光的波動性教學目標知識目標能力目標教學目的思政元素專業—敬業、細心—耐心了解光的波動性及其概念了解光的波動性概念、名詞術語掌握光的波動性和名詞術語目錄CONTENTS1光的電磁波概念2光在介質中傳播3折射率光的電磁波概念PART01

一、光的電磁波概念光是電磁波，是電場和磁場的組合電場和磁場相互垂直同時垂直于傳播方向由光源發出并射向空間一、光的電磁波概念由所有可能的電磁輻射頻率組成，按波長由短到長排列可見光只是電磁波譜的一小部分光譜的所有組成部分以3×108米/秒的恒定速度“c”通過真空（或空氣）光譜一、光的電磁波概念光譜一、光的電磁波概念可見光人眼可見的電磁輻射波長范圍約380-780nm這種光線被視網膜的視桿細胞和視錐細胞吸收，并在視覺通路中產生神經信號一、光的電磁波概念光具有波粒二象性通過實驗的設計，光可以顯示出波動和粒子的特性

什么是波？一、光的電磁波概念光作為波的特性波是在介質中周期性振動把能量從一點帶到另一點當波到達傳播媒介的末端時，它不會停止遇到新介質，可能會產生反射折射繞射散射這些行為是波的特征，如果把光看成粒子，就無法解釋一、光的電磁波概念振動與傳播振動波在時間上的重復變化傳播波的傳播方向這個波上下振動，并從左向右傳播一、光的電磁波概念縱波與橫波縱波傳遞能量和振動與在介質中的傳播方向相同振動與傳播平行如彈簧、聲波橫波在垂直于介質中擾動方向的方向上傳遞能量振動垂直于傳播如電磁波、光波、水波一、光的電磁波概念波陣面與光線波陣面是一系列同心圓，從產生它的波源出發波陣面從波源向各個方向均勻傳播波陣面是彎曲的曲率在離波源最近的地方最陡當波前離開波源時，曲率會變平如果想關注沿特定方向傳播的波陣面，我們不畫同心圓，而是畫射線來表示波陣面傳播的方向——光線把波陣面中走在最前面的那個波陣面稱為波前光線總是垂直于波前一、光的電磁波概念光波波峰波谷速度一、光的電磁波概念振幅振幅振幅（A）——從參考線起的最大位移波的強度如，越響越亮=振幅越大一、光的電磁波概念頻率頻率（f）——每秒振動次數3次/秒時間1秒一、光的電磁波概念周期周期（T）——一次振動需要多少時間頻率的倒數，頻率=3次/秒，周期=1/3秒振動一次時間?秒一、光的電磁波概念波長波長（λ）——波峰或波谷之間的距離一次全振動距離(nm)距離?nm一、光的電磁波概念光波速度=波長x頻率

v=lf速度=波長周期

v=lTnm/秒頻率=1周期

f=1T次數/秒orHz一、光的電磁波概念光波

例：光波在空氣中波長l=550nm，問其頻率是多少？速度=波長

x頻率v=λxff=v/λ=(3x108m/s)/(555x10-9m)f=5.45x1014Hz或s-1光在介質中傳播PART02

二、光在介質中傳播光在真空中的傳播速度是個常數c=3x108（m/s）速度=波長x頻率當光在其它介質中傳播時速度下降波長減小頻率保持不變二、光在介質中傳播空氣空氣玻璃水f=3周1秒2秒3秒1秒注:l

和v減小,f(和T)保持不變!折射率PART03

三、折射率折射率是介質固有的特性，與密度有關高折射率材料“密度更大”光在高折射率材料中的傳播速度比在低折射率材料中的傳播速度更慢不同的材料有不同的折射率空氣=1水=1.333玻璃=1.52樹脂=1.54高折射率樹脂=1.6,1.67,1.74三、折射率當光由空氣進入一種不同折射率的新介質時，速度和波長都會降低所以我們可以把折射率看成是空氣中光的波長或速度與新介質中的比率空氣中速度介質中速度

