應(yīng)用光學(xué)-教案

應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第1次課授課章節(jié)題目應(yīng)用光學(xué)概述學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：了解應(yīng)用光學(xué)的組成；理解和掌握應(yīng)用光學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)。教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：幾何光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、典型光學(xué)系統(tǒng)、像差理論部分教學(xué)難點(diǎn)：應(yīng)用光學(xué)的缺點(diǎn)教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第2次課授課章節(jié)題目第一章光學(xué)基本定律與成像概念§1－1幾何光學(xué)基本定律學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：理解幾何光學(xué)的基本概念；掌握幾何光學(xué)的基本定律的內(nèi)容，寫(xiě)出表達(dá)式并解釋相關(guān)現(xiàn)象；理解和掌握完善成像條件的三種表述。教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：各個(gè)定律的理解和應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)：費(fèi)馬原理的理解教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第二講幾何光學(xué)主要是以光線為基礎(chǔ)、用幾何的方法來(lái)研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律及光學(xué)系統(tǒng)的成像特性。內(nèi)容：§1—1幾何光學(xué)的基本定律具體講述：一、光波與光線1、光波性質(zhì)性質(zhì)：光是一種電磁波，是橫波。可見(jiàn)光波，波長(zhǎng)范圍390nm—780nm光波分為兩種：1)單色光波―指具有單一波長(zhǎng)的光波；2)復(fù)色光波―由幾種單色光波混合而成。如：太陽(yáng)光2、光波的傳播速度ν1)與介質(zhì)折射率n有關(guān)；2)與波長(zhǎng)λ有關(guān)系。n=c/vc為光在真空中的傳播速度c＝3×10m/s；n為介質(zhì)折射率。8例題1：已知對(duì)于某一波長(zhǎng)λ而言，其在水中的介質(zhì)折射率n＝4/3，求該波長(zhǎng)的光在水中的傳播速度。解：＝3×108/4/3＝2.25×10m/sncv3、光線：沒(méi)有直徑、沒(méi)有體積卻攜有能量并具有方向性的幾何線。4、光束：同一光源發(fā)出的光線的集合。會(huì)聚光束：所有光線實(shí)際交于一點(diǎn)（或其延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)）發(fā)散光束：從實(shí)際點(diǎn)發(fā)出。（或其延長(zhǎng)線通過(guò)一點(diǎn)）說(shuō)明：會(huì)聚光束可在屏上接收到亮點(diǎn)，發(fā)散光束不可在屏上接收到亮點(diǎn)，但卻可為人眼所觀察。5、波面（平面波、球面波、柱面波）平面波：由平行光形成。平面波實(shí)際是球面波的特例，是∞→R時(shí)的球面波。球面波：由點(diǎn)光源產(chǎn)生。柱面波：由線光源產(chǎn)生。二、幾何光學(xué)的基本定律即直線傳播定律、獨(dú)立傳播定律、折射定律、反射定律。1、直線傳播定律：在各向同性的均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播（光線是直線）。直線傳播的例子是非常多的，如：日蝕，月蝕，影子等等。2、獨(dú)立傳播定律：從不同光源發(fā)出的光束，以不同的方向通過(guò)空間某點(diǎn)時(shí)，彼此互不影響，各光束獨(dú)立傳播。3、反射定律：反射光線和入射光線在同一平面、且分居法線兩側(cè)，入射角和反射大小相等，符號(hào)相反。4、折射定律：入射光線、折射光線、通過(guò)投射點(diǎn)的法線三者位于同一平面，圖1折反定律5、全反射：1）定義：從光密介質(zhì)射入到光疏介質(zhì)，并且當(dāng)入射角大于某值時(shí)，在二種介質(zhì)的分界面上光全部返回到原介質(zhì)中的現(xiàn)象。剛剛發(fā)生全反射的入射角為臨界角，用Im表示。根據(jù)折射定律，2）全反射發(fā)生的條件：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；入射角必須大于臨界角。3）應(yīng)用：全反射在光學(xué)儀器中有著十分重要的作用。①反射棱鏡下面以直角棱鏡為例：圖1-4等腰直角棱鏡②光纖也是基于全反射的思想。光纖的功能：具有傳光、傳象及傳輸其它信號(hào)的功能，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、國(guó)防得到廣泛的應(yīng)用。圖1-5光纖的全反射傳光原理滿足的條件：對(duì)光纖而言，設(shè)射入光纖端面的入射角為I1，則：這就是光纖保證發(fā)生全反射的條件，又稱n0sinI1為光纖的數(shù)值孔徑。三、費(fèi)馬原理（又稱為極值光程定律）費(fèi)馬原理中首次提出了光程的概念，并從光程的角度出發(fā)，對(duì)光的傳播定律進(jìn)行了高度概括，是直線傳播定律、折射定律、反射定律的統(tǒng)一體現(xiàn)。1、光程（S）：指光在介質(zhì)中傳播的幾何路程l與該介質(zhì)折射率n的乘積。數(shù)學(xué)表示形式為：S=nl例如：一束光從第一介質(zhì)射入到第二介質(zhì)（全為均勻介質(zhì)），則總的光程為：若光經(jīng)過(guò)m層均勻介質(zhì)，則總的光程可寫(xiě)為：若光經(jīng)過(guò)的是非均勻介質(zhì)，即n是一個(gè)變量，這時(shí)折射定律不再適用，光所走過(guò)的路徑是一個(gè)曲線，總的光程：2、費(fèi)馬原理：光從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)任意多次反射和折射光程為極值，即：四、馬呂斯定律光束在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，始終保持著與波面的正交性，且入射波面與出射波面各對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的光程為定值。圖1—6各向同性介質(zhì)中光線成像如上圖，入射球面波上三點(diǎn)A、B、C，出射球面波對(duì)應(yīng)三點(diǎn)'，則根據(jù)馬呂斯定律有：(AA')=(BB')=(CC')=定值，即從S到S'之間的任何光路的光程為定值。應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第3次課授課章節(jié)題目§1－2成像的基本概念與完善成像條件學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：理解和掌握完善成像條件的三種表述。教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：完善成像條件教學(xué)難點(diǎn)：完善成像條件教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第三講內(nèi)容：§1－2成像的基本概念與完善成像條件具體講述：一、光學(xué)系統(tǒng)與完善成像的概念1、光學(xué)系統(tǒng)1）共軸光學(xué)系統(tǒng)：各光學(xué)元件的曲率中心在同一條直線上。2）非共軸光學(xué)系統(tǒng)：各光學(xué)元件曲率中心不在同一條直線。圖1—7共軸光學(xué)系統(tǒng)2、完善成像：像與物體只有大小的變化沒(méi)有形狀的改變。3、完善成像的條件：入射為球面波，出射也為球面波（入射為同心光束，出射也為同心光束）。圖1—7完善成像二、物和像的虛實(shí)1、物：發(fā)出入射光波。像：由出射光波形成。2、實(shí)物、實(shí)像：由實(shí)際光線相交而成的。圖1—8實(shí)物成實(shí)像3、虛物、虛像：由實(shí)際光線的延長(zhǎng)線相交而成的。圖1—9虛物成實(shí)像圖1—10實(shí)物成虛像四、物空間、像空間物所在的空間稱為物空間；像所在的空間叫像空間。應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第4次課授課章節(jié)題目§1－3光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng)學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：理解、掌握、靈活應(yīng)用符號(hào)規(guī)則；能推導(dǎo)計(jì)算公式并掌握應(yīng)用簡(jiǎn)化公式；會(huì)利用單個(gè)球面成像計(jì)算公式計(jì)算球面光學(xué)系統(tǒng)的成像問(wèn)題。