几何光学课件

ChapterFour

几何光学

(GeometricalOptics)Section1

简介

(IntroductionRemarks)像方空间

imagespace物方空间

objectspace4.1.1光学系统（Opticalsystem）光学系统

光学系统是由若干反射面和折射面组成的光学仪器。物点(objectpoint)像点(imagepoint)共轭点

conjugatepoints从S点发散会聚于P点若锥体中的能量全部到达P点，此过程称为志向成像于S点。成像（imaging）§4.1

简介4.1.2成像（Imaging

）光学系统▲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。光学系统光学系统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

）▲实物与虚物假如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，假如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。光学系统虚物成实像光学系统虚物成虚像§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。物距(objectdistance)§4.2

透镜像距(imagedistance)光轴

opticalaxis顶点(vertex)so,foxosi,fixiRyo,yi++++++在V左边在Fo左边在V右边在Fi右边若C在V的右边在光轴

之上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)近轴光线

paraxialrays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成像条件（近轴）像平面imageplane▲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光心(opticalcenter)§4.2

透镜4.2.3薄透镜（ThinLenses）§4.2

透镜4.2.3薄透镜（ThinLenses）磨镜者公式Lensmaker’sFormula凸透镜，会聚透镜，正透镜

convex,converging,positivelens凹透镜，发散透镜，负透镜concave,diverging,negativelens§4.2

透镜4.2.3薄透镜（ThinLenses）双凸

(Bi-convex)▲凹透镜▲凸透镜平凸

(Planar-

convex)凸凹

(Meniscusconvex)双凹

(Bi-concave)平凹

(Planar-

concave)凹凸

(Meniscusconcave)§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，我们认为全部的光线经过光心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）Fo凸透镜Fo凹透镜FiFi前焦面(frontfocalplane)后焦面(

backfocalplane)§4.2

透镜4.2.3薄透镜（ThinLenses）凸透镜后焦面后焦面§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NewtonianLensFormula牛顿方程§4.2

透镜4.2.3薄透镜（ThinLenses）光心▲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】运用高斯公式第一次成像其次次成像（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）Cornea（角膜）Aqueoushumor（前房水状液）Pupil（瞳孔）Iris（虹膜）Conjunctiva（结膜）Vitreoushumor

（后房玻璃状液）Crystallinelens

（晶状体）Choroid

（脉络膜）Sclera

（巩膜）BlindSpot

（盲点）Macula（黄斑）Retina

（视网膜）Opticnerve

（视神经）Opticaxis

（光轴）Visualaxis

（视轴线）▲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）

物体在物体在有限距离

远点没有矫正（Noaccommodation）§4.7

光学系统4.7.2眼镜（Eyeglasses）物体在没有矫正

（Noaccommodation）

远点矫正后

（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）物体在近点没有矫正（Noaccommodation）25cm§4.7

光学系统4.7.2眼镜（Eyeglasses）没有矫正

（Noaccommodation）

近点矫正后

（Afteraccommodation）

近点25cm§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。为近处的物体供应一个像，其尺寸大于干脆利用眼睛观看时所产生的像的尺寸。▲放大镜的作用视网膜上像的高度▲视网膜图像（Thesizeoftheretinalimage）

像大像小§4.7

光学系统4.7.3放大镜（TheMagnifyingGlass）干脆观看间接观看放大镜§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，通过仪器视察时，视网膜上像的尺寸与干脆视察时视网膜上的像的尺寸之比。间接观看放大镜§4.7

光学系统4.7.4目镜（Eyepieces）▲目镜的作用就是一个放大镜,不但可以视察一个实际的的物体，还可以视察由前面透镜系统成的中间像。MP像差(Aberrations)位置像位置物体

类型放大镜当f

减小时，MP

增大当f

很小时，像差急剧增大放在眼睛前面在眼睛前面成正立的虚像实物目镜当f

减小时，MP

增大很好的消除了像差紧靠在眼睛

前面在无穷远处成正立的虚像实物

或虚物§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袤，视角可达450，在250范围以内更见清晰，而且结构简洁。因此显微镜中常常接受这种目镜。但只能视察虚物。（1）惠更斯目镜（TheHugenseyepiece）（ocular）field-lens

(场镜)eye-lens

(视镜)field-lens

(场镜)eye-lens

(视镜)§4.7

光学系统4.7.4目镜（Eyepieces）冉斯登目镜既能视察虚物，也能视察实物。其主焦点(principalfocus)位于场镜之前，故中间像可位于简洁视察之处。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)，可对被视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）

像在

∞中间像objective

(物镜)eyepiece

（目镜）object

(物体)tubelength

(筒长)§4.7

光学系统4.7.6照相机（TheCamera）▲照相机的原理底片

filmCCD

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

（视察镜）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