| cyqdesign |
2006-05-08 15:11 |
几何光学
（此贴为会员：junwolf，发在回贴中的，觉得还不错，所以新开帖子转出来。） |77.Lqqy,
第一章：几何光学基本原理 b
lP@Cn2
1-1 光线何波线 -hiG8%l5
光线：在几何光学中，把能够传送能量的几何线成为光线。 g'ha7~w(p
光的頻率： T@GT=1E)
1-2 几何光学基本定律 7#S XqyP[
光线直线传播定律：光在均匀透明介质中传播的规律。 1N{ }G$'Go
反射定律和折射定律：光线在两种均匀介质分界面上的传播定律。【反射定律可以视作为折射定律的特殊表现方式】。入射角与反射角的正弦之比为一常数，定义为n1.2,表示为第二种介质对第一种介质的折射率，称为"相对折射率"。表达式： eY) ug q>'
vxhs 1vh
1-3 折射率和光速 c
Owa^;
1-4 光路可逆和全反射 rG|lRT3-K
光线从高折射率介质射向低折射率介质，当入射角 w=Ac/ 12
（n1> n2） P$ZIKkf
时折射光线不再存在，入射光线全部转为反射光线，成为"全反射"现象。 U a\]]<hj"
1-6光学系统类别和成像的概念 gHpA@ jdC*
共轴光学系统、非共轴光学系统 18f!k
球面系统、非球面系统 thy)J.<J
通常把物、像空间符合"点对应点，直线对应直线，平面对应平面"关系的像成为"理想像"，光学系统称为"理想光学系统"。 {4J:t_<nKO
第二章、共轴球面光学系统的物像关系 M{cF14cQ
2-1 共轴球面系统中的光路计算公式 p2 V8{k
|T\`wcP`q
公式1 单球面入射角计算公式: VW: WB.K$
y.(Yh1
公式2 X |zQZ<CO
公式2 ?~X*\
2-2 符号规则 ~~>`WA\G5,
1.线段：由左向向右为正，反之为负。 XVr>\T4
物像距L、L'--由球面顶点算起光线到光轴的交点。 E
w#UlA:"v
球面半径r--由球面顶点算起到球心。 /~~aK2{^X~
中心厚度d--由上一顶点到下一顶点。 (8T36pt~
2.角度：一律以锐角计算，顺时针为正，逆时针为负。
mo+zq~,M
夹角U U'从光轴到光线； B( r~Nvc
入射角、折射角II'以光线转到法线。 d5Hp&tm
法线到光轴夹角ψ从光轴到法线。 o81RD#>E)
2-3 球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式 $;7,T~{
将公式1～3角度全部以弧度代替。 tljZE )
2-4近轴光学的基本公式和它的意义 :/UO3 c(
1.物像位置关系式 (#I$4Px{
}p,#rOX:A
2.物像大小关系 011 N
.TZ 0F xW
近轴光学意义： &O8vI ,M
1. 作为衡量实际光学系统成像质量的标准。 z ntvKOIh
2. 2.用它近似地表示实际光学系统所成像的位置和大小。 cHo@F!{o=
2-5共轴理想光学系统的基点--主平面和焦点 2E5n07,
1.放大率β＝1的一对共轭面--主平面 %87D(h!.I4
主平面与光轴交点为主点，主点位置公式？ mV!Ia -k
主平面具有以下性质：假定物空间的一条光线与物方主平面的交点为B,他的共轭光线和像方主平面交于B′，则B和B′距光轴距离相等。 F{*{f =E!B
2．无限远的轴上物点和它所对应的像点F′--像方焦点 dpAj9CX(
通过像方焦点垂直于光轴的平面称作像方焦平面。它的共轭面为位于垂直于光轴的无限远的物平面。 X 4L"M%i
像方焦点于像方焦平面具有以下性质： %G6Q+LMwm
第一：平行于光轴入射的任意一条光线，其共轭光线一定通过交点F′。 s/Ne,v
第二：和光轴成一定夹角的平行光束，通过光学系统后，必相交于像方焦平面的同一点。 TwPp Z@
>A&D/k MO
3. 无限远的轴上像点和它所对应的物点F--物方焦点。 5SV w71 *
物方焦点和物方焦平面具有以下性质： P"*#mH[W|
第一：通过物方焦点入射的光线，通过光学系统后平行于光轴出射。 *^[m?3" W
第二：由物方焦平面上轴外任意一点发出的所有光线，通过光学系统后，对应一束和光轴成一定夹角的平行光线。 oF'_x,0
