工程光学复习课件.ppt

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1、第一章第一章 几何光学基本定律几何光学基本定律 与成像概念与成像概念一、几何光学基本定律一、几何光学基本定律1.1.光的直线传播定律光的直线传播定律：2.光的独立传播定律：光的独立传播定律：3.光的反射、折射定律：光的反射、折射定律：4、光的可逆性、光的可逆性15、全反射现象、全反射现象6、费马原理、费马原理、光光程程:在在均均匀匀介介质质中中,光光程程 s 为为光光在在介介质质中中通通过过的几何路程的几何路程 l 与该介质的折射率与该介质的折射率 n 的乘积：的乘积：s=nl、费马原理：费马原理：2二、光学系统与成像的概念二、光学系统与成像的概念1.光学系统：光学系统：2.完善像点与完善像：

2、完善像点与完善像：3.物空间与像空间：物空间与像空间：4.物方介质与像方介质：物方介质与像方介质：5、完善成像条件、完善成像条件3三、物、像的虚实三、物、像的虚实 实物（像）：实物（像）：实际光线相交所形成的点，为实物（像）实际光线相交所形成的点，为实物（像）点。点。虚物（像）：虚物（像）：实际光线的延长线相交所形成的点，为实际光线的延长线相交所形成的点，为 虚物（像）点。虚物（像）点。41.实物成实像实物成实像2.实物成虚像实物成虚像3.虚物成实像虚物成实像4.虚物成虚像虚物成虚像5第二章第二章 共轴球面光学系统共轴球面光学系统一、符号法则一、符号法则1 1、光路方向通常规定：、光路方向通常

3、规定：2 2、线量的正负号（、线量的正负号（直角坐标系）直角坐标系）3 3、角度的正负号、角度的正负号6符号规则的意义：符号规则的意义：物象的虚实和正倒。1 1、负物距对应实物；正物距对应虚物。、负物距对应实物；正物距对应虚物。2 2、正像距对应实像；负像距对应虚象。、正像距对应实像；负像距对应虚象。3 3、像高和物高符号相反则成倒立像，反之、像高和物高符号相反则成倒立像，反之成正立像。成正立像。7二、物体经单个折射球面的成像二、物体经单个折射球面的成像1、近轴光路计算公式近轴光路计算公式 每面折射前后的每面折射前后的 不变，称为阿贝不变量。不变，称为阿贝不变量。近轴区域的物象公式近轴区域的物

4、象公式82 2、近轴光路的放大率、近轴光路的放大率、横向放大率（垂轴放大率）、横向放大率（垂轴放大率）表示正立像，实物虚像或虚物实像表示正立像，实物虚像或虚物实像.表示倒立像，实物实像或虚物虚像表示倒立像，实物实像或虚物虚像放大像；放大像；缩小像。缩小像。9、轴向放大率、轴向放大率所以物和像同方向移动。所以物和像同方向移动。、角放大率、角放大率、拉赫不变量拉赫不变量10三、单个反射球面的成像三、单个反射球面的成像折射定律折射定律当当n=-nn=-n反射定律反射定律当当n=-nn=-n11单个折射球面的成单个折射球面的成像公式像公式当当n=-nn=-n单个反射球面的成单个反射球面的成像公式像公式

5、当当n=-nn=-n12四、共轴球面系统的成像四、共轴球面系统的成像13K K个折（反）射面，系统参数为个折（反）射面，系统参数为物点物点参数为参数为（1 1）对第一面做单个球面成像计算求得）对第一面做单个球面成像计算求得（3 3）对第二面做单个球面成像计算求得）对第二面做单个球面成像计算求得（2 2）用过渡公式由）用过渡公式由求得求得（4 4）对第）对第K K面做单个球面成像计算求得面做单个球面成像计算求得14第三章第三章 理想光学系统理想光学系统一、理想光学系统的共线理论一、理想光学系统的共线理论二、理想光学系统的基点与基面二、理想光学系统的基点与基面三、作图法求像三、作图法求像常选取的常

