郁道银主编-工程光学(知识点)

1、。 第一章小结（几何光学基本定律与成像概念） 1 1 、光线、波面、光束概念。、光线、波面、光束概念。 光线：光线：在几何光学中，我们通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带 有方向的几何线。 波面：波面：发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻其振动位相相同的点所构成的 等相位面称为波阵面，简称波面。 光束：光束：与波面对应所有光线的集合称为光束。 2 2 、几何光学的基本定律（内容、表达式、现象解释）、几何光学的基本定律（内容、表达式、现象解释） 1 1 ）光的直线传播定律：）光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播的。 2 2 ）光的独立传播定律：）光的独立传播定律

2、：不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响， 各光束独立传播。 3 3 ）反射定律和折射定律（全反射及其应用）：）反射定律和折射定律（全反射及其应用）： 反射定律：1、位于由入射光线和法线所决定的平面内； 2、反射光线和入射光线 位于法线的两侧，且反射角和入射角绝对值相等，符号相反，即I=-I。 全反射：当满足1、光线从光密介质向光疏介质入射，2、入射角大于临界角时， 入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生。sinIm=n/n， 其中Im为临界角。 应用：1、用全反射棱镜代替平面反射镜以减少光能损失。（镀膜平面反射镜只 能反射90%左右的入射光能）2、光纤 折射定律

3、：1、折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内； 2、折射角的正 弦和入射角的正弦之比与入射角大小无关， 仅由两种介质的性质决定。 nsinI=nsinI。 应用：光纤 4 4 ）光路的可逆性）光路的可逆性 -可编辑修改- 。 光从A点以AB方向沿一路径S传递，最后在D点以CD方向出射，若光从D点以CD方向 入射，必原路径S传递，在A点以AB方向出射，即光线传播是可逆的。 5 5 ）费马原理）费马原理 光从一点传播到另一点，其间无论经历多少次折射和反射，其光程为极值。 （光 是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的），也叫“光程极端定律”。 6 6 ）马吕斯定律）马吕斯定律 光线束在

4、各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射 波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。 折/反射定律、费马原理和马吕斯定律三者中的任意一个均可以视为几何光学的 一个基本定律，而把另外两个作为该基本定律的推论。 3 3 、完善成像条件（、完善成像条件（3 3种表述种表述) ) 1）、入射波面为球面波时，出射波面也为球面波； 2）、入射光束为同心光束时，出射光束也为同心光束； 3）、物点A1及其像点Ak 之间任意二条光路的光程相等。 4 4 、应用光学中的符号规则（、应用光学中的符号规则（6 6 条）条） 1 1）沿轴线段）沿轴线段(L(L、L L 、r r）：）：规定光线的传播

5、方向自左至右为正方向，以折射面顶 点 O 为原点。 2 2）垂轴线段）垂轴线段(h)(h)：以光轴为基准，在光轴以上为正，以下为负。 3 3）光线与光轴的夹角）光线与光轴的夹角(U(U、U U ) )：光轴以锐角方向转向光线，顺时针为正，逆时针 为负。 4 4）光线与法线的夹角）光线与法线的夹角(I(I、I I ) )：光线以锐角方向转向法线，顺时针为正，逆时针 为负。 5 5）光轴与法线的夹角）光轴与法线的夹角( () )：光轴以锐角方向转向法线，顺时针为正，逆时针为 -可编辑修改- 。 负。 6 6）相邻两折射面间隔）相邻两折射面间隔(d)(d)：由前一面的顶点到后一面的顶点，顺光线方向为

6、正， 逆为负。 5 5 、单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴）、单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴） 6 6 、单个折射面的成像公式（定义、公式、意义）、单个折射面的成像公式（定义、公式、意义） 垂轴放大率成像特性：垂轴放大率成像特性： 0,成正像，虚实相反；1,放大；|1，缩小。 轴向放大率结论：轴向放大率结论： 折射球面的轴向放大率恒为正，轴向放大率与垂轴放大率不等。 角放大率：角放大率：表示折射球面将光束变宽变细的能力；只与共轭点的位置有关，与光 线的孔径角无关。 7 7 、球面反射镜成像公式、球面反射镜成像公式 -可编辑修改- 。 8 8 、共轴球面系统公式（过渡公式、

