光學(xué)復(fù)習(xí)課件

1、目錄第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律第二節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的物像概念 結(jié)束第一節(jié) 幾何光學(xué)的基本定律一、幾何光學(xué)的點(diǎn)、線、面二、幾何光學(xué)的基本定律三、費(fèi)馬原理同心光束：點(diǎn)光源發(fā)射球面波各條光線都匯聚于一點(diǎn)，光束只有一個(gè)中心-同心光束 球面波-同心光束一、幾何光學(xué)的點(diǎn)、線、面非同心光束發(fā)散同心光束匯聚同心光束點(diǎn)光源發(fā)射發(fā)散同心光束一、幾何光學(xué)的點(diǎn)、線、面光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)同心光束非同心光束點(diǎn)物發(fā)射同心光束，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)變換后出射，仍為同心光束完善成像同心光束點(diǎn)物發(fā)射同心光束，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)變換后出射，為非同心光束非完善成像2 光的獨(dú)立傳播定律當(dāng)兩束或多束光在空間相遇時(shí)，各光線的傳播不會(huì)受其它光線的影響。3光的折

2、射定律和反射定律CABA反射定律入射光線、入射點(diǎn)界面的法線、反射光線三者共面，入射光線與反射光線分居于法線的兩側(cè)，且入射角與反射角絕對值相等。一束光線由折射率為n的介質(zhì)射向折射率為n的介質(zhì)，在分界面上，一部分光線將被反射，另一部分光線將被折射，反射光線和折射光線的傳播方向?qū)⒆裱瓷涠珊驼凵涠?。角度正?fù)規(guī)定：由光線轉(zhuǎn)向法線，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)光路可逆性：沿出射方向入射一束光線，此時(shí)光線沿原路返回 利用光路的可逆性可以由物求像，也可以由像求物。TEXTTEXTTEXT全反射現(xiàn)象:光從折射率為n的光密介質(zhì)射入，折射率為 的光疏介質(zhì)n介質(zhì)稱為光密介質(zhì) 稱為光束介質(zhì) 假設(shè)根據(jù)折射定律全反射現(xiàn)象條

3、件：光從光密介質(zhì)射入的光疏介質(zhì)第二節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的物像概念二、物和像實(shí)物：物方光線實(shí)際相交的點(diǎn)為實(shí)物點(diǎn)；實(shí)像：像方光線實(shí)際相交的點(diǎn)為實(shí)像點(diǎn)；虛物：物方光線延長后相交點(diǎn)為虛物點(diǎn)；虛像：像方光線延長后相交的點(diǎn)為虛像點(diǎn)a）實(shí)物成實(shí)像 (b) 實(shí)物成虛像 (c) 虛物成實(shí)像 (d) 虛物成虛像虛物和虛像物方光線延長線交點(diǎn)像方光線反向延長線交點(diǎn)BA返 回四、物像的相對性物和像都是相對于某一成像系統(tǒng)而言物體連續(xù)經(jīng)過幾個(gè)成像系統(tǒng)，則前一個(gè)系統(tǒng)所成的像即成為下一系統(tǒng)的物 如此不斷成像得到最終的像實(shí)物、虛物、實(shí)像、虛像視情況而定，但作為第一個(gè)（原始、出發(fā)的）物一定是“實(shí)體”。第一節(jié) 符號規(guī)則光路計(jì)算必須掌握-自學(xué)

4、1、單球面成像的光路計(jì)算AArELL-U物點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)過球面成像后，不再是同心光束點(diǎn)物無法成點(diǎn)像 為不完善成像討論近軸區(qū)（靠近光軸區(qū)域）光線成像AArE-l-uulii近軸區(qū)光光線成像，l 與入射孔徑角u（或h）的大小無關(guān),不同孔徑角對應(yīng)相同l出射光束為同心光束-有唯一成像點(diǎn)，完善成像 2、近軸區(qū)域的物像關(guān)系對近軸成像公式作線性變換，可推導(dǎo)出如下計(jì)算式（2-14）單球面界面折射成像高斯公式C3、近軸區(qū)域的物像放大率 （2-16）3、近軸區(qū)域的物像放大率 軸向放大率 當(dāng)物體在給定位置沿軸有一微量位移dl，其像也在像點(diǎn)位置處有一微量位移dl，定義dl與dl的比值為軸向放大率，用表示ABAB上

