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应用光学复习应用光学复习 课程内容课程内容l第一章第一章 几何光学基本原理几何光学基本原理l第二章第二章 共轴球面系统的物像关系共轴球面系统的物像关系l第三章第三章 眼睛和目视光学系统眼睛和目视光学系统l第四章第四章 平面镜棱镜系统平面镜棱镜系统l第五章第五章 光学系统中成像光束的选择光学系统中成像光束的选择l第八章第八章 光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价对成像的要求对成像的要求第一章 几何光学基本原理像与成像的概念像与成像的概念 光是怎么走的？光的传播规律光是怎么走的？光的传播规律 光是什么？光的本性问题光是什么？光的本性问题1.光波与光线光波与光线光的本质是电磁波光的本质是电磁波l频率和光速，波长的关系频率和光速，波长的关系在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变在透明介质中，波长和光速同时改变，频率不变 光线的概念光线的概念l能够传输能量的几何线，具有方向能够传输能量的几何线，具有方向l波面：波动在某一瞬间到达的各点组成的面波面：波动在某一瞬间到达的各点组成的面l光线是波面的法线光线是波面的法线l波面是所有光线的垂直曲面波面是所有光线的垂直曲面2.几何光学基本定律几何光学基本定律l直线传播定律直线传播定律l反射定律反射定律l折射定律折射定律3.折射率和光速：折射率和光速：相对折射率：相对折射率：一种介质对另一种介质的折射率一种介质对另一种介质的折射率绝对折射率绝对折射率介质对真空或空气的折射率介质对真空或空气的折射率4、发生全反射的条件、发生全反射的条件（1）由光密介质进入光疏介质）由光密介质进入光疏介质（2）I1I0 入射角大于全反射角入射角大于全反射角5、光学系统分类、光学系统分类 透镜：正透镜、负透镜透镜：正透镜、负透镜问题：正透镜是否一定成实像？问题：正透镜是否一定成实像？负透镜是否一定成虚像？负透镜是否一定成虚像？像：实像、虚像像：实像、虚像物：实物、虚物物：实物、虚物问题：望远镜的目镜成什么像？问题：望远镜的目镜成什么像？虚物实像虚物实像虚物虚物 未经光学系统变换的会聚同心光束的心，称为虚物未经光学系统变换的会聚同心光束的心，称为虚物 虚像虚像 经光学系统变换后的发散同心光束的心，称为虚像经光学系统变换后的发散同心光束的心，称为虚像实物实像实物实像实物实物 未经光学系统变换的发散同心光束的心，称为实物未经光学系统变换的发散同心光束的心，称为实物 实像实像 经光学系统变换后的会聚同心光束的心，称为实像经光学系统变换后的会聚同心光束的心，称为实像会聚同会聚同心光束心光束发散同发散同心光束心光束会聚同会聚同心光束心光束会聚同会聚同心光束心光束l理想像与理想光学系统理想像与理想光学系统l点成点像、线成线像、面成面像点成点像、线成线像、面成面像例:如图所示，一圆柱形容器，底面直径和高度相等，当在S处沿容器边缘的A点方向观察空筒时，刚好看到筒底圆周上的B点。保持观察点位置不变，将筒中注满某种液体，可看到筒底的中心点，试求这种未知液体的折射率是多大？l2-1 2-1 共轴球面系统中的光路计算公式共轴球面系统中的光路计算公式l2-2 2-2 符号规则符号规则l2-3 2-3 球面近轴范围内的成像性质和近轴光球面近轴范围内的成像性质和近轴光 路计算公式路计算公式l2-4 2-4 近轴光学的基本公式和它的实际意义近轴光学的基本公式和它的实际意义l2-5 2-5 共轴理想光学系统的基点共轴理想光学系统的基点主平面主平面l2-6 2-6 单个折射球面的主平面和焦点单个折射球面的主平面和焦点l2-7 2-7 共轴球面系统主平面和焦点共轴球面系统主平面和焦点l2-8 2-8 用作图法求光学系统的理想像用作图法求光学系统的理想像l2-9 2-9 理想光学系统的物像关系式理想光学系统的物像关系式 第二章共轴球面系统的物像关系第二章共轴球面系统的物像关系l2-10 2-10 光学系统的放大率光学系统的放大率l2-11 2-11 物像空间不变式物像空间不变式l2-12 2-12 物方焦距和像方焦距的关系物方焦距和像方焦距的关系l2-13 2-13 节平面和节点节平面和节点l2-14 2-14 无限远物体理想像高的计算公式无限远物体理想像高的计算公式l2-15 2-15 理想光学系统的组合理想光学系统的组合l2-16 2-16 理想光学系统中的光路计算公式理想光学系统中的光路计算公式l2-17 2-17 单透镜的主平面和焦点位置的计算单透镜的主平面和焦点位置的计算 公式公式概念概念l符号规则符号规则l焦点焦点l主平面、主点主平面、主点l节平面、节点节平面、节点l轴向放大率、垂轴放大率、角放大率轴向放大率、垂轴放大率、角放大率l求理想像作图法求理想像作图法l成像公式成像公式本章本章研究共轴球面系统求像的问题研究共轴球面系统求像的问题1.1.