二、几何光学中的一些概念(§14-2)

    1.  光线和光束

    表示光能量传播方向的几何线称为光线,而具有一定关系的许多光线集合在一起就称为光束。与这两个概念有关的还有以下概念。

    (1)  在波动学中大家曾先容过波线的概念(见教材上卷§7-4),这个概念与几何光学中光线的概念有相同的涵义。把光线与波线联系起来,能帮助大家理解光线概念的物理意义。

    (2)  互相平行的光线的集合,称为平行光束。与平行光束相对应的是平面波,即波面是一系列平行的平面。

    (3)  由一点发出的或会聚于一点的光线组成的光束,称为同心光束(或单心光束)。与同心光束相对应的是球面波,即波面是一系列同心球面。

    光束本身并不会聚于一点,而光束中所有光线的延长线相交于一点,这样的光束也属于同心光束;光束本身不会聚于一点,其延长线也不相交于一点的光束,称为像散光束。

    2.  物和像

    如果发光点发出的同心光束经光学系统会聚于一点,即保持同心光束,那么会聚点就称为发光点的像,该发光点就是物。关于物和像的概念,还应指出以下几点。

(1)  像有实像和虚像之分:若像点是由实际光线会聚而成的,该像点是实像;若像点是实际光线的反向延长线的交点,该像点是虚象。

    (2)  物有实物和虚物之分:不过虚物的概念超出了大家课程的要求,只要求读者知道物有虚实之分就够了,大家这里所涉及的物都是实物。

    (3)  根据光路的可逆性原理,物点和像点的位置可以互换,即若将物置于像所在的地方,其像将呈现在原来物所在的地方。物和像的这种关系,称为物像共轭。

    3.  近轴光束

    在主光轴附近很小范围内的光束,称为近轴光束。组成近轴光束的光线是近轴光线。具体地说,近轴光线应满足下列条件:   

    (1)  对于不平行于主光轴的光线,与主光轴的夹角应小到其正弦值和正切值能用角度本身的弧度值代替。显然,符合这个条件的夹角应小于10°

    (2)  对于平行于主光轴的光线,在折射面上的入射点到主光轴的最大距离对主光轴上的物点或像点所张的角,应满足上面的条件。

    4.  焦点和焦距

    平行于主光轴的光线经折射面折射后会聚于一点,这一点是折射面的第二主焦点。第二主焦点到折射球面顶点的距离,是折射面的第二焦距。主光轴上一点发出的光经折射面折射后平行于主光轴,这一点是折射面的第一主焦点。第一主焦点到折射球面顶点的距离,是折射面的第一焦距。关于焦点和焦距的概念,还应注意以下几点。

    (1)  焦点有虚、实之分。实焦点是光线的真正会聚点,虚焦点则是光线沿反向延长线的交点。

    (2)  焦距有正、负之别。上面所说的折射单球面的焦距,应该按照符号的约定,冠以正、负号。

    (3)  上面关于折射单球面焦点和焦距的定义,对薄透镜完全适用,只是要用透镜的光心代替折射面的顶点。

    5.  关于符号的约定

在大家的教材中采用下面的符号约定:

(1)  沿主光轴的线段,光线自左向右行进,由折射点或反射点算起,到被观察点所形成的线段的方向,与光线行进的方向相同者为正,与光线行进的方向相反者为负;

(2)  垂直于主光轴的线段,在主光轴上方者为正,在主光轴下方者为负。

关于符号的约定还应注意以下几点。

    (1)  符号约定是研究几何光学所必需的,在不同的教材或参考书中可能会采用不同的符号约定,不同的符号约定各有优、缺点。

    (2)  采用不同的符号约定,公式的形式会有不同,一定不要将不同符号约定的公式互相混用。

    (3)  应用公式时,已知量应连同符号一起代入公式,所得带有正负号的未知量,应根据符号的约定确定其物理涵义。

       
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