教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：符號(hào)規(guī)則、計(jì)算公式的靈活應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)：靈活應(yīng)用符號(hào)規(guī)則、公式的推導(dǎo)教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第四講內(nèi)容：§1—3光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng)具體講述：光學(xué)系統(tǒng)一般說(shuō)來(lái)比較復(fù)雜，由多個(gè)反射面及折射面構(gòu)成，物體經(jīng)過(guò)系統(tǒng)成像逐面進(jìn)行。所以首先需要了解單個(gè)面的反（折）射結(jié)果，才能最終得到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的成像。首先研究的是符號(hào)規(guī)則。一、符號(hào)規(guī)則假設(shè)光是自左向右傳播1、對(duì)垂軸線段：以光軸為準(zhǔn)，在光軸之上為“＋”，光軸之下為“－”；2、對(duì)沿軸線段：以頂點(diǎn)O為原點(diǎn)，頂點(diǎn)到光線與光軸交點(diǎn)的方向與光的傳播方向相同則為“＋”，反之則為“－”；3、光線與光軸夾角（物方孔徑角為U，像方孔徑角為U'）：由光軸轉(zhuǎn)向光線，以銳角方向進(jìn)行度量，順時(shí)針為“＋”，逆時(shí)針為“－”；4、法線與光軸的夾角（?）：由光軸以銳角轉(zhuǎn)向法線，順時(shí)針為“＋”，逆時(shí)針為“－”；5、光線與法線的夾角（入射角、反射角、折射角）：由光線以銳角轉(zhuǎn)向法線，順時(shí)針為“＋”，逆時(shí)針為“－”；6、折射面之間的間隔（d）：由前一折射面的頂點(diǎn)到后一折射面的頂點(diǎn)方向與光線的傳播方向一致為“＋”，反之為“－”；圖1—11光線經(jīng)過(guò)單個(gè)折射球面的折射二、單個(gè)折射面的實(shí)際光線的光路計(jì)算1、物在有限遠(yuǎn)圖1—12物在有限遠(yuǎn)光線經(jīng)過(guò)單個(gè)折射球面的折射2、物在無(wú)限遠(yuǎn)當(dāng)物在無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，?∞=L，設(shè)一條光線平行于光軸入射，入射高度為，則有：圖1—13物在無(wú)限遠(yuǎn)光線經(jīng)過(guò)單個(gè)折射球面的折射三、近軸光的光路計(jì)算公式1、近軸光公式當(dāng)r、l為確定值時(shí)，在近軸區(qū)，無(wú)論u為何值，l'均為定值。即不同孔徑角發(fā)出的光交于一點(diǎn)，出射為同心光束。這就意味著當(dāng)采用近軸光成像時(shí)，是完善的。圖1—14近軸光線成像2、阿貝不變量及高斯公式1）阿貝不變量Q：2）高斯公式：通過(guò)把阿貝不變量展開(kāi)整理而得到的：應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第5次課授課章節(jié)題目§1－4球面光學(xué)成像系統(tǒng)第二章理想光學(xué)系統(tǒng)§2－1理想光學(xué)系統(tǒng)及共線成像理論§2－2理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：理解基本概念；能利用追跡法找到實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：概念的理解、圖解法求像和解析法求像教學(xué)難點(diǎn)：清楚把握追跡過(guò)程、靈活應(yīng)用各方法教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第五講內(nèi)容：§1－4球面光學(xué)成像系統(tǒng)第二章理想光學(xué)系統(tǒng)§2－1理想光學(xué)系統(tǒng)及共線成像理論§2－2理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面具體講述：§1－4球面光學(xué)成像系統(tǒng)一、單個(gè)折射面成像的放大倍率1、垂軸放大率β：像的大小與物的大小比值。其數(shù)學(xué)表示形式為：β=y'/y圖1—15近軸區(qū)有限大小的物體經(jīng)過(guò)單個(gè)折射球面的成像從圖中可見(jiàn)，根據(jù)三角形相似有：又根據(jù)阿貝不變量有：下面根據(jù)此公式進(jìn)行一下分析、討論：1）β是有符號(hào)數(shù)：β>0成正像，即l'，l同號(hào)，物、像位于球面的同一側(cè)；而像的虛實(shí)與物相反，實(shí)物成虛像；虛物成實(shí)像。β<0成倒像，即l'，l異號(hào)，物、像位于球面的兩側(cè)；而像的虛實(shí)與物相一致，實(shí)物成實(shí)像；虛物成虛像。2）3）當(dāng)物體位于不同的位置時(shí)，β不同。2、軸向放大率：表示光軸上一對(duì)共軛點(diǎn)沿軸向移動(dòng)量之間的關(guān)系。1）物體作微小移動(dòng)：根據(jù)軸向放大率的定義，利用高斯公式，，有：上式就是沿軸向放大倍率的表示形式，顯然其形式與垂軸放大率很相似，從而我們可以將此式再進(jìn)行一下變換，得到α,β之間的關(guān)系。下面對(duì)上式進(jìn)行討論：從上式見(jiàn)，這就意味著像與物將以相同的方向移動(dòng)。同時(shí)又有：軸向放大率與垂軸放大率不等。2）物體移動(dòng)有限距離的話，同樣可以得到相類似的結(jié)果：β1為第一位置處的垂軸放大率；β2為第二位置處的垂軸放大率。3、角放大率：近軸區(qū)內(nèi)，一對(duì)共軛光線的像方孔徑角u與物方孔徑角u’之比，即：γ=u'/u故有：4、α，β，γ之間的關(guān)系軸向放大率與角放大率之積與垂軸放大率相等。5、單個(gè)折射面的拉氏不變量（J）J=nuy=n'u'y'二、球面反射鏡成像球面反射鏡有二種：一為凸面鏡；一為凹面鏡。圖1—16凹面鏡成像圖1—17凸面鏡成像1、物像位置關(guān)系式：2、放大率公式：三、共軸球面系統(tǒng)1、過(guò)渡公式：假設(shè)系統(tǒng)由多個(gè)折射面k構(gòu)成，各折射面的參量如下所示，分別為：分別為各折射面的曲率半徑；折射面之間的間隔；介質(zhì)折射率。圖1-19共軸球面光學(xué)系統(tǒng)的成像那么對(duì)于近軸光來(lái)說(shuō)，有：對(duì)于實(shí)際光線，公式同上，只不過(guò)，符號(hào)大寫(xiě)：設(shè)h為光線在折面上入射高度，則有：故有：2、J及放大率1）系統(tǒng)的J：2）系統(tǒng)的放大率：且仍有β=αγ§2－1理想光學(xué)系統(tǒng)及共線成像理論一、理想光學(xué)系統(tǒng)（1841年高斯提出的，故又稱為高斯系統(tǒng)）理想光學(xué)系統(tǒng)是一假想的、抽象的理論模型。所謂理想光學(xué)系統(tǒng)就是能夠?qū)θ我鈱捒臻g內(nèi)的任意點(diǎn)，以任意寬光束成完善像的光學(xué)系統(tǒng)。二、共線成像理論（是理想光學(xué)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)）1、物空間中的每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于像空間中相應(yīng)的點(diǎn)，且只對(duì)應(yīng)一點(diǎn)，我們稱為共軛點(diǎn)；2、物空間中每一條直線對(duì)應(yīng)于像空間中相應(yīng)的直線，且是唯一的，我們稱之為共軛線；3、物空間中任一點(diǎn)位于一條直線上，在像空間中其共軛點(diǎn)仍位于該直線的共軛線上。簡(jiǎn)單的說(shuō)：物空間的任一點(diǎn)、線、面都有與之相共軛的點(diǎn)、線、面存在，且是唯一的?！?－2理想光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面一、基點(diǎn)及基面基點(diǎn)就是一些特殊的點(diǎn)，基面就是一些特殊的面。正是這些特殊的點(diǎn)與面的存在，從而使理想光學(xué)系統(tǒng)的特性有了充分體現(xiàn)，只有掌握了這些基點(diǎn)基面的特性，才能夠分析計(jì)算理想光學(xué)系統(tǒng)?；c(diǎn)：物方焦點(diǎn)，像方焦點(diǎn)；物方主點(diǎn)，像方主點(diǎn)；物方節(jié)點(diǎn)，像方節(jié)點(diǎn)?；妫何锓街髅?，像方主面；物方焦面，像方焦面。二、焦點(diǎn)、焦面1、焦點(diǎn)（物方焦點(diǎn)、像方焦點(diǎn)）圖2-1理想光學(xué)系統(tǒng)的像方焦點(diǎn)現(xiàn)有一系統(tǒng)如圖，光線平行于光軸入射（理解為物在無(wú)限遠(yuǎn)的光軸上），那么根據(jù)共線成像理論，一定在像空間有一條直線與之相共軛，且是唯一共軛的。