几何光学课件

ChapterFour几何光学(GeometricalOptics),Section1简介(IntroductionRemarks),4.1.1光学系统（Opticalsystem）,光学系统是由若干反射面和折射面组成的光学仪器。,若锥体中的能量全部到达P点，此过程称为理想成像于S点。,成像（imaging）,4.1简介,4.1.2成像（Imaging）,同心光束各光线本身或其延长线交于同一点的光束，在各向同性介质中它对应于球面波。,成像一个以S点为中心的同心光束经光学系统的反射或折射后转化为另一以P为中心的同心光束，我们说光学系统使S成像于P。S称为物点，P称为像点。,光学仪器的功能是集中和重新构造入射光波前的一部分，其根本的作用是将一个物成一个像。,4.1简介,4.1.2成像（Imaging）,实像与虚像若出射的同心光束是会聚的，我们称像点P为实像；若出射同心光束是发散的，我们称像点P为虚像。,实物成实像,实物成虚像,4.1简介,4.1.2成像（Imaging）,透镜并不能严格地保持光束的同心性，即它们都只能近似地成像能严格保持光束同心性的光具组是极少的，单个折射平面就不能保持光束的同心性。然而，单个反射平面却是为数不多的几个严格成像的例子之一。,4.1简介,4.1.2成像（Imaging）,实物与虚物如果入射的是个发散的同心光束，则相应的发散中心P称为实物，如果入射的是个会聚的同心光束则相应的会聚中心P称为虚物。,虚物成实像,虚物成虚像,4.1简介,4.1.2成像（Imaging）,虚物的来源,P2对于L1是实像,P2对于L2是虚物,P对于L2是实像,4.1简介,Section2透镜（Lenses）,4.2透镜,4.2.1*非球面成像（AsphericalSurfaces）,这个部分超出大纲。,4.2透镜,4.2.2折射球面成像(RefractionatSphericalSurfaces),4.2透镜,4.2.2折射球面成像(RefractionatSphericalSurfaces),利用费马原理，有,4.2透镜,4.2.2折射球面成像(RefractionatSphericalSurfaces),物方焦距(objectfocallength),像方焦距(imagefocallength),4.2透镜,4.2.2折射球面成像(RefractionatSphericalSurfaces),高斯方程(GaussianFormula),4.2透镜,4.2.2折射球面成像(RefractionatSphericalSurfaces),物平面objectplane,横向放大率（transversemagnification）,4.2透镜,4.2.2折射球面成像(RefractionatSphericalSurfaces),光线追迹（raytracing）,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,透镜是由两个折射球面或非球面组成的光具仪器,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,凹透镜,凸透镜,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,薄透镜成像公式（Thin-lensEquations）,高斯方程(GaussianLensFormula),4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,光心（OpticalCenter）,假设离轴的近轴出射光线与入射光线平行，我们认为所有的光线经过光心O。并且通过光心的光线为直线。,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,焦点和焦面（FocalPointsandPlanes）,前焦面(frontfocalplane),后焦面(backfocalplane),4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,凸透镜,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,凹透镜,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,其他薄透镜公式,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,横向放大率（transversemagnification）,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,例1凸透镜L1和凹透镜L2的焦距分别为20cm和40cm，L2在L1之右40cm，傍铀小物放在L1之左30cm，求它的像。,解：【方法一】画出光线,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,【方法二】使用高斯公式,第一次成像,第二次成像,（实像）,（倒置）,（实像）,（正立）,（倒置）,（实像）,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,薄透镜组（Thin-LensCombinations）,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,4.2透镜,4.2.3薄透镜（ThinLenses）,密接薄透镜组(ContactedThin-LensCombinations),Section3*光阑（Stops）,4.3*光阑,4.3.1*孔径光阑和视场光阑（ApertureandFieldStops）,这个部分超出大纲。