Основы геометрической оптики (.pps)

Геометрическая оптика
Геометрическая оптика - это
раздел оптики, изучающий законы
распространения света в
прозрачных средах и отражения
света от зеркальных или
полупрозрачных поверхностей.
2
Геометрическая оптика
3
Принцип Ферма
Пьер Ферма (1601-1665 гг.)
 «Природа всегда следует
наикратчайшему пути»
 «Принцип наименьшего
времени»
 Распространение света
происходит по такому пути
для прохождения которого
требуется минимальное
время
4
Принцип Ферма


5
Основные законы геометрической
оптики
Закон прямолинейного
распространения света (в однородной
среде)
2. Закон независимости световых лучей
3. Закон отражения света
4. Закон преломления света
1.
6
Закон прямолинейного
распространения света



Свет в оптически однородной среде
(n=const) распространяется по прямым
линиям
Доказательством является наличие резкой
тени от предметов
Этот закон нарушается в случае малых
размеров освещаемых объектов
7
Закон независимости световых лучей



Световые лучи распространяются независимо друг
от друга.
Так, например, при установке непрозрачного экрана
на пути пучка световых лучей экранируется
(исключается) из состава пучка некоторая его часть.
Однако, по свойству независимости необходимо
считать,что действие лучей оставшихся
незаэкранированными от этого не изменится.
То есть предполагается, что лучи не влияют друг на
друга, и распространяются так, как будто других
лучей, кроме рассматриваемого, не существует.
8
Закон отражения света

Падающий и отраженный
лучи лежат в одной
плоскости с нормалью к
отражающей
поверхности, причем углы
между лучами и
нормалью равны между
собой (угол падения
равен углу отражения):
i=R
R i
1
2

9
Закон преломления света

Падающий и преломленный
лучи лежат в одной
плоскости с нормалью к
границе раздела, причем
угол падения  и угол
преломления β связаны
соотношением:
sin 
 n21
sin 
R i
1
2

10
Показатель преломления

Здесь n21 – относительный показатель
преломления второй среды относительно первой

Относительный показатель преломления двух сред
равен отношению их абсолютных показателей
преломления:
n21=n2/n1
(1)
Абсолютным показателем преломления n среды
называется отношение скорости света в вакууме c к
фазовой скорости света vф в среде:
n=c/vф
(2)

11
Закон преломления света
12
Линзы



Законы геометрической оптики лежат в основе
создания конструкции простейших оптических
приборов – фотоаппаратов, проекционных
аппаратов, зрительных приборов (микроскопов,
биноклей, телескопов), одним из важнейших
элементов которых являются линзы.
Линзы – прозрачные тела, ограниченные
плоскими, сферическими или цилиндрическими
поверхностями.
Существуют собирающие и рассеивающие
линзы.
13
Линзы


Собирающая линза
преобразует
параллельный
световой пучок лучей
в сходящийся пучок
Рассеивающая
линза преобразует
параллельный
световой пучок лучей
в расходящийся пучок
F
F
14
Линзы

Важной характеристикой линзы является её
фокусное расстояние F. Это расстояние от
центра линзы до точки схождения пучка лучей,
параллельных оптической оси линзы. Оно
определяется радиусами кривизны R и
показателем преломления n линзы:
1
F
 1
1 

(n  1)

 R1 R 2 
15
Линзы


Оптической силой линзы называется
величина обратная фокусному
расстоянию. Она измеряется в диоптриях
(дптр).
У рассеивающей линзы фокусное
расстояние считается отрицательным.
Оно находится на продолжении
преломлённых лучей за плоскостью
линзы.
16
Построение изображения с помощью
линзы

С помощью линзы можно получить изображение
объекта. Положение этого изображения находится с
помощью вспомогательных лучей один из которых
идёт через центр линзы, а второй параллелен
главной оптической оси
17
Построение изображения с помощью
линзы

Расстояния от линзы до объекта a и до его
изображения b связаны с фокусным расстоянием
F формулой тонкой линзы:
1 1 1
 
a b F

Размер изображения отличается от размера
исходного объекта. Увеличение изображения
определяется величиной:
Г=b/a
18
Аберрации линз


Искажения изображений, связанные с
нарушением гомоцентричности пучков,
называются геометрическими
аберрациями оптических систем.
Различают следующие виды
аберраций изображений, полученных с
помощью линз
19
Сферическая аберрация линз



Сферическая аберрация возникает, если на линзу
падает широкий расходящийся пучок света.
В результате изображение точки размывается.
Исправить сферическую аберрацию можно изменяя
форму линзы, используя систему из вогнутых и
выпуклых линз или зеркальную оптику.
20
Хроматическая аберрация линз


Хроматическая аберрация
наблюдается при падении на
линзу белого света, когда
отдельные составляющие его
монохроматические лучи
фокусируются в разных
точках, вследствие чего
изображение размыто и по
краям окрашено.
Хроматическую аберрацию
можно подавить, используя
выпуклые и вогнутые линзы из
различных сортов стёкол.
21
Кома и астигматизм


Кома появляется, если через
оптическую систему проходит
широкий пучок от светящейся
точки, расположенной не на
оптической оси, в результате чего
изображение этой точки имеет вид
освещенного пятнышка,
напоминающего кометный хвост.
Астигматизм. Изображение
плоскости не является плоским.
Поэтому, при его проекции на
плоский экран, возникает размытие
точек
22
Дисторсия

Дисторсия – искажение изображения
вследствие неодинакового увеличения его
частей, находящихся на разных расстояниях
от оптической оси.
23