則這條共軛的光線與光軸有一交點(diǎn)，稱為像方焦點(diǎn)，用來(lái)描述，（又稱為第二焦點(diǎn)或后焦點(diǎn)）。'F同理，從右方無(wú)限遠(yuǎn)處射入的平行于光軸的光，經(jīng)系統(tǒng)后也一定有一共軛光線，它也將交光軸上于一點(diǎn)F，則F叫物方焦點(diǎn)；同樣，從F發(fā)出的光經(jīng)系統(tǒng)后，也一定變?yōu)槠叫泄狻?、焦平面（物方焦面、像方焦面）物方焦面：過(guò)F點(diǎn)作垂直于光軸的平面。像方焦面：過(guò)點(diǎn)作垂直于光軸的平面。'F焦面上一點(diǎn)發(fā)出的所有光，經(jīng)系統(tǒng)后一定變成斜平行光束；而當(dāng)斜平行光射入（可能是任意方向的光）時(shí)，一定會(huì)聚于像方焦面上一點(diǎn)。所以焦面實(shí)際上是許多不同方向的光的會(huì)聚點(diǎn)的集合。在焦點(diǎn)則是焦面上的最特殊的點(diǎn)，它是平行于光軸的光的會(huì)聚點(diǎn)。三、主點(diǎn)及主面1、作圖說(shuō)明圖2—2主點(diǎn)和主面2、主面定義：將垂軸放大倍率為1=β的這一對(duì)共軛平面叫做主平面。主點(diǎn)是主平面中的一個(gè)特殊點(diǎn)，一般光學(xué)系統(tǒng)都有一對(duì)主平面。四、焦距1、定義：物方焦距f：系統(tǒng)的物方主點(diǎn)到物方焦點(diǎn)之間的距離。像方焦距f'：系統(tǒng)的像方主點(diǎn)到像方焦點(diǎn)之間的距離對(duì)于焦距而言也是有符號(hào)的，它都是以主點(diǎn)為原點(diǎn)若與光傳播方向一致則為正，反之則為負(fù)。2、公式：從圖中可見(jiàn)：3、之間的關(guān)系：像方焦距與物方焦距之比為相應(yīng)折射率之比的負(fù)值。此外，焦距不僅與介質(zhì)有關(guān)也與反射面的個(gè)數(shù)有關(guān)。五、節(jié)點(diǎn)（物方節(jié)點(diǎn)J、像方節(jié)點(diǎn)J'）1、定義：節(jié)點(diǎn)是指角放大率γ=+1的一對(duì)共軛點(diǎn)。2、公式：即有物方孔徑角與像方孔徑角相等的特性。通過(guò)節(jié)點(diǎn)的光線其傳播方向不變。若光學(xué)系統(tǒng)位于同一介質(zhì)中，則主點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)重合應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第6次課授課章節(jié)題目§2－3理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：理解理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系；分別用作圖法及解析法對(duì)理想光學(xué)系統(tǒng)的成像特性進(jìn)行判斷運(yùn)用基點(diǎn)及基面的特性熟練掌握解析法進(jìn)行計(jì)算教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：公式的推導(dǎo)和應(yīng)用、系統(tǒng)性質(zhì)的理解教學(xué)難點(diǎn)：基點(diǎn)及基面特性及作圖法教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第六講內(nèi)容：§2－3理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系具體講述：一、圖解法1、對(duì)垂軸線段求像：圖2—6垂軸線段求像2、對(duì)軸上點(diǎn)求像：圖2—7軸上點(diǎn)求像3、對(duì)負(fù)透鏡求解：圖2—8實(shí)物成虛像4、虛物成像：圖2—9虛物成像二、解析法（公式計(jì)算法）―能夠精確求出像的大小和位置1、牛頓公式1）牛頓形式的物像位置關(guān)系式：1）牛頓形式的物像位置關(guān)系式：xx=ff'x描述的是物距，是系統(tǒng)的物方焦點(diǎn)到物面的距離；x'描述的是像距，是系統(tǒng)的像方焦點(diǎn)到像面的距離。2）牛頓形式的放大倍率公式：2、高斯公式1）高斯形式的物像位置關(guān)系式：其物像位置的確定是以主點(diǎn)為原點(diǎn)來(lái)加以描述的。式中，l為物距；l'為像距；2）高斯形式的放大倍率公式：從該中可見(jiàn)，垂軸放大率的大小與'有關(guān)，顯然物體位置不同，,llβ也不同。三、由多個(gè)光組組成的理想光學(xué)系統(tǒng)成像1、光學(xué)間隔：前一光組像方焦點(diǎn)到后一光組物方焦點(diǎn)之間的距離。圖2-11組合光學(xué)系統(tǒng)若多個(gè)光組構(gòu)成的系統(tǒng)，則有：2、過(guò)渡公式（現(xiàn)以二個(gè)光組為例）1）高斯過(guò)渡公式：2）牛頓過(guò)渡公式：3、整個(gè)光組的放大倍率整個(gè)光組的放大倍率為各個(gè)光組的放大倍率之積，即：應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第7次課授課章節(jié)題目§2－4理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：能推導(dǎo)證明各個(gè)關(guān)系式，能用其進(jìn)行計(jì)算掌握三種放大倍率的計(jì)算公式及它們之間的關(guān)系教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：公式的推導(dǎo)和應(yīng)用、系統(tǒng)性質(zhì)的理解教學(xué)難點(diǎn)：三種放大倍率之間的關(guān)系教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第七講內(nèi)容：§2－4理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率具體講解：一、放大率1、垂軸放大率：2、軸向放大率：3、角放大率：4、三者關(guān)系：β=αγ二、討論幾個(gè)特殊點(diǎn)的放大率1、主點(diǎn)處的放大倍率：當(dāng)物像位于同一介質(zhì)中，則有：α=β=γ=12、焦點(diǎn)處的放大率：x'=ff'/x=∞――就是說(shuō)焦面處的物體經(jīng)過(guò)系統(tǒng)成像后，像位于無(wú)限遠(yuǎn)處，β=?f/x=±∞――即焦面處有限大的物體經(jīng)系統(tǒng)后成為無(wú)限大的物體。3、節(jié)點(diǎn)處的放大率：β=1/γ=1α=β2=1應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第8次課授課章節(jié)題目§2－5理想光學(xué)系統(tǒng)的組合§2－6透鏡學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：掌握理想光學(xué)系統(tǒng)的組合公式理清多光組光學(xué)系統(tǒng)光路系統(tǒng)了解、認(rèn)識(shí)四個(gè)系統(tǒng)的工作原理掌握透鏡焦距和光焦度的計(jì)算公式、會(huì)應(yīng)用了解各種透鏡的性質(zhì)教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：公式的推導(dǎo)和應(yīng)用、系統(tǒng)性質(zhì)的理解教學(xué)難點(diǎn)：理清多光組光學(xué)系統(tǒng)的光路、理想光學(xué)系統(tǒng)組合公式的推導(dǎo)教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第八講內(nèi)容：§2－5理想光學(xué)系統(tǒng)的組合§2－6透鏡具體講解：§2－5理想光學(xué)系統(tǒng)的組合一、等效系統(tǒng)的基點(diǎn)公式1、焦點(diǎn)為原點(diǎn)的等效系統(tǒng)的基點(diǎn)公式：已知雙光組系統(tǒng)的二個(gè)光組的，求其等效系統(tǒng)的相應(yīng)公式：如圖2-12我們首先通過(guò)作圖方法求出等效系統(tǒng)的主面及焦點(diǎn)位置，通過(guò)入射一平行于光軸的，且高度為h的光進(jìn)行作圖分析，圖中參量確定之后，圖2－12等效系統(tǒng)圖中，x'F為系統(tǒng)像方焦點(diǎn)F的位置；它是以F'2為原點(diǎn)；xF為系統(tǒng)物方焦點(diǎn)F的位置；它是以F1為原點(diǎn)；x'H為系統(tǒng)像方主點(diǎn)的位置；它是以F'2為原點(diǎn)；xH為系統(tǒng)物方主點(diǎn)的位置；它是以F1為原點(diǎn)；1）焦點(diǎn)的位置公式2）焦距公式：3）主點(diǎn)位置公式4）放大率公式：2、以主點(diǎn)為原點(diǎn)的公式3、等效系統(tǒng)的光焦度φ二、多個(gè)光組組合1、正切法：（以三光組為例進(jìn)行說(shuō)明）2、截距法―――它提供了一種方便的求出等效系統(tǒng)焦距的方法3、各光組光焦度對(duì)等效系統(tǒng)φ的貢獻(xiàn)§2－6透鏡透鏡是一種最為常用的光學(xué)元件，也是最基本的光學(xué)元件。