光學(xué)原理與應(yīng)用2009

1、1 應(yīng)應(yīng)用 學(xué)光 2 光是什么光是什么? ? 3 光學(xué)的發(fā)展歷史光學(xué)的發(fā)展歷史 光學(xué)是一門有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到2000多 年前。人類對(duì)光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看 見周圍的物體？”之類問題。約在公元前400多年(先秦的代)， 中國(guó)的墨經(jīng)中記錄了世界上最早的光學(xué)知識(shí)。它有八條 關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和 針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和 凸球面鏡中物和像的關(guān)系。 自墨經(jīng))開始，公元11世紀(jì)阿拉伯人伊本海賽木發(fā)明透鏡； 公元1590年到17世紀(jì)初，詹森和李普希同時(shí)獨(dú)立地發(fā)明顯微 鏡；一直到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將

2、光的反射 和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折 射定律。 4 光學(xué)的發(fā)展歷史光學(xué)的發(fā)展歷史 1665年，牛頓進(jìn)行太陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)，它把太陽(yáng)光分解成簡(jiǎn)單 的組成部分，這些成分形成一個(gè)顏色按一定順序排列的光分 布光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特 征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。 19世紀(jì)初，波動(dòng)光學(xué)初步形成，其中托馬斯楊圓滿地解釋 了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊 氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟 知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍 射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。 1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面

3、在磁場(chǎng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)； 1856年，韋伯發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強(qiáng)度的電磁 單位與靜電單位的比值。他們的發(fā)現(xiàn)表明光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)、 電學(xué)現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系。 5 光學(xué)的發(fā)展歷史光學(xué)的發(fā)展歷史 1860年前后，麥克斯韋的指出，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的改變，不能局 限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單 位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)結(jié) 論在1888年為赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概 念，提出了輻射的量子論。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括 光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒 稱為量子，光的量子稱為光子。 1905年

4、，愛因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作 了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光也是 以光子為最小單位進(jìn)行的。 6 光學(xué)的發(fā)展歷史光學(xué)的發(fā)展歷史 在20世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)動(dòng)物體 的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光 電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無(wú)可懷疑地證明了光的量 子性微粒性。 1922年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)，1928年發(fā)現(xiàn)的喇曼效應(yīng)，以及 當(dāng)時(shí)已能從實(shí)驗(yàn)上獲得的原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，它們都表 明光學(xué)的發(fā)展是與量子物理緊密相關(guān)的。光學(xué)的發(fā)展歷史表 明，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個(gè)最重要的基礎(chǔ)理論量子力學(xué)和 狹義相對(duì)論都是在關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的

5、。 此后，光學(xué)開始進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，以致于成為現(xiàn)代物理 學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。 7 光光 的的 本本 性性 很久以來(lái)，人們對(duì)光就進(jìn)行了各種各樣的研究。光到底是什么東西 呢？這個(gè)問題困擾了許多有才智之士。牛頓提出著名的光微粒說(shuō)：光是 由極小的高速運(yùn)動(dòng)微粒組成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒 的質(zhì)量最大，紅光微粒的質(zhì)量最小。到十九世紀(jì)初期，發(fā)現(xiàn)了光的干涉、 繞射和偏振現(xiàn)象，這些行為只適合于光的波動(dòng)理論解釋。到1863年麥 克斯韋發(fā)表著名的電磁理論，揭示了光波其實(shí)是電磁波的一種，這時(shí)波 動(dòng)理論的最后的一個(gè)難題-傳播媒質(zhì)問題也被解決了。但從十九世紀(jì)末 起，卻發(fā)現(xiàn)了一系列令人困惑的

6、新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些結(jié)果共同的特點(diǎn)是， 他們無(wú)法用麥克斯韋理論來(lái)解釋。其中最典型的是光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。偉大 的愛因斯坦于1905年提出光量子說(shuō)來(lái)解釋該實(shí)驗(yàn)。光一方面具有波動(dòng) 的性質(zhì)，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性質(zhì)，如光電效應(yīng)等。 這兩方面的綜合說(shuō)明光不是單純的波，也不是單純的粒子，而是具有波 粒二象性的物質(zhì)。這是認(rèn)識(shí)上的不斷加深而得到的結(jié)論。應(yīng)該注意這也 還不是最后的答案。對(duì)于光的本性，雖然經(jīng)過這么多年的探索，我們所 知道的也的確是太少了。光到底是什么？是在某一時(shí)刻表現(xiàn)為粒子，而 在另一時(shí)刻表現(xiàn)為波？還是完全不同于我們現(xiàn)在所知的某種物質(zhì)？這些 問題也是當(dāng)今的科學(xué)家們?cè)诳嗫嗨妓鞯膯栴}。 8

7、什么是什么是 光學(xué)光學(xué)? ? 9 什么是光學(xué)？什么是光學(xué)？ 狹義來(lái)說(shuō)，光學(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)， optics(光學(xué))這個(gè)詞，早期只用于跟眼睛和 視見相聯(lián)系的事物。而今天，常說(shuō)的光學(xué)是 廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、 紫外線直到 X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關(guān) 于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以 及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。 光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分，也是與 其他應(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。 10 經(jīng)典光學(xué)的研究?jī)?nèi)容經(jīng)典光學(xué)的研究?jī)?nèi)容 通常把光學(xué)分成幾何光學(xué)、物理光學(xué)（波動(dòng)光學(xué)）和量子光 學(xué)三個(gè)大類。 幾何光學(xué)是從幾個(gè)由實(shí)驗(yàn)得來(lái)的基本原理出發(fā)，來(lái)研究光的 傳播問題的學(xué)科。它利用光線的概

8、念、折射、反射定律來(lái)描 述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結(jié)果通?？偸遣▌?dòng) 光學(xué)在某些條件下的近似或極限。 物理光學(xué)（波動(dòng)光學(xué)）是從光的波動(dòng)性出發(fā)來(lái)研究光在傳播 過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，所以也稱為波動(dòng)光學(xué)。它可以 比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在 各向異性的媒質(zhì)中傳插時(shí)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。 量子光學(xué)是從光子的性質(zhì)出發(fā)，來(lái)研究光與物質(zhì)相互作用的 學(xué)科即為量子光學(xué)。它的基礎(chǔ)主要是量子力學(xué)和量子電動(dòng)力 學(xué)。 11 什么是應(yīng)什么是應(yīng) 用光學(xué)用光學(xué)? ? 12 什么是應(yīng)用光學(xué)？什么是應(yīng)用光學(xué)？ 應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué)( (工程光學(xué)工程光學(xué)) )：光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密聯(lián)系 的分支學(xué)科組成