5、式表明：垂軸放大率與軸向放大率一般情況不相同，如果有一個(gè)正方體物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，其像將不再是正方體第三節(jié) 單個(gè)反射球面的成像（2-26）（2-27）（2-28）（2-29）單個(gè)反射球面成像可看作單球面折射成像時(shí)，n=- n的特例，令n=- n=-1，由單球面折射成像公式 ：（2-25）折射成像公式反射成像公式第四節(jié) 共軸球面系統(tǒng)的成像光學(xué)系統(tǒng)中的所有界面均為球面，該光學(xué)系統(tǒng)稱為球面系統(tǒng)。所有球面的球心都在同一條直線上，稱為共軸球面系統(tǒng)采用逐次成像法研究共軸球面光學(xué)系統(tǒng)成像問題C1n1C3O3n2(n3)n3n1(n2)O2C2O1u1(u2)h1-u1-u2u3-u3h2h3A1B1y1-y

6、1（y2）B1（B2）A1（A2）A2（A3）y2（y3）B2（B3）B3A3-y3l2r1l1-l1-l2r2d1d1-l2r3l3第四節(jié) 共軸球面系統(tǒng)的成像 對第一面作單個(gè)球面成像計(jì)算求得（l1、u1、y1）； 用過渡公式由（l1、u1、y1）求得（l2、u2、y2）； 對第二面作單個(gè)球面成像計(jì)算求得（l2、u2、y2）； 用過渡公式由（l2、u2、y2）求得（l3、u3、y3）； 對第k面作單個(gè)球面成像計(jì)算求得（lk、 uk、yk）。第四節(jié) 共軸球面系統(tǒng)的成像共軸球面系統(tǒng)的放大率就是各面放大率的乘積，即（2-35）（2-36）（2-37）三個(gè)放大率之間的關(guān)系依然成立 （2-38） 第四節(jié)

7、 共軸球面系統(tǒng)的成像C1n1C3O3n2(n3)n3n1(n2)O2C2O1u1(u2)h1-u1-u2u3-u3h2h3A1B1y1-y1（y2）B1（B2）A1（A2）A2（A3）y2（y3）B2（B3）B3A3-y3l2r1l1-l1-l2r2d1d1-l2r3l3復(fù)習(xí)了解概念和計(jì)算，考試內(nèi)容不多1、理想光學(xué)系統(tǒng)的共線理論 2、理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面 3、理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系4、理想光學(xué)系統(tǒng)的多光組成像5、實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面 第三章 理想光學(xué)系統(tǒng)第一節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的共線理論理想光學(xué)系統(tǒng)：對任意大的空間和任意寬的光束都能完善成像了解-理想光學(xué)系統(tǒng)理論內(nèi)容：不專門介紹1、任一物點(diǎn)

8、在像空間都有一個(gè)和它唯一對應(yīng)的像點(diǎn)2、物空間任一條直線，則在像空間也有對應(yīng)的唯一直線；3、物空間任一平面，像空間也有唯一的對應(yīng)平面。這種點(diǎn)對應(yīng)點(diǎn)、直線對應(yīng)直線、平面對應(yīng)平面的成像變換即稱之共線成像，這種物像一一對應(yīng)的關(guān)系稱之為共軛關(guān)系。第二節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面包括了這樣一些特殊的共軛點(diǎn)和共軛面：無限遠(yuǎn)的軸上物點(diǎn)和它對應(yīng)的共軛像點(diǎn)（像方焦點(diǎn) ）；無限遠(yuǎn)的軸上像點(diǎn)和它對應(yīng)的共軛物點(diǎn)（物方焦點(diǎn) ） ；一對垂軸放大率等于+1的共軛平面（主面）；一對角放大率等于+1的共軛點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）。第二節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面1、無限遠(yuǎn)的軸上物點(diǎn)和它所對應(yīng)的像點(diǎn)F像方焦點(diǎn) 如圖3-2