=折射率(n介質)=cv介質空氣中波長介質中波長=折射率(n介質)=λ空氣λ介質三、折射率例1：已知水的折射率是1.333，問光在水中的速度是多少？n水=c/v水v水=c/nv水=(3x108m/s)/1.333v水=2.25x108m/s

這個答案的意義在于：我們計算出的在水中的速度比在空氣中的速度要慢三、折射率例2：已知空氣中某一特定光波的波長是550nm，這種光波在水中的波長是多少?n水=λ空氣/λ水λ水=λ空氣/n水λ水

=550nm/1.333λ水

=413nm

這個答案的意義在于：我們計算的在水中的波長比在空氣中的波長短。三、折射率如果知道光在空氣中的速度或波長，則只要知道這種介質的折射率，就可以確定光在另一種介質中的波長和速度在解決任何問題時，我們應該預料到，當光進入更高折射率的材料時，速度會減慢，波長會縮短復習幾個公式

小結光在其它介質中傳播時速度下降波長減小頻率保持不變光是電場和磁場的組合光譜可見光波長范圍380-780nm光速30萬千米/秒縱波與橫波波陣面與光線振幅、頻率、周期、波長光的電磁波概念光在介質中傳播折射率

幾何光學基本概念教學目標知識目標能力目標教學目的思政元素專業—敬業、細心—耐心掌握幾何光學的基本概念幾何光學名詞術語掌握幾何光學基本概念和名詞術語目錄CONTENTS1幾何光學基本概念2相關名詞術語幾何光學基本概念PART01

一、幾何光學基本概念

幾何光學是以光線為基礎，研究光的傳播和成像規律。在幾何光學中，把組成物體的物點看作是幾何點，把它所發出的光束看作是無數幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向。

對于眼鏡矯正視力，物體在視網膜上成像，主要從幾何光學角度研究。

對于一些眼鏡產品特殊性能，如鍍膜鏡片、偏光鏡片、太陽鏡、有色鏡片等，主要從波動光學角度研究。幾何光學幾何光學基本概念PART02

發光體、發光點、光路發光體在幾何光學中，一切自身發光（或被照亮）的物體均可視為發光體。發光點

只有幾何位置而不計大小的光源稱為發光點。任何被成像物體（發光體）均由無數個發光點組成。在研究光的傳播和物體的成像問題時，常用物體上某些特定的幾何發光點進行討論。光路

光線走過的路徑。（規定：光線由左至右為正光路，反之為負）。光線、光束光線

光線是無直徑、無體積、有一定方向、攜帶能量的幾何線，用來表示光的傳播方向。光線是波面的法線。光束

波面的法線束。由正負號規定傳播方向，順光路正，逆光路負同心光束、平行光束同心光束發自同一點或會聚于（包括反向延長線）同一點的光束。平行光束

彼此平行的光線構成的光束。也是無限遠處的同心光束。像散光束

平行光束會聚后既不相交于一點，又不互相平行，而是產生前后兩條相互垂直且不相交的焦線。

散光眼或球柱鏡片會產生這種光束物像共軛由物點A發出的一束發散光束，經過光學系統后，出射成為一像點A’的會聚光束。A和A’之間具有唯一對應關系，稱之為物像共軛關系。即A發光成像于A'，A'發光成像于A。物距、像距、焦距物距

物體和透鏡之間的距離。（規定：由透鏡到物體，順光路為正，逆光路為負）。像距

像和透鏡之間的距離。（規定：由透鏡到像，順光路為正，逆光路為負）。焦距

焦點和透鏡之間的距離。（規定：由透鏡到焦點，順光路為正，逆光路為負）。有正負號規定方向物像空間、物像虛實物或像在自己的空間是實的，在對方的空間是虛的。物空間和像空間

透鏡左側（光線來的方向）是物空間，透鏡右側（光線出射方向）是像空間。物像的虛實

由實際光線構成的物或像是實物或實像；由實際光線的延長線相交所構成的物或像，稱為虛物或虛像。

實像可以直接被像屏、底片或光電器件等接收或記錄。虛像可以被眼睛觀看到，但不能被像屏接收。物像空間、物像虛實物或像在自己的空間是實的，在對方的空間是虛的。實線相交是實的，虛線相交是虛的。光線在兩個介質表面法線