7、成像放大率公式）、共轴球面系统公式（过渡公式、成像放大率公式） 第二章小结 (理想光学系统) 1 1、什么是理想光学系统？、什么是理想光学系统？ 为了系统的讨论物像关系，挖掘出光学系统的基本参量，将物、像与系统件的内 在关系揭示出来，可暂时抛开光学系统的具体结构（r,d,n），将一般仅在光学系统 的近轴区存在的完善成像， 拓展成在任意大的空间中一任意宽的光束都成完善像的理 想模型。简单的说就是物像空间满足“点对应点，直线对应直线，平面对应平面”的简单的说就是物像空间满足“点对应点，直线对应直线，平面对应平面”的 光学系统。光学系统。 2 2、共轴理想光学系统的成像性质是什么？（、共轴理想光学系

8、统的成像性质是什么？（3 3大点）大点） 1）位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位于光轴上；位于过光轴的某一个 截面内的物点对应的共轭像点必位于该平面的共轭像面内； 同时，过光轴的任意截面 成像性质都是相同的 2）垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像的几何形状完全与物相似。 3）如果已知两共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率，以及 轴上两对共轭点的位置， 则其他一切物点的像点都可以根据这些已知的共轭面和共轭 点来表示。 3 3、无限远的轴上（外）物点的共轭像点是什么？它发出的光线有何性质？、无限远的轴上（外）物点的共轭像点是什么？它发出的光线有何性质？ 像方焦点；它发出的光线都与

9、光轴平行。 -可编辑修改- 。 4 4、无限远的轴上（外）像点的对应物点是什么？、无限远的轴上（外）像点的对应物点是什么？ 物方焦点。 5 5、物（像）方焦距的计算公式为何？、物（像）方焦距的计算公式为何？ f=h/tanU，h为平行光线的高度，U为像方孔径角。 6 6、物方主平面与像方主平面的关系为何？、物方主平面与像方主平面的关系为何？ 互为共轭。 光学系统的基点及性质？有何用途？光学系统的基点及性质？有何用途？ 一对主点和主平面，一对焦点和焦平面，称为光学系统的基点和基面。 一束平行光线经过系统后交于像方焦平面上一点， 物方焦平面上一点光源发射出 的光线经过系统后是一组平行光线。 可用直

10、接表示光学系统，便于推断和计算光路。 7 7、图解法求像的方法？、图解法求像的方法？ （可选择的典型光线和可利用的性质（可选择的典型光线和可利用的性质 5 5条条+1+1条）条） 8 8、解析法求像方法为何？（牛顿公式、高斯公式）、解析法求像方法为何？（牛顿公式、高斯公式） 1 1）牛顿公式：）牛顿公式： 2 2）高斯公式：）高斯公式： 9 9、由多个光组组成的理想光学系统的成像公式？（过渡公式）、由多个光组组成的理想光学系统的成像公式？（过渡公式） -可编辑修改- 。 1010、理想光学系统两焦距之间的关系？、理想光学系统两焦距之间的关系？ 1111、理想光学系统的放大率？（定义、公式、用途

11、、与单个折射面公式的区别、理想光学系统的放大率？（定义、公式、用途、与单个折射面公式的区别 和联系）和联系） 1212、理想光学系统的组合公式为何？正切计算法？、理想光学系统的组合公式为何？正切计算法？ -可编辑修改- 。 1313、几种典型的光组组合及其特点（组成、特点和应用）？、几种典型的光组组合及其特点（组成、特点和应用）？ 第 三 章 小 结( ( 平面与平面系统) -可编辑修改- 。 1 1、平面光学元件的种类？作用？（、平面光学元件的种类？作用？（4 4 种）种） 平面反射镜，平面反射镜，唯一能成完善像的最简单的光学元件，可用于做光杠杆 平行平板，平行平板，平行平板是个无光焦度的光

