(整理)郁道银主编工程光学(知识点)..pptx

,#,精品文档,第一章小结（几何光学基本定律与成像概念）,1,、光线、波面、光束概念。,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：,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：,与波面对应所有光线的集合称为光束。,2,、几何光学的基本定律（内容、表达式、现象解释）,1,）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,）光的独立传播定律：,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,）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。,sinI,=n/n,，其中,I,为临界角。,m,m,精品文档,精品文档,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：,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,）光路的可逆性,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,）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,）马吕斯定律,光线束在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,、完善成像条件（,3,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,A,及其像点,A,之间任意二条光路的光程相等。,1,k,4,、应用光学中的符号规则（,6,条）,精品文档,精品文档,1,）沿轴线段,(L,、,L,、,r,）：,规定光线的传播方向自左至右为正方向，以折射面,顶点,O,为原点。,2,）垂轴线段,(h),：,以光轴为基准，在光轴以上为正，以下为负。,3,）光线与光轴的夹角,(U,、,U),：,光轴以锐角方向转向光线，顺时针为正，逆时,针为负。,4,）光线与法线的夹角,(I,、,I),：,光线以锐角方向转向法线，顺时针为正，逆时针,为负。,5,）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,负。,6,）相邻两折射面间隔,(d),：,由前一面的顶点到后一面的顶点，顺光线方向为,正，逆为负。,5,、单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴）,6,、单个折射面的成像公式（定义、公式、意义）,精品文档,精品文档,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：,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：,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,、球面反射镜成像公式,8,、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,、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,精品文档,精品文档,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”的光学系统。,2,、共轴理想光学系统的成像性质是什么？（,3,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,、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；它发出的光线都与光轴平行。,4,、无限远的轴上（外）像点的对应物点是什么？,物方焦点。,5,、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,、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？,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,精品文档,精品文档,出的光线经过系统后是一组平行光线。,可用直接表示光学系统，便于推断和计算光路。,7,、图解法求像的方法？,（可选择的典型光线和可利用的性质,5,条,+1,条）,8,、解析法求像方法为何？（牛顿公式、高斯公式）,1,）牛顿公式：,2,）高斯公式：,9,、由多个光组组成的理想光学系统的成像公式？（过渡公式）,10,、理想光学系统两焦距之间的关系？,11,、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）,精品文档,精品文档,12,、理想光学系统的组合公式为何？正切计算法？,13,、几种典型的光组组合及其特点（组成、特点和应用）？,精品文档,精品文档,第,三,章,小,结,(,平面与平面系统,),1,、平面光学元件的种类？作用？（,4,种）,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，,平行平板是个无光焦度的光学元件，不使物体放大或缩小，,反射棱镜，,实现折转光路、转像和扫描等功能。,折射棱镜，,改变光线的出射角，可用于放大偏转量。,2,、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,。,精品文档,精品文档,奇数次反射成镜像，偶数次反射成一致像。,3,、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,、平行平板的成像特性？（,3,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,、加平面镜、平行平板的成像计算。,6,、反射棱镜的种类（,4,种）、基本用途、棱镜的主截面、成像方向判别、等效,作用与展开。,简单棱镜，,改变出射角，增加光程,屋脊棱镜，,得到与物体一致的像,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,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,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。,精品文档,精品文档,7,、折射棱镜的作用,?,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,、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,、棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念。,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：,将介质的折射率随波长的变化用曲线表示。,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,各色光，经过透镜汇聚在焦平面上排列成各种颜色的狭缝像。,10,、常用的光学材料有几类？各有何特点？