光線由一個介質射入另一個介質，過入射點處，垂直于介質表面的線段是法線。入射角

入射光線和法線的夾角（由入射光線轉向法線為正，反之為負）。反射角

反射光線和法線的夾角（由反射光線轉向法線為正，反之為負）。折射角

折射光線與法線的夾角（由折射光線轉向法線為正，反之為負）?！S光折射率

——藍光折射率

——紅光折射率

阿貝數

同一介質對不同波長的光折射率不同，白光是不同波長光的混合光，被介質折射后，由于各色光折射率不同，會出現折射程度的不同，即色散現象。表征介質色散能力的參數叫阿貝數。鏡片的阿貝數通常在30—60之間，鏡片折射率越小，阿貝數越大，色散越小。阿貝數人眼分辨物體的最小視角是1'人眼分辨顏色的最小視角是4'

高折射率鏡片有時會在邊緣出現彩虹現象，彩虹現象的的出現距光學中心的距離是：阿貝數例：鏡片-6.00DS，阿貝數40，問在距鏡片光學中心多遠處看物體會有彩色現象？這個答案提示我們：選擇鏡片和鏡架時要注意彩虹現象出現的位置。小結發光體（發光點）光路（光線）光束（同心光束、平行光束、像散光束)法線（入射光線、反射光線、折射光線）物像共軛（物像空間、物像虛實）物距（像距、焦距）阿貝數（色散、彩虹現象）以光的直線傳播為基礎研究成像規律幾何光學相關名詞術語幾何光學基本定律教學目標知識目標能力目標教學目的思政元素專業—敬業、細心—耐心掌握幾何光學的基本定律、原理幾何光學基本定律和原理會運用幾何光學的基本定律和符號規定

1幾何光學基本定律2幾何光學原理幾何光學符號規定3幾何光學基本定律PART01

一、幾何光學基本定律

各向同性的均勻介質中，光是沿著直線傳播的。這一定律可以解釋很多自然現象。光的直線傳播定律一、幾何光學基本定律光的獨立傳播定律

來自不同方向的光線在傳播途中相遇時，彼此互不影響，各自獨立地傳播；在相交處，其相互作用是簡單地相加。一、幾何光學基本定律光的反射定律入射光線、反射光線和法線三者位于同一個平面入射光線和反射光線分別位于法線的兩側

入射角和反射角二者絕對值相等且符號相反nn’i-i”入射光線反射光線法線一、幾何光學基本定律光的折射定律入射光線、折射光線和法線三者位于同一平面內入射角和折射角的正弦之比為一個常數，即為兩種介質的折射率之比入射光線和折射光線分別位于法線的兩側或一、幾何光學基本定律光的折射定律

光線垂直入射介質表面時，不改變方向，但速度減慢，波長減小。n=1n’=1.33由折射定律：i=0時，i’=0一、幾何光學基本定律光的折射定律

光線以一定角度入射介質表面時，會產生偏折。n=1n’=1.33一、幾何光學基本定律例1當光線以30°入射角從空氣射向水面，水的折射率為1.33，問其反射光線和折射光線的方向？解：已知代入反射定律公式，得反射角為：代入折射定律公式，可求得折射角為：n=1n’=1.33i=30°i’=?-i”=?一、幾何光學基本定律例1當光線以30°入射角從水射向空氣，水的折射率為1.33，問其折射光線的方向是多少？解：已知代入折射定律公式，可求得折射角為：n’

=1i’=?i=30°n=1.33一、幾何光學基本定律光的折射定律由上面例子可以看出光從低折射率介質射入高折射率介質時，折射角減小光從高折射率介質射入低折射率介質時，折射角增大案例水面以下的物體看起來比實際高，是因為眼睛認為光沿直線傳播魚在水中看水面物體時，視角增大，是因為水中折射角小水幾何光學原理PART02