12、学元件，不使物体放大或缩小， 反射棱镜，反射棱镜，实现折转光路、转像和扫描等功能。 折射棱镜，折射棱镜，改变光线的出射角，可用于放大偏转量。 2 2、平面镜的成像特点和性质？平面镜的旋转特性？、平面镜的成像特点和性质？平面镜的旋转特性？ 每一点都能成完善像，并且像与物虚实相反。 平面镜转动 ，反射光线转动 。 奇数次反射成镜像，偶数次反射成一致像。 3 3、光学杠杆原理和应用？（测小角度和微位移）、光学杠杆原理和应用？（测小角度和微位移） 从透镜物方焦点发出光线束， 经过系统后成平行光束经过微小偏转 的平面镜后 反射，再经过系统汇聚在像方焦平面上，测得垂轴距离y，则 y=ftan2=2f，测杆

13、 支点与光轴距离 a，移动量 x，=tan=x/a, so, y=(2f/a)x=Kx，K 为放大倍数。 4 4、平行平板的成像特性？（、平行平板的成像特性？（3 3 点）近轴区内的轴向位移公式？点）近轴区内的轴向位移公式？ 平行平板是个无光焦度的光学元件， 不使物体放大或缩小， 只将像从物位置进行 一个轴向平移。近轴区能成完善像，非近轴区不能成完善像。 5 5、加平面镜、平行平板的成像计算。、加平面镜、平行平板的成像计算。 6 6、反射棱镜的种类（、反射棱镜的种类（4 4 种）、基本用途、棱镜的主截面、成像方向判别、等效种）、基本用途、棱镜的主截面、成像方向判别、等效 作用与展开。作用与展开

14、。 简单棱镜，简单棱镜，改变出射角，增加光程 屋脊棱镜，屋脊棱镜，得到与物体一致的像 立方角锥棱镜，立方角锥棱镜，出射光线平行于入射光线像与物仅发生一个平行平移 -可编辑修改- 。 复合棱镜，复合棱镜，实现特殊功能，如分光、分色、转像、双像等 成像方向的判断成像方向的判断 1）、Oz坐标轴与光轴出射方向一致 2）、 垂直于主界面的坐标轴 Oy， 若有奇数个屋脊面， 则像方向与物方向相反； 若有偶数个屋脊面，则方向相同 3）、平行于主界面的坐标轴Ox，（一个屋脊面当两个反射面）若有奇数个反 射面，则像坐标系与物坐标系相反；若有偶数个反射面则相同 4）遇到透镜，Ox、Oy均转向。 7 7、折射棱镜

15、的作用、折射棱镜的作用? ?其最小偏向角公式及应用其最小偏向角公式及应用 改变光线的出射角，可用于放大偏转量。 为棱镜顶角， 为偏向角。当光线的光路对称与折射棱镜 时，偏向角最小。已知 ，测的最小偏向角 ，即可求得棱镜的折射率 n 8 8、光楔的偏向角公式及其应用（测小角度和微位移）、光楔的偏向角公式及其应用（测小角度和微位移） =2(n-1)cos, 为两光楔相对旋转的角度。 当 =90 时可用于测微小位移，单个棱镜的偏向角 已知，棱镜间距离 z 已知， 则垂轴方向的微小位移 y=z = (n-1)z 9 9、棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念。、棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念。 棱镜色