一、透鏡1、定義：是由二個(gè)折射面包圍的一種透明介質(zhì)構(gòu)成的光學(xué)元件。2、分類：正透鏡―――φ>0透鏡，對(duì)光有會(huì)聚作用，其特征：中央厚，邊緣薄，常見(jiàn)的有：雙凸透鏡，平凸，正彎月型等負(fù)透鏡―――φ<0透鏡，對(duì)光有發(fā)散作用，其特征：中央薄，邊緣厚，常見(jiàn)的有：雙凹透鏡，平凹，負(fù)彎月型等二、透鏡焦距公式三、薄透鏡：若透鏡厚度d與焦距或曲率半徑相比是很小的數(shù)，此時(shí)，即透鏡厚度可忽略不計(jì)，這樣的透鏡就可稱為薄透鏡。此外，對(duì)于薄透鏡而言，我們還可以認(rèn)為其像方主面與物方主面相重合于透鏡頂點(diǎn)處。應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第9次課授課章節(jié)題目第三章平面與平面系統(tǒng)§3－1平面鏡成像§3－2平行平板學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：理解掌握平面鏡成像和平行平板的性質(zhì)了解平行平板的等效光學(xué)系統(tǒng)的概念教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：公式的推導(dǎo)和應(yīng)用、系統(tǒng)性質(zhì)的理解教學(xué)難點(diǎn)：理清多光組光學(xué)系統(tǒng)的光路、理想光學(xué)系統(tǒng)組合公式的推導(dǎo)教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第九講平面光學(xué)系統(tǒng)作為光學(xué)成像系統(tǒng)的輔助元件，起到改變光路、使倒像轉(zhuǎn)換為正像或產(chǎn)生色散用于光譜分析。包括：平面反射鏡、平行平板、反射楞鏡、折射棱鏡和光契等。內(nèi)容：§3—1平面鏡成像§3—2平行平板具體講述：一、平面及平面系統(tǒng)它能起到透鏡元件無(wú)法起到的作用1、可改變光路；（將共軸變?yōu)榉枪草S的）2、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，改變坐標(biāo)3、實(shí)現(xiàn)色散等。二、常見(jiàn)的平面系統(tǒng)平面鏡棱鏡（含兩類：反射棱鏡、折射棱鏡）;光楔（嚴(yán)格說(shuō)它也是一種折射棱鏡）；平行平板。§3－1平面鏡成像一、平面鏡成像1、平面鏡的成像特性平面鏡最常用，也是最簡(jiǎn)單并能成完善像的唯一一個(gè)光學(xué)元件。圖3—1平面鏡成像在平面鏡前放一物AB，則AB要經(jīng)過(guò)平面鏡進(jìn)行成像，根據(jù)作圖法求像。從B任意引二條光線，則根據(jù)反射定律，可做出其像點(diǎn)B'，故可見(jiàn)：入射為同心光束，出射為同心光束，所以'B為完善像.而B(niǎo)又為物面空間上任一點(diǎn),所以對(duì)平面鏡來(lái)說(shuō),它能成完善像。2、物像位置關(guān)系及放大率公式1）位置關(guān)系：在講折射定律的時(shí)候曾經(jīng)提到，反射是折射的特例，是n'=?n時(shí)的情況，而平面像又可看作r=∞的球面鏡，這樣根據(jù)單個(gè)的折射面的成像位置，2）放大率：即物像大小一致，且成正像。3、鏡像、一致像1）鏡像：若物為右（左）手坐標(biāo)，則像為左（右）手坐標(biāo)。鏡像可通過(guò)奇次反射得到。2）一致像：物為右（左）手坐標(biāo)，像也為右（左）手坐標(biāo)，即物與像是完全一致的，它可通過(guò)偶次反射來(lái)得到。二、平面鏡的旋轉(zhuǎn)1、平面反射鏡旋轉(zhuǎn)了某一微小角度α，則反射光的方向改變2α。圖3—4平面鏡旋轉(zhuǎn)2、光學(xué)杠桿見(jiàn)，若反射鏡與光軸嚴(yán)格垂直，則分劃板上的軸上點(diǎn)發(fā)出的光將變?yōu)槠叫泄廨S的平行光，到達(dá)反射鏡后將原路返回，成像于分劃板的原來(lái)位置處。圖3—5光學(xué)杠桿原理在這個(gè)原理中平面反鏡作用，起到了很重要的作用：1）它起到了轉(zhuǎn)折光路的，從而使結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間。2）平面鏡減少了光學(xué)元件的個(gè)數(shù)，降低了成本，并且使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。三、雙平面鏡成像雙平面鏡就是有二個(gè)反射鏡構(gòu)成，而且二者之間有一個(gè)夾角α，現(xiàn)在有一支光AO射入，它經(jīng)二個(gè)反射鏡反射后最終射出，二條光線相共軛，現(xiàn)延長(zhǎng)入射光及反射光，有一夾角β，β=2α，有些二次反射式棱鏡就是基于這原理構(gòu)成?！?－2平行平板一、平行平板成像特性1、定義：由二個(gè)互相平行的折射平面構(gòu)成的光學(xué)元件。圖3—10平行平板的成像特性2、成像特性：結(jié)論1：光線經(jīng)平行平板折射后光線方向不變。結(jié)論2：平行平板放大率為1，且像與物始終在同一側(cè)。此外，光線經(jīng)平行平板后雖方向不變，但卻要產(chǎn)生一定軸向位移。結(jié)論3：光線經(jīng)平行平板后雖方向不變，但卻要產(chǎn)生一定位移；結(jié)論4：同心光束經(jīng)平板后變?yōu)榉峭墓馐?，即平行平板成像是不完善的，越ΔL1大，不完善程度也越大。結(jié)論5：軸上點(diǎn)近軸光經(jīng)平板成像是完善的。二、等效空氣層現(xiàn)設(shè)有一玻璃平板，厚度為d，折射率為n,現(xiàn)一條光線射入平板，它首先經(jīng)由第一折射面發(fā)生折射，折射光到達(dá)第二折射面，又將發(fā)生折射。一為入射光，一為出射光?，F(xiàn)在延長(zhǎng)入射光及光在第二折射面上的法線方向，二者交于一點(diǎn)G，過(guò)G點(diǎn)作垂直于光軸的平面，此平面就是功能與玻璃平板等效的空氣平板，其厚度用表示。從圖中可見(jiàn)，與d之間有：應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第10次課授課章節(jié)題目§3－3反射棱鏡學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：掌握不同棱鏡的成像性質(zhì)靈活應(yīng)用棱鏡系統(tǒng)的成像方向的判斷教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：公式的推導(dǎo)和應(yīng)用、系統(tǒng)性質(zhì)的理解教學(xué)難點(diǎn)：理清多光組光學(xué)系統(tǒng)的光路、理想光學(xué)系統(tǒng)組合公式的推導(dǎo)教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第十講內(nèi)容：§3－3反射棱鏡具體講述：§3－3反射棱鏡一、反射棱鏡類型1、反射棱鏡構(gòu)成原理：根據(jù)雙面鏡系統(tǒng)的原理2、術(shù)語(yǔ)1）棱鏡的光軸：指光學(xué)系統(tǒng)的光軸在棱鏡中的部分（它往往是由折線構(gòu)成）2）光軸長(zhǎng)度：光軸在棱鏡內(nèi)的總的幾何長(zhǎng)度；3）入射面：光線射入棱鏡的平面；出射面：光線射出棱鏡的平面；工作面：出射面、入射面、反射面全稱為工作面。棱：工作面的交線。4）主截面（光軸截面）：由光軸所決定的平面。3、棱鏡的分類：簡(jiǎn)單棱鏡屋脊棱鏡立方角錐棱鏡復(fù)合棱鏡1）簡(jiǎn)單棱鏡：一般是由一塊玻璃磨制而成，且所有工作面均與主截面垂直。按反射面的個(gè)數(shù)多少又分為：一次反射棱鏡；二次反射棱鏡；三次反射棱鏡。①一次反射棱鏡：作用與平面反射鏡的作用相同，也對(duì)物成“鏡像”（若物為右手，像左手）最常見(jiàn)的一次反射棱鏡有：等腰直角棱鏡、等腰棱鏡、道威棱鏡、斯密特棱鏡等（a）等腰直角棱鏡（b）等腰棱鏡(c)道威棱鏡圖3—12一次反射棱鏡道威棱鏡特點(diǎn):入射光、出射光都不垂直于工作面，且光線通過(guò)棱鏡后方向保持不變，它主要用于平行光路之中。當(dāng)棱鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)α?xí)r，反射像同向轉(zhuǎn)2α。圖3—13周視瞄準(zhǔn)儀光路圖該系統(tǒng)主要由三個(gè)棱鏡構(gòu)成，分別為：等腰直角棱鏡、道威棱鏡、直角屋脊棱鏡。這三個(gè)棱鏡各自在系統(tǒng)中所起的作用并不相同，下面分別分析一下：第一塊等腰直角棱鏡作用：掃描及轉(zhuǎn)折光路作用。它可繞垂直的光軸以一定的角速度ω旋轉(zhuǎn)，以對(duì)水平方向掃描以觀察不同的景物，隨著景物的不同產(chǎn)生不同程度的像傾斜。為了補(bǔ)償這種像坐標(biāo)的傾斜，我們加入了道威棱鏡，令道威棱鏡同方向旋轉(zhuǎn)2ω，則出射坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)ω，從而使像傾斜得到補(bǔ)償。屋脊棱鏡將光路轉(zhuǎn)折90度，同時(shí)使像坐標(biāo)水平轉(zhuǎn)180度。②二次反射棱鏡：常見(jiàn)的二次反射棱鏡：半五角棱鏡、直角棱鏡、五角棱鏡、二次反射式等腰直角棱鏡、斜方棱鏡。