9、；由于它有廣泛的應(yīng)用，所以還有一系 列應(yīng)用背景較強(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范圍。例如，有 關(guān)電磁輻射的物理量的測(cè)量的光度學(xué)、輻射度學(xué)；以正 常平均人眼為接收器，來(lái)研究電磁輻射所引起的彩色視 覺，及其心理物理量的測(cè)量的色度學(xué)；以及眾多的技術(shù) 光學(xué)：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及光學(xué)儀器理論，光學(xué)制造和光學(xué) 測(cè)試，干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)和集成光學(xué)等； 還有與其他學(xué)科交叉的分支，如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、 遙感光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等。因此， 應(yīng)用光學(xué)是以學(xué)習(xí)經(jīng)典光學(xué)和近代光學(xué)的基本原理和基 本理論 ，并將此在各分支學(xué)科中工程應(yīng)用的一門基礎(chǔ) 課程。 13 本課程學(xué)本課程學(xué) 習(xí)的內(nèi)容習(xí)的內(nèi)容 14 上篇：

10、幾何光學(xué)與成像理論上篇：幾何光學(xué)與成像理論 15 第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念 16 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第一節(jié)：幾何光學(xué)的基本定律 一、幾個(gè)基本概念 1. 光源與發(fā)光點(diǎn)：從物理學(xué)的觀點(diǎn)看，任何發(fā)光的物體都 可以叫作光源。在幾何光學(xué)中，把凡是發(fā)出光線的物體，不 論它本身發(fā)光體或是因?yàn)楸徽彰鞫瓷涔獾奈矬w，都稱為 光源。如果某光源可看成幾何學(xué)上的點(diǎn)，它只占有空間位置 而無(wú)體積和線度，則稱之為發(fā)光點(diǎn)或點(diǎn)光源。 2.光線與光束：光線是表示光能傳播方向的幾何線。有一定 關(guān)系的一些光線的集合稱為光束。 3.光波波面：光也是一種電磁波。某一時(shí)刻其振動(dòng)

11、位相相同 的點(diǎn)所構(gòu)成的面稱光波波面。在各向同性介質(zhì)中，光沿著波 面法線方向傳播，所以可以認(rèn)為光波波面的法線就是幾何光 學(xué)中的光線。與波面對(duì)應(yīng)的法線束就是光束。 幾何光學(xué)就是應(yīng)用幾何光線的概念來(lái)研究光 在不同條件下傳播特性的一門學(xué)科！ 17 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第一節(jié)：幾何光學(xué)的基本定律 二二、幾何光學(xué)基本定律 幾何光學(xué)以下面幾個(gè)基本定律為基礎(chǔ)： 1. 光的直線傳播定律 2. 光的獨(dú)立傳播定律 3. 光的反射定律： 4. 光的折射定律 以上四個(gè)基本定律是幾何光學(xué)研究各種光的傳播現(xiàn)象和規(guī) 律以及光學(xué)系統(tǒng)成像特性的基礎(chǔ)！ 5. 光的全反射現(xiàn)象: 光線從

12、光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)； 入射角大于臨界角。 臨界角Im: II InInsinsin nnImsin n n PQ AB C N N O I I I 18 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 例:在水中深度為 y 處有一發(fā)光點(diǎn)Q Q，作QOQO面垂 直于水面，求射出水面折射線的延長(zhǎng)線與 QOQO交點(diǎn)QQ的深度 y與入射角 i 的關(guān)系。 o y y Q Q M i i x 19 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第一節(jié)：幾何光學(xué)的基本定律 三、光傳播的可逆定理：當(dāng)光線沿著和原來(lái)相反方向傳播時(shí)， 其路 徑不變。 四、費(fèi)馬原理：在A、

13、B兩點(diǎn)間光線傳播的實(shí)際路徑，與任何其 他 可能路徑相比，其光程為極值。 注意理解“光程”的概念! 五、馬呂斯定律：垂直于波面的光線束經(jīng)過任意多次折射和反 射 后，出射波面仍和出射光束垂直；且入射 波面和 出射波面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的光程為定 值。 折、反定律，費(fèi)馬原理和呂馬斯定律三者可以互相推 導(dǎo)出來(lái)，因此，三者之中任一個(gè)可以作為幾何光學(xué)的基本定 律，而其他二者可以作為推論！ 0 B A ndls 20 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第一節(jié)：幾何光學(xué)的基本定律 例:折射率分別為n1和n2兩種介質(zhì)的界面為M,(假設(shè)n1n2)。在折射率為n1的 介質(zhì)中有一點(diǎn)光源S，

14、它與界面頂點(diǎn)O相距為d。設(shè)S發(fā)出的球面波經(jīng)界面折 射后成為平面波，試求界面的形狀。 21 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第一節(jié)：幾何光學(xué)的基本定律 作業(yè):一界面把n=1和n=1.5的介質(zhì)分開，設(shè)此界面對(duì)n介質(zhì)中無(wú)限遠(yuǎn)處的點(diǎn) 光源發(fā)出的光線經(jīng)界面后，在n的介質(zhì)中與界面頂點(diǎn)相距100mm處的點(diǎn)為等 光程，求此分界面的表達(dá)式。 22 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第二節(jié)：成像的基本概念與完善成像條件 一、光學(xué)系統(tǒng)與成像概念 應(yīng)用不同形狀的曲面和不同的透明介質(zhì)做成各種光學(xué)元件，并 把它們按一定的方式組合起來(lái)，使由物體發(fā)出的光線

15、經(jīng)過這些光學(xué) 元件的折射或反射，從而滿足一定的使用要求。這些光學(xué)元件的組 合稱為“光學(xué)系統(tǒng)”或“光組”。組成光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)光學(xué)元件的 表面曲率中心同在一條直線上，則稱為共軸光學(xué)系統(tǒng)，該直線叫作 光軸。 物點(diǎn)發(fā)出的球面波（同心光束）經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后仍為球面波（同 心光束），則其中心為物點(diǎn)的完善像點(diǎn)。物體上每個(gè)點(diǎn)的完善成像 點(diǎn)的集合即為物體的完善像。物所在空間稱物空間，像所在空間稱 像空間。 二、完善成像的條件 由物點(diǎn)發(fā)出的通過光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)像點(diǎn)的任意光路的光程相等。 三、物、像的虛實(shí) 1. 物和像一樣，都有實(shí)和虛兩類； 2. 物和像是相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)而言的； 3. 實(shí)物、虛象對(duì)應(yīng)發(fā)散同心光束，虛物、實(shí)像