16、散：棱镜色散：同一透明介质对于不同波长的单色光具有不同的折射率， 故复合光经 过棱镜后能被分解成多种不同颜色的光。 色散曲线：色散曲线：将介质的折射率随波长的变化用曲线表示。 白光光谱：白光光谱：狭缝发射出的白光经过透镜准直为平行光， 平行光经过棱镜分解为各 -可编辑修改- 。 色光，经过透镜汇聚在焦平面上排列成各种颜色的狭缝像。 1010、常用的光学材料有几类？各有何特点？、常用的光学材料有几类？各有何特点？ 光学玻璃，光学玻璃， 制造工艺成熟， 品种齐全， 一般能透过波长为 0.352.5m 的各色光， 超出波段范围的光会被强烈吸收。 光学晶体，光学晶体，透射波段比光学玻璃宽，应用日益广泛

17、 光学塑胶，光学塑胶，价格便宜、密度小、重量轻、易于压制成型、成本低、生产效率高和 不易破碎等诸多优点，主要缺点是热膨胀系数和折射率的温度系数比光学玻璃大的 多，受温度影响大成像质量不稳定。 第四章小结( 光学系统中的光阑与光束限制) 1 1、什么是光阑？、什么是光阑？ 限制成像光束和成像范围的遮光片称为光阑。 2 2、什么是孔径光阑、什么是孔径光阑( (作用作用) )、入瞳、出瞳、孔径角？它们的关系如何？、入瞳、出瞳、孔径角？它们的关系如何？ 限制轴上物点孔径角大小，并有选择轴外物点成像光束作用的光阑。 入瞳入瞳/ /出瞳：出瞳：孔径光阑经前/后光学系统在物/像空间所成的像。 孔径角：孔径角

18、：光轴上的物体点与透镜的有效直径所形成的角度。 孔径光阑、入瞳和出瞳三者是物像关系。 主光线：主光线：通过入瞳中心的光线。 3 3、什么是视场光阑、什么是视场光阑( (作用作用) )、入窗、出窗、视场角？它们的关系如何？、入窗、出窗、视场角？它们的关系如何？ 限制成像范围的光阑。 类似于入/出瞳。 视场角：视场角：主光线与光轴的夹角 物方视场角：物方视场角：在物空间，入窗边缘对入瞳中心张的角 像方视场角：像方视场角：在像空间，出窗边缘对出瞳中心张的角。 -可编辑修改- 。 视场光阑、如窗、出窗三者成物像关系 4 4、什么是渐晕、渐晕光阑、渐晕系数？渐晕光阑和视场光阑的关系如何？、什么是渐晕、渐

19、晕光阑、渐晕系数？渐晕光阑和视场光阑的关系如何？ 渐晕：渐晕：由轴外点发出的充满入瞳的光线被其他光孔遮拦的现象 渐晕光阑：渐晕光阑：为了改善轴外点的成像，有意识的缩小某一二个透镜直径，挡去一部 分成像光线，这种被缩小孔径的透镜或光阑被称为渐晕光阑。 渐晕系数：渐晕系数：轴向光束的口径为 D，视场角为 的轴外光束在子午截面内的光束宽 度为 D，这 D与 D 之比称为“渐晕系数”，用 K表示，即 K=D/D 5 5、系统中光阑的判断方法如何？、系统中光阑的判断方法如何？ 根据定义出发，寻找限制入射光束宽度的光阑（孔径光阑），限制成像光束的光 阑（视场光阑） a、做出后光学系统即遮光片经前光学系统的

20、像 b、将物点与所有“像”的边缘连起来，比较“孔径角”，最小的为入瞳，对应 的物即为“孔径光阑” c、从入瞳中心引出过“像”边缘的主光线，比较“视场角”，最小的为入窗， 对应的物即为“视场光阑”。 -可编辑修改- 。 6、照相系统的基本结构怎样？成像关系和光束限制情况照相系统的基本结构怎样？成像关系和光束限制情况? ?（看第七章）（看第七章） 7 7、望远系统的基本结构怎样？成像关系和光束限制情况、望远系统的基本结构怎样？成像关系和光束限制情况? ? 8 8、显微系统的基本结构怎样？成像关系和光束限制情况、显微系统的基本结构怎样？成像关系和光束限制情况? ? 物方远心光路原理与物方远心光路原理