30度③三次反射式棱鏡：斯密特棱鏡特點(diǎn)：可以折疊光路，使儀器緊湊，有利于小型化。2）屋脊棱鏡例如：直角屋脊棱鏡用二個(gè)互相垂直的反射面來(lái)代替棱鏡的反射面，并且這二個(gè)反射面的交線應(yīng)在光軸平面之內(nèi)，稱這樣的棱鏡為屋脊棱鏡。屋脊棱鏡的特點(diǎn)：屋脊相當(dāng)于增加了一次反射（原來(lái)為奇次，成鏡像，加上后變?yōu)榕即?，成一致像）這樣在不增加其它棱鏡情況下就可以使像坐標(biāo)與物坐標(biāo)相一致。常見(jiàn)的屋脊棱鏡有：斯密特屋脊棱鏡、直角屋脊棱鏡等。3）立方角錐棱鏡：其特性如下：從底面以任意方向射入的光線，經(jīng)其反射后最終的出射光線與入射光平行，僅有一個(gè)位移。4）復(fù)合棱鏡由二塊以上棱鏡組合而成的棱鏡系統(tǒng)，目的是為了實(shí)現(xiàn)單塊透鏡難以達(dá)到的功能。常見(jiàn)有：分光棱鏡、分色棱鏡、轉(zhuǎn)像棱鏡、普羅I型等。二、棱鏡系統(tǒng)的成像方向判斷假設(shè)物為右手坐標(biāo)系：oxyz，oz為光軸方向；ox為平行于主截面方向；oy為垂直于主截面方向。則經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后，像坐標(biāo)為，則：o'x'y'z'1、o'z'（出射坐標(biāo)軸方向）：與光軸方向一致；2、o'y'（垂直于主截面坐標(biāo)軸）：視屋脊個(gè)數(shù)而定；偶數(shù)個(gè)屋脊（無(wú)）――o'y'與oy方向相同；奇數(shù)個(gè)屋脊――o'y'與oy方向相反。3、o'x'（平行于主截面坐標(biāo)軸）：視反射次數(shù)而定；偶數(shù)次反射――o'x'按右手坐標(biāo)確定；奇數(shù)次反射――o'x'按左手坐標(biāo)確定。以上三條都是對(duì)單光軸棱鏡而言，若為多光軸面的棱鏡（復(fù)合棱鏡），上述原則在各光軸面內(nèi)均適用。二、反射棱鏡的展開(kāi)圖3－16幾種常見(jiàn)棱鏡展開(kāi)過(guò)程1、棱鏡展開(kāi)的理解：在光學(xué)計(jì)算中，以一塊等效的平行平板來(lái)取代棱鏡的過(guò)程。2、展開(kāi)的方法：在棱鏡主截面內(nèi)，按反射面的順序，依次作棱鏡的像，從而依次展開(kāi)。具體見(jiàn)圖3-16。3、結(jié)構(gòu)參數(shù)K設(shè)棱鏡的通光口徑為D，則有：L=KDK的大小與棱鏡本身的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第11次課授課章節(jié)題目§3－4光學(xué)材料第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制§4－1光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：了解應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)材料及其性質(zhì)理解光束限制相關(guān)概念掌握光闌及孔徑光闌在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的作用教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：光闌的作用教學(xué)難點(diǎn)：光闌的作用教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第十一講實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)不是理想光學(xué)系統(tǒng)必須限制參與成像的光束寬度和成像范圍，以保證成像的質(zhì)量。內(nèi)容：§3－4光學(xué)材料第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制§4－1光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用具體講述：§3－5光學(xué)材料光學(xué)材料分為：透射光學(xué)材料――用于制作折射元件，如透鏡、棱鏡反射光學(xué)材料――用于制作反射元件，主要用于鍍膜一、透射材料的光學(xué)特性1、分類：光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、光學(xué)塑料1）光學(xué)玻璃：一般說(shuō)來(lái)其透過(guò)波段為μ5.2~35.0，一旦入射波段超過(guò)此范圍，就將被強(qiáng)烈吸收，玻璃對(duì)超此范圍的波長(zhǎng)來(lái)講就是不透明的。玻璃分為二類：冕牌玻璃K――屬于低折射率、低色散，又分為：輕冕QK、重冕ZK、冕K、鋇冕等，而每一類又有許多的牌號(hào)，如冕：K1、K2、K9、K10、BaK火石玻璃F――屬于高折射率、高色散，又分為：輕火石QF、火石F、鋇火石BaF2）光學(xué)晶體：與玻璃相比其優(yōu)點(diǎn)是波段范圍相對(duì)較寬，較為常用的晶體有：石英（SiO2）μ――4~2.0（可用于紫外光譜區(qū)）；螢石（CaF2）μ――（10~15.0）3）光學(xué)塑料：主要用于精度要求不高的光學(xué)系統(tǒng)，它的成本低，生產(chǎn)效率比較高，但像質(zhì)不好，且熱脹系數(shù)高。例如：低倍的放大鏡、簡(jiǎn)單的望遠(yuǎn)鏡。2、光學(xué)材料的特征量1）平均折射率nD：是指該介質(zhì)對(duì)D=589.3nm光所擁有的折射率的大小，一般說(shuō)來(lái)所指的折射率指的都是nD；2）平均色散：nF(蘭)－nc(紅)，是指同一介質(zhì)的蘭光與紅光的折射率之差；3）部分色散：是指任意二個(gè)波長(zhǎng)的折射率之差；4）阿貝常數(shù)：不同的材料有不同的此值；5）相對(duì)色散：是部分色散與平均色散之比。二、反射材料反射材料性能主要取決于反射率的大小，反射率R越大，越好。反射材料多為金屬材料，用于鍍制。一般是在拋光的玻璃表面鍍以反射膜層，當(dāng)所選用的材料不同、膜層不同時(shí)，R也不同。常見(jiàn)的反射膜層材料：金、銀、銅、鉑、鋁等?！?－1光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用一、光闌1、定義：光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置的帶有內(nèi)孔的金屬薄片，是專用光闌。光闌一般垂直于光軸放置，且其中心與光軸中心相重合。2、形狀：光闌多為圓形、正方形、長(zhǎng)方形，有些光闌的尺寸大小是可以調(diào)節(jié)的（即可變光闌）。例如：人眼瞳孔就是光闌，瞳孔的大小隨著外界明亮程度的不同是可以變化的，白天最小D＝2mm,晚上最大，可達(dá)D=8mm。3、光闌作用：是用內(nèi)孔限制成像光束大小的，提高成像質(zhì)量。二、光闌種類主要分為：孔徑光闌和視場(chǎng)光闌。1、孔徑光闌（有效光闌）：指限制進(jìn)入系統(tǒng)的成像光束口徑的光闌。1）對(duì)軸上點(diǎn)：孔徑光闌決定了軸上點(diǎn)孔徑角的大小。結(jié)論1：軸上點(diǎn)孔徑角的大小受光闌大小和位置的影響，孔徑角U由光闌決定，光闌的位置不同，其口徑應(yīng)不同。2）對(duì)軸外點(diǎn)：結(jié)論2：對(duì)軸外點(diǎn)B發(fā)出的寬光束而言，在保證軸上點(diǎn)U不變的情況下，光闌處于不同位置時(shí)，將選擇不同部分的光參與成像，這樣通過(guò)改變光闌的位置，就可以選擇成像質(zhì)量較好的部分光束參與成像，提高（改善）成像質(zhì)量。結(jié)論3：在保證成像質(zhì)量的前提下，合理選取光闌的位置，可使整個(gè)系統(tǒng)的橫向尺寸減小，結(jié)構(gòu)勻稱。結(jié)論4：系統(tǒng)中的光闌只是針對(duì)某一物體位置而言的，若物體位置發(fā)生了變化，則原光闌會(huì)失去限光作用。2、視場(chǎng)光闌：用以限制成像范圍的光闌。視場(chǎng)光闌的形狀多為正方形、長(zhǎng)方形。例如：顯微系統(tǒng)中的分劃板就是視場(chǎng)光闌，照相系統(tǒng)中的底片也是視場(chǎng)光闌。應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第12次課授課章節(jié)題目§4－2入瞳、出瞳§4－3視場(chǎng)光闌學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：理解并掌握入瞳及出瞳概念掌握孔徑光闌及視場(chǎng)光闌的作用及意義教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：孔徑光闌及視場(chǎng)光闌的作用及意義教學(xué)難點(diǎn)：入瞳及出瞳概念教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第十二講內(nèi)容：§4－2入瞳、出瞳§4－3視場(chǎng)光闌具體講述：§4－2入瞳、出瞳一、定義：1、入瞳：孔徑光闌經(jīng)前面的透鏡組（光學(xué)系統(tǒng)）在物空間所成的像。入瞳決定了物方最大孔徑角的大小，是所有入射光的入口。2、出瞳：孔徑光闌經(jīng)后面的透鏡組（光學(xué)系統(tǒng)）在像空間所成的像。