几何光学课件..ppt

1、Chapter Four 几何光学(Geometrical Optics),Section 1 简介(Introduction Remarks),4.1.1 光学系统（Optical system）,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

2、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

3、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,Section 2 透镜（Lenses）,4.2 透镜,4.2.1 *非球面成像（Aspherical Surfaces）,这个部分超出大纲。,4.2 透镜,4.2.2 折射球面成像(Refraction at Spherical Surfaces),4.2 透镜,4.2.2 折射球面成像(Refraction at Spherical Surfa

4、ces),利用费马原理，有,4.2 透镜,4.2.2 折射球面成像(Refraction at Spherical Surfaces),物方焦距(object focal length),像方焦距(image focal length),4.2 透镜,4.2.2 折射球面成像(Refraction at Spherical Surfaces),高斯方程(Gaussian Formula),4.2 透镜,4.2.2 折射球面成像(Refraction at Spherical Surfaces),物平面object plane,横向放大率（transverse magnification）,4.

5、2 透镜,4.2.2 折射球面成像(Refraction at Spherical Surfaces),光线追迹（ray tracing）,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,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（Thin Lenses）,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,凹透镜,凸透镜,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,薄透镜成像公式（Thin-lens Equations ）,高斯方程(Gaussian Lens F

6、ormula),4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,光心（Optical Center）,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（Thin Lenses）,焦点和焦面（Focal Points and Planes）,前焦面(front focal plane),后焦面( back focal plane),4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,凸透镜,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,凹透镜,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thi

7、n Lenses）, 其他薄透镜公式,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,横向放大率（transverse magnification ）,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,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（Thin Lenses）,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,【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

8、）,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,薄透镜组（Thin-Lens Combinations）,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,4.2 透镜,4.2.3 薄透镜（Thin Lenses）,密接薄透镜组(Contacted Thin-Lens Combinations),Section 3 *光阑（Stops）,4.3 *光阑,4.3.1 *孔径光阑和视场光阑 （Aperture and Field Stops）,这个部分超出大纲。,4.3 *光阑,4.3.2 *入瞳和出瞳（Entrance and Exit Pupils）,这个部分超出大纲

9、。,4.3 *光阑,4.3.3 *相对孔径和f数（Relative Aperture and f-Number）,这个部分超出大纲。,Section 4 *反射镜（Mirrors）,4.4 *反射镜,4.4.1 *平面反射镜（Planar Mirrors）,这个部分超出大纲。,4.4 *反射镜,4.4.2 *非球面反射镜（Aspherical Mirrors）,这个部分超出大纲。,4.4 *反射镜,4.4.3 *球面反射镜（Spherical Mirrors ）,这个部分超出大纲。,Section 5 *棱镜（Prisms）,4.5 *棱镜,4.5.1 *色散棱镜（Dispersing Pri

10、sms）,这个部分超出大纲。,4.5 *棱镜,4.5.2 *反射棱镜（Reflecting Prisms）,这个部分超出大纲。,Section 6 *光纤光学（Fiberoptics）,4.6 *光纤光学,4.6.1 *光纤通信技术 （Fiberoptic Communications Technology）,这个部分超出大纲。,Section 7 光学系统（Optical Systems）,4.7 光学系统,4.7.1 眼睛（Eyes）,Vitreous humor（后房玻璃状液）,人眼的结构（Structure of the Human Eye）,4.7 光学系统,4.7.1 眼睛（Eye

11、s）,Relaxed muscle（肌肉松弛）,Contracted muscle（肌肉收缩）,Normal Eyes（正常眼）,4.7 光学系统,4.7.2 眼镜（Eyeglasses）,近视-用负透镜（Nearsightedness-Negative Lenses）,没有矫正（No accommodation）,4.7 光学系统,4.7.2 眼镜（Eyeglasses）,没有矫正（No accommodation ）,矫正后（After accommodation ）,远点,光焦度（Dioptric power）,（度）,4.7 光学系统,4.7.2 眼镜（Eyeglasses）,远视-用

12、正透镜（Farsightedness-Positive Lenses）,没有矫正（No accommodation）,4.7 光学系统,4.7.2 眼镜（Eyeglasses）,没有矫正（No accommodation ）,矫正后（After accommodation ）,近点,4.7 光学系统,4.7.3 放大镜（The Magnifying Glass ）,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（The size of the retinal image）,4.7 光学系统,4.7

13、.3 放大镜（The Magnifying Glass ）,直接观看,4.7 光学系统,4.7.3 放大镜（The Magnifying Glass ）,放大率(Magnifying power)，角放大率(angular magnification),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

14、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（The Hugens eyepiece ）（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(principal focus)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(cross hairs)，或精确刻度表(precision scales) ，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（The Ramsden

15、 eyepiece ）,4.7 光学系统,4.7.5 复合型显微镜（The Compound Microscope）,4.7 光学系统,4.7.6 照相机（The Camera）,照相机的原理,底片film,CCD,投影系统（projection system）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（The Camera）,Penta Prism（五角棱镜）,Finder eyepiece（观察镜）,Focusing screen（对焦屏）,Moveable mirror（移动反射镜）,Shutter（快门）,Shutter release（快门线）,Shutter

16、 speed dial（快门速度刻度盘）,Film advance level（底片传送装置）,Film plane（底片平面）,Iris diaphragm（可变光圈）,4.7 光学系统,4.7.6 照相机（The Camera）,景深（Depth of Field）,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(iris diaphragm) 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（The Telescope）,折射式望远镜(Refracting Telescope),倒立的像,正立的像,4.7 光学系统,4.7.7 望远镜（The Telesco