21、与 作用作用. . 远心光路：远心光路：孔径光阑在物镜像方焦平面上，入瞳位于无穷远处，轴外点主光线平 行于光轴。 作用：作用：物即使不在设计位置，所成像调焦不准，但弥散圆中心间距不变，不会产 生太大误差。 9 9、光瞳衔接原则是什么、光瞳衔接原则是什么? ?为什么要遵守该原则为什么要遵守该原则? ? 前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合， 使前面得入射光线能全部透过后面的系 统。 1010、场镜的定义、作用、成像关系？、场镜的定义、作用、成像关系？ 在一次实像面处所加的起收敛孔径角作用的透镜。 收敛目镜物方孔径角，还能调节出瞳距离，增大光路，减小筒长。 -可编辑修改- 。 由于场镜的物（即物镜的

22、像）在镜上，所以像也在镜上。 可消球差、正弦差、像散、位置色差、倍率色差。不能消场曲、畸变。 1111、什么是景深、远景景深、近景景深？景深公式和影响因素？、什么是景深、远景景深、近景景深？景深公式和影响因素？ 景深景深：能在景象平面上获得清晰像的物方空间深度范围称为景深 能成清晰像的最远/近的物平面称为远/近景平面，它们距对准平面的距离称远/ 近景深度。 景深与入瞳孔径有关，孔径角越小，景深越大。 （拍照时，调小光圈能获得大的 空间深度的清晰像），与景象平面有关，当景象平面与物镜距离p=2a/ 时，可得到 距入射光瞳为 a/ 处的平面至无限远的整个空间的物体的清晰像。 具体公式看书 P68-

23、71. 第六章小结（光线的光路计算及像差理论） 1 1、光线的光路计算方法。、光线的光路计算方法。 2 2、什么是像差？共有几种像差？消像差的基本原则是什么？、什么是像差？共有几种像差？消像差的基本原则是什么？ 实际像与理想像之间的差异叫做像差。7 基本原则基本原则：把主要像差消掉。 3 3、各种像差的定义、影响因素、性质、消像差方法？、各种像差的定义、影响因素、性质、消像差方法？ -可编辑修改- 。 4 4、哪些像差与孔径有关？哪些像差与视场有关？、哪些像差与孔径有关？哪些像差与视场有关？ 5 5、什么是单个折射球面的不晕点（齐明点）？有何性质？、什么是单个折射球面的不晕点（齐明点）？有何性

24、质？ 不产生球差的点需满足： 1）L=0,即物点和像点均位于球面顶点 2)sinI-sinI=0,即 I=I=0,表示物点和像点均位于球面的曲率中心 3)sinI-sinU=0,即 I=U,可得出 L=(n+n)r/n, L=(n+n)r/n, 该面的垂轴放大率 =nL/nL=(n/n) 2 校正了球差且满足正弦条件的点叫做齐明点或叫不晕点。 或 不产生像差的点叫做齐明点或不晕点。 常利用齐明点的特性来制作齐明透镜， 以增大物镜的孔径角，用于显微镜或照明 系统。 6 6、了解七种像差的计算方法、级数展开形式。、了解七种像差的计算方法、级数展开形式。 7 7、了解七种像差的初级像差的分布式表示式

25、。、了解七种像差的初级像差的分布式表示式。 -可编辑修改- 。 -可编辑修改- 。 第七章（典型光学系统）小结 1 1、正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征是什么？应如何校正非正常眼？调节、正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征是什么？应如何校正非正常眼？调节 能力的计算公式是什么能力的计算公式是什么(7-1)(7-1)？人眼的分辨率？人眼的分辨率=?=? 眼睛的远点在无限远处，即光学系统的后焦点在视网膜上，称为正常眼； 远点位于眼前有限距离，后焦点在视网膜前，称为近视眼，需佩戴一负透镜； 远点位于眼后有限距离，后焦点位于视网膜后，称为远视眼，需佩戴一正透镜。 透镜的焦距为 f，眼睛的远点 lr，使

