工程光學復習課件

工程光學開卷考試工程光學1§2共軸球面光學系統(tǒng)§2.1符號規(guī)則§2.2物體經(jīng)單個折射球面的成像近軸區(qū)域的物像關系近軸區(qū)域的物像放大率§2共軸球面光學系統(tǒng)§2.1符號規(guī)則2結論：b>0時，y’、y同號，正像；否則，倒像；

l’、l同號，物像虛實相反，否則，物像虛實相同。|b|>1時，|y’|>|y|，成放大的像；反之，成縮小的像。a>0,當物點沿軸向移動時，其像點沿光軸同向移動；a≠b,空間物體成像時要變形。g表示折射球面將光束變寬或變細的能力，只與共軛點的位置有關，與光線的孔徑角無關。結論：3§2.3 單個反射球面的成像a<0，物體沿光軸移動時，像總是以相反方向移動。通過球心的光線沿原光路反射。反射球面鏡的焦距等于球面半徑的1/2?！?.3 單個反射球面的成像a<0，物體沿光軸移動時，像總是4§2.4共軸球面系統(tǒng)的成像1.過渡公式 區(qū)分d、的正負號2.成像放大率ABP22例2.2§2.4共軸球面系統(tǒng)的成像1.過渡公式 區(qū)分d、5§3理想光學系統(tǒng)§3.1~§3.2§3.3理想光學系統(tǒng)的物像關系 一、圖解法求像 二、解析法求像1、物像位置計算：牛頓公式、高斯公式2、理想光學系統(tǒng)的放大率3、理想光學系統(tǒng)兩焦距之間的關系§3理想光學系統(tǒng)§3.1~§3.26§3.4理想光學系統(tǒng)的多光組成像一、多光組成像的一般過程：過渡公式二、多光組系統(tǒng)的等效系統(tǒng)：三、正切計算法（計算下一光組的物方孔徑角、及光線的投射高度）四、雙光組組合§3.4理想光學系統(tǒng)的多光組成像一、多光組成像的一般過程7第4章平面系統(tǒng)§4.1平面鏡單、雙平面鏡的成像特性平面鏡旋轉：平面鏡旋轉角，反射光線改變2。 =2雙平面鏡：光線經(jīng)雙平面鏡反射后，出射光線的方向與原入射光線夾角為2。出射光線和入射光線的夾角與入射角無關，只取決于雙面鏡的夾角。當入射光線方向一定時，雙面鏡一起繞棱轉動，其出射光線方向始終不變。利于安裝連續(xù)一次像連續(xù)一次像可看成物體繞棱邊轉2a而成，旋轉方向由第一反射鏡轉向第二反射鏡。所有虛像點均在以P為圓心，PA為半徑的圓上。 第4章平面系統(tǒng)§4.1平面鏡8§4.2平行平面板位移§4.2平行平面板9出射光線平行入射光線，方向不變，但并不重合，產(chǎn)生軸向、側向位移；平行平板不會使物體放大或縮小，是無光焦度元件，對系統(tǒng)光焦度無貢獻；對遠軸光路，軸向位移隨入射角（孔徑角）的不同而不同。即軸上點發(fā)出的不同孔徑角的光線經(jīng)平板后與光軸的交點不同。同心光束變?yōu)榉峭墓馐?，成像是不完善的。平板越厚，軸向位移越大，成像越不完善。像距L2’=L1-d+ΔL’，圖中直接得出，無需光路計算。出射光線平行入射光線，方向不變，但并不重合，產(chǎn)生軸向、側向位10§4.3 反射棱鏡棱鏡系統(tǒng)成像的物像坐標變化反射棱鏡的等效作用與展開：光路中等效成平行平板§4.3 反射棱鏡11反射棱鏡棱鏡成像方向判斷一.具有單一主截面的平面系統(tǒng)沿光軸方向不變。主截面方向：無或偶數(shù)個屋脊面：與原方向相同。奇數(shù)個屋脊面：與原方向相反。主截面內(nèi)：奇數(shù)個反射面：與原坐標系相反。偶數(shù)個反射面：與原坐標系相同。二.具有不同方向主截面的平面系統(tǒng) 復合棱鏡：各光軸截面內(nèi)均適用。