已知光学系统的结构参数已知光学系统的结构参数,由物求像由物求像（1 1）只求某一共轭面的物像关系，可由该物平面上）只求某一共轭面的物像关系，可由该物平面上的轴上点出发，利用公式（的轴上点出发，利用公式（2-62-6）（2-102-10）计算一）计算一条近轴光线。条近轴光线。转面公式：转面公式：再由再由2-2-4 4公式（公式（2-152-15）求像高）求像高 （2 2）由）由2-2-4 4中近轴光学基本公式求像中近轴光学基本公式求像 （2-122-12）（2-142-14）（2-152-15）（3 3）如要求若干共轭面上的物像关系，如要求若干共轭面上的物像关系，可先使用公式可先使用公式（2-202-20）和）和(2-7)(2-7)(2-10)(2-10)计算两条平行于光轴的光线，计算两条平行于光轴的光线，求出系统的焦点位置，再使用求出系统的焦点位置，再使用公式公式（2-212-21）计算出主平）计算出主平面位置，然后使用共轭点方程式面位置，然后使用共轭点方程式牛顿公式或高斯公牛顿公式或高斯公式，求出各个像平面的位置和放大率。式，求出各个像平面的位置和放大率。（2-202-20）（2-212-21）（4 4）由单透镜的结构参数，使用公式）由单透镜的结构参数，使用公式 (2-63)(2-63)(2-65)2-65)求出该单透镜的主平面和焦点位置，然后使用共轭点方求出该单透镜的主平面和焦点位置，然后使用共轭点方程式程式牛顿公式或牛顿公式或高斯公式高斯公式，求出各个像平面的位置，求出各个像平面的位置和放大率。和放大率。2.2.光学系统结构参数（光学系统结构参数（r,d）未知未知,而已知各子系统而已知各子系统主平面和焦点位置，由物求像主平面和焦点位置，由物求像（1 1）利用）利用2-2-1515的组合公式，求出的组合公式，求出组合系统的主平组合系统的主平面和焦点位置面和焦点位置，然后使用共轭点方程式，然后使用共轭点方程式牛顿公牛顿公式或高斯公式，求出各个像平面的位置和放大率。式或高斯公式，求出各个像平面的位置和放大率。（2 2）对某一特定共轭面求像时，可利用）对某一特定共轭面求像时，可利用2-2-1616的公的公式（式（2-572-57）、（）、（2-582-58），），【计算举例计算举例】已知两个光学系统的焦距分别为已知两个光学系统的焦距分别为 求此组合系统的主平面和焦点位置。求此组合系统的主平面和焦点位置。（1 1）焦点位置的计算）焦点位置的计算 由公式（由公式（2-532-53）、（）、（2-492-49）、（）、（2-502-50）得）得 （2 2）焦距的计算）焦距的计算 根据公式（根据公式（2-512-51）将已知条件和计算结果表示在图将已知条件和计算结果表示在图2-422-42中中。例题例题5.有一光源通过辅助正透镜和被测负透镜成像，有一光源通过辅助正透镜和被测负透镜成像，当屏幕移动到距离负透镜当屏幕移动到距离负透镜100毫米处时，获得光源毫米处时，获得光源像，去掉负透镜后，屏幕前移像，去掉负透镜后，屏幕前移25毫米时，重新获得毫米时，重新获得光源像，求负透镜焦距为多少？光源像，求负透镜焦距为多少？第三章第三章 眼睛和目视光学系统眼睛和目视光学系统1.眼睛眼睛a.人眼的调节和适应人眼的调节和适应视度视度：距离距离l 以以m为单位，且有正有负为单位，且有正有负;SD以以m-1为单为单位。如观察前方位。如观察前方2m处的目标时，处的目标时，l=-2,SD=-0.5;如观察无限远目标，如观察无限远目标，l=,SD=0。b.远点、近点、明视距离远点、近点、明视距离最大调节范围近点视度远点视度最大调节范围近点视度远点视度c.眼睛的视角分辨率：把刚能分辨的两物点对眼眼睛的视角分辨率：把刚能分辨的两物点对眼睛的张角（睛的张角（、）对目视光学仪器的一般要求对目视光学仪器的一般要求：1.1.扩大视角扩大视角 当用一视放大率为当用一视放大率为1010倍的仪器进行观察时倍的仪器进行观察时,它在网它在网膜上所成的像高正好等于人眼直接观察时像高的膜上所成的像高正好等于人眼直接观察时像高的1010倍。倍。2.2.平行光出射平行光出射 目标通过仪器后应成像在无限远目标通过仪器后应成像在无限远,或者说要平行光或者说要平行光出射出射,以便人眼在完全放松的自然状态下以便人眼在完全放松的自然状态下,使无限远使无限远目标成像在网膜上。目标成像在网膜上。放大镜、显微镜、望远镜都必须满足这两个要求。放大镜、显微镜、望远镜都必须满足这两个要求。3.放大镜放大镜视放大率：视放大率：4.