焦距：主平面和焦点之间的距离。 f2h `bO
2-6 单个折射球面的主平面和焦点 zXX =WH
1.球面的主点位置：单个球面的两个主点与球面顶点重合。 *<HA])D,
2.球面焦距公式： JG ^fu*K
像方焦距： Nm {|
物方焦距： B:mtl?69g
球面反射： OVq(ulwi+
2-7 共轴球面系统主平面和交点 Z G(. Q:1
e^!>W %.7Z
第三章：眼睛和目视光学系统 D[jPz 0
3-1 人眼的光学特性 n[[2<s*YJ
3-2 人眼的调节 M=rH*w{^
1．视度调节 指水晶体的变化引起焦距的变化。 ( JMk0H3u
视度：表示人眼的调节程度 【l单位为米】 %Z~0vwY
视度绝对值越大，，调节量越大。 ?uAq goCl
SD=-4时【此时l为250mm】。为明视距离。远点距离和近点距离二者视度之差为人眼最大调节范围。 V2B@Lq"9`
2.瞳孔调节：指光阑孔的变化。 K&"ZZFd_
3.人眼的分辨率 hl} iw_e
人眼视角分辨率：60″。 (V(8E%<c
人眼线分辨率：10″。 C>NLZM T
3-3 放大镜和显微镜的工作原理 8kdJ;%^N
对于目视仪器来讲，所谓的放大指得是视角的放大。放大率用Γ表示。 Mi^/`1
>DM^/ EAG{
为了在使用仪器过程中人眼不至于疲劳，目标通过仪器后应成像在无限远，或者说要射出平行光线。这是对目视光学的第二个要求。 DhVO}g)2#
1. 放大镜的工作原理 D( \c?X"
工作原理：目标在物方焦距上。 z:1"d
R
视放大率： 。 (e"\%p`
上式表明，焦距越小，放大作用就越明显。 )# os!Ns_A
2. 显微镜的工作原理 $ G<!+^T
工作原理：物镜成像在目镜的物方焦平面上。 t~v_k\` {
L l$,"}0T
上式表明，显微镜的放大率等于物镜的垂直放大率与目镜的视放大率的乘积。 YMG~k3Yb
3-4 望远镜的工作原理 qtR/ K=^i
工作原理：将物镜像方焦平面与目镜物方焦平面重合，使得无限远目标透过物镜后成像在目镜焦平面上。 "?AJ(>wP
99GK6}~TGm
上式表明：望远镜视放大率等于物镜焦距与目镜焦距之比。 E"< -To
望远镜的角放大率与视放大率相等 Mg~62 u
3-4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 9P1!<6mN\
通常采用近视眼的远点距离表示近视的程度，例如：当远点距离为0.5mm时，近视为-2视度，相当于医学上的近视200。 `G'Z ,P-a
3-5空间深度感觉和双眼立体视觉 Mni@@W
体锐视度Δаmin极限值正常约10″。当物点对应的视差角а等于Δ时，人眼刚刚能分辨出他和无限远物点之间的距离差别 >PS`;S!(
3-6 双眼观察仪器 \yhj {QS.k
体视放大率： / 1BqC3]tL
\x=j
第四章 平面棱镜系统 pqF!1
4-1 平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用 Vi= u}(*
1.折叠光路，缩小仪器的体积和重量 u>\u}c
2.改变像的方向--倒像 d_1uv_P
3.改变共轴系统中光轴的位置和方向--即形成潜望高或使光轴转一定的角度。 k0bDEz.X
4.利用平面镜或棱镜的转动，可连续改变系统光轴的方向，以扩大观察范围 "}Oj N\
4-2 平面镜的成像性质 7`J= PG$A
1.平面镜能使整个空间理想成像，物点和像点对平面镜镜像对称。 DCP
B9:u
2.物和像大小相等，但形状不同，物空间的右手坐标在像空间为左手坐标 b QgtZHO
反射次数为奇数时，成像为镜像，反射次数为偶数时，成像与物完全相同。 Oil~QAd,
4-3 平面镜的旋转及其应用 2cQG2N2*
4+B&/}FDLo
旋转平面镜a角度时，入射光线方向不变的情况下，入射角增加a，反射角偏转2a。 {
Ba_.]x
RI2 /h rW
位于两平面镜公共垂直面内的光线，不论它的入射方向如何，出射光线的转角永远等于两平面镜之间的夹角的二倍。根据以上结论推知：当两平面镜一起转动时，出射光线的方向不变，但光线位置可能会发生平移。这就是采用棱镜代替平面镜的理由。 O77^.B
4-4 棱镜和棱镜的展开 d3;Sy`.