出瞳決定了像方孔徑角的大小，且是所以出射光的出口。3、判斷入瞳、出瞳的方法：將光學(xué)系統(tǒng)中所有的光學(xué)元件的通光口徑分別對(duì)其前（后）面的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的物（像）空間去，并根據(jù)各像的位置及大小求出它們對(duì)軸上物（像）點(diǎn)的張角，其中張角最小者為入瞳（出瞳）。二、主光線、相對(duì)孔徑1、主光線：通過(guò)入瞳中心的光線叫主光線。主光線不僅通過(guò)入瞳中心也通過(guò)孔徑光闌中心及出瞳中心。2、相對(duì)孔徑（D入f'）：系統(tǒng)的入瞳直徑與系統(tǒng)的焦距之比；3、光瞳數(shù)（F數(shù)）：相對(duì)孔徑的倒數(shù)即，K=f'/D入4、數(shù)值孔徑NA：，物方孔徑角的正弦與物方折射率之積。§4－3視場(chǎng)光闌一、視場(chǎng)度量的二種方式1、線視場(chǎng)物方線視場(chǎng)――2y二倍的物高；像方線視場(chǎng)――2y'二倍的像高。視場(chǎng)光闌多為矩形、方形及圓形。若為圓形，用直徑度量；但若為矩形，應(yīng)用對(duì)角線來(lái)表示。這就是線視場(chǎng)的度量。2、視場(chǎng)角物方視場(chǎng)角――2ω像方視場(chǎng)角――2ω'對(duì)不同的物面上的點(diǎn)其視場(chǎng)角不相同。注意：1）方視場(chǎng)角定義的時(shí)候是2ω，很多情況下，我們都用半視場(chǎng)ω來(lái)表示。2）場(chǎng)角也有符號(hào)，它也遵循符號(hào)原則。二、入射窗、出射窗1、入射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)前面的光組在物空間所成的像；2、出射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)后面的光組在像空間所成的像；入、出射窗之間是共軛的，也可以將出射窗看作是入射窗經(jīng)系統(tǒng)所成的像。3、判斷入射窗的方法：將光學(xué)系統(tǒng)中所有的光學(xué)元件的通光口徑分別對(duì)其前（后）面的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的物（像）空間去，并根據(jù)各像的位置及大小求出它們對(duì)入（出）瞳中心的張角，其中張角最小者為入射窗（出射窗）。三、漸暈1、定義：軸外點(diǎn)發(fā)出的充滿入瞳的光被透鏡的通光口徑所攔截的這種現(xiàn)像。實(shí)際上，漸暈現(xiàn)像是普遍存在的，我們用不著片面的消除漸暈。一般系統(tǒng)允許有50％的漸暈（攔一半），甚至30％的漸暈。2、消除漸暈的條件只要入射窗（決定了物方視場(chǎng)的大?。┡c物平面重合，出射窗與像平面重合就可消除漸暈。3、線漸暈系數(shù)應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第13次課授課章節(jié)題目§4－4景深§4—5遠(yuǎn)心光路§4—6典型系統(tǒng)的光束限制學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：了解顯微鏡系統(tǒng)的光路及遠(yuǎn)心光路、場(chǎng)鏡的應(yīng)用理解景深的概念并會(huì)應(yīng)用景深的計(jì)算公式掌握光學(xué)系統(tǒng)的光路及遠(yuǎn)心光路了解場(chǎng)鏡的應(yīng)用教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：景深及遠(yuǎn)心光路教學(xué)難點(diǎn)：典型光學(xué)系統(tǒng)的光束限制教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第十三講內(nèi)容：§4－4景深§4—5遠(yuǎn)心光路§4—6典型系統(tǒng)的光束限制具體講述：§4－4景深一、景深1、定義：在景像平面上所獲得成清晰像的空間深度（Δ）2、產(chǎn)生原因：接收器件本身不完善性造成的（衍射的影響）。圖4—6景深假設(shè)現(xiàn)有一物面，根據(jù)共線成像理論，那么它經(jīng)系統(tǒng)成像有個(gè)共軛面。稱此物面為對(duì)準(zhǔn)平面，像面為景像平面?，F(xiàn)取物面上一點(diǎn)A，它發(fā)出的光經(jīng)系統(tǒng)成像后，一定會(huì)聚于共軛面上一點(diǎn)，它們是一對(duì)共軛點(diǎn)。有一物點(diǎn)B1不在對(duì)準(zhǔn)平面上，那么按照共線成像理論，其共軛點(diǎn)也一定不在景像平面上，B1點(diǎn)發(fā)出的光在對(duì)準(zhǔn)面上成一彌散斑，而在景像平面上也成一彌散斑。如果我們?nèi)栽诰跋衿矫孢M(jìn)行觀察B1不能成清晰像。這是從原理上進(jìn)行分析，但實(shí)際上由于景像平面作為接收器來(lái)說(shuō)可能有缺陷，從而導(dǎo)致B1點(diǎn)也被認(rèn)為成像清晰。相類似的，再取空間任一點(diǎn)B2，若它在景像平面上也成一足夠小的彌散斑，則系統(tǒng)也將認(rèn)為它能成清晰像。從而產(chǎn)生了一個(gè)沿軸方向的空間深度，我們稱這個(gè)空間深度為景深。二、公式1、遠(yuǎn)景、近景、遠(yuǎn)景平面、近景平面1）遠(yuǎn)景平面、遠(yuǎn)景深度：能成清晰像的最遠(yuǎn)的平面；遠(yuǎn)景對(duì)對(duì)準(zhǔn)平面的距離叫遠(yuǎn)景深度（Δ1）。2）近景平面、近景深度：能成清晰像的最近的平面；近景對(duì)對(duì)準(zhǔn)平面的距離叫近景深度（Δ2）。而景深就是Δ1+Δ2。圖4-6給出了入、出瞳，對(duì)準(zhǔn)平面（它與入瞳之間的距離用P表示）、景像平面，及能夠看到的最近的平面（近景，它與入瞳之間的距離用P2表示）與能夠看到的最遠(yuǎn)的平面（遠(yuǎn)景，它與入瞳之間的距離用P1表示），P1，P，P2均以入瞳中心為原點(diǎn)?，F(xiàn)設(shè)入瞳的直徑為2a，人眼極限分辨角ε=1'=0.00029rad則由于景深的存在，除了對(duì)準(zhǔn)平面外，所有的空間點(diǎn)在對(duì)準(zhǔn)平面上都將形成一個(gè)彌散斑，在正確透視距離條件下，該彌散斑允許的直徑為：z=z1=z2=pεz1為遠(yuǎn)景平面上的點(diǎn)在對(duì)準(zhǔn)平面上形成的彌散斑大小；z2為近景平面上的點(diǎn)在對(duì)準(zhǔn)平面上形成的彌散斑大??；P為對(duì)準(zhǔn)平面與入瞳之間的距離；則根據(jù)三角形相似關(guān)系可得：（下角標(biāo)為2是指近景，為1是指遠(yuǎn)景相關(guān)的各量）而遠(yuǎn)景深度而近景深度故有景深為：這就是景深的求取，它是用入瞳表示的；此外也可以表示成用孔徑角表示顯然從公式中可見(jiàn)，景深與入瞳的大小（孔徑角）大小有關(guān)，入瞳直徑越小，景深越大；孔徑角越小，景深越大。三、討論二種特殊情況的景深1、使對(duì)準(zhǔn)平面以后整個(gè)空間都能成清晰像從對(duì)準(zhǔn)平面往后至遠(yuǎn)景平面直至無(wú)限遠(yuǎn)的的整個(gè)空間全部都能成清晰像。不僅如此，在對(duì)準(zhǔn)平面之前還有個(gè)近景平面，這個(gè)小空間內(nèi)也能成清晰像，所以要想求系統(tǒng)的整個(gè)景深，只要求出近景平面就可以了。結(jié)論：當(dāng)把照相物鏡調(diào)焦于p=2a/ε時(shí)，在景像平面上可得到自入瞳前a/ε~無(wú)限遠(yuǎn)整個(gè)空間內(nèi)的物體都能成清晰像。2、把物鏡調(diào)焦于無(wú)限遠(yuǎn)根據(jù)已知條件有：即對(duì)準(zhǔn)平面位于無(wú)限遠(yuǎn)處，遠(yuǎn)景平面也位于無(wú)限遠(yuǎn)，結(jié)論：此時(shí)景深為自物鏡前a/ε~無(wú)限遠(yuǎn)整個(gè)空間都能成清晰像?！?-5遠(yuǎn)心光路遠(yuǎn)心光路是比較重要也是在實(shí)際應(yīng)用中使用比較多的一類光路類型，主要用于計(jì)量?jī)x器之中。常用的計(jì)量?jī)x器分為二種：一種是測(cè)量長(zhǎng)度的如工具顯微鏡，一種是測(cè)量距離的如：水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等。一、物方遠(yuǎn)心光路1、定義：光學(xué)系統(tǒng)的物方主光線平行于光軸，主光線的會(huì)聚中心位于物方無(wú)限遠(yuǎn)處。物方遠(yuǎn)心光路的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)可以工具顯微鏡為例進(jìn)行說(shuō)明。2、光路：圖4—8物方遠(yuǎn)心光路3、作用：消除（減少）由于視差所引起的測(cè)量誤差。二、像方遠(yuǎn)心光路1、定義：光學(xué)系統(tǒng)的像方主光線平行于光軸，主光線的會(huì)聚中心位于像方無(wú)限遠(yuǎn)處。2、作用：消除/減少測(cè)距誤差。