应用光学总复习.ppt

总复习 注意 这只是一个提纲 各位同学一定要对这些内容进行扩展预祝各位 复习愉快 几何光学的基本定律 直线传播定律 独立传播定律 折射和反射定律 全反射定律 光路可逆原理 费马原理和马吕斯定律是几何光学的基本定律 是研究光线传播和成像问题的基础 总原则 a 像方参量符号与其对应的物方参量符号表示字母相同 像方参量用右上撇加以区别 b 自左向右定义为正方向c 光路图中各参量均为几何量 用绝对值表示 1 沿轴线段 沿轴线 顶为原 左为负 右为正 2 垂轴线段 垂轴线 轴为基 上为正 下为负 3 光线与光轴的夹角4 光线与法线的夹角5 光轴与法线的夹角 轴线法 绕交点 顺次转 顺时正 逆时反 6 相邻两折射面间隔 前顶到后顶 左向右为正 符号规则 近轴光线的光路计算 单个折射面的物 像位置关系 完善成像条件的表述 入射波面为球面波时 出射波面也是球面波 入射光为同心光束时 出射光也为同心光束 物点及其共轭像点之间任意二条光路的光程相等 一 垂轴放大率 二 轴向放大率 三 角放大率 单个折射面成像 像的放大与缩小 虚和实 倒立与正立 a 若 0 即y 与y同号 表示成正立像 反之 成倒立像b 若 0 即l 与l同号 表示物象虚实相反 反之 虚实相同c 若 1 则 y y 表示成放大的像 反之 成缩小的像 反射面 三 共轴球面系统 物像转换 前像后物 一 过渡公式 空间转换 前一折射面的像空间就是后一折射面的物空间 物像转换 拉赫不变量J 光线入射高度转换 理想光学系统 最常用的理想共轴系统的基点和基面 一对主点 一对主平面一对焦点 一对焦平面一对无穷远的点 一对无穷远的平面一对节点 一 图解法求像 理想光学系统的物象关系 平行于光轴入射的光线 经过系统后过像方焦点 过物方焦点的光线 经过系统后平行于光轴 倾斜于光轴入射的平行光束 经过系统后会交于像方焦平面上的一点 自物方焦平面上一点发出的光束 经过系统后成倾斜于光轴的平行光束 共轭光线在主面上的投射高度相等 过节点的入射光线经过系统后出射方向不变注意 没有特殊说明 主点和节点认为是重合的 二 解析法求像 物像位置计算坐标原点不同 牛焦高主 牛顿公式 物像坐标原点为光学系统的焦点高斯公式 物像坐标原点为光学系统的主点 理想光学系统 过渡公式 前像后物 求等效系统的一对主面和焦点位置 由焦点的性质求像方焦点F 的位置 平行于光轴入射的光线 它经过光学系统后过像方焦点 一 平面镜成像特征 B 像与物完全对称于平面镜 A 平面镜是唯一能够成完善像的最简单的光学元件 即物体上任意一点发出的同心光束经过平面镜以后仍然为同心光束 C 正立 虚实相反 等大的像 D 镜像变换 E 镜像中物像旋转相反 平面镜固定 镜像 奇数次反射一致像 偶数次反射 二 平面镜旋转特性 物体不动 入射光线方向不变而转动平面镜时 反射光线的方向将同方向改变两倍平面镜的转动角度 三 双平面镜成像 在双面镜的夹角不变 当入射光线方向一定时 双平面镜绕其棱边旋转时 出射光线方向始终不变 只要双平面镜的夹角不变 双面镜绕其棱边旋转时 双面镜中的一个物点的连续一次像的位置不变 近轴区域内 平行平板的轴向位移只是其厚度和折射率的函数 能成完善像点 第二节平行平板 二 棱镜系统的成像方向判断 沿光轴 恒一致 垂直主截面 屋脊面 偶一致 奇相反 方向 平行主截面 反射面 偶一致 奇相反 坐标系 注 1 一个屋脊面按两个反射面计算2 复合棱镜 在各自光轴面内判断成像的坐标方向 分解判断 3 透镜成像的正倒特性 折射棱镜的偏向角 折射棱镜的出射线与入射线的夹角其符号规则为 由入射线以锐角转向出射线 顺时为正 逆时为负 最小偏向角 二 光楔及其应用 光楔 折射棱镜的折射角非常小的情况下的特例 当光线垂直入射或者接近垂直入射的时候 光楔偏向角为 A和B 当两个光楔同向平行放置的时候 产生的偏向角最大 C当两个光楔反向平行放置的时候 产生的偏向角为零 三 棱镜色散 同一个折射棱镜对于不同波长的单色光来说具有不同的最小偏向角 也就是说以同一角度入射到折射棱镜上不同颜色的光 经过棱镜后分解开来 形成一个色带 这就是色散 作用 A 保证近轴条件 改善成像质量 像的清晰度 控制景深 B 控制成像物空间的光束宽度 位置和成像范围 C 控制像面的亮度 光阑 限制成像光束和成像范围的透光孔 基本形式 孔径光阑 