工程光学第二章.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 理想光学系统,第一节 理想光学系统与共线成像理论,第二节 理想光学系统的基点和基面,第三节 理想光学系统的物像关系,第四节 理想光学系统的放大率,第五节 理想光学系统的组合,第六节 透镜,第一节 理想光学系统与共线成像理论,任意大的空间、以任意宽的光束都成完善像,的光学系统。,高斯光学,（,Gaussian Optics,）,一、,理想光学系统,2,、物像空间皆为均匀介质：共线成像,物像变换为点对点，线对线，面对面的关系。,1,、任意物点经理想光学系统都成完善像点：共轭,二、共轴理想光学系统的成像性质,过主光轴的一个截面,1,、位于,光轴上物点,的共轭像点必然在光轴上；,垂直光轴的平面物与其共轭平面像必然是几何相似,具有相同的放大率。,2,、,过主光轴的任意截面,成像性质相同，并关于主光轴对称；,3,、,垂直于主光轴的物平面,，其共轭像面必然垂直于光轴；,4,、利用已知的共轭点,/,面求物像关系,O,1,O,2,O,1,O,2,O,O,（,1,）已知两对共轭面的位置和放大率：,利用光轴上的已知共轭点；,由已知共轭面的放大率确定出射光线的方向。,B,A,A,B,（,2,）已知一对共轭面的位置和放大率，以及轴上另外两对,共轭点的位置,O,O,O,1,O,2,O,3,O,3,O,2,O,1,利用光轴上的已知共轭点；,由已知共轭面的放大率确定出射光线的方向。,A,B,A,B,基点,&,基面,第二节 理想光学系统的基点和基面,1,、无限远轴上物点发出的光线,一、像方焦点,F,（,the second/image focus,）,Image is formed when the object of axial point is at infinity.,理想光学系统的,像方焦点、焦平面,2,、理想光学系统的像方参数,像方焦点,F,像方焦平面；,像方主点,H,像方主平面,Q,H,；,像方焦距,（,the second/image focal length,）：,以像方主点,H,为起算原点,3,、无限远轴外物点发出的光线,共轭像点位于,像方焦平面上,反映轴外物点偏离光轴的,角距离,。,二、,物方焦点,F,（,the first/object focus,）,物方焦点,F,物方焦平面；,物方主点,H,物方主平面,QH,；,物方焦距,（,the first/object focal length,）：,It is the object of axial point that is imaged at infinity.,以物方主点,H,为起算原点,出射光线在像方主平面的投射高度与入射光线,在物方主平面的投射高度相等。,三、物方主平面与像方主平面间的关系,1,、主平面的物理意义,共轭面：,QH,，,Q,H,垂轴放大率为,+1,共轴理想光学系统的简化图：,用基点和基面的位置表征。,一对主点、一对主平面；,一对焦点、一对焦平面；,一对节点、一对节平面；,2,、共轴理想光学系统的基点和基面,（共轭）,（非共轭）,四、实际光学系统的基点位置和焦距计算,例：三片型照相物镜,1,、结构参数：,26.67,189.67,-49.66,25.47,72.11,-35.00,5.20,7.95,1.6,6.7,2.8,1.6140,1.6475,1.6140,方法：在近轴区追迹,平行于光轴的光线。,2,、求物镜像方焦距、像方焦点、像方主点,起始坐标,用六次,近轴光线的光路计算公式,和,过渡公式,求,像距和倾角,像方焦距,像方主点,像距和倾角,注：,l,或,l,都是以球面顶点为起算原点！,3,、求物镜物方焦距、物方焦点、物方主点,起始坐标,物距和倾角,物方焦距,物方主点,物方焦点位置,*计算结果的有关问题：,1,）像方焦距、像方焦点、像方主点：,2,）物方焦距、物方焦点、物方主点：,解法,2,：,1.6745,1,）平行于光轴的光线，经系统后必经过像方焦点；,2,）过物方焦点的入射光线，经系统后平行于光轴；,3,）倾斜于光轴入射的平行光束，经过系统后出射光束,交于像方焦平面上的一点；,4,）自物方焦平面上一点发出的光束，经系统后成倾斜,于光轴的平行光束出射。,5,）共轭光线在一对主面上的投射高度相等。,第三节 理想光学系统的物像关系,一、图解法求像,1,、典型光线及性质（,5,条）,焦平面,性质,主面性质,焦点,定义,（,1,）轴外点成像,2,、依据：,理想的成像情况下，从一点发出的一束光线,经光学系统作用后仍交于一点。,3,、方法：,求物点发出的两条特定光线在像方空间的共轭,光线，二者的交点为共轭像点。,利用典型光线、主面性质,（,2,）轴上物点成像,利用,焦平面的性质,解法,1,：,解法,2,：,a),（,3,）轴上物点，经两个光具组成像,b),d),c),例,1,：作图法求图中,AB,的像,A,B,A,B,A,B,A,B,H,H,A,B,(a),(b),二、解析法求像,由,BAF,FHM,B,A,F,N,H,F,得,牛顿公式：,依据：,利用已知的一对共轭面、两对共轭点。,1,、沿轴线段以光学系统的,焦点,为起算原点,2,、沿轴线段,以光学系统的,主点,为起算原点,牛顿公式：,高斯公式：,特例：,物像空间介质相同,问题：,与第一章单个折射,/,反射球面的成像公式有何区别？