各主截面分別判斷光學系統(tǒng)中，要同時考慮透鏡和棱鏡的成像特性。反射棱鏡棱鏡成像方向判斷一.具有單一主截面的平面系統(tǒng)12§4.4折射棱鏡與光楔光路對稱于折射棱鏡時，偏向角極小。m：棱鏡的色散：同一介質對不同波長的單色光具有不同折射率。光楔及應用應用一.兩光楔繞光軸相對轉動測量小角度應用二.光楔沿軸向相對移動測量小位移轉像系統(tǒng)分透鏡式和棱鏡式兩大類，其作用是：使物鏡所成的倒像轉變?yōu)檎?。?.4折射棱鏡與光楔光路對稱于折射棱鏡時，偏向角極134場鏡組合多章出題，如：攝影系統(tǒng)、望遠系統(tǒng)4場鏡組合多章出題，如：14§5光學系統(tǒng)中的光束限制§5光學系統(tǒng)中的光束限制15一、基本概念孔徑光闌、入瞳和出瞳的判定方法視場光闌、入窗和出窗的判定方法孔徑光闌、視場光闌的設置原則孔徑光闌和視場光闌的區(qū)別一、基本概念孔徑光闌、入瞳和出瞳的判定方法16二、漸暈及其計算入窗和物平面不重合產(chǎn)生的漸暈消除漸暈的方法是采用物平面與入窗平面重合。軸外光束的漸暈——軸上點與軸外物點成像光束大小不同的現(xiàn)象。軸外物點＜軸上點

二、漸暈及其計算入窗和物平面不重合產(chǎn)生的漸暈17§5.3 漸暈光闌及場鏡的應用一、漸暈光闌：

一個系統(tǒng)可以有0~2個漸暈光闌線漸暈系數(shù)KD，指軸外物點通過系統(tǒng)的光束直徑Dω與軸上物點通過系統(tǒng)的光束直徑D0之比，即KD=Dω/D0§5.3 漸暈光闌及場鏡的應用一、漸暈光闌：18△h’=4.6h12=4.6視場光闌△h△h’=4.6h12=4.6視場光闌△h19漸暈光闌和視場光闌都是限制成像范圍的，但應注意區(qū)別二者的不同：（1）實像面上限制成像范圍的光孔才是視場光闌，其他起攔光作用的是漸暈光闌；（2）系統(tǒng)中有視場光闌時，視場光闌限制成像范圍，視場有清晰的邊界；沒有視場光闌的系統(tǒng)必有漸暈光闌，它限制成像范圍，但沒有清晰的邊界；（3）漸暈光闌不是光學系統(tǒng)必需，可以人為設置，系統(tǒng)中可以沒有，也可以有多個，一般一個系統(tǒng)可以有0~2個漸暈光闌；（4）漸暈光闌使邊緣視場一部分光被攔，照度下降。各種光闌在光學系統(tǒng)中的作用漸暈光闌和視場光闌都是限制成像范圍的，但應注意區(qū)別二者的不同20在物鏡一次實像面處加一正透鏡——場鏡。場鏡能夠改變成像光束的位置，對系統(tǒng)特性、方向無影響。長光路連續(xù)成像系統(tǒng)中，場鏡的作用：光瞳銜接，降低主光線在其后面系統(tǒng)的投射高度，減小光學零件的口徑。二、場鏡的應用在物鏡一次實像面處加一正透鏡——場鏡。二、場鏡的應用21二、場鏡的應用在物鏡一次實像面處加一透鏡，以降低主光線在其后面系統(tǒng)的投射高度，減小光學零件的口徑；場鏡改變成像光束的位置，對系統(tǒng)特性、方向無影響。長光路（連續(xù)成像）系統(tǒng)中，場鏡：光瞳銜接，減小光學零件的口徑。二、場鏡的應用在物鏡一次實像面處加一透鏡，以降低主光線在其后22§5.5光學系統(tǒng)的景深和焦深景深和拍攝三要素之間的關系遠心光路§5.5光學系統(tǒng)的景深和焦深景深和拍攝三要素之間的關系23§6像差概論§6像差概論24類別名稱說明現(xiàn)象度量光束與孔徑及視場的關系影響校正單色像差球差軸上點同心光束成像后變?yōu)榉峭墓馐c物不成點像，成彌散斑軸向寬光束孔徑清晰度齊明透鏡，膠合透鏡，減小光闌直徑彗差近軸物點寬光束成像后不對稱于主光線，不再形成同心光束像點形似彗星垂軸孔徑和視場選擇光闌位置，全對稱系統(tǒng)，減小光闌直徑，組合透鏡，滿足正弦條件細光束像散遠軸物點細光束成像，像分散為兩個像不同位置的像截面形狀不一樣軸向細光束視場選擇光闌位置，雙分離透鏡細光束場曲軸外物點的像，位置隨視場而變，且偏離高斯像面平面物成彎曲像面厚透鏡，像散過校正畸變軸外不同視場物點的垂軸放大率不同像發(fā)生變形，相對于原物失去相似性垂軸精度選擇光闌位置，全對稱系統(tǒng)色差位置色差軸上物點不同波長的像點位置不一致(光學材料的折射率隨波長而變)彩色彌散斑軸向孔徑（近軸、遠軸都存在）清晰度選擇透鏡材料，正負透鏡組合倍率色差軸外物點不同波長的像大小不一樣(光學材料的折射率隨波長而變)像帶彩邊垂軸視場（近軸、遠軸都存在）選擇光闌位置，全對稱系統(tǒng)，組合透鏡類別名稱說明現(xiàn)象度量光束與孔徑及視場的關系影響校正單色像差球25§7 目視光學系統(tǒng)§7.1眼睛的光學成像特性§7.2放大鏡 一、視覺放大率當l’=∞，或P’=f’時，0=250/f’正常視力的眼，P’-l’=250，看書用此時，如果眼睛緊貼放大鏡，即P’=0，則§7 目視光學系統(tǒng)§7.1眼睛的光學成像特性當l’=∞26放大鏡漸暈系數(shù)KD:二．光束限制和線視場 虛像平面w2’w1’w3’2a’2hP’場闌出瞳yKD=1KD=0.5KD=0F’放大鏡漸暈系數(shù)KD:二．光束限制和線視場 虛像平面w2’w127（a）KD=1 （b）KD=0.5