9、所示 , F稱為系統(tǒng)的像方焦點(diǎn) 。 F與無窮遠(yuǎn)軸上物點(diǎn)為一對物像共軛點(diǎn)。過F點(diǎn)作垂直于光軸的平面，該平面稱之為系統(tǒng)的像方焦平面。F圖3-2像方焦點(diǎn)和像方焦平面具有以下性質(zhì)：1任意一條平行于光軸的物方入射光線，在像方一定通過像方焦點(diǎn)F。2與光軸成一定夾角的斜入射平行光束，在像方會(huì)聚于像方焦平面上的一個(gè)軸外點(diǎn)。軸外點(diǎn)的位置與斜平行光的角度相對應(yīng)。 第二節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面FFA2、無限遠(yuǎn)的軸上像點(diǎn)和它對應(yīng)的物方共軛點(diǎn)F物方焦點(diǎn) 過F點(diǎn)垂直于光軸的平面，此平面稱之為物方焦平面，物方焦平面與像方無限遠(yuǎn)處垂直于光軸的像平面共軛。 第二節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面FF物方焦點(diǎn)和物方焦平面具有以下性

10、質(zhì)： 1從F點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后將平行于光軸出射，交于無限遠(yuǎn)的軸上點(diǎn)，即F與像方無限遠(yuǎn)的軸上點(diǎn)共軛；2物方焦平面上的軸外一點(diǎn)A發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后將以與光軸成某一夾角的斜平行光束出射，交于無限遠(yuǎn)的軸外點(diǎn)。物方焦面上點(diǎn)的位置與出射斜平行光束的角度一一對應(yīng)。 第二節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面AFFF3、垂軸放大率 的一對共軛面主平面 不同位置的共軛面對應(yīng)著不同的放大率，存在一對垂軸共軛面，其垂軸放大率等于+1-共軛平面稱為主平面（簡稱主面）主面與光軸的交點(diǎn)稱為主點(diǎn)。在物方的-物方主面和物方主點(diǎn)，物方主點(diǎn)用H表示；在像方的稱為像方主面和像方主點(diǎn)，像方主點(diǎn)用H表示。 第二節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的基

11、點(diǎn)與基面HHQQ第二節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面位于物方主平面上物點(diǎn)Q，其共軛像點(diǎn)Q位于像方主平面物點(diǎn)Q與像點(diǎn)Q位于光軸同側(cè)，且到光軸距離相等通過物方主平面上物點(diǎn)Q光線，其共軛光線一定通過像點(diǎn)Q 5、理像光組的節(jié)點(diǎn) 角放大率為+1的一對共軛點(diǎn)，稱之為節(jié)點(diǎn)，用J、J表示。 一條光線通過物方節(jié)點(diǎn)J入射，則其共軛光線必通過像方節(jié)點(diǎn)J，且與入射光線平行。當(dāng)系統(tǒng)物、像方位于同一介質(zhì)中，節(jié)點(diǎn)與主點(diǎn)分別在物像方重合。第二節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)與基面JJFHHAMMF1QQA當(dāng)給定了一個(gè)理想光學(xué)系統(tǒng)主面和焦點(diǎn)，可以對任意的物（像）位置及大小求出其像（物）的位置及大小，其方法可采用作圖法或解析法。1、作圖法求像

12、 2、解析法求像 第三節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系返回下一節(jié)1、作圖法求像 常借助的典型光線為： 平行于光軸的入射光線；該光線經(jīng)系統(tǒng)后的共軛光線通過像方焦點(diǎn)F。1、作圖法求像 過物方焦點(diǎn)F的入射光線；該光線經(jīng)系統(tǒng)后的共軛光線平行于光軸。 過物方節(jié)點(diǎn)J的光線，該光線經(jīng)系統(tǒng)后的共軛光線將通過像方節(jié)點(diǎn)J，且與物方的入射光線平行。 物方的斜射平行光束；該光束經(jīng)系統(tǒng)后的共軛光束會(huì)聚于像方焦平面上的軸外某點(diǎn)。 自物方焦平面上軸外某點(diǎn)發(fā)出的光束；該光束經(jīng)系統(tǒng)后成為像方的斜射平行光束。 1）作過A點(diǎn)任一光線1，交物方主平面于M點(diǎn) 2）過物方焦點(diǎn)F，作平行于光線1的光線2，與物方主平面交于N點(diǎn)，1、2兩條光線可認(rèn)