6、选取的典型光线典型光线为：为：1、平行于光轴的入射光线；该光线经系统后的、平行于光轴的入射光线；该光线经系统后的共轭光线通过像方焦点共轭光线通过像方焦点F。152、过物方焦点过物方焦点F的入射光线；该光线经系的入射光线；该光线经系统后的共轭光线平行于光轴。统后的共轭光线平行于光轴。3、过物方节点、过物方节点J的光线，该光线经系统后的光线，该光线经系统后的共轭光线将通过像方节点的共轭光线将通过像方节点J，且与物方，且与物方的入射光线平行。的入射光线平行。4、物方的斜射平行光束；该光束经系统后、物方的斜射平行光束；该光束经系统后的共轭光束会聚于像方焦平面上的轴外的共轭光束会聚于像方焦平面上的轴外某

7、点。某点。5、自物方焦平面上轴外某点发出的光束；、自物方焦平面上轴外某点发出的光束；该光束经系统后成为像方的斜射平行光该光束经系统后成为像方的斜射平行光束。束。16例题例题3-1 轴外点求像轴外点求像AABBHHJJFFQQPP例题例题3-2 轴上点求像轴上点求像AAHHNNFFMMP17AAHHNNFFMMP例题例题3-3：负光组求像负光组求像AABBHHPPFFQQ18AAHHNNFFMMBB例题例题3-4：虚物求像虚物求像DHHJJFFQQPP例题例题3-5：确定系统的节点确定系统的节点19例题例题3-6：求系统焦点求系统焦点AHHJJFFQQPAP20四、解析法求像四、解析法求像 1、

8、牛顿公式、牛顿公式212、高斯公式、高斯公式 x=lf x=lf lflf=ll 五、理想光学系统的放大率五、理想光学系统的放大率1、垂轴放大率、垂轴放大率 垂轴放大率定义式垂轴放大率定义式 牛顿公式的垂轴放大率公式牛顿公式的垂轴放大率公式高斯公式的垂轴放大率公式高斯公式的垂轴放大率公式 222、轴向放大率、轴向放大率牛顿公式的轴向放大率牛顿公式的轴向放大率 高斯公式的轴向放大率高斯公式的轴向放大率3 3、角放大率、角放大率23三种放大率之间的关系式三种放大率之间的关系式 4 4、理想光学系统的拉赫公式、理想光学系统的拉赫公式系系统统名名称称放放大大率率名名称称单个折射球面单个折射球面放大率计

9、算放大率计算理想光学系统放大率计算理想光学系统放大率计算物像方处于不同介质物像方处于不同介质物像方处于相同物像方处于相同介质介质垂轴放大率垂轴放大率轴向放大率轴向放大率角放大率角放大率拉赫不变量拉赫不变量J24理想光学系统物方焦距与像方焦距的关系：理想光学系统物方焦距与像方焦距的关系：若物方介质与像方介质的若物方介质与像方介质的折射率相同折射率相同，高斯公，高斯公式可表示式可表示 为为A1A3F1F1 F2A1（A2）A2（A3）1F3F2F3u1u1u2-l1l1-l2d125六、多光组成像的一般过程六、多光组成像的一般过程 ，由过渡公式由过渡公式 得得26七、双光组组合七、双光组组合 1、

10、双光组组合的计算、双光组组合的计算 利用成像公式和过渡公式利用成像公式和过渡公式272 2、双光组的组合焦距、双光组的组合焦距 3 3、双光组的组合的光焦度、双光组的组合的光焦度 当双光组紧密相接时，有当双光组紧密相接时，有 八、透镜八、透镜 1 1、透镜的焦距、光焦度、透镜的焦距、光焦度 28光焦度光焦度 21221)1()(1(1rrrrdnnnf-+-=j为球面半径的倒数为球面半径的倒数 2 2、透镜的基点、透镜的基点薄透镜薄透镜(d=0)(d=0)的光焦度的光焦度)(1(21rrj-=n29第四章 平面与平面系统平面与平面系统一、平面镜成像一、平面镜成像1 1、平面镜成像、平面镜成像3

11、02 2、平面镜成像的对称性、平面镜成像的对称性 对称性：对称性：反射反射奇次奇次成成镜像镜像，反射反射偶次偶次成成一致像一致像.3 3、反射光线的旋转、反射光线的旋转（入射光线方向不变）（入射光线方向不变）31二、平行平板二、平行平板 1 1、平行平板的成像特性平行平板的成像特性、折射后方向不变、折射后方向不变、无焦系统、无焦系统32、侧向位移、侧向位移DGDG、轴向位移、轴向位移、平行平板的平行平板的位移位移成像成像像的位置像的位置33 2、平行平板的等效光学系统、平行平板的等效光学系统、近轴条件：、近轴条件：入射角很小入射角很小、实际实际像面的位置像面的位置：、等效空气平板、等效空气平板