,三、理想光学系统两焦距之间的关系,共轴球面系统,的拉赫公式：,近轴区,近轴小角度,:,（反射面的个数为,k,),自学：,理想光学系统两焦距之间关系的一般形式：,当 时，,1,）包含,偶数,个反射面的系统，物方焦距和像方焦距,异号,；,2,）包含,奇数,个反射面的系统，物方焦距和像方焦距,同号,。,理想光学系统的拉赫公式：,1,、图解法求像,2,、解析法求像,四、小结,1,）牛顿公式：,物像空间介质相同：,2,）高斯公式：,系统两焦距之间的关系：,例,2,：,焦距,20cm,的薄凸透镜，一物体在其顶点左方,30cm,处，用两种方法求像的位置及横向放大率。,解：,1）高斯法：,2）牛顿法：,S,O,F,F,一、,轴向放大率,第四节 理想光学系统的放大率,1,、沿轴移动,微量,距离,对,高斯公式,微分得,或：由牛顿公式得,2,、沿轴移动,有限,距离,定义,（,1,和,2,分别是移动前后位置的垂轴放大率,）,证明：,由牛顿公式得,二、角放大率,1,、,定义：,2,、理想光学系统的三种放大率的关系：,三、光学系统的节点,（基点）,1,、定义：,角放大率等于,+1,的一对共轭点。,n=n,：,节点与主点重合,特例：,n=n,物理意义：,过节点的入射光线经系统后出射方向不改变。,2,、节点的位置,由,得,过节点的光线,B,四、用平行光管测定焦距的依据,光学系统在空气中，主点与节点重合。,经过节点的,光线出射后不改变方向。,平行光管,提供平行光束,平行光管物镜,待测光学系统,平行光管测定焦距的原理,分划板,J,J,F,F,A,B,A,B,(a),J,J,F,F,A,B,A,(b),B,例,3,：作图法求图中,AB,的像,AB.,五、小结,1,、轴向放大率,2,）移动,有限,的距离,2,、角放大率,1,）移动,微量,距离,3,、节点,：,过节点的入射光线出射后不改变方向。,1,）,n=n,：,节点与主点重合,2,）,一、由多个光组组成的理想光学系统的成像,第五、六节 理想光学系统的组合 透镜,1,、各光组间相对位置的表示,主面间隔,光学间隔（焦点间隔）,2,、多个光组的过渡关系和放大率,第,i,个光组,共,k,个光组,二、两个光组组合分析,1,、组合焦点的位置,像方焦点：,对于第二个光组，是共轭点,物方焦点：,对于第一个光组，,是共轭点。,2,、组合焦距的计算,M,F,H,I,2,H,2,F,I,2,H,2,F,1,I,1,H,1,F,1,组合系统的物方焦距和像方焦距,组合焦距的,起算原点,：,组合系统,的物、像两方的,主点,3,、组合系统主平面的位置,（以系统处于同一介质中为例）,组合物方参数以第一个光组物方主点为原点,组合像方参数以第二个光组像方主点为原点,4,、公式小结,1,、各光组间相对位置的表示,2,、两光组组合的参数计算：,像方焦点：,物方焦点：,像方主点：,物方主点：,5,、光焦度,光焦度的定义,两光组的组合焦距,系统处于同一介质中,密接薄透镜组,（,d,=0,）,光焦度,:,（单位：屈光度）,物理意义：反映光学系统的会聚或发散本领的数值。,例：,出射光束相对于入射光束有很大的偏折效应。,有限焦距系统,三、透镜,（,Lens,）,1,、透镜的构成与分类,构成：,两个折射面,两个单独的光组,第二个折射面的虚物距,实际的透镜,2,、透镜,两个折射球面的成像公式,设,透镜处在空气中,，由阿贝不变式 得,第一个折射面的焦距,第二个折射面的焦距,透镜的,光学间隔,透镜的,焦距公式,透镜的,光焦度,透镜的,焦点,位置,透镜的,主点,位置,透镜,主点,位置的另一种表达式,F,F,F,F,薄透镜：,正透镜,负透镜,3,、自学：透镜参数与,r,、,d,关系的分析,（表,2-1,）,四、多光组组合计算,1,、方法：,追迹,平行于主光轴入射,的光线,最终的出射角度,。,第,i,个光组：,过渡公式：,2,、正切计算法,（适用于多光组组合计算）,例,1,：,三个光组的组合系统，令,例,2,：远摄型光组,已知：,求：,设任意,则,例,3,：反远摄型光组,已知：，求：。,设任意,则,五、望远系统,无焦系统,重合，光学间隔,=0,1,）垂轴放大率,2,）角放大率,望远系统,放大率与位置无关！,例：平行光束入射的物理解释,应用,1,：扩束器原理,构造,1,：,构造,2,：,望远系统倒置,望远系统,有限焦距系统,应用,2,：目视光学系统原理,眼睛,目视光学系统,（物镜,目镜）,注：与总系统的,像方焦点重合。,总系统：,有限焦距系统,物体直接对人眼睛的张角,眼睛,目视光学系统的,视角放大率：,远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该,物体直接对眼睛张角 的正切之比。,*概念区别：角放大率,显微镜视角放大率,像对人眼睛的张角,六、显微镜系统,物镜的垂轴放大率：,眼睛,物镜,目镜,第二章 小结,理想光学系统理论：,1,、,基本概念,：,理想光学系统、共轭、共线成像等,2,、,共轴理想光学系统成像性质,3,、,基点与基面,：,焦点,/,面、主点,/,面、节点（包括物像两方）,物像关系：,1,、,图解法求像,：,典型光线、基点基面性质（课上例题）,2,、,解析法及应用,：,牛顿公式、高斯公式,理想光学系统的组合：,1,）两光组组合的公式及计算,2,）多光组组合计算（正切计算法）,典型光学系统：,了解基本的,光路特点、成像特性等,