16、對(duì)應(yīng)會(huì)聚同心 光束。 23 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第三節(jié)：光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 一、基本概念與符號(hào)規(guī)則（注意：每種參考書的符號(hào)規(guī)則不一定相同！） 1. 基本概念：頂點(diǎn)，子午面，物方（像方）截距，物方（像方）孔徑角。 2. 符號(hào)規(guī)則：光線的傳播方向，規(guī)定為自左到右！ 線段： 沿光軸的線段：以頂點(diǎn)為起始點(diǎn)，線段在頂點(diǎn)的右側(cè)，其值為 正；線 段在頂點(diǎn)的左側(cè)，其值為負(fù)。 垂直于光軸的線段：以線段和光軸的交點(diǎn)為起始點(diǎn)，在光軸 上方的線 段，其值為正；在光軸下方的線段，其值為負(fù)。 和光軸成一定夾角與折射球面相交的線段:以和折射球面的交 點(diǎn)為起 始點(diǎn),線段在交

17、點(diǎn)的右則,其值為正；線段在交點(diǎn)的左則,其值為 負(fù)。 角度： 光線和光軸的夾角：以光軸為起始軸，順時(shí)針轉(zhuǎn)向光線所成的 角，其 值為正；反時(shí)針轉(zhuǎn)向光線所成的角，其值為負(fù)。 光線和法線的夾角：以光線為起始軸，順時(shí)針轉(zhuǎn)向法線所成 的角，其 值為正；反時(shí)針轉(zhuǎn)向法線所成的角，其值為負(fù)。 光軸和法線的夾角：以光軸為起始軸，順時(shí)針轉(zhuǎn)向法線所成 的角，其 值為正；反時(shí)針轉(zhuǎn)向法線所成的角，其值為負(fù)。 折射面間隔：由前一面的頂點(diǎn)到后一面的頂點(diǎn)，順光線傳播方向其值為正， 逆 光線傳播方向，其值為負(fù)。在折射型光學(xué)系統(tǒng)中，折射面間隔恒 為正。 24 E A -U I O h I U r L-L 法線 A B B 入射光線

18、折射光線 光軸 折射球面 物空間 n 像空間 n 物 像 光線經(jīng)過單個(gè)折射球面的折射 注意：圖中各量均用絕對(duì)值表示，因此，凡是負(fù)值的量，符號(hào)前均加負(fù)號(hào)！ C 25 第三節(jié)：光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng) 二、實(shí)際光線的光路計(jì)算： 由計(jì)算關(guān)系式可知：?jiǎn)蝹€(gè)折射球面對(duì)軸上物點(diǎn)成像是不完善的，這種現(xiàn) 象的存在稱為“像差”。 三、近軸光線的光路計(jì)算 1. 幾個(gè)概念:近軸光線、近軸區(qū)、高斯像、高斯像面、共軛點(diǎn)、阿貝不變量。 2. 近軸光路計(jì)算和物像位置關(guān)系式： 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 U I rLIIUU I n n IU r rL I sin sin 1 sinsin

19、 sinsin r nn l n l n r h nnnuun lr n lr nQ 1111 u i rl iiuu i n n i u r rl i 1 26 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第四節(jié)：球面光學(xué)成像系統(tǒng) 一、單個(gè)折射面成像: (1)、垂軸放大率 ：像的大小與物體的大小之比。 ln l n y y h n n u u E B A B A y y l r l CO 27 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第四節(jié)：球面光學(xué)成像系統(tǒng) 一、單個(gè)折射面成像: (2)、軸向放大率 ：它表示光軸上一對(duì)共軛點(diǎn)沿軸向 移動(dòng)量之

20、間的關(guān)系。 2 n n dl l d h n n u u E A A l r l CO dl l d 28 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第四節(jié)：球面光學(xué)成像系統(tǒng) 一、單個(gè)折射面成像: (3) 角放大率 ：定義為折射光線的孔徑角 和 它對(duì)應(yīng) 的入射光線的孔徑角 的比值。 (4) 三者之間的關(guān)系： (5) 拉赫不變式： 1 n n l l u u 、 Jyunnuy u u 29 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第四節(jié)：球面光學(xué)成像系統(tǒng) 二、球面反射鏡成像: 1）物像位置公式： 2）成像放大率： 3）拉赫不變式： rll

21、211 nn 1 2 2 u u l l dl l d l l y y yuuyJ A B y u C i i r A B y u l l O 30 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第四節(jié)：球面光學(xué)成像系統(tǒng) 三、共軸球面系統(tǒng): 1）過渡公式： 2）成像放大率： 3）拉赫不變式： 11223112 12312 12312 12312 kkk kk kk kk dlldlldll yyyyyy uuuuuu nnnnnn ， ， ， ， 1 1 21 1 2 1 21 1 11 21 1 k k k k k k kk k k n n u u n n dl l d

22、 un un y y Jyunyunyunyun kkkkkk 222111 31 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 例題1: 已知一共軸光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)折射球面組成(稱為透鏡)，它們曲率半徑分別為 r1=95.06mm，r2=-66.68mm，兩個(gè)折射球面的間隔(厚度) d1=8mm，兩折射球面(透 鏡玻璃)間的折射率為1.5163，系統(tǒng)位于空氣中。 求由L1=-150mm的物點(diǎn)發(fā)出的物方孔徑角U1=-2的入射光線經(jīng)過系統(tǒng)后的折 射光線的位置，即求L2和U2。 32 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 例題2:一個(gè)半導(dǎo)體砷化鎵發(fā)

23、光二極管，它的發(fā)光區(qū)為直 徑d=3mm的圓盤，發(fā)光面上覆蓋一折射率n=3.4的半 球形介質(zhì)。試問：要使發(fā)光盤區(qū)域內(nèi)的全部光線在球 面上都不發(fā)生全反射，介質(zhì)半球的半徑R至少應(yīng)多大？ 33 第一章第一章 幾何光學(xué)基本定律與成像概念幾何光學(xué)基本定律與成像概念 第一章課程作業(yè): 1. 用費(fèi)馬原理證明光的折射定律。 2. 第一章習(xí)題： 2. 4. 9. 13.15. 19. ( 22選做) 34 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 35 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第一節(jié):理想光學(xué)系統(tǒng)與共線成像理論 1.理想光學(xué)系統(tǒng):如果把光學(xué)系統(tǒng)在近軸區(qū)成完善像的理論推廣到 任意大