（c）KD=0’2hf’yFF’孔徑光闌視場光闌漸暈光闌’2hf’yFF’’2hf’yFF’（a）KD=1 （b）KD=0.5 （c）KD=0’28§7.3顯微鏡系統(tǒng)視覺放大率光束限制、線視場物鏡分辨率顯微鏡有效放大率 500NA≤

≤1000NA照明方法：臨界照明、柯勒照明§7.3顯微鏡系統(tǒng)視覺放大率29w’A’AB’B-UU’FeFo’w’A’AB’B-UU’FeFo’30§7.4 望遠鏡系統(tǒng)一、視覺放大率二、望遠鏡系統(tǒng)的分辨率和工作放大率

min=60″工作放大率：

=D三、望遠鏡的光束限制和視場計算§7.4 望遠鏡系統(tǒng)一、視覺放大率31h2h1108lz’18-wh2h1108lz’18KD=1h2h1108lz’18-wh2h1108lz’18KD=132-wh2h1108lz’18-w108h2lz’h118KD=0KD=0.5-wh2h1108lz’18-w108h2lz’h118KD33§7.5目鏡目鏡的視度調節(jié)：大小、方向

惠更斯目鏡、冉斯登目鏡§7.5目鏡目鏡的視度調節(jié)：大小、方向

34§8.1 攝影系統(tǒng)一、攝影物鏡的光學特性焦距f’、相對孔徑D/f’、視場2

分辨率

§8.1 攝影系統(tǒng)一、攝影物鏡的光學特性35二、景深三、光束限制、視場計算 例8.1四、攝影物鏡的類型： 大孔徑大視場廣角物鏡、遠攝物鏡、變焦距物鏡二、景深36§8.2投影系統(tǒng)

照明系統(tǒng)+投影物鏡一、投影物鏡的光學特性 、f’、2、

D/f’（或NA）。二、投影物鏡的結構形式

倒置的攝影系統(tǒng)三、照明系統(tǒng)：臨界照明、柯勒照明

照明系統(tǒng)提供的光能要想全部進入投影系統(tǒng)，并具有均勻的照明，二者必須滿足以下銜接條件：照明系統(tǒng)的拉赫不變量>投影成像系統(tǒng)的拉赫不變量；

J1>J2保證兩個系統(tǒng)的光瞳銜接和成像關系?！?.2投影系統(tǒng)

照明系統(tǒng)+投影物鏡一、投影物37由兩組焦距為200mm的薄透鏡組成的對稱式系統(tǒng)，兩透鏡組的通光口徑都是60mm，間隔d＝40mm，中間光闌的直徑為40mm。當物在無限遠時，求該系統(tǒng)的焦距和入瞳、出瞳的位置和大小，系統(tǒng)的相對孔徑為多少?不存在漸暈時其視場角為多少?線漸暈系數(shù)KD分別為0.5和0時的視場角為多少？入瞳在第1透鏡右邊22.22mm處，其直徑為44.44mm；出瞳在第2透鏡左邊22.22mm處，其直徑為44.44mm。（a） （b） （c）12孔闌入瞳--u1-u1'12孔闌入瞳--u1-u1'12孔闌入瞳--u1-u1由兩組焦距為200mm的薄透鏡組成的對稱式系統(tǒng)，兩透鏡組的3