26、佩戴后眼睛的发散度 R=1/lr-1/f。 远点距离 lr,近点距离 lp，远/近点发散度 R=1/lr,P=1/lp，单位为屈光度（D）， 眼睛的调节能力 A=R-P。R 表示近视眼或远视眼的程度，称为视度。 人眼具有瞳孔调节和视度调节的能力。 人眼能分辨的物点间最小视角称作视角鉴别率，60,眼睛的分辨能力或视 觉敏锐度=1/( 的单位是分)。 2 2、什么是视觉放大率？表达式及其意义？它与光学系统的角放大率有何异同？、什么是视觉放大率？表达式及其意义？它与光学系统的角放大率有何异同？ 表示对人眼张角的放大倍率， 角放大率是一对共轭点及其共轭光线所张孔径角的正切比， 而视觉放大率是物体 经过

27、光学系统所成的像与它本身对眼睛张角的正切比。 3 3、放大镜的视觉放大率为何？（注意条件）、放大镜的视觉放大率为何？（注意条件） -可编辑修改- 。 4 4、 显微镜系统：显微镜系统：P140P140 1 1）组成（光学结构特点）、成像关系、光束限制（生物显微镜和测量显微镜）组成（光学结构特点）、成像关系、光束限制（生物显微镜和测量显微镜） 物镜（孔径光阑、入瞳），测量时，孔径光阑在物镜像方焦平面上，在物镜像面 上放一透明分划板（视场光阑），目镜，物在物镜的物方焦点附近，经物镜成一倒立 实像在目镜的物方焦点附近， 再经过目镜成一正立的放大的虚像 （总的还是倒立的） ， 出瞳对眼睛瞳孔。 2 2

28、）视觉放大率公式：）视觉放大率公式： 3 3）线视场公式：光学系统在物空间能成清晰像的范围）线视场公式：光学系统在物空间能成清晰像的范围 显微镜的视觉放大率越大，其在物空间的线视场越小。 4 4）数值孔径、出瞳）数值孔径、出瞳 DD： 5 5）物镜的分辨率：光学系统所成像符合理想时，光学系统能分辨的最小间隔）物镜的分辨率：光学系统所成像符合理想时，光学系统能分辨的最小间隔 6 6）显微镜的有效放大率：）显微镜的有效放大率： -可编辑修改- 。 7 7）物镜的景深：）物镜的景深： 8 8）视度调节：）视度调节： 5 5、临界照明和坷拉照明中的光瞳衔接关系？、临界照明和坷拉照明中的光瞳衔接关系？

29、（瞳对瞳、窗对窗） （窗对瞳、瞳对窗）P144 倒数两段 6 6、望远系统（开普勒）：、望远系统（开普勒）：P145P145 1 1）组成（光学结构特点）、成像关系、光束限制）组成（光学结构特点）、成像关系、光束限制 物镜（孔径光阑、入瞳）、视场光阑（在焦平面处）、目镜（渐晕光阑）、出瞳 对瞳孔。望远镜一般不用做成像系统，而与眼睛联用， 一束平行于光轴的大孔径平行 光束经过物镜聚焦在焦平面上， 再经过目镜发散为小孔径的平行光束， 再经过眼睛聚 焦成像在视网膜上。 分辨率： =120/D 有效放大率： =60/=D/2.3 工作放大率： =D -可编辑修改- 。 5 5） 开普勒望远镜由两个正透镜组成，开普勒望远镜由两个正透镜组成， 成倒像，成倒像， 需在光学系统间加一转像系统需在光学系统间加一转像系统 （透（透 镜或棱镜），物镜后焦平面上