24、的空間,以任意大的光束成像都是完善像,這樣光學(xué)系統(tǒng) 定義為理想光學(xué)系統(tǒng),也稱高斯光學(xué)系統(tǒng)。 2.幾個(gè)概念：共軛、共線成像（共線變換或共線光學(xué)）、基點(diǎn)、 基面。 3.共線成像理論的幾何定義歸納為： （1）物空間每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)于像空間一點(diǎn)，且只有一點(diǎn)，這兩個(gè)對(duì)應(yīng) 點(diǎn)稱為物、像空間的共軛點(diǎn)。 （2）物空間每一條線對(duì)應(yīng)于像空間一條線，這一對(duì)相應(yīng)的線稱為 物、像兩空間的共軛線。 （3）如果物空間的任意一點(diǎn)位于直線上，那么在像空間內(nèi)的共軛 點(diǎn)也必在該直線的共軛線上。 同樣，以上定義可以推廣到：物空間中的每一同心光束在 像空間均有一共軛的同心光束與之對(duì)應(yīng)；物空間中任意平面對(duì)應(yīng) 像空間中有一共軛平面。 36 第二

25、節(jié)：理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面 像、物方焦點(diǎn)、焦平面、主點(diǎn)、主平面和焦點(diǎn)的定義和確 定！ 注意：物方焦點(diǎn)和像方焦點(diǎn)不是一對(duì)共軛點(diǎn)！而物方主面和像方 主 面是一對(duì)共軛面！ 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) F F 1A 1E Q 1G 1O h U f f kO H H Q kEk A U kG Utg h f tgU h f 37 第二節(jié)：理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面 注意：物方焦點(diǎn)和像方焦點(diǎn)、物方主面和像方主面的位置關(guān) 系！ 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) F F 1A 1E Q 1G 1O h kO H H Q kE k A kG Utg h f tgU h f

26、 -f f 38 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第三節(jié):理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系 1.圖解法求像:根據(jù)理想光學(xué)系統(tǒng)主點(diǎn)(面)、焦點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)（面）的 性質(zhì)，已知物空間任意位置的點(diǎn)、線和面，用作圖方法求其共軛 點(diǎn)、線和面的位置，稱為圖解法求像。 2.用圖解法求像的方法： （1）平行于光軸的入射光線，射向理想光學(xué)系統(tǒng)的物方主面，利 用在共軛主面=+1的性質(zhì)，經(jīng)過系統(tǒng)后出射光線必通過像方焦 點(diǎn)。 （2）過物方焦點(diǎn)的光線，射向理想光學(xué)系統(tǒng)的物方主面，利用在 共軛主面=+1的性質(zhì)，經(jīng)過系統(tǒng)后出射光線必平行于光軸。 （3）軸外入射的平行光束(斜平行光束)經(jīng)系統(tǒng)后必交于像方焦平 面上 的一點(diǎn)。

27、 （4）來(lái)自物方焦平面上的任意點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)系統(tǒng)后，必成傾斜 于光軸的平行光束。 （5）經(jīng)過系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的入射光線，出射光線方向不變。 （6）共軛光線在物、像方主面上的投射高度不變。 39 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 節(jié)點(diǎn)在照相光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用 用于拍攝大型團(tuán)體照片的周視照相機(jī)原理圖 40 第三節(jié):理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系 3.解析法求像： 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) A F M f f H H M x x l l B A B N N y F y 41 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第三節(jié):理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系 3.解析法求像： （1

28、）以焦點(diǎn)為原點(diǎn)的牛頓公式： （2）以主點(diǎn)為原點(diǎn)的高斯公式： ffxx l l f f l f l f 1； f x x f y y l l fll ff 111 ；時(shí)，當(dāng) 42 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第三節(jié):理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系 4.由多個(gè)光組構(gòu)成的理想光學(xué)系統(tǒng)的成像： （1）圖解法中只要將上一個(gè)成像系統(tǒng)的像看作下一個(gè) 成像系統(tǒng)的物逐個(gè)利用基點(diǎn)和基面的性質(zhì)進(jìn)行作圖求 解。 （2）解析法中則利用光路追跡過度公式，注意物像的 相對(duì)性和光學(xué)間隔的標(biāo)定方法，逐個(gè)利用物像解析公 式進(jìn)行求解。 5.理想光學(xué)系統(tǒng)兩焦距之間的關(guān)系： n n f f k 1 1 43 第二章第二章

29、 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第四節(jié):理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率及其相互間的關(guān)系 （1）垂軸放大率： （2）軸向放大率： （3）角放大率： （4）三者的關(guān)系： l l f f f x x f y y 22 n n f f dl ld dx xd 1 n n tgU Utg 44 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第四節(jié):理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率及其相互間的關(guān)系 （5）光學(xué)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)和節(jié)面：系統(tǒng)角放大率為+1的一對(duì)共軛點(diǎn) 為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)垂直于光軸的平面為節(jié)面。當(dāng)物、像空 間的介質(zhì)相同時(shí)，主點(diǎn)就是節(jié)點(diǎn)，主面即為節(jié)面。因此，過主點(diǎn) 的入射光線經(jīng)理想光學(xué)系統(tǒng)后出射方向不變。 第五

30、節(jié):光學(xué)系統(tǒng)的光焦度、折光度和光束的會(huì)聚度 （1）折合線段：線段與該線段所在介質(zhì)折射率的比值為折合線段。 （2）光焦度：折合焦距的倒數(shù)稱為光學(xué)系統(tǒng)的光焦度。 （3）屈光度：規(guī)定在空氣中，象方焦距值為+1米的光焦度作為光 學(xué)系 統(tǒng)光焦度的單位，稱為屈光度（D）。 （4）會(huì)聚度：共軛點(diǎn)折合距離的倒數(shù)稱為光束的會(huì)聚度。 45 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 例：有兩共軸光組位于空氣中，光組為正光組，光組為負(fù)光組（假定每個(gè)光 組的兩主面重合），且焦距絕對(duì)值均為10cm，彼此的間隔為5cm。今在光組 左側(cè)20cm處，有一高度為2cm的物體AB，問經(jīng)光組和后所成的像距光組 多遠(yuǎn)，大小如何

31、？成像性質(zhì)如何？用兩種公式系計(jì)算相互校核，并將計(jì)算結(jié)果 用圖標(biāo)注出來(lái)。 46 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第五節(jié):理想光學(xué)系統(tǒng)的組合 1.兩個(gè)光組的組合 A Q 1Q1 Q 2Q2 Q Q S HF 1 F 1 H 1 H 1 F 2F2 H 2 H 2 F F H b U a U 1 N 1 N 1E2E 2 N 2 N FxF x 1R1 R Hx1 f 1 f 2R2 R 2f 2 f H x f Fl Hl d f F l H l 光組光組 47 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 1.兩個(gè)光組的組合 （1）組合焦距： （2）組合焦點(diǎn)位置： （3）組