显微镜的工作原理显微镜的工作原理-yF物物F目目 y 仪仪 目镜目镜物镜物镜f物物-f目目 显微镜的组合焦距显微镜的组合焦距 f 所以，又有：所以，又有：视放大率：视放大率：5.望远镜的工作原理望远镜的工作原理a.视放大率公式视放大率公式b.伽利略望远镜、开普勒望远镜伽利略望远镜、开普勒望远镜c.望远镜的垂轴放大率、轴向放大率都与共轭面位置无关。望远镜的垂轴放大率、轴向放大率都与共轭面位置无关。例：用望远镜观察时例：用望远镜观察时,要鉴别要鉴别5公里处公里处200毫米的间距，应选用多大倍率的望远镜？毫米的间距，应选用多大倍率的望远镜？6.6.眼睛的缺陷与校正眼睛的缺陷与校正近视眼的特点：近视眼的特点：近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像近视眼的像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成像在网膜上在网膜上近视眼远点距离所对应的视度表示近视的程度。如远近视眼远点距离所对应的视度表示近视的程度。如远点距离为点距离为-0.5m时时,光学上称近视为光学上称近视为-2视度视度,和医学上的和医学上的近视近视-200度相对应。度相对应。近视眼的校正：近视眼的校正：采用负透镜，焦距等于远点距离采用负透镜，焦距等于远点距离远视眼的特点：远视眼的特点：远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加远视眼的远点在眼睛后方；近点距离比正常人眼增加远视眼的校正：远视眼的校正：采用正透镜，焦距等于远点距离采用正透镜，焦距等于远点距离第四章 平面镜棱镜系统l单平面镜对空间物体成像符合理想；单平面镜对空间物体成像符合理想；物像关于物像关于平面镜对称；像的大小与物的大小相等平面镜对称；像的大小与物的大小相等；成镜；成镜像，不相似像，不相似l当平面镜绕着和入射面垂直的轴线转动当平面镜绕着和入射面垂直的轴线转动角时，角时，入射角改变了入射角改变了，而反射光线将改变，而反射光线将改变2，转动，转动方向和平面镜的转动方向相同。方向和平面镜的转动方向相同。l位于两平面镜公共垂直面内的光线，不论它的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入射方向如何，出射光线的转角永远等于两平面镜间夹角的二倍，旋转方向与反射面按反射面镜间夹角的二倍，旋转方向与反射面按反射次序由次序由P1转动到转动到P2的方向相同。的方向相同。例：欲看到人体的全身像，平例：欲看到人体的全身像，平面反射镜尺寸至少多大？如何放置？面反射镜尺寸至少多大？如何放置？镜中的像放大倍率为多少？为什么？镜中的像放大倍率为多少？为什么？第五章第五章 光学系统中成像光束的选择光学系统中成像光束的选择l概念概念l孔径光阑、视场光阑、渐晕孔径光阑、视场光阑、渐晕l出射瞳孔、入射瞳孔出射瞳孔、入射瞳孔l物方远心光路：物方远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面将孔径光阑放置在像方焦平面处，入瞳在无限远处，入瞳在无限远l像方远心光路：像方远心光路：将孔径光阑放置在物方焦平面将孔径光阑放置在物方焦平面处，出瞳在无限远处，出瞳在无限远l成像光束选择成像光束选择l例题例题:一个开普勒望远镜由焦距为一个开普勒望远镜由焦距为240240毫米，直径为毫米，直径为4040毫米的物镜毫米的物镜和焦距为和焦距为3030毫米的目镜组成，孔径光阑位在物镜框上，分划板的毫米的目镜组成，孔径光阑位在物镜框上，分划板的直径为直径为2020毫米。问物方视场角为多少？出瞳距离为多少？出瞳直毫米。问物方视场角为多少？出瞳距离为多少？出瞳直径为多少？径为多少？（1），所以 即为物方视角。（2），所以 即为像方视角。（3）出瞳是孔径光阑在系统像空间所成的像，对目镜来说：由 可得：解得 （4）所以 1)1)色差色差:（1 1）轴向色差）轴向色差1.1.像差像差（2 2）垂轴色差）垂轴色差2)2)球差球差 轴上物点的像差轴上物点的像差3)3)轴外物点的像差轴外物点的像差:（1 1）彗差）彗差（2 2）像散）像散（3 3）场曲）场曲（4 4）畸变）畸变第八章第八章 光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价色差产生的原因是什么？色差产生的原因是什么？2.各类光学系统分辨率的表示方法l望远镜的分辨率：望远镜的分辨率：以能分辨开的两物点对望远以能分辨开的两物点对望远镜的张角镜的张角表示表示l照相系统的分辨率：照相系统的分辨率：以像平面上每毫米内能分以像平面上每毫米内能分辨开的线对数辨开的线对数N表示表示l显微镜物镜的分辨率：显微镜物镜的分辨率：以物平面上刚能分辨开以物平面上刚能分辨开的两物体间的最短距离的两物体间的最短距离表示。表示。