圖4—9像方遠(yuǎn)心光路如果把刻尺當(dāng)作物，則系統(tǒng)帶著分劃一起移動(dòng)調(diào)焦，由于調(diào)焦不準(zhǔn)造成視差，同樣影響測(cè)距精度，為此也用孔徑光闌來(lái)控制主光線。這樣物面上一點(diǎn)A發(fā)出的過(guò)焦點(diǎn)的光，經(jīng)系統(tǒng)之后將變?yōu)槠叫泄?，由于孔闌放于F處，所以這條光線就是主光線，這樣不論像面與分劃面是否重合，我們讀的都是主光線的位置，從而消除（減少）了測(cè)距誤差?！?-6典型系統(tǒng)的光束限制一、放大鏡（一般說(shuō)來(lái)低倍的放大鏡都是由平凸/雙凸單透鏡構(gòu)成）圖4-10放大鏡的光束限制放大鏡成一正立、放大的虛像。人眼是孔徑光闌（出瞳），限制的是成像光束，放大鏡本身是視場(chǎng)光闌（入射窗），限制的是成像范圍。其最大的視場(chǎng)由入瞳的下邊緣與入射窗的上邊緣決定。二、望遠(yuǎn)鏡1、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)：是平行光射入，平行光射出，其光學(xué)間隔。0=Δ2、光瞳銜接原則：前一個(gè)系統(tǒng)的出瞳與后一系統(tǒng)的入瞳相重合，否則就會(huì)出現(xiàn)光束攔截現(xiàn)像。3、光束限制：在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，一般情況下，物鏡鏡框是它的孔徑光闌，也是系統(tǒng)的入瞳。它經(jīng)目鏡所成的像就是系統(tǒng)的出瞳。一般與人眼瞳相重合。而出瞳的位置與目鏡最后一面之間的距離就是出瞳距。一般出瞳距P'≥8mm~10mm，若加防毒面具則出瞳距至少要為幾十毫米。分劃板是其視場(chǎng)光闌。它放置于實(shí)像平面上，主要用于限制視場(chǎng)的大小。三、顯微系統(tǒng)由物鏡與目鏡構(gòu)成，在中間也有一實(shí)像面，可放置分劃板，用于觀察近處的物體。顯微系統(tǒng)它的物鏡焦距與目鏡焦距都比較短，從而出現(xiàn)較大的光學(xué)間隔。當(dāng)物經(jīng)顯微系統(tǒng)成像時(shí)，實(shí)現(xiàn)的是二次成像過(guò)程，物位于物方焦面附近，經(jīng)物鏡成一放大的、倒立的實(shí)像，實(shí)像面一般位于目鏡的物方焦面附近，之后再經(jīng)目鏡成一正立、放大的虛像。最終的結(jié)果是：成一倒立、放大的虛像。圖4-12顯微鏡成像原理可見(jiàn)，實(shí)際上顯微鏡是個(gè)復(fù)雜的放大鏡。對(duì)低倍顯微系統(tǒng)而言，其孔徑光闌是物鏡框（入瞳）；而出瞳也與人眼眼瞳相重合；對(duì)高倍顯微系統(tǒng)而言，其孔徑光闌是專門設(shè)置的；對(duì)顯微系統(tǒng)而言，其視場(chǎng)光闌是分劃板；位于目鏡物方焦點(diǎn)附近。四、照機(jī)系統(tǒng)照機(jī)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，各自完成自己的功能：1、底片：用于記錄物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像，在照相機(jī)中它起到視場(chǎng)光闌作用，限制的是照相機(jī)的成像范圍。2、可變光闌：是系統(tǒng)的孔徑光闌，其大小可調(diào)，能夠調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的能量多少。3、物鏡：可以把不同遠(yuǎn)近物體發(fā)出的光經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行成像。應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第14次課授課章節(jié)題目第五章光度學(xué)§5－1光度學(xué)中的基本量及單位§5－2光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化規(guī)律學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：掌握輻射量和光學(xué)量及其單位掌握光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化規(guī)律教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化規(guī)律教學(xué)難點(diǎn)：光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化規(guī)律教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第十四講內(nèi)容：第五章光度學(xué)§5－1光度學(xué)中的基本量及單位§5－2光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化規(guī)律具體講述：第五章光度學(xué)光能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中另一個(gè)非常重要的問(wèn)題,由于任何一個(gè)接收器件，所能接收的光能都有一個(gè)最低閾值。以人眼為例，它所能感受到的最低照度為（勒克斯），相當(dāng)于一支蠟在之外產(chǎn)生的光照度。lx910?km30§5－1光度學(xué)中的基本量及單位一、輻射量1、輻射能（Qe）：指以電磁輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的能量。單位：J（焦?fàn)枺?、輻通量（φe）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸、接收的輻射能叫輻通量。單位：W（瓦）對(duì)某一輻射體而言，它發(fā)出的輻射能具有一定的光譜分布（即由各種不同的波長(zhǎng)組成），而每種不同的波長(zhǎng)其輻通量也不同?？偟妮椡浚礁鱾€(gè)組成波長(zhǎng)的輻通量總和。若設(shè)在極窄的波段范圍dλ內(nèi)，所輻射出的輻通量為dφe，則有：dφe=φ(λ)dλ式中φ(λ)是輻通量隨波長(zhǎng)變化的函數(shù)；則在整個(gè)波段內(nèi)所輻射的總的能量為：φe=∫dλφ(λ)二、光學(xué)量對(duì)于光輻射中的物理量是比較多的，其意義與輻射量的意義也基本相同，故為了區(qū)別起見(jiàn)，我們用符號(hào)進(jìn)行區(qū)別，它們的主符號(hào)是相同的，但是下角標(biāo)有區(qū)別：輻射量――下角標(biāo)e；光學(xué)量――下角標(biāo)v。1、接收器的光譜響應(yīng)物體經(jīng)過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行成像，最終的像都是由接收器類進(jìn)行接收的，接收器的不同，對(duì)光譜響應(yīng)的范圍也各不相同。對(duì)于目視光學(xué)系統(tǒng)而言，人眼對(duì)不同的波長(zhǎng)響應(yīng)程度也相差非常大，在這里引入了光譜光視效率的概念加以理解。光譜光視效率（V(λ)）：指人眼對(duì)不同波長(zhǎng)電磁輻射的反應(yīng)程度（它表征的是人眼的光譜靈敏度）2、光通量φv：表示可見(jiàn)光對(duì)人眼的視覺(jué)刺激程度的量。單位：流明（lm）光通量實(shí)際上是輻通量的一部分，是輻射能中能引起人眼光刺激的那一部分輻通量，有：3、發(fā)光效率η：?jiǎn)挝唬╨m/W）η=該光源的光通量（lm）/該光源的耗電功率（W）=φV/P(lm/W)由于光通量是輻射能的一部分，故一定有：η<14、立體角（dΩ）：?jiǎn)挝皇乔蛎娑龋╯r）1）定義：以立體角的頂點(diǎn)為圓心，以r為半徑作一個(gè)球面，則此立體角的邊界在此球面上所截的面積除以半徑的平方來(lái)標(biāo)識(shí)之。圖5—1空間立體角立體角的數(shù)學(xué)表示式為：2）立體角用孔徑角表示的形式：當(dāng)孔徑角U很小時(shí)，可用弧度值來(lái)取代正弦值，即：5、發(fā)光強(qiáng)度（Iv）：某一方向上單位立體角內(nèi)所輻射的光通量的大小。單位：坎德拉（cd）剛才分析的是立體角很小的情況，如果現(xiàn)在立體角很大Ω，且該光源在均勻輻射，即不同方向上發(fā)光狀態(tài)基本一致，則總的光通量為φv，則：稱I0為平均發(fā)光強(qiáng)度。6、光照度（Ev）：它表示單位面積上所接收的光通量的大小。單位：lx（勒克斯）式中，dφ指被照明面積上所接收的光通量；dA被照明的面積。顯然光照度公式與被照明的面積大小及光通量密切相關(guān)。當(dāng)被照明面積較大且被均勻照明時(shí)，Ev用E0表示稱為平均發(fā)光照度。7、光出射度（Mv）：光源單位面積發(fā)出的光通量。單位：lx（勒克斯）1）對(duì)一次輻射源：當(dāng)它是非均勻輻射時(shí)，Mv=dφv/dA――這是用小量表示。當(dāng)均勻輻射且是大表面時(shí)，M0=φv/A――平均光出射度2）對(duì)于二次輻射源：當(dāng)均勻輻射且是大表面時(shí)，式中，ρ為反射率；vφ為入射的光通量；E為指二次輻射源上擁有的光照度。8、光亮度（Lv）：體現(xiàn)的是投影到某一方向的單位面積、單位立體角內(nèi)的光通量的大小。