32、合主面位置： 21 21 ff f ff f 2 1 1 1 f d fl f d fl F F 2 1 f d fl f d fl H H 48 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 2.多光組組合計(jì)算: (1)正切計(jì)算法: k k kk kkkk f h tgUUtg Utgdhh Utgdhh f h tgUtgUUtg Utgdhh f h tgUUtg tgU 111 2223 2 2 232 1112 1 1 21 10 H 1h 2h3h F 3 U 1H1 H 2H2 H 3H3 H 入射光線 出射光線 F l f 由圖可知，對(duì)于由k個(gè)光組組成的系統(tǒng)有： k k k

33、 kF Utg h f Utg h ll 1 1d2d 49 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 2.多光組組合計(jì)算: (2)截距計(jì)算法: 將上式組合焦距變換為： 因?yàn)?代入上式， 可得： 利用這一組公式只對(duì)每個(gè)光組連續(xù)應(yīng)用高斯公式，依次求出每 個(gè)光組得物距和像距，便可得出組合光學(xué)系統(tǒng)得焦距。這種方法稱 為截距計(jì)算法。 k k lll lll f 32 21 12 3 1 21 k k kkUtg tgU Utg tgU Utg tgU Utg h Utg h f kkkkkUtglhtgUlUtglhtgUll Utg h ， 222221 1 1 50 第二章第二章 理理 想

34、想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 例: :已知位于空氣中的兩個(gè)光組, ,均為薄光組， 其有關(guān)數(shù)據(jù)如下：f f1 1 =-f =-f1 1=40=40， f f2 2 =-f =-f2 2=30=30， d=20d=20。要求：（1 1）分別按牛頓公式和高斯公 式系求其組合系統(tǒng)的象方與物方基點(diǎn)位置與焦 距值，并將計(jì)算結(jié)果標(biāo)于圖中。（2 2）若給定 物體ABAB其位置 =-44=-44，試用牛頓公式系按組 合系統(tǒng)一次求象與按分光組逐次求象兩種方法 計(jì)算象面位置與橫向放大率，校核兩種計(jì)算結(jié) 果是否一致。 1 l 51 第六節(jié)：透鏡 一.折射球面的情況 1）單個(gè)折射球面的基點(diǎn)和基面 對(duì)單個(gè)球面來(lái)講，它的主面

35、就是過球面頂點(diǎn)所作的折 射球面的切平面！ 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) F F A D O u f f H H B u r n n H H h 52 第六節(jié)：透鏡 2)單個(gè)折射球面的焦距、光焦度和偏角公式 （1）焦距公式： （2）單個(gè)折射球面的光焦度： （3）偏角公式： 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) A D O u l l H H u r n n r h A nn rn f nn rn f r nn f n f n hnuun 53 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) C r F 2 r O F H H 第六節(jié)：透鏡 二.球面反射鏡的情況

36、（1）球面反射鏡的基點(diǎn)和基面： 和單個(gè)折射球面一樣,它的 主點(diǎn)、主面在頂點(diǎn)處。 （2）焦距公式： 球面反射鏡的物方焦距和像方焦距是相等的，其 值為球面曲率半徑的一半，即球面反射鏡的焦點(diǎn)位于 球心C和球面頂點(diǎn)O之間的中點(diǎn)。 2 r nn nr ff )(nn 54 第六節(jié)：透鏡 三.單透鏡的情況 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) F F f f 1H 2 H 1F2F1H H H 2 H 1 F 2 F Fx 1f 1 f 2f 2 f d F x a H l 1 1n12 n nnn 21 Hl F l F l 55 第六節(jié)：透鏡 三.單透鏡的情況 (1)焦距和光焦度公式: (

37、2)主面位置: 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) )1()()1( 12 2121 dnrrnn rnrff ff 21 2 21 )1( )(1( 1 d n n n f dnrrn dr lH )1()( 12 2 dnrrn dr lH )1()( 12 1 56 第六節(jié)：透鏡 三.單透鏡的情況 (3)兩主面的距離: (4)幾種典型透鏡的基點(diǎn)和基面: 透鏡中光焦度為正者稱為正透鏡,光焦度為負(fù)者稱為負(fù)透鏡。按 形狀不同，正透鏡又分為雙凸、平凸和月凸（正彎月鏡）三種類型。 負(fù)透鏡又分為雙凹、平凹和月凹（負(fù)彎月鏡）三種類型。正透鏡的中 心厚度大于邊緣厚度，而負(fù)透鏡的邊緣厚度大于

38、中心厚度。 （見書中P35表2-1） 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) )()1( )(1( 12 12 rrnnd rrdnd a 57 第六節(jié)：透鏡 三.單透鏡的情況 (5)薄透鏡:把忽略厚度的透鏡，稱為“薄透鏡”。 常用表示符號(hào)： 正透鏡 負(fù)透鏡 薄透鏡的相關(guān)公式：（d=0）(同學(xué)自己推導(dǎo)！) 薄透鏡的物像關(guān)系式：（透鏡位于空氣中?。?第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) fll 111 58 第二章第二章 理理 想想 光光 學(xué)學(xué) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 本章作業(yè)： P36 習(xí)題：1、2、3、4、6、 7、9、10、14 （15選做） 59 平面光學(xué)元件的作用：實(shí)現(xiàn)折疊光

39、路、縮小儀器的形體、完成轉(zhuǎn)像，連續(xù)改變 光軸方向、擴(kuò)大觀察范圍，以及實(shí)現(xiàn)分光、測(cè)微補(bǔ)償?shù)取?平面光學(xué)元件的分類：在共軸球面系統(tǒng)中一般分為平面折射元件和平面反射元 件。常用的平面折射元件有平行平板玻璃、折射棱鏡、光楔等；常用的平面反 射元件有平面鏡和各種反射棱鏡。 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 60 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第一節(jié)：平面鏡成像及特性 1.平面反射鏡的成像 （1）物點(diǎn)的成像規(guī)律： A A A A 61 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第一節(jié)：平面鏡成像及特性 1.平面反射鏡的成像 （2）非一致像、一致像和完全一致像：當(dāng)物為左