12、ABEF厚度：厚度：无折射通过等效空气层，再轴向平移无折射通过等效空气层，再轴向平移34三、折射棱镜与光楔三、折射棱镜与光楔1 1、折射棱镜、折射棱镜（Dispersing Prisms）的偏向角的偏向角2、应用：、应用：折射棱镜最小偏折射棱镜最小偏向角法测玻璃折射率向角法测玻璃折射率353、光楔及其应用光楔及其应用由由36第五章第五章 光学系统的光束限制光学系统的光束限制 一、光阑的分类及作用一、光阑的分类及作用 根据各种光阑限制光束的目的，它们大根据各种光阑限制光束的目的，它们大体分为以下几种：体分为以下几种：1、孔径光阑、孔径光阑2、视场光阑、视场光阑3、渐晕光阑、渐晕光阑4、消杂光、消

13、杂光光阑光阑二、孔径光阑二、孔径光阑1、光束限制的共轭原则、光束限制的共轭原则2、孔径光阑的判断、孔径光阑的判断 3、入射光瞳和出射光瞳、入射光瞳和出射光瞳 37三、视场光阑三、视场光阑1、视场计算、视场计算 （物（物为为有限距离，其中有限距离，其中 为为系系统统的放大率）的放大率）、视场光阑与像面重合视场光阑与像面重合 当当视场视场光光阑阑与像面重合与像面重合时时，视场视场光光阑阑的大小就的大小就是像的大小，即是像的大小，即由此可得物方由此可得物方视场视场的大小的大小为为 物在无限物在无限远远38、视场视场光光阑阑与物面重合与物面重合当当视场视场光光阑阑与物面重合与物面重合时时，视场视场光光

14、阑阑的的大小就是物的大小，此大小就是物的大小，此时时其中其中 为为入瞳的位置入瞳的位置四、渐晕光阑四、渐晕光阑1、渐晕的概念、渐晕的概念2、渐晕光阑的作用、渐晕光阑的作用 、减小光学系统的横向尺寸、减小光学系统的横向尺寸 、改善轴外点的成像质量、改善轴外点的成像质量393、渐晕系数及其计算、渐晕系数及其计算渐晕渐晕的大小可以定量的大小可以定量计计算，我算，我们们把入瞳把入瞳面上面上轴轴外物点通外物点通过过系系统统的光束直径的光束直径D与与轴轴上物点通上物点通过过系系统统的光束直径的光束直径D D0 0之比称之比称为为线渐晕线渐晕系数系数K KD D。w wABDP21P入瞳入瞳视场光阑视场光阑

15、2L40第六章第六章 像差理论像差理论 1、像差：、像差：实际像与理想像之间的差异现象。实际像与理想像之间的差异现象。2、单色像差、单色像差a.球面像差；球面像差；b.彗形像差；彗形像差；宽光束引起的宽光束引起的c.像散；像散；d.像场弯曲；像场弯曲；e.畸变畸变远轴物、窄光束引起的远轴物、窄光束引起的413 3、球差、球差、球差的产生、球差的产生、球差的分类、球差的分类、消除球差的方法、消除球差的方法a、加光阑，选择近轴光束；、加光阑，选择近轴光束；b、正、负透镜组合进行校正；、正、负透镜组合进行校正；c、采用非球面透镜（如菲涅耳螺纹透镜）。、采用非球面透镜（如菲涅耳螺纹透镜）。424、彗差

16、、彗差、产生：产生：轴外物点发出的宽光束，经过透镜不同轴外物点发出的宽光束，经过透镜不同环带的光线束（不同孔径角），在高斯像面上形环带的光线束（不同孔径角），在高斯像面上形成一系列大小不同、相互交叠的弥散圆斑；各圆成一系列大小不同、相互交叠的弥散圆斑；各圆斑中心在一条直线上，与主轴有不同的距离；形斑中心在一条直线上，与主轴有不同的距离；形成一个有尖端亮点、如同彗星形状的像。成一个有尖端亮点、如同彗星形状的像。、影响：、影响：破坏轴外视场成像的清晰度。破坏轴外视场成像的清晰度。5 5、像散、像散、产生、产生:与主轴成较大倾斜角的同心光束：与主轴成较大倾斜角的同心光束：即使是细光束，出射光束也难以