主截面：各个棱镜垂直的截面。位于主截面内的光线通过棱镜之后仍然还在一个面。 ;q33t% j
根据棱镜展开的原理，用棱镜代替平面镜相当于在系统中多加了一块平行玻璃【平行玻璃不会影响成像大小，但会改变成像位置，相当于"空气楔"】。 WRqpQEY
为保证使棱镜与共轴球面系统组合以后，仍保持共轴球面系统特性，对棱镜结构要求如下： $DeVXW
1. 棱镜展开后玻璃板的两个表面必须平行。 {d '>J<Da
2. 如果棱镜位于会聚光束中，则光轴必须和棱镜的入射和出射相垂直。 Ake$M^Bz
棱镜类型 miUjpXt
1. 直角棱镜：作用使光轴改变90°。 duV\Kt/g^
2. 五角棱镜：使光轴转角恒等于90°。 |hD)=sCj
3. 靴型棱镜： X:JU#sI
4. 立方棱镜 z P8rW5/
4-5 屋脊面和屋脊棱镜 @/8O@^
形式：用两个相互垂直的平面代替一个平面。 ` InBhU>
作用：在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下，增加一次发射，使系统总的反射次数由奇数变为偶数，从而达到物像相似的要求。 6<o2 0(?
要求：屋脊面必须严格遵守90°，否则容易形成双像。 G%MdZg &i
4-6 平行平板的成像性质和棱镜的外形尺寸计算 Utj4f-M
平行玻璃板影响像的位置，并不影响光学系统特性，所以，可以认为平行玻璃板相当于一个空气层，这个空气层厚度等于 19;Pjo8
[L代表平行玻璃板厚度，n为折射率] 6KE?@3;Om
4-7 确定平面镜棱镜系统成像方向的方法 !BDJU
1.具有单一主截面的平面镜棱镜系统 y:YJv x6&4
坐标确定：x与光轴同向，y轴在主截面内。z轴垂直于主截面。 2*@@Bw.XA
wCt!.<, .
第五章 光学系统中成像光束的选择 .23Yqr'zT
5-1 光阑及其作用 S0WKEv@Hn
光阑：限制成像光束的圆孔 J'C%
可变光阑：孔径可以改变光阑。 | Zj=E$
孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径。 Y' O3RA5E
视场光阑：限制成像范围的口径。 8SN4E
消杂光光阑：限制进入光学系统中杂光的口径。 [5-3PuT&9
渐晕系数： -Mzm~@_s]
5-2 望远系统中成像光束的选择 E` b<^l`
1.入射口径、出射口径关系： TJ>$ ~9&Sy
Γ＝D/D′ " +A8w
3. 分划镜框位于望远镜物镜的像方焦平面上，其口径充当视场光阑的作用，可用计算公式 {J tfEna
k;f%OQsF_
4.物镜框的口径为孔径光阑。 #{g6'9PMz
5-3 显微镜的光束闲置与远心光路 IoCi(N;
1.物镜框的口径为视场光阑，而在目镜物方焦平面上的圆孔光阑或分划框为视场光阑。 ,&LGAa
2.在显微镜中，成像范围不用视场角表示，而是用成像物体的最大尺寸表示。 yk/BQ|G
3.一般显微镜视场光阑的直径约20mm，它决定了物镜的视场。 ,HwOM oP7
4.显微镜的最大线视场公式： rnP *}
' 1D1y'
4. 孔径角：表示物镜成像光束的大小。一般用轴上点光束和光轴的最大夹角表示。 aucG|}B
5. 物方孔径角nu称为数值孔径，用NA表示： 。
j>)yV@g/
6. 根据上式，增加数值孔径可得到较高的视放大率。可以增加物方介质折射率，即把物体浸在高折射率液体中。 zt 2#6v
7. 远心光路[显微镜的成像光束的选择] {YIf rM
为了消除测量结果误差，在物镜的焦平面上放置一个孔径光阑，以确保入射光束的主光线都和光轴平行。孔径光阑在物镜像方焦平面上，入瞳在无穷远，成为物方远心光路。孔径光阑在物方焦平面上，称为像方远心光路。 ]SL0Mn g8
5-4 场镜的特性及其应用 j4+kL4M@H