40、手坐 標(biāo)系，而像變?yōu)橛沂肿鴺?biāo)系（或反之），這樣的像 稱為“非一致像”，也叫做“鏡像”。當(dāng)物用左手 坐標(biāo)系表示，通過光學(xué)元件后所成的像仍 為左手坐標(biāo)系，則稱這樣的像為 “一致像”。如果物和像的上下、 前后、左右三個(gè)方向的坐標(biāo)都完 全一致，則稱這樣的像為“完全一致像”。因此， 物體經(jīng)偶數(shù)個(gè)反射鏡成像后成“一致像”，經(jīng)奇數(shù) 個(gè)反射鏡成像后成“非一致像”。 （3）平面反射鏡是唯一能成完善像的最簡(jiǎn)單的光學(xué)元 件。 62 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第一節(jié)：平面鏡成像及特性 1.平面反射鏡的成像 平面反射鏡經(jīng)一次反射后的成像性質(zhì)歸納如下: ()點(diǎn)經(jīng)過平面反射鏡反射后所成的像仍為一個(gè)點(diǎn)，

41、 即成完善像。 ()物體與其像以平面反射鏡為對(duì)稱，即成非一致 像。 ()實(shí)物成虛像，虛物成實(shí)像。 63 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第一節(jié)：平面鏡成像及特性 2.平面反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng) A 2N 1N 2 A 1 A 2I 2 I 1I 1 I 1P 1P O 2P2P 2 64 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第一節(jié)：平面鏡成像及特性 3. 雙平面反射鏡的成像(角鏡成像) (1) 采用角鏡這樣的光學(xué)元件,可以使光線改 變方 向。光線的方向改變可以根據(jù)實(shí)際需 要通過選擇適當(dāng)?shù)慕莵?lái)實(shí)現(xiàn)。 （2）入射光線經(jīng)過角鏡后方向的改變，只 與角鏡的頂角有關(guān)。如果保持角鏡 的頂角

42、不變，在入射光線方向 不變的情況下，如果角鏡繞垂 直于圖平面的軸旋轉(zhuǎn)，它 的出射光線方向始終不 會(huì)改變。 A A 2N 1N 1I 1 I 2I 2 I 1O O 1P 1P 2P2P 2O 65 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第二節(jié)：平行平板及特性 1. 平行平板的成像特性 1 1 1 tgI Itg dL 對(duì)任意孔徑角光線： 1P 2P 1O2O n 1U 2 U 21UU 1A 21AA 2 A d 1L 2 L 1 L 2L A 1I 1 I 2I2 I L d n n l 1 對(duì)近軸光線： 66 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第二節(jié)：平行平板及特性

43、 1. 平行平板的成像特性 （1）光線經(jīng)過平面平行玻璃板折射后，出射光 線的方向與入射光線平行，同時(shí)出射光線在入射 光線的右側(cè)。 （2）近軸光線經(jīng)過平面平行玻璃板，當(dāng)平板的 厚度確定后，折射光線與光軸交點(diǎn)的位移量為一 常數(shù)，它不隨入射光線的入射角而變化。 （3）對(duì)任意光線來(lái)講經(jīng)平面平行玻璃板折射后， 折射光線與光軸交點(diǎn)的位移量隨入射光線的入射 角的變化而變化。 67 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第二節(jié)：平行平板及特性 2. 平行平板的“等效空氣層”概念 注意：該公式只是對(duì)近軸光線而言，否則進(jìn)行修正！ 1P 2P 1O2O n 21UU 1A 21AA 2 A d A l n

44、 d ldd l d P 68 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第三節(jié)：反射棱鏡 1.反射棱鏡的作用與類型 （1）作用：a. 改變光軸方向或使光軸平移。 b. 棱鏡轉(zhuǎn)像。 c. 擴(kuò)大觀察范圍或?qū)崿F(xiàn)掃描. （2）類型：a. 按照反射棱鏡的構(gòu)成方式，可將其分為普通 棱鏡 和復(fù)合棱鏡。凡由一塊玻璃制成的 棱鏡，不管其 反射次數(shù)和光軸折線的形狀， 均稱其為普通棱 鏡；由兩個(gè)或兩個(gè)以上普通 棱鏡組合而成的棱 鏡，成為復(fù)合棱鏡。 b. 按照反射棱鏡成像的情況劃分，可分為平 面棱鏡 和空間棱鏡。至少存在一個(gè)共軛光 軸平面的反射 棱鏡稱為平面棱鏡；不存在 共軛光軸平面的反射 棱鏡稱為空間棱鏡。

45、 69 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第三節(jié)：反射棱鏡 2.反射棱鏡的基本定義與轉(zhuǎn)像方向判斷 （1）基本定義：工作面，棱線，主截面，光軸截面。 （2）轉(zhuǎn)像方向判斷： . 具有單一光軸截面的反射棱鏡系統(tǒng) a）確定主截面和光軸截面后，首先根據(jù)具體的 棱鏡具體的棱鏡系統(tǒng)確定光軸的方向。 b）其次選定垂直于光軸截面的坐標(biāo)分量的方向。 無(wú)的方向。無(wú)論經(jīng)過多少次平面鏡反射，垂直于 主截垂直于主截面的坐標(biāo)分量的方向均不改變。 c）最后，確定棱鏡系統(tǒng)光軸截面內(nèi)的像坐標(biāo)軸 方向。坐標(biāo)軸方向。根據(jù)系統(tǒng)的總反射次數(shù)，按 “奇次成鏡像，偶次成一致像”的原則，結(jié)合左、 右手坐標(biāo)系進(jìn)行判斷。 70 第三

46、章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第三節(jié)：反射棱鏡 2.反射棱鏡的基本定義與轉(zhuǎn)像方向判斷 . 具有兩個(gè)相互垂直的光軸截面的反射棱鏡系統(tǒng) a）確定主截面和光軸截面后，根據(jù)反射定律確定具體的 棱鏡系統(tǒng)光軸的方向。 b）然后，將棱鏡系統(tǒng)劃分為幾個(gè) 單一光軸截面的反射棱鏡，根據(jù) “反射棱鏡只能改變其光軸截面 內(nèi)的物坐標(biāo)方向，而不改變垂 直于其光軸截面的物坐標(biāo)方向” 的原則進(jìn)行坐標(biāo)方向的確定。 c）最后，根據(jù)系統(tǒng)的總反射次數(shù)， 按“奇次成鏡像，偶次成一致像”的原則，結(jié)合左、右 手坐標(biāo)系進(jìn)行判斷。 x y z x z y x y z 71 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第三節(jié)：