13、為是無窮遠(yuǎn)處軸外點(diǎn)發(fā)射平行光束中的兩條光線，兩應(yīng)交于像方焦平面上一點(diǎn) 3）過N的共軛點(diǎn)，作平行于光軸光線，與像方焦平面交于點(diǎn)；4）過M的共軛點(diǎn)作光線1共軛光線，該光線經(jīng)過，與光軸的交點(diǎn)就為A的像點(diǎn)例題3-4：負(fù)光組求像原則上同例題3-2，但要注意，負(fù)光組物像方焦點(diǎn)的位置！1、作圖法求像 AABBHHPPFFQQAAHHNNFFMM1、作圖法求像 BB例題3-5：虛物求像 物像位置的計(jì)算: 牛頓公式 ; 高斯公式2、解析法求像 牛頓公式物方焦點(diǎn)位于 物方主點(diǎn)左側(cè)像方焦點(diǎn)位于像方主點(diǎn)右側(cè)2、解析法求像 高斯公式(3-4) 物距 :物點(diǎn)與物方主點(diǎn)間距物點(diǎn)位于物方主點(diǎn)左側(cè)像距 :像點(diǎn)與像方焦點(diǎn)間距像點(diǎn)

14、位于像方焦點(diǎn)左側(cè) 理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率垂軸放大率 2、解析法求像 （3-5） 垂軸放大率定義式 （3-6）（3-7）牛頓公式的垂軸放大率公式高斯公式的垂軸放大率公式 單折射球面 角放大率2、解析法求像 （3-12） （3-13） （3-14） 三種放大率之間的關(guān)系式 （3-15） 表3-1 放大率比較表2、解析法求像 系統(tǒng)名稱放大率名稱單個(gè)折射球面放大率計(jì)算理想光學(xué)系統(tǒng)放大率計(jì)算物像方處于不同介質(zhì)物像方處于相同介質(zhì)垂軸放大率軸向放大率角放大率拉赫不變量J2、解析法求像 近軸條件下單個(gè)折射球面-近似為理想成像系統(tǒng)成像公式可表示為其像方和物方主點(diǎn)重合-都為頂點(diǎn)o成像公式推導(dǎo)代入即可牛頓公式同樣適用

15、于近軸條件下單個(gè)折射球面成像第四節(jié) 理想光學(xué)系統(tǒng)的多光組成像A1A3F1F1F2A1（A2）A2（A3）1F3F2F3u1u1u2-l1l1-l2d1理想光學(xué)系統(tǒng)的多光組-由多個(gè)理想光學(xué)系統(tǒng)做成的新系統(tǒng)3.4.1、多光組成像的一般過程圖3-16 理想光組的多光組成像多光組成像計(jì)算采用逐次成像法-上一系統(tǒng)所成像為下系統(tǒng)成像的物相鄰系統(tǒng)物理量過渡公式：A1A3F1F1F2A1（A2）A2（A3）1F3F2F3u1u1u2-l1l1-l2d13.4.2、雙光組組合FF1F1F2F2uu-f-lFHH1H1H2H2Q-lHHFQ1Q1Q2Q2QN1N1N2N2fR1R1-xFxFE1E2-xHxHlF

16、lHR2R2將包含兩理想光學(xué)組系統(tǒng)等效為單個(gè)光學(xué)系統(tǒng)-確定等效光學(xué)系統(tǒng)主平面、像方焦點(diǎn)和物方焦點(diǎn)的位置（1）、作圖確定雙光組組合的等效系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面 作圖確定雙光組組合的等效系統(tǒng)的像方焦點(diǎn)和像方主平面-（黑板板書）作圖確定雙光組組合的等效系統(tǒng)的物方焦點(diǎn)和物方主平面-（黑板板書）3.4.2、雙光組組合FF1F1F2F2uu-f-lFHH1H1H2H2Q-lHHFQ1Q1Q2Q2QN1N1N2N2fR1R1-xFxFE1E2-xHxHlFlHR2R22、雙光組組合的計(jì)算-基點(diǎn)基面位置的解析式3.4.2、雙光組組合FF1F1F2F2uu-f-lFHH1H1H2H2Q-lHHFQ1Q1Q2Q2QN1