17、保持仍为同心。即使是细光束，出射光束也难以保持仍为同心。43 远轴物点发出的较大倾斜角的、同心细光远轴物点发出的较大倾斜角的、同心细光束，对应的子午像点与弧矢像点不重合，并束，对应的子午像点与弧矢像点不重合，并同时出现了子午焦线和弧矢焦线。同时出现了子午焦线和弧矢焦线。光学系统存在光学系统存在像散像散，一个物面将形成两，一个物面将形成两个个像面像面，在各个像面上不同方向的线条清，在各个像面上不同方向的线条清晰度不同，造成轴外点无法得到清晰的像。晰度不同，造成轴外点无法得到清晰的像。446、场曲、场曲、轴外点：、轴外点：子午焦线、弧子午焦线、弧矢焦线。矢焦线。、平面物：、平面物：子午像面、弧子午

18、像面、弧矢像面。矢像面。物点离轴越远，像散差越大，造成两个像物点离轴越远，像散差越大，造成两个像面的弯曲。面的弯曲。对应无像散对应无像散的轴上点的轴上点轴外点细光束轴外点细光束像散引起像散引起 像面是关于光轴对称的旋转曲面，均相切于高像面是关于光轴对称的旋转曲面，均相切于高斯像面中心。斯像面中心。457 7、畸变、畸变宽光束宽光束彗差彗差细光束细光束像散像散主光线主光线取决于光阑（入瞳中心）取决于光阑（入瞳中心）的位置的位置轴外点：轴外点：、产生原因、产生原因、畸变：、畸变：对于对于大的物平面，大的物平面，不同视场（离轴距离不同视场（离轴距离 y 不同的物点），其主光线与高斯像面的交点高不同的

19、物点），其主光线与高斯像面的交点高度度 不等于理想像高不等于理想像高 ，对应的实际横向放大，对应的实际横向放大率率 因物点离轴距离而异。因物点离轴距离而异。46、畸变的应用、畸变的应用 宽屏电影的拍摄：宽屏电影的拍摄：照相物镜所得的像，其照相物镜所得的像，其水平向与垂直向的比例不一致，可拍摄水水平向与垂直向的比例不一致，可拍摄水平方向较大范围的景象。平方向较大范围的景象。47第八章第八章 典型光学系统典型光学系统 一、眼睛的光学成像特性一、眼睛的光学成像特性1、眼睛的调节和适应、眼睛的调节和适应、视度调节视度调节、瞳孔调节瞳孔调节、适应、适应2、眼睛的缺陷及矫正、眼睛的缺陷及矫正、人眼的结构人

20、眼的结构、近视眼和远视眼的矫正、近视眼和远视眼的矫正3、眼睛的分辨力、眼睛的分辨力48二、放大镜二、放大镜1、视觉放大率、视觉放大率其定义为，用仪器观察物体时视网膜上的其定义为，用仪器观察物体时视网膜上的像高与用人眼直接观察物体时视网膜上的像高与用人眼直接观察物体时视网膜上的像高之比，用像高之比，用 表示表示由垂轴放大倍率公式由垂轴放大倍率公式49放大镜的放大率并非是常数，它取决于放大镜的放大率并非是常数，它取决于观察条件（观察条件（）。）。和和下面两种情况是非常重要的。下面两种情况是非常重要的。、当物体放在放大镜的前焦点上，则有当物体放在放大镜的前焦点上，则有 ，此时无论人眼在镜后何处观察，

21、均有，此时无论人眼在镜后何处观察，均有50、正常视力的眼睛一般把观察点调焦、正常视力的眼睛一般把观察点调焦在明视距离在明视距离D D（250mm250mm）处，即）处，即若眼睛紧靠着放大镜，即若眼睛紧靠着放大镜，即若此时人眼置于放大镜的焦点附近，即若此时人眼置于放大镜的焦点附近，即 ，则，则51三、显微镜系统三、显微镜系统 1、显微镜的视觉放大率、显微镜的视觉放大率52 若把显微镜看作一个组合系统，其组合若把显微镜看作一个组合系统，其组合焦距为焦距为则显微镜的视觉放大率则显微镜的视觉放大率2、显微镜的光束限制、显微镜的光束限制53、显微镜中的孔径光阑、显微镜中的孔径光阑 设显微镜的出瞳直径为设