47、反射棱鏡 2.反射棱鏡的基本定義與轉(zhuǎn)像方向判斷 . 具有屋脊反射面的反射棱鏡系統(tǒng) a）確定主截面和光軸截面后，根據(jù) 反射定律確定具體的棱鏡系統(tǒng)光軸 的方向。 b）若系統(tǒng)中存在屋脊面，則每一對(duì) 屋脊反射面對(duì)垂直于光軸截面的坐 標(biāo)分量倒轉(zhuǎn)180。 c）最后，根據(jù)系統(tǒng)的總反射次數(shù) （屋脊反射面算兩次反射），按“奇次成鏡像，偶次成一 致像”的原則，結(jié)合左、右手坐標(biāo)系進(jìn)行判斷。 X Y Z O O Y X Z 72 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第三節(jié)：反射棱鏡 3. 反射棱鏡的等效作用與展開 等效作用：在光學(xué)系統(tǒng)中用棱鏡代替反射鏡，相當(dāng)于 在光學(xué)系統(tǒng)中多加了一塊玻璃板。 棱鏡的展開：

48、在棱鏡的光軸截面內(nèi)，以棱鏡的反射面 為鏡面，依次做出棱鏡的反射像，就可以得到一個(gè)作用與棱 鏡相同的等效的平面平行玻璃板。 4. 反射棱鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足的要求 為了保持共軸系統(tǒng)的成像性質(zhì)，棱鏡展開成玻璃板后， 入射面和出射面必須平行。 如果棱鏡位于在會(huì)聚或發(fā)散光路中，則光軸必須和棱 鏡的入射表面以及出射表面垂直。 73 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 例：一望遠(yuǎn)物鏡 ，通光口徑D=40mm ，對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)物體成像，視場(chǎng)角 2=4。若要求在系統(tǒng)中加入一五棱鏡使光軸折轉(zhuǎn)90，棱鏡的出射面在物鏡 焦面前a=20mm處，棱鏡的折射率n=1.5163，求棱鏡的尺寸。 mmf200 mmD40

49、 42 mma205163. 1n 74 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第四節(jié)：折射棱鏡與光楔 依靠折射作用使光線偏折的棱鏡稱為折射棱鏡；由于 一束白光經(jīng)折射棱鏡后，可被分解為各種顏色的連續(xù)光 譜，故又稱其為色散棱鏡（分光棱鏡）。因此，折射棱 鏡具有兩個(gè)基本性質(zhì)，即偏向性與色散性。 折射棱 主截面 工作面 折射棱角 75 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第四節(jié)：折射棱鏡與光楔 1. 折射棱鏡的偏角 折射棱鏡的主要作用之一，是使通過它的光線的進(jìn)行方向相對(duì) 于原來(lái)的方向發(fā)生偏折。折射光線偏離入射光線方向的角度即為偏 向角是其主要特征量。偏向角由入射光線方向按銳角轉(zhuǎn)

50、至出射光 線方向，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。 偏角公式（顯式）： 偏角公式（隱式）： 最小偏向角： sinsinsincossin 1 22 1 1 1InII 1I 1 I 2I 2 I A BC 1P 2P S S n 2 cos 2 cos 2 sin 2 sin 21 21 II II n 2 sin 2 sin n m 76 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第四節(jié)：折射棱鏡與光楔 2. 楔鏡(光楔)及其作用 兩個(gè)折射面夾角()很小的折射棱鏡稱為楔鏡,也稱光 楔。 其外觀很像平行平板玻璃，楔鏡的折射棱角又稱楔角。 當(dāng)光線入射角很小時(shí)，即 I10，則偏角公式： 表明當(dāng)光束垂

51、直或近于垂直射到光楔上時(shí)（一般當(dāng)I1 3時(shí)可以采用），所產(chǎn)生的偏向角只取決于楔角和折射率 n大小，而于I1無(wú)關(guān)。 楔鏡（光楔）的作用，可用于微小角度和微小位移的 測(cè)量。通常稱之為光學(xué)測(cè)微器或光學(xué)補(bǔ)償器。 )1(n 77 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第四節(jié)：折射棱鏡與光楔 3. 棱鏡色散 折射棱鏡更主要的用途是作為色散元件。利用棱鏡作為色散系 統(tǒng)的光譜儀器，稱為棱鏡光譜儀。由偏角公式可以看出，偏向角是 玻璃折射率的函數(shù)，折射率越大，則偏角越大；而折射率n是波長(zhǎng)的 函數(shù)，因此，是波長(zhǎng)的的函數(shù)。這樣， 這樣，具有同一入射角的一 束復(fù)合色光（如白光），通 過折射棱鏡后，其中不同波

52、長(zhǎng)的色光將具有不同的偏向 角，因而在空間上被分解為 由各種色光組成的連續(xù)光譜， 這種現(xiàn)象即為棱鏡的色散，故此，折射棱鏡又稱分光棱鏡。 78 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第五節(jié)：光學(xué)材料 用于制作光學(xué)元件的光學(xué)材料包括光學(xué)玻璃（分無(wú)色、有 色和變色）、光學(xué)晶體和光學(xué)塑料。對(duì)光學(xué)材料的基本要求為： 折射材料對(duì)工作波段有良好的透射率，反射元件對(duì)工作波段有 很高的反射率。 1.透射材料的光學(xué)特性 （1）光學(xué)玻璃：絕大多數(shù)光學(xué)元件是由無(wú)色光學(xué)玻璃制成的。 一般光學(xué)玻璃只能通過波段為0.352.5m的色光，超過這 個(gè)范圍的光將被材料強(qiáng)烈吸收。無(wú)色玻璃可分為兩大類，即冕 牌玻璃（以字母K

53、表示）和火石玻璃（以字母F表示）。冕牌 玻璃一般以低折射率、低色散為特征，而火石玻璃則以高折射 率、高色散為特征。 79 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第五節(jié)：光學(xué)材料 1.透射材料的光學(xué)特性 （2）光學(xué)晶體：光學(xué)晶體主要應(yīng)用在紫外和紅外光譜區(qū)。用 于紫外光譜區(qū)域的有熔融石英、氟華鈣和氟化鋰等少數(shù)幾種晶 體。用于紅外光譜區(qū)的材料稍多些。如鍺能很好地透過波長(zhǎng)為 15m和4060m的輻射波，氟華鈣在180nm10m波段 內(nèi)是透明的。 （3）光學(xué)塑料：光學(xué)塑料一般用于制作要求不高的光學(xué)元件。 例如，放大鏡、一般透鏡、取景器和菲涅爾透鏡等。最通用的 光學(xué)塑料有甲基丙烯酸甲脂（nD=1