视场光阑 渐晕光阑 表示方式 孔径光阑限制轴上物点孔径角的大小 或者限制轴上物点成像光束宽度 并且有选择轴外物点成像光束位置的光阑 对于不同确定口径的光学元件组成的光学系统 对某一个轴上确定的物点 在分析那个透镜边框是孔径光阑 通常用如下计算或者画图方式 将每一个光学元件经其前面的所有光学元件成像 并求出像的大小 在这些像中 对给定的轴上物点的孔径角绝对值最小者 其相应的元件边框就是这个光学系统的孔径光阑 注意 孔径光阑与光轴上某一个确定的物点位置有关 欲确定孔径光阑 必须首先明确是对光轴上哪个物点 入射光瞳 入瞳 孔径光阑经过其前面光学系统所成的像 出射光瞳 出瞳 孔径光阑经过其后面光学系统所成的像 光瞳 孔径光阑的像 表示方式 入射窗 视场光阑经过其前面光学系统所成的像 出射窗 视场光阑经过其后面光学系统所成的像 视场光阑 限定光学系统成像范围的光阑 入瞳 入窗 整个光学系统共轭 出瞳 出窗 孔径光阑 视场光阑 孔阑前的光学系统共轭 孔阑后的光学系统共轭 入瞳是物面上所有点发出的光束的共同入口出瞳是物面上各点发出光束经整个光学系统以后从最后一个光孔出射的共同出口 物方主光线 BP 物点和入瞳中心的连线 像方主光线 PB 像点和出瞳中心的连线 视场光阑的判断 对于给定光学系统 第一步 首先确定孔径光阑 找出入瞳位置 确定入瞳中心 第二步 将除孔径光阑以外的所有光阑通过各自前面光学系统成像到同一个空间 第三步 连接入瞳中心与各个光阑像的边缘 其中与光轴夹角绝对值最小者为入射窗口 它对应的光阑就是视场光阑 这个视场光阑经过它后面的光学系统所成的像就是出射窗 视场光阑一定是对于确定的轴上物点和确定的孔径光阑而言的 对于确定的虚物A点 求系统的孔径光阑 入瞳 出瞳求系统的视场光阑 入窗 出窗 拦光 轴外物点发出并充满入瞳的光束不一定能全部通过系统 还可能受到远离孔径光阑的光孔的阻拦 这就是拦光 渐晕 由轴外发出的充满入瞳的光被部分遮拦的现象 渐晕光阑 引起渐晕的光阑 渐晕系数 表示渐晕严重的程度轴外光束通过光学系统的宽度和轴向光束通过光学系统的宽度之比 渐晕系数越大 拦光越小 空间点的平面像 当入射光瞳的直径一定时 不在对准平面上的空间点经过光学系统以后会在景像平面上产生一个弥散斑 这就是空间点在景象平面上对应的像 对准平面 清晰像 当入射光瞳的直径减小到一定程度时 物点在景像平面上的弥散斑就会随之减小到足够小 当其对人眼或者接受器的张角小于人眼或者接受器的极限分辨率时 我们称其为空间点的清晰像 也就是主光线上的点 景深 在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度 远景平面 能成清晰像的最远的平面 近景平面 能成清晰像的最近的平面 它们距对准平面的距离分别称为远景深度和近景深度 景深 远景深度 近景深度 方法一 连接物点和入瞳中心的主光线 找出它在对准平面上的投影点 然后通过作图求出这个投影点在在景像平面上共轭点 对准平面 作图法求空间点的清晰像 方法二 先通过作图求出空间点的共轭像点 然后连接这个像点和出瞳中心 找出这条主光线在景像平面上的投影点 对准平面 理想光学系统 对任意物以任意宽的光束给出某一定倍率的完善像 实际光学系统物点经过系统后 汇聚于像空间的一个弥散斑 两种像之间的差异就是像差 复色像差 像差 单色像差 球差彗差 正弦差 像散场曲畸变 位置色差 轴向色差 倍率色差 垂轴色差 波动像差 波差 几何像差 明视距离 眼前250mm处 远点 眼睛能看清楚的最远点 近点 眼睛能看清楚的最近点 视度 远点距离的倒数 表示近视或者远视的程度 视角 物体对眼睛的张角 眼的分辨能力 眼能够分辨最靠近两相邻点的能力 视角鉴别率 分辨率 人眼能分辨的物点间最小视角 一般人眼极限分辨率为1分 反常眼 近视眼 负透镜校正 远视眼 正透镜校正 视觉放大率 用仪器观察物体时 视网膜上物体的像高与人眼直接观察物体时 视网膜上物体的像高之比 视觉放大率 用仪器观察物体时 物体的像对人眼张角的正切值与人眼直接观察物体时 物体对人眼张角的正切值之比 显微镜视觉放大率 显微镜分辨率 由瑞利判据得能分辨的物方两点间最短距离 物方远心光路特点 孔径光阑位于像方焦平面上 入瞳位于无穷远 轴外物点主光线平行于光轴作用 避免调焦不准确对测量结果的影响 物镜 目镜 分划板