17、N1N2N2fR1R1-xFxFE1E2-xHxHlFlHR2R2過度公式像方焦點(diǎn)像方主點(diǎn)黑板板書正負(fù)規(guī)定FF1F1F2F2uu-f-lFHH1H1H2H2Q-lHHFQ1Q1Q2Q2QN1N1N2N2fR1R1-xFxFE1E2-xHxHlFlHR2R23.4.2、雙光組組合2、雙光組組合的計(jì)算-基點(diǎn)基面位置的解析式物方焦點(diǎn)：物方主點(diǎn)：重點(diǎn)：基點(diǎn)概念作圖第四章 平面系統(tǒng)第一節(jié) 平面鏡平面光學(xué)元件-平面反射鏡、反射棱鏡、平行平板、折射棱鏡等作用：成像、改變光的方向、色散等平面鏡即平面反射鏡4.1.1 單平面鏡的成像特性1. 平面鏡所成之像與物關(guān)于平面鏡對稱PO1ONPMPO1ONPM平面鏡是唯

18、一能夠嚴(yán)格滿足完善成像的光學(xué)元件2. 物與像虛實(shí)相反 3. 像正立且與物等大4.1.1 單平面鏡的成像特性yzxO2O1Oz y x 平面鏡所成像與物為鏡像關(guān)系上述特性用坐標(biāo)系變化描述像與實(shí)際物特性有差別例：物順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 像逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)單次反射成像可將右手坐標(biāo)系變化為左手坐標(biāo)系或?qū)⒆笫肿鴺?biāo)系變化為右手坐標(biāo)系兩次反射成像坐標(biāo)系特性不變-物像特性也相同-（舉例夾角90反射鏡成像）推論： 物體遇奇數(shù)次反射成鏡像，遇偶數(shù)次反射成一致像。4.2.2 棱鏡系統(tǒng)成像的物像坐標(biāo)變化 坐標(biāo)判斷方法歸納如下(掌握） 沿著光軸的坐標(biāo)軸（如圖中的z軸）在整個(gè)成像過程中始終保持沿著光軸； 垂直于主截面的坐標(biāo)軸（如圖中的x

19、軸）在一般情況下保持與物坐標(biāo)同向，但當(dāng)遇有屋脊面時(shí)，每經(jīng)過一個(gè)屋脊面反向一次（如圖4-13b）； 在主截面內(nèi)的坐標(biāo)軸（如圖中的y軸）由平面鏡的成像性質(zhì)來判斷，奇次反射成鏡像，偶次反射成一致像，奇數(shù)次反射左右手系改變，偶數(shù)次反射坐標(biāo)系不變。注意，每一屋脊面被認(rèn)為是兩次反射。 利用圖14-12和圖14-13驗(yàn)證課后計(jì)算題，要求掌握（有考試內(nèi)容） 第五章 光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算考試重點(diǎn)5.1 概述光闌: 在光學(xué)系統(tǒng)中，對光束起限制作用的光學(xué)元件光闌分為以下幾種： 光路中認(rèn)為設(shè)置的孔、透鏡邊緣對光有限制作用-都是光闌孔徑光闌視場光闌漸暈光闌5.1 概述5.1.1孔徑光闌：孔徑光闌：光學(xué)系統(tǒng)中用于限制成像光束大小的光闌視場光闌:在光學(xué)系統(tǒng)中，用于限制成像范圍大小的光闌視場:光學(xué)系統(tǒng)中描述成像范圍大小的參量稱為5.2.3 入射光瞳和出射光瞳 QL2L1Ex.PEn.PA.S.物M.R.C.R.像Q入射光瞳：孔徑光闌在物方空間的共軛“像”-簡稱入瞳