54、.49166，vD=57.37），丙烯 腈-苯乙烯共聚物（ nD=1.56735，vD=34.87 ），聚苯乙烯 （ nD=1.59027，vD=30.92）。 80 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第五節(jié)：光學(xué)材料 1. 透射材料的光學(xué)特性 （4）透射材料的折射特性：一般以夫瑯和費(fèi)特征譜線的折射 率表示。因?yàn)镕光和C光接近人眼靈敏光譜區(qū)的兩端，而D（或 d、e）光比較接近人眼的最靈敏波長(zhǎng)（555nm），所以D（或d、 e）光的折射率nD稱為基本（平均）折射率， nF -nC 為平均色 散，vD= (nD-1)/ nF -nC 為基本（平均）色散系數(shù)（阿貝數(shù)）。 2. 反射材料

55、的光學(xué)特性 制作反射光學(xué)元件一般是在拋光玻璃表面鍍金屬反射膜， 反射光學(xué)材料的主要特性是對(duì)各種波長(zhǎng)的反射率。最常用的高 反射材料應(yīng)是銀和鋁。金屬銀在波長(zhǎng)大于555m時(shí)反射率平均 為95%；金屬鋁在可見光區(qū)的反射率為8892%。 81 第三章第三章 平面與平面平面與平面 系系 統(tǒng)統(tǒng) 本章作業(yè)： P50 習(xí)題：1、2、4、6、7、 10 12（選做） 請(qǐng)注意 作業(yè)的書寫格式與工整！ 82 第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制 第1節(jié)：光學(xué)系統(tǒng)中的光闌及其作用 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)只能對(duì)物空間的一定區(qū)域成比較滿意的像， 而且該區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的成像光束都限制在一定的立體角內(nèi)。光 學(xué)系統(tǒng)中所有對(duì)

56、成像光束起到限制作用的光學(xué)元件的邊框，以 及一些特設(shè)的、其中心位于光軸上的開孔屏（又稱為“通光孔 徑”），統(tǒng)稱為“光闌”。光闌通光孔一般為圓形，光闌平面 垂直于光軸。 光闌 光闌 光闌 光闌 83 第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制 第1節(jié)：光學(xué)系統(tǒng)中的光闌及其作用 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中通過設(shè)置光闌，對(duì)光束加以限制，它對(duì) 光學(xué)系統(tǒng)的幾何和物理性質(zhì)將產(chǎn)生重大影響。表現(xiàn)為： （1）影響光學(xué)系統(tǒng)（不考慮衍射效應(yīng)）的幾何像差，即影 響自光學(xué)系統(tǒng)出射的光束結(jié)構(gòu)。 （2）也將影響由于光的波動(dòng)性所決定的衍射性質(zhì)，這種衍 射性質(zhì)即使在沒有像差時(shí)也將使點(diǎn)的像發(fā)生畸變。 （3）由于光闌決定光束截面，

57、因而決定了能通過光學(xué)系統(tǒng) 的光能量，也就決定了光學(xué)系統(tǒng)在屏、接受元件(如:底 片,CCD等)或人眼的網(wǎng)膜上所產(chǎn)生的照度。 （4）還將影響與入射光束孔徑有關(guān)的成像空間深度（即景 深），以及分辨本領(lǐng)。 84 第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制 第1節(jié)：光學(xué)系統(tǒng)中的光闌及其作用 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中的光闌，按其作用可分為以下幾種： （1）孔徑光闌：它是限制軸上物點(diǎn)成像光束立體角、并有 選擇軸外物點(diǎn)成像光束位置作用的光闌；也稱“有效光闌”。 如果在過光軸的平面上來(lái)看，這種光闌就是決定軸上點(diǎn)發(fā)出 的平面光束的孔徑角。 （2）視場(chǎng)光闌：它是決定物平面或物空間中成像范圍的光 闌。 （3）漸暈光

58、闌：影響軸外物點(diǎn)成像光束能量的光闌。 （4）消雜光光闌：這種光闌不限制通過光學(xué)系統(tǒng)的成像光 束，只限制那些從非成像物體射來(lái)的光、光學(xué)系統(tǒng)各折射面 反射的光和儀器內(nèi)壁反射的光等，這些光稱為雜光。 孔徑光闌和視場(chǎng)光闌是光學(xué)系統(tǒng)中的主要光闌。任何光 學(xué)系統(tǒng)都有這兩種光闌！ 85 第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制 第2節(jié)：光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)只能允許一定大小的光束通過，在系統(tǒng)的數(shù)個(gè)光 闌中必有一個(gè)實(shí)際光闌（可能是光學(xué)元件的邊框，也可能是特設(shè)的 光闌）是限制和決定系統(tǒng)的有效光束大小的，即決定從軸上物點(diǎn)到 達(dá)共軛像點(diǎn)的光線數(shù)目，它就是孔徑光闌（有效光闌

59、）?？讖焦怅@ 通過它前方的光學(xué)系統(tǒng)所成的像（即孔徑光闌在整個(gè)系統(tǒng)物空間的 像），稱為“入射光瞳”。孔徑光闌通過它后方的光學(xué)系統(tǒng)所成的 像（即孔徑光闌在整個(gè)系統(tǒng)像空間的像），稱為“出射光瞳”?？?徑光闌、入射光瞳、出射光瞳三者相互共軛。 U U A A 1 O i O 1i O ki O 入瞳 孔徑光闌 出瞳 86 第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制 第2節(jié)：光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳 在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌未知的情況下尋求孔徑光闌的步驟 可歸納如下：首先將光學(xué)系統(tǒng)所有光學(xué)元件和開孔屏的內(nèi)孔，經(jīng)其 前方的光學(xué)系統(tǒng)成像到整個(gè)系統(tǒng)物空間，然后比較這些像的邊緣對(duì) 軸上

60、物點(diǎn)張角的大小，其中張角最小者，即為入射光瞳；與入射光 瞳共軛的實(shí)際光闌即為孔徑光闌。 U A 1L 2Q 1Q 1 Q 2 Q 2L 2 L 孔徑光闌 入瞳 1 L 87 第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制 第2節(jié)：光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳 用類似方法將光學(xué)系統(tǒng)所有光學(xué)元件和開孔屏的內(nèi)孔，經(jīng)其 后方的光學(xué)系統(tǒng)成像到整個(gè)系統(tǒng)像空間，然后比較這些像的邊緣對(duì) 軸上像點(diǎn)張角的大小，其中張角最小者，即為出射光瞳；與出射光 瞳共軛的實(shí)際光闌即為孔徑光闌。 U A 1L 2Q 1Q 1 Q 2 Q 2L2 L 孔徑光闌 出瞳 1 L 88 第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限