作用：降低出射光束在目镜的投射高度，减小目镜组的口径。 5O C{_-
1. 在物镜和目镜之间加一块正透镜，使之主平面和物镜所成的像重合。 "qhQJql
5-5 空间物体成像的清晰深度--景深 8F/JOtkGMt
定义：能在像面上获得清晰像的物空间深度，就是系统的景深。在几何光学中，将像面上允许的最大光斑直径Z′作为景深的标准。 zXGi
性质： ;v m$F251
1. 容许的光斑越大，景深越大。 4||dc}I "E
2. 照相机的相对孔径（ ）与景深成反比，相对孔径越小，景深越大。 o{OY1 ;=6
@i(;}rx
第六章 辐射度学和光照度学 y\mK ?eR
辐射度学从功率的角度，而光照度学从人的感觉出发研究发光的相关理论。 C!^[d
6-1 立体角的意义和在光度学中应用 v4VP7h6uD)
定义：一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角，用Ω表示。 w0,rF WS
立体角的单位：假定以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，如果锥面在圆球上所截出的面积等于r2，则该立体角为1个"球面度（sr）。 QygbfW 6u
6-2 辐射度学重的基本量 Z`x*Igf8
辐射通量，辐射体在单位时间内该辐射体所辐射的总能量，单位用瓦特(W)，实际上就视辐射体的辐射功率。 jd+ U+8r
辐射强度：辐射体在不同方向的辐射特性，我们在给定方向上立体角dΩ与dΩ范围内的辐射通量， aK]H(F 2#
]L_h3Xz\X
I2)#."=E w
G$E+qk
nJL
第八章 光学系统成像质量评价 1 Wb_>`;
8-1 概述 ;`
! j~
两种检验方法 p* tAwl
分辨率检查：光学系统成像时，所能分辨的最小间隔。 o,_R;'\E[a
kB=\a(
的单位为lp/mm，代表每毫米能分辨的线对数，也成为空间频率。光学系统的分辨率越高，能分辨的最小间隔越小，对应的空间频率 越大 ，这种方法称为"分辨率检验"。 q]wP^;\Jl
星点检验：把一个发光点，即把一个发光点通过被检系统成像，从几何光学的观点出发，根据弥散斑的大小和能量分布的状况来评定系统成像质量的优劣。 en-H X3'
8-2 介质的色散和光学系统的色差 cc:,,T /i
色散：某一种介质对两种不同颜色光线（用波长 和 表示）的折射率之差（ ）成为该介质对两种颜色光的"色散"，一般用波长656.28nm的 光和波长486.18的 光的折射率之差 代表介质的大小，成为该介质的中部色散。波长越小，折射率就越大，焦距就越短。 TSUT3'&~p
轴向色差：不同波长光线的像点沿光轴方向的位置之差称为"轴向色差" {xCqz0
aUbmEHFTV
垂轴色差：不同颜色光线的放大率不一样，导致所成的像大小的差异称为"垂轴色差"。 >=d%t6 %(
根据无限远物体像高公式 ，红光成像最大，紫光成像最小。 M{ O8iq[
用不同的玻璃作成正透镜和负透镜，把它们组合在一起，就可以消除色差。 DgK e!w$
4+q3
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8-3 轴上像点的单色像差--球差 |` Iispn
形成原因：轴上有限点同一物点发出的不同孔径的光线通过系统后不再交于一点，成像不理想。为了表示这些对称光线在光轴方向的离散程度，用不同孔径光线对理想像点的距离称为球差，计算公式： h.)o4( bO
Y( 6 p&I
符号规则：以理想点为原点，向左为负，向右为正。 > _SqM! ^v
一般取1.0、0.85、0.7071、0.5、0.3的五个孔径光束的球差值来描述整个光束。
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