,4.3*光阑,4.3.2*入瞳和出瞳（EntranceandExitPupils）,这个部分超出大纲。,4.3*光阑,4.3.3*相对孔径和f数（RelativeApertureandf-Number）,这个部分超出大纲。,Section4*反射镜（Mirrors）,4.4*反射镜,4.4.1*平面反射镜（PlanarMirrors）,这个部分超出大纲。,4.4*反射镜,4.4.2*非球面反射镜（AsphericalMirrors）,这个部分超出大纲。,4.4*反射镜,4.4.3*球面反射镜（SphericalMirrors）,这个部分超出大纲。,Section5*棱镜（Prisms）,4.5*棱镜,4.5.1*色散棱镜（DispersingPrisms）,这个部分超出大纲。,4.5*棱镜,4.5.2*反射棱镜（ReflectingPrisms）,这个部分超出大纲。,Section6*光纤光学（Fiberoptics）,4.6*光纤光学,4.6.1*光纤通信技术（FiberopticCommunicationsTechnology）,这个部分超出大纲。,Section7光学系统（OpticalSystems）,4.7光学系统,4.7.1眼睛（Eyes）,Vitreoushumor（后房玻璃状液）,人眼的结构（StructureoftheHumanEye）,4.7光学系统,4.7.1眼睛（Eyes）,Relaxedmuscle（肌肉松弛）,Contractedmuscle（肌肉收缩）,NormalEyes（正常眼）,4.7光学系统,4.7.2眼镜（Eyeglasses）,近视-用负透镜（Nearsightedness-NegativeLenses）,没有矫正（Noaccommodation）,4.7光学系统,4.7.2眼镜（Eyeglasses）,没有矫正（Noaccommodation）,矫正后（Afteraccommodation）,远点,光焦度（Dioptricpower）,（度）,4.7光学系统,4.7.2眼镜（Eyeglasses）,远视-用正透镜（Farsightedness-PositiveLenses）,没有矫正（Noaccommodation）,4.7光学系统,4.7.2眼镜（Eyeglasses）,没有矫正（Noaccommodation）,矫正后（Afteraccommodation）,近点,4.7光学系统,4.7.3放大镜（TheMagnifyingGlass）,视网膜上像的高度正比于视场角，且是倒立的像。,为近处的物体提供一个像，其尺寸大于直接利用眼睛观看时所产生的像的尺寸。,放大镜的作用,视网膜图像（Thesizeoftheretinalimage）,4.7光学系统,4.7.3放大镜（TheMagnifyingGlass）,直接观看,4.7光学系统,4.7.3放大镜（TheMagnifyingGlass）,放大率(Magnifyingpower)，角放大率(angularmagnification),在明视距离处，通过仪器观察时，视网膜上像的尺寸与直接观察时视网膜上的像的尺寸之比。,4.7光学系统,4.7.4目镜（Eyepieces）,目镜的作用,就是一个放大镜,不但可以观察一个实际的的物体，还可以观察由前面透镜系统成的中间像。,4.7光学系统,4.7.4目镜（Eyepieces）,目镜的分类,惠更斯目镜的视场相当广大，视角可达450，在250范围以内更见清晰，而且结构简单。因此显微镜中经常采用这种目镜。但只能观察虚物。,（1）惠更斯目镜（TheHugenseyepiece）（ocular）,4.7光学系统,4.7.4目镜（Eyepieces）,冉斯登目镜既能观察虚物，也能观察实物。其主焦点(principalfocus)位于场镜之前，故中间像可位于容易观察之处。在此放上一块十字叉线板(reticle)，并刻上交叉瞄准线(crosshairs)，或精确刻度表(precisionscales)，可对被观察的物体或来自物镜的实象进行长度的测量。惠更斯目镜则不能。,（2）冉斯登目镜（TheRamsdeneyepiece）,4.7光学系统,4.7.5复合型显微镜（TheCompoundMicroscope）,4.7光学系统,4.7.6照相机（TheCamera）,照相机的原理,底片film,CCD,投影系统（projectionsystem）的工作过程正好与照相机相反。,4.7光学系统,4.7.6照相机（TheCamera）,PentaPrism（五角棱镜）,Findereyepiece（观察镜）,Focusingscreen（对焦屏）,Moveablemirror（移动反射镜）,Shutter（快门）,Shutterrelease（快门线）,Shutterspeeddial（快门速度刻度盘）,Filmadvancelevel（底片传送装置）,Filmplane（底片平面）,Irisdiaphragm（可变光圈）,4.7光学系统,4.7.6照相机（TheCamera）,景深（DepthofField）,底片平面,为了增大景深，要减小照相机的光圈或孔径(aperture)，即可变光圈(irisdiaphragm)的直径需要较小。,如果光斑很小，并且可以接受，我们感觉像是清晰的。这样，P1和P2之间的距离就是景深。,4.7光学系统,4.7.7望远镜（TheTelescope）,折射式望远镜(RefractingTelescope),倒立的像,正立的像,4.7光学系统,4.7.7望远镜（TheTelesc