22、显微镜的出瞳直径为mm、数值孔径、数值孔径、显微镜中的视场光阑及视场、显微镜中的视场光阑及视场 mm543、显微镜的分辨力和有效放大率、显微镜的分辨力和有效放大率 按瑞利判断，其分辨率为按瑞利判断，其分辨率为 根据道威（根据道威（DaWesDaWes）判断，两个相邻像点）判断，两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为之间的两衍射斑中心距为 时，则能时，则能被光学系统分辨。被光学系统分辨。按道威判断，其分辨率为按道威判断，其分辨率为、显微镜的分辨力、显微镜的分辨力55、显微镜的有效放大率、显微镜的有效放大率 显微镜的极限有效放大率显微镜的极限有效放大率按道威判断取按道威判断取 值，则值，则实际有效放大

23、率在极限有效放大率的基础实际有效放大率在极限有效放大率的基础上增大上增大2 24 4倍，近似表示为倍，近似表示为56四、望远镜系统四、望远镜系统 1、望远系统的工作原理、望远系统的工作原理2、望远镜的视觉放大率、望远镜的视觉放大率573、望远系统的分辨力及有效放大率、望远系统的分辨力及有效放大率因像空间折射率因像空间折射率 ，故上式，故上式可写成可写成（取（取 ）式中，式中，D D为以为以mmmm为单位的数值。为单位的数值。按道威判断为按道威判断为58 望远镜是目视光学仪器，因而也受人眼的望远镜是目视光学仪器，因而也受人眼的分辨力限制，即两个观察物点通过仪器成分辨力限制，即两个观察物点通过仪器

24、成像后对人眼的视角必须大于人眼的视觉分像后对人眼的视角必须大于人眼的视觉分辨力辨力 从上式求得的视觉放大率是满足分辨要从上式求得的视觉放大率是满足分辨要求的最小视觉放大率，称为极限有效放大求的最小视觉放大率，称为极限有效放大率。率。59第十章第十章 光的电磁理论基础光的电磁理论基础一、麦克斯韦方程组一、麦克斯韦方程组电磁场的波动性（波动方程）电磁场的波动性（波动方程）6061二、平面电磁波及其性质二、平面电磁波及其性质1、方程求解：、方程求解：2、平面简谐电磁波的波动公式、平面简谐电磁波的波动公式623、平面电磁波的性质、平面电磁波的性质、横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的、横波特性：电

25、矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向。传播方向。、E、B、k互成右手互成右手螺旋系。螺旋系。EHC、E和B同相同相63三、光波的叠加三、光波的叠加 1、两个频率相同、振动方向相同的、两个频率相同、振动方向相同的单色光单色光波波的叠加的叠加64对叠加结果的分析：（主要对象为合成的光对叠加结果的分析：（主要对象为合成的光强）强）652、两个频率相同、振动方向垂直的单色光、两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加波的叠加合振动的大小和方向随时间变化，合振动矢量合振动的大小和方向随时间变化，合振动矢量末端运动轨迹方程为：末端运动轨迹方程为：66EyEx3/223/22EyEx=0=0EyEx0/20

26、/2EyEx=/2=/2EyEx/2/2EyEx=EyEx3/23/2EyEx=3/2=3/267四、电磁场的能量和能流四、电磁场的能量和能流 1 1、能量密度、能量密度单位体积内单位体积内的电磁场能量。的电磁场能量。2 2、能流密度（坡印亭矢量）、能流密度（坡印亭矢量）单位时间内单位时间内垂直通过单位横截面积的电磁场能垂直通过单位横截面积的电磁场能量。量。68写成矢量形式为写成矢量形式为:在各向同性均匀介质中，满足在各向同性均匀介质中，满足对于一维平面电磁波，设电场强度为：对于一维平面电磁波，设电场强度为：则磁场强度为：则磁场强度为：69坡印亭矢量的大小：坡印亭矢量的大小：3 3、光强、光强能流密度在一段时间内的能流密度在一段时间内的平均值平均值称为光强。称为光强。很多情况下在同一种介质中只关心光强的相对很多情况下在同一种介质中只关心光强的相对分布，所以光强可表示为：分布，所以光强可表示为：70