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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。) NJLU+byU 第一章:几何光学基本原理 d cYUw] 1-1 光线何波线 C
`k^So) 光线:在几何光学中,把能够传送能量的几何线成为光线。 =HYMX"s 光的頻率: Op\l 1-2 几何光学基本定律 5-5qm[.; 光线直线传播定律:光在均匀透明介质中传播的规律。 6pxj9@X+ 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: ~$YFfv>
{(7C=)8): 1-3 折射率和光速 OBF5Tl4 1-4 光路可逆和全反射 (:vY:-\ bO 光线从高折射率介质射向低折射率介质,当入射角 ZsNUT4 (n1> n2) ,Es5PmV@$% 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。 2gg5:9 1-6光学系统类别和成像的概念 eWW\m[k]} 共轴光学系统、非共轴光学系统 onHUi]yYu{ 球面系统、非球面系统 !@%m3)T8 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"。 ].7)^ 第二章、共轴球面光学系统的物像关系 5 S7\m5 2-1 共轴球面系统中的光路计算公式 \/S?.P#L~ PHT;%;m= 公式1 单球面入射角计算公式: .ye5;A} g>T'R Vb 公式2 &&Vz=6N 公式2 yngSD`b_P 2-2 符号规则 s:i$ s") 1.线段:由左向向右为正,反之为负。 kplyZ 物像距L、L'--由球面顶点算起光线到光轴的交点。 fW <qp 球面半径r--由球面顶点算起到球心。 9iUkvnphh 中心厚度d--由上一顶点到下一顶点。 mY
|$=n5X 2.角度:一律以锐角计算,顺时针为正,逆时针为负。 "<txg%j\J 夹角U U'从光轴到光线; Cp_"PvTmT 入射角、折射角II'以光线转到法线。 E.}T.St 法线到光轴夹角ψ从光轴到法线。 L+9a4/q 2-3 球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式 r}pYm'e 将公式1~3角度全部以弧度代替。 ^#vWdOlt 2-4近轴光学的基本公式和它的意义 H [R|U 1.物像位置关系式 Mp7r`A,6 lHT? 2.物像大小关系 :
-te ;_1D-Mf 近轴光学意义: ,^`+mP 1. 作为衡量实际光学系统成像质量的标准。 f.,S-1D]h 2. 2.用它近似地表示实际光学系统所成像的位置和大小。 KR?-< 2-5共轴理想光学系统的基点--主平面和焦点 7:9WiN5b 1.放大率β=1的一对共轭面--主平面 +*lSB%`aS 主平面与光轴交点为主点,主点位置公式? SI4M<'fK 主平面具有以下性质:假定物空间的一条光线与物方主平面的交点为B,他的共轭光线和像方主平面交于B′,则B和B′距光轴距离相等。 )LKutN?tBy 2.无限远的轴上物点和它所对应的像点F′--像方焦点 %dhnp9' 通过像方焦点垂直于光轴的平面称作像方焦平面。它的共轭面为位于垂直于光轴的无限远的物平面。 AdKv!Ta5b 像方焦点于像方焦平面具有以下性质: 2PAotD4+I 第一:平行于光轴入射的任意一条光线,其共轭光线一定通过交点F′。 S^a")U4 第二:和光轴成一定夹角的平行光束,通过光学系统后,必相交于像方焦平面的同一点。 Aum&U){yY "N D1$l 3. 无限远的轴上像点和它所对应的物点F--物方焦点。 P)7SK&]r;= 物方焦点和物方焦平面具有以下性质: tb"UGa 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。 W7_X=>l 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。 yAW%y 焦距:主平面和焦点之间的距离。 ROW8YTYb 2-6 单个折射球面的主平面和焦点 gG&2fV}l6 1.球面的主点位置:单个球面的两个主点与球面顶点重合。 PL%U 2.球面焦距公式: j_j~BXhIS 像方焦距: N0vr>e` 物方焦距: xbvZ7g^ 球面反射: "6FZX~]s! 2-7 共轴球面系统主平面和交点 69p>?zn j[F\f> 第三章:眼睛和目视光学系统 Xt_8=Q 3-1 人眼的光学特性 ?<%GYdus 3-2 人眼的调节 ;1'X_tp 1.视度调节 指水晶体的变化引起焦距的变化。 %7xx"$P:R 视度:表示人眼的调节程度 【l单位为米】 iT227v!s 视度绝对值越大,,调节量越大。 h-].?X,]Q SD=-4时【此时l为250mm】。为明视距离。远点距离和近点距离二者视度之差为人眼最大调节范围。 NhU~'k 2.瞳孔调节:指光阑孔的变化。 _)"-zbh}{ 3.人眼的分辨率 '=Nb`n3% 人眼视角分辨率:60″。 G%jgr"]\z 人眼线分辨率:10″。 KLBU8% 3-3 放大镜和显微镜的工作原理 07P/A^Mkx 对于目视仪器来讲,所谓的放大指得是视角的放大。放大率用Γ表示。 m(i8 4~ GL-v</2'U 为了在使用仪器过程中人眼不至于疲劳,目标通过仪器后应成像在无限远,或者说要射出平行光线。这是对目视光学的第二个要求。 7jL+c~ 1. 放大镜的工作原理 Ti$G2dBO 工作原理:目标在物方焦距上。 aMe]6cWHV> 视放大率: 。 S81%iz.n 上式表明,焦距越小,放大作用就越明显。 $P&{DOiKS 2. 显微镜的工作原理 LM\ H%=*L 工作原理:物镜成像在目镜的物方焦平面上。 3`.*~qW