二、幾何光學原理光路可逆原理

一條光線沿著一定的路線，從空間的A點傳播到B點。如果我們在B點，按照與B點出射光線相反的方向投射一條光線，則此反向光線必沿同一條路線通過A點，光線傳播的這種性質稱為光路可逆原理。二、幾何光學原理全反射原理表示入射光線由光密介質射向光疏介質，當入射角大于臨界角時，折射光線不再存在，入射光線全部反射回原介質中。臨界角（全反射角）指折射角等于90°時對應的入射角。二、幾何光學原理全反射原理例：光線由水中射向空氣，臨界角是多少？i’=90

n2=1imn1=1.33全反射由于光能量損失小，常用于遠距光的傳輸（光導纖維0、醫用窺鏡等。幾何光學符號規定PART03

三、幾何光學符號規定光路方向規定光線傳播方向從左向右為正光路，反之為逆光路。沿軸線段：由計算起點（原點）到終點的方向與光線傳播方向相同者為正值，反之為負值規定：球面曲率半徑r、物距l和像距l’以折射面頂點為原點。垂軸線段：以光軸為界，光軸上方為正，光軸下方為負線段三、幾何光學符號規定角度一律以銳角度量，由起始邊到終邊，順時針為正，逆時針為負。

孔徑角u、u’（光線與光軸的夾角）是由光軸轉向光線入射角i、反射角i”和折射角i’（光線與法線的夾角）是由光線轉向法線球心角φ法線與光軸的夾角）是由光軸轉到法線

光路圖中的所有幾何量都以絕對值標注。φ小結光路可逆原理全反射原理光的直線傳播定律光的獨立傳播定律光的反射定律光的折射定律幾何光學基本定律幾何光學符號規定幾何光學原理沿軸線段（順光路正，逆光路負）以球面頂點為原點垂軸線段（向上為正，向下為負）以光軸為原點角度（順時針正，逆時針負）入射角、反射角、折射角，以法線為起始邊孔徑角，以光線為起始邊共軸球面系統、人眼結構教學目標知識目標能力目標教學目的思政元素專業—敬業、精益求精掌握共軸球面系統兩折射面之間的轉面公式會進行人眼結構成像計算共軸球面系統兩折射面之間的轉面公式人眼光學結構會進行單球面成像計算會對共軸球面系統進行計算會計算眼軸長度目錄CONTENTS1共軸球面系統2轉面公式3眼軸長度計算共軸球面系統PART01

一、共軸球面系統

球心在一條直線上的幾個折射球面組成的系統叫做共軸球面系統，簡稱共軸系統(coaxialsystem)。球心所在的直線叫做共軸系統的主光軸principalopticalaxis。二、光線追跡法

在共軸系統中可采用光線追跡法（或稱逐次成像法）求物體的像，即先求出物經第一折射面所成的像，再把第一折射面的成像作為第二折射面的物，求它經第二折射面后所成的像，依次類推，直到求出最后一面的像為止。轉面公式PART02

二、轉面公式第一折射面的成像第一折射面A1A’1n1n’1-u1u’1-l1l’1二、轉面公式第二折射面的成像第二折射面A1A’1(A2)n1n’1(A’2)n’2-u1u’1-l1l’1u2d1u’2l2l’2n2轉面公式眼軸長度計算PART03

一、眼睛光學結構參數角膜房水晶體玻璃體曲率半徑前后前后7.86.810.0-6.0折射率1.3761.3361.4061.336厚度0.53.13.0二、眼軸長度計算角膜前表面成像角膜后表面成像晶狀體前面成像晶狀體后面成像眼軸長18.14+3.0+3.1+0.5=24.29mm小結單折射球面成像共軸球面系統轉面公式眼軸長計算轉面公式利用轉面公式，求出第一面到最后像面之間的距離球面透鏡成像放大率教學目標知識目標能力目標教學目的思政元素專業、敬業、精益求精掌握單球面放大率的計算方法掌握共軸球面系統放大率的計算方法單球面放大率的計算方法共軸球面系統放大率的計算方法會進行單球面成像放大率的計算會對共軸球面系統放大率進行計算目錄CONTENTS1單球面成像放大率2共軸球面系統成像放大率單球面成像放大率PART01