,光学玻璃，,制造工艺成熟，品种齐全，一般能透过波长为,0.352.5,m,的各色,光，超出波段范围的光会被强烈吸收。,光学晶体，,透射波段比光学玻璃宽，应用日益广泛,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。,精品文档,精品文档,第四章小结,(,光学系统中的光阑与光束限制,),1,、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,、什么是孔径光阑,(,作用,),、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,/,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：,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：,通过入瞳中心的光线。,3,、什么是视场光阑,(,作用,),、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：,主光线与光轴的夹角,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：,在像空间，出窗边缘对出瞳中心张的角。,视场光阑、如窗、出窗三者成物像关系,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？,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：,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：,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,、系统中光阑的判断方法如何？,精品文档,精品文档,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”。,6,、,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）,7,、望远系统的基本结构怎样？成像关系和光束限制情况,?,8,、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,与作用,.,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。,精品文档,精品文档,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,、光瞳衔接原则是什么,?,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。,10,、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。,由于场镜的物（即物镜的像）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。,11,、什么是景深、远景景深、近景景深？景深公式和影响因素？,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,P68-71.,第六章小结（光线的光路计算及像差理论）,1,、光线的光路计算方法。,2,、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,：把主要像差消掉。,精品文档,精品文档,3,、各种像差的定义、影响因素、性质、消像差方法？,4,、哪些像差与孔径有关？哪些像差与视场有关？,5,、什么是单个折射球面的不晕点（齐明点）？有何性质？,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,、了解七种像差的计算方法、级数展开形式。,7,、了解七种像差的初级像差的分布式表示式。,精品文档,精品文档,精品文档,精品文档,第七章（典型光学系统）小结,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,节能力的计算公式是什么,(7-1),？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,l,，使佩戴后眼睛的发散度,R=1/l,-,1/f,。,r,r,远点距离,l,近点距离,l,，远,/,近点发散度,R=1/l,P=1/l,，单位为屈光度,r,r,p,p,（,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,、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,体经过光学系统所成的像与它本身对眼睛张角的正切比。,3,、放大镜的视觉放大率为何？（注意条件）,精品文档,精品文档,4,、,显微镜系统：,P140,1,）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）,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,）视觉放大率公式：,3,）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,）数值孔径、出瞳,D,：,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,精品文档,精品文档,6,）显微镜的有效放大率：,7,）物镜的景深：,8,）视度调节：,5,、临界照明和坷拉照明中的光瞳衔接关系？,（瞳对瞳、窗对窗）,（窗对瞳、瞳对窗）,P144,倒数两段,6,、望远系统（开普勒）：,P145,1,）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,精品文档,精品文档,5,）开普勒望远镜由两个正透镜组成，成倒像，需在光学系统间加一转像系统,（透镜或棱镜），物镜后焦平面上加分划板（视场光阑）；伽利略望远镜（物镜是,视场光阑，瞳孔是孔径光阑）由一正一负两透镜组成，成正像，由于其视觉放大率,不大，故仅用于剧院观剧使用。,7,、摄影系统：,P150,1,）组成（光学结构特点）、成像关系、光束限制,物镜、光圈（孔径光阑、入瞳）、接收器（视场光阑、出窗）,2,）摄影物镜的,3,个主要参数及其影响作用：,焦距,f,（像的大小）、相对孔径,D/f,（像面照度、分辨率）和视场角,2,（成,像的范围）,光学特性：视场，分辨率，像面照度。,以像平面上每毫米内能分辨开的线对数表示,4,）光圈的定义及其与孔径光阑、分辨率、像面照度、景深的关系：,光圈数：,F,f/D,光圈,F,孔径,2a,，分辨率,，像面照度,，景深,5,）景深公式及其影响因素：,2a,P,f,6,）摄影物镜的种类：（,5,种）,普通、大孔径、广角、远摄、变焦距,8,、投影系统：,1,）系统的基本要求（,像差、照明,）,2,）主要光学参数（,4,个：,精品文档,精品文档,3,）其照明系统的衔接条件（,2,条）,1,）照明系统的拉赫不变量,J,要大于投影成像系统的拉赫不变量,J,。,1,2,2),保证两个系统的光瞳衔接和成像关系。,第九章小结,(,光学系统的像质评价和像差公差,),1,、,常用像质评价方法有几种？,瑞利判断、中心点亮度、分辨率、星点检测法、光学传递函数评价,2,、,了解常用像质评价方法,3,、,什么是像差公差,精品文档,