U*(/eEtd- 上式表明,显微镜的放大率等于物镜的垂直放大率与目镜的视放大率的乘积。 `?E|frz[ 3-4 望远镜的工作原理 55q!2>Jh. 工作原理:将物镜像方焦平面与目镜物方焦平面重合,使得无限远目标透过物镜后成像在目镜焦平面上。 .);~H# 0)F.Y,L 上式表明:望远镜视放大率等于物镜焦距与目镜焦距之比。 '2Q[g0VR 望远镜的角放大率与视放大率相等 (+uM |a 3-4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 ]8@s+N 通常采用近视眼的远点距离表示近视的程度,例如:当远点距离为0.5mm时,近视为-2视度,相当于医学上的近视200。 IUf&*'_ 3-5空间深度感觉和双眼立体视觉 S!WG|75B 体锐视度Δаmin极限值正常约10″。当物点对应的视差角а等于Δ时,人眼刚刚能分辨出他和无限远物点之间的距离差别 M^IEu} 3-6 双眼观察仪器 PWci D '! 体视放大率: J([Y4Em5 O|K-UTWH% 第四章 平面棱镜系统 +FomAs1*f 4-1 平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用 mR,w~wP 1.折叠光路,缩小仪器的体积和重量 aa2 vk)~ 2.改变像的方向--倒像 t57MKDn 3.改变共轴系统中光轴的位置和方向--即形成潜望高或使光轴转一定的角度。 {%wF*?gk 4.利用平面镜或棱镜的转动,可连续改变系统光轴的方向,以扩大观察范围 M(
w'TE@ 4-2 平面镜的成像性质 ^?M# |> 1.平面镜能使整个空间理想成像,物点和像点对平面镜镜像对称。 68*a'0 2.物和像大小相等,但形状不同,物空间的右手坐标在像空间为左手坐标 "m#17J_ 反射次数为奇数时,成像为镜像,反射次数为偶数时,成像与物完全相同。 8k{KnH 4-3 平面镜的旋转及其应用 /a,"b8 h;Hg/jv 旋转平面镜a角度时,入射光线方向不变的情况下,入射角增加a,反射角偏转2a。 W Og pDs M^ZEAZi 位于两平面镜公共垂直面内的光线,不论它的入射方向如何,出射光线的转角永远等于两平面镜之间的夹角的二倍。根据以上结论推知:当两平面镜一起转动时,出射光线的方向不变,但光线位置可能会发生平移。这就是采用棱镜代替平面镜的理由。 S>Z07d6 & 4-4 棱镜和棱镜的展开 V15/~ 主截面:各个棱镜垂直的截面。位于主截面内的光线通过棱镜之后仍然还在一个面。 HPMj+xH 根据棱镜展开的原理,用棱镜代替平面镜相当于在系统中多加了一块平行玻璃【平行玻璃不会影响成像大小,但会改变成像位置,相当于"空气楔"】。 ^HhV?Iqg 为保证使棱镜与共轴球面系统组合以后,仍保持共轴球面系统特性,对棱镜结构要求如下: mzf~qV^T 1. 棱镜展开后玻璃板的两个表面必须平行。 Mfn^v:Q# 2. 如果棱镜位于会聚光束中,则光轴必须和棱镜的入射和出射相垂直。 /
Q| Z&-c 棱镜类型 BT)PD9CN( 1. 直角棱镜:作用使光轴改变90°。 S5BS![-QK 2. 五角棱镜:使光轴转角恒等于90°。 CJjT-(a 3. 靴型棱镜: ' hDs.Wnu
4. 立方棱镜 4|&_i)S-Y 4-5 屋脊面和屋脊棱镜 9Y:Iha`$w 形式:用两个相互垂直的平面代替一个平面。 o2D;EUsNX 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。 wpWZn[j 要求:屋脊面必须严格遵守90°,否则容易形成双像。 %I=/
y 4-6 平行平板的成像性质和棱镜的外形尺寸计算 SoWMP2/ 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 XRmE [L代表平行玻璃板厚度,n为折射率] shD4";8*@ 4-7 确定平面镜棱镜系统成像方向的方法 2:@,~{`#* 1.具有单一主截面的平面镜棱镜系统 75pn1*"gQ 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。 'rNLh3 7z_ZD0PxPc 第五章 光学系统中成像光束的选择 4p7j"d5 5-1 光阑及其作用 ^RE[5h6^q 光阑:限制成像光束的圆孔 PWeWz(]0Z4 可变光阑:孔径可以改变光阑。 Uw]o9 e0S 孔径光阑:限制进入光学系统的成像光束口径。 ykRd+H-t 视场光阑:限制成像范围的口径。 ;?q-]J? 消杂光光阑:限制进入光学系统中杂光的口径。 R, #szTu 渐晕系数: Hh%"
5-2 望远系统中成像光束的选择 Lf:#koaC 1.入射口径、出射口径关系: pHowioFx Γ=D/D′ D^xg2D 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 qC=9m[MI nXk9
IG( 4.物镜框的口径为孔径光阑。 m7`S@qG 5-3 显微镜的光束闲置与远心光路 !u:Fn)j 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。 ~$ Po3]{s 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。 G*=&yx."E 3.一般显微镜视场光阑的直径约20mm,它决定了物镜的视场。 S?zP;
iFj 4.显微镜的最大线视场公式: c_,pd Xgl
%2' 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。 8#R%jjr%T 5. 物方孔径角nu称为数值孔径,用NA表示: 。 MR: H3 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。 H]*B5Jv~ 7. 远心光路[显微镜的成像光束的选择] 1;+77< | |