空氣的光線發(fā)生全反射，其臨界角為多少？2.為了從坦克內(nèi)部觀察外界目標(biāo)，需要在坦克壁上開(kāi)一個(gè)(y )孔。假定坦克壁厚200 mm，孔寬120 mm，在孔內(nèi)安裝一塊折射率為1.5163的玻璃，厚度與坦克壁厚相同。問(wèn)能看到外界多大的角度范圍？3.思考：當(dāng)射擊水底目標(biāo)時(shí)，是否可以和射4. 擊地面目標(biāo)一樣的進(jìn)行瞄準(zhǔn)？第15頁(yè)/共15頁(yè)第14頁(yè)/共15頁(yè)第十四頁(yè)，共16頁(yè)。謝謝您的觀看(gunkn)！第15頁(yè)/共15頁(yè)第十五頁(yè)，共16頁(yè)。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)光線的傳播規(guī)律（幾何光學(xué)的基本定律）。舉例：日食、月食、影的形成等等。r = i。反射定律可看作是折射定律在 n= - n時(shí)的特例。n = cu。光程值：極小值、或極大值、或常量。折射率 n