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假设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点假设锥体中的能量全部到达P点，此过程称为抱负成像于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局部，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〕▲实像与虚像假设出射的同心光束是会聚的，我们称像点P为实像；假设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〕▲实物与虚物假设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，假设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〕这个局部超出大纲。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】使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*孔径光阑和视场光阑

〔ApertureandFieldStops〕这个局部超出大纲。§4.3*光阑4.3.2*入瞳和出瞳〔EntranceandExitPupils〕这个局部超出大纲。§4.3*光阑4.3.3*相对孔径和f数〔RelativeApertureandf-Number〕这个局部超出大纲。Section4

*反射镜

〔Mirrors〕§4.4

*反射镜4.4.1*平面反射镜〔PlanarMirrors〕这个局部超出大纲。§4.4

*反射镜4.4.2*非球面反射镜〔AsphericalMirrors〕这个局部超出大纲。§4.4

*反射镜4.4.3*球面反射镜〔SphericalMirrors〕这个局部超出大纲。Section5

*棱镜

〔Prisms〕§4.5*棱镜4.5.1*色散棱镜〔DispersingPrisms〕这个局部超出大纲。§4.5*棱镜4.5.2*反射棱镜〔ReflectingPrisms〕这个局部超出大纲。Section6

*光纤光学

〔Fiberoptics〕§4.6*光纤光学4.6.1*光纤通信技术

〔FiberopticCommunicationsTechnology〕这个局部超出大纲。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）▲人眼的构造〔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。为近处的物体供给一个像，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〕直接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，通过仪器观看时，视网膜上像的尺寸与直接观看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,不但可以观看一个实际的的物体，还可以观看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宽阔，视角可达450，在250范围以内更见清晰，而且构造简洁。因此显微镜中常常承受这种目镜。但只能观看虚物。〔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〕冉斯登目镜既能观看虚物，也能观看实物。其主焦点(principalfocus)位于场镜之前，故中间像可位于简洁观看之处。在此放上一块十字叉线板(reticle)，并刻上穿插瞄准线(crosshairs)，或准确刻度表(precisionscales)，可对被观看的物体或来自物镜的实象进展长度的测量。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

〔观看镜〕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〕Irisdia