一、單球面成像放大率由三角形相似的比例關系可得：

橫向放大率當

時，表示成放大像；當

時，表示成縮小像。當

β<0時，l與l’異號，即物、像分居折射面兩側；此時表示成倒像，像的虛實與物一致，即實物成實像或虛物成虛像。當β>0時，l與l’同號，即物、像分居折射面同側；此時表示成正像，像的虛實與物相反，即實物成虛像或虛物成實像。一、單球面成像放大率軸向放大率指光軸上一對共軛點沿軸移動量之間的關系。如果物體沿光軸移動微小距離dl，相應的像點移動dl'。如果物體沿光軸移動有限距離，由表示為。一、單球面成像放大率角放大率指一對共軛點的像方孔徑角與物方孔徑角的比值。三個放大率之間的關系為：拉赫不變量y——物高y'——像高一、單球面成像放大率例1：一個單球面，前面是空氣，后面是水（n'=1.33），f'=266cm，當物體在球面前150cm和300cm處時，兩種情況的放大率如何？根據高斯公式，l=-150cm時，由計算值看出：物像同側，放大，正立，虛像一、單球面成像放大率例1：一個單球面，前面是空氣，后面是水（n'=1.33），f'=266cm，當物體在球面前150cm和300cm處時，兩種情況的放大率如何？根據高斯公式，l=-300cm時，一、單球面成像放大率由計算值看出：物像異側，放大，倒立，實像共軸球面系統成像放大率PART02

二、共軸球面系統成像放大率三個放大率之間的關系為：橫向放大率

軸向放大率角放大率二、共軸球面系統成像放大率例2：一個鏡片，前表面r1=+400cm，后表面r2=+200cm，n=1，n’=1.50，物體在前面10米遠處，問成像后橫向放大率如何？解：由計算值看出：物像同側，縮小，正立，虛像對于薄鏡片，小結

單折射球面成像物像關系式單球面焦距單球面屈光力共軸球面系統轉面公式單球面透鏡放大率共軸球面系統放大率理想光學系統教學目標知識目標能力目標教學目的思政元素專業、敬業、精益求精掌握理想光學系統的基本概念理解理想光學系統的基點和基面掌握理想光學系統的物像關系三對基點和基面牛頓公式高斯公式運用牛頓公式計算運用高斯公式計算目錄CONTENTS1理想光學系統2理想光學系統的基點和基面3牛頓公式4高斯公式5聚散度理想光學系統PART01

一、理想光學系統定義研究理想光學系統的意義

對于任意大范圍的物體以任意寬的光束成像都是完善的，這樣的光學系統就稱為理想光學系統。

實際上除了平面反射鏡，其它任何實際光學系統都不能絕對完善成像，而研究理想光學系統的意義在于利用成像特性，比較可以評估實際光學系統的成像質量。理想光學系統也稱高斯光學系統。理想光學系統的性質物方一點對應于像方唯一的一點，稱之為物方、像方的共軛點。物方一條直線對應于像方唯一的一條直線，這一相對應的直線稱為物方、像方的共軛線。如果物方一點位于一條直線上，其像方的共軛點必位于該直線的共軛線上。物方一平面對應于像方唯一的一平面，稱之為物方、像方的共軛平面。一、理想光學系統理想光學系統的基點和基面PART02

二、理想光學系統的基點和基面物體QQ’DeFF’xxF

F’

HH’NN’——三對基點HH’NN’像二、理想光學系統的基點和基面主點和主平面主點H和H’：

主平面與光軸的交點，一對共軛點。主平面——放大率

的一對共軛面。HH’QQ’節點和節平面角放大率為的共軛點，稱之為節點。（通過節點的光線方向不變）。過節點與光軸垂直的平面稱為節平面。光學系統在空氣中（即n=n’）時，節點和主點重合，節平面和主平面重合。

A’B’-y’AByHH’FF’NN’uu’二、理想光學系統的基點和基面焦點和焦平面像方（第二）焦點：平行于光軸的光線經理想光學系統會聚于像方焦點F’。物方（第一）焦點：像方一條平行于光軸的光線，其所對應的物方共軛光線與光軸交于F點，即為物方焦點。像方焦平面：過像