單位：熙提cd/m2§5－2光傳播過(guò)程中光學(xué)量的變化規(guī)律一、點(diǎn)光源在與之距離為r的表面上形成的照度二、面光源在與之距離為r的表面上形成的照度三、單一介質(zhì)元光管內(nèi)光亮度的傳遞1、元光管：兩個(gè)面積很小的截面構(gòu)成的直紋曲面包圍的空間。2、結(jié)論：即當(dāng)光在元光管內(nèi)傳播時(shí)，各截面上的光亮度相等。四、反射及折射后的光亮度五、余弦輻射體1、定義：我們已一再?gòu)?qiáng)調(diào)對(duì)于大多數(shù)發(fā)光體來(lái)說(shuō)，其在各個(gè)方向的發(fā)光強(qiáng)度值并不相等，但某些發(fā)光面卻可能沿循一定的規(guī)律，并非是完全混亂，無(wú)章可循的。如果這種發(fā)光體有這樣一個(gè)規(guī)律.雖然隨著角其不同方向上的發(fā)光強(qiáng)度并不相等，規(guī)律，我們就稱凡是符合該規(guī)律的發(fā)光全就稱為余弦輻射體（郎伯輻射體）。此外對(duì)于余弦輻射體光亮度具有以下特點(diǎn)：度的不同，但卻有應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第15次課授課章節(jié)題目§5－3成像系統(tǒng)的像面照度第六章光線的光路計(jì)算及像差理論§6－1概述學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：掌握成像系統(tǒng)像面的光照度了解像差理論概述教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：成像系統(tǒng)像面的光照度教學(xué)難點(diǎn)：成像系統(tǒng)像面的光照度教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第十五講內(nèi)容：§5－3成像系統(tǒng)的像面照度第六章光線的光路計(jì)算及像差理論§6－1概述具體講解：§5－3成像系統(tǒng)的像面照度在這里分兩種情況分別討論，一為軸上像點(diǎn)的光照度；一為軸外像點(diǎn)的光照度。一、軸上像點(diǎn)的光照度（小視場(chǎng)、大孔徑光照度，例如：望遠(yuǎn)鏡）現(xiàn)在假設(shè)物體為余弦輻射體（它有L是定值的特點(diǎn)），則物體發(fā)出的充滿入瞳的光通量可表示為：但是由于系統(tǒng)本身對(duì)入射的光能有一定的損耗，且滿足正弦條件，所以到達(dá)像面之后，能量會(huì)有所減少，設(shè)到達(dá)dA'上的光通量為φ'，則有：式中，τ為系統(tǒng)透過(guò)率。則像面上的照度為：再根據(jù)正弦條件得到：二、軸外像點(diǎn)照度（大視場(chǎng)系統(tǒng)）式中UM'是指軸外點(diǎn)的像方孔徑角的大?。划?dāng)UM'比較小時(shí)，故有：這就是軸外像點(diǎn)的像面照度，隨著像方視場(chǎng)的增大／所分析的像點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)離軸上像點(diǎn)，其軸外像點(diǎn)照度下降非常的快。三、光能量的傳遞及拉赫不變量J四、光學(xué)系統(tǒng)的光能損失實(shí)際上能量進(jìn)入系統(tǒng)之后也將有大量的損耗，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。產(chǎn)生光能損失的主要原因：①透射面的反射損失；②反射面的光能損失；③透射材料的吸收損失；1、透射面的反射損失2、鍍金屬層的反射面的光能損失3、透射光學(xué)材料內(nèi)部的吸收損失4、總的透射比＝各個(gè)透射比之積。第六章光線的光路計(jì)算及像差理論§6－1概述一、基本概念實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)都是以一定的寬度的光束對(duì)具有一定大小的物體進(jìn)行成像，由于只有近軸區(qū)才具有理想光學(xué)系統(tǒng)性質(zhì)，故不能成完善像，就存在一定的像差。1、像差定義：實(shí)際像與理想像之間的差異。2、幾何像差的分類:單色像差：光學(xué)系統(tǒng)對(duì)單色光成像時(shí)所產(chǎn)生的像差。球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變色差：不同波長(zhǎng)成像的位置及大小都有所不同。色差位置色差：體現(xiàn)不同色光的成像位置的差異倍率色差：體現(xiàn)不同色光的成像大小的差異。3、像差產(chǎn)生的原因在第一章我們?cè)v過(guò)近軸光／實(shí)際光的光路計(jì)算公式。并且說(shuō)明這二組公式最大的區(qū)別是對(duì)于近軸光：是用弧度值取代正弦值而得到的。二、像差譜線的選擇――主要取決于接收器的光譜特性進(jìn)行像差校正時(shí)，只能校正某一波長(zhǎng)的單色像差，對(duì)于不同的接收器件像差譜線的選擇有很大的區(qū)別。1、目視光學(xué)系統(tǒng)：一般選擇D光或e光校正單色像差，對(duì)F,C光校正色差。2、普通照相系統(tǒng)：一般對(duì)F光校正單色像差，對(duì)D,G'校正色差。3、近紅外和近紫外光學(xué)系統(tǒng)：一般對(duì)C光校正單色像差，對(duì)d,A'校正色差。4、對(duì)特殊光學(xué)系統(tǒng)：只對(duì)使用波長(zhǎng)校正單色像差。應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第16次課授課章節(jié)題目§6－2光路計(jì)算§6－3軸上點(diǎn)的球差學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：了解并掌握光路計(jì)算等相關(guān)公式理解軸上點(diǎn)球差及球差的特點(diǎn)、校正方法教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：光路計(jì)算等相關(guān)公式教學(xué)難點(diǎn)：軸上點(diǎn)球差教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：參考資料：第十六講內(nèi)容：§6－2光路計(jì)算§6－3軸上點(diǎn)的球差具體講述：§6－2光路計(jì)算一、子午面內(nèi)的光線的計(jì)算子午面：軸外點(diǎn)與光軸構(gòu)成的平面。（一）近軸光計(jì)算1、軸上點(diǎn)近軸光的光路計(jì)算對(duì)于單個(gè)折射面，當(dāng)物在有限遠(yuǎn)時(shí)，我們采用的公式如下：以上式子為單個(gè)折射面有限遠(yuǎn)情況，若為遠(yuǎn)限遠(yuǎn)，則有：這是單個(gè)折射面的計(jì)算公式，由于系統(tǒng)由多個(gè)折射面構(gòu)成，要想計(jì)算出最終的結(jié)果還必須用到由前一折射面到后一折射面的過(guò)渡公式。2、軸外點(diǎn)的近軸光計(jì)算：第二近軸光：指由物體邊緣發(fā)出，并通過(guò)入瞳中心的光線。仍用近軸光路公式計(jì)算，只不過(guò)為了區(qū)別起見(jiàn)，所有的量都應(yīng)注下角標(biāo)，以表示是軸外點(diǎn)近軸光而不是第一近軸光。實(shí)際上一般對(duì)5個(gè)視場(chǎng)（入瞳中心與物點(diǎn)的連線與光軸的夾角）的物點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，分別為：0.3,0.5,0.707,0.85,1。（二）實(shí)際光線的光路計(jì)算1、軸上點(diǎn)公式（也分有限遠(yuǎn)及無(wú)限遠(yuǎn)）：以上式子為單個(gè)折射面有限遠(yuǎn)情況，若為遠(yuǎn)限遠(yuǎn)，則有：其它公式形式如上，此外也有實(shí)際光的過(guò)渡公式：以上介紹了實(shí)際光軸上點(diǎn)的計(jì)算公式，對(duì)于光軸上的點(diǎn)而言，由于其出射光束的對(duì)稱性，對(duì)稱于光軸，故只需計(jì)算光軸上面的某些光線或計(jì)算光軸下面的某些光線即可。這些需要計(jì)算的特殊口徑分別為：0.3,0.5,0.707,0.85,1。2、對(duì)于軸外點(diǎn)：當(dāng)物位于無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，至少要計(jì)算三條光線，分別為：上光線，主光線，下光線，如圖：圖6—1物體位于無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)光線計(jì)算圖6—2物體位于有限遠(yuǎn)時(shí)光線計(jì)算由于軸外點(diǎn)發(fā)出的光不是相對(duì)于光軸對(duì)稱的，所以主光線上、下的光線并不相對(duì)光軸對(duì)稱（相交于一點(diǎn)），所以上下光線必須分別計(jì)算：至少應(yīng)計(jì)算11條光線：0,0.3,0.5,0.707,0.85,1。二、光線經(jīng)過(guò)平面時(shí)的光路計(jì)算三、軸外點(diǎn)細(xì)光束的光路計(jì)算公式當(dāng)軸外點(diǎn)以細(xì)光束成像時(shí)，由于軸外點(diǎn)發(fā)出的光是失對(duì)稱的，為了更準(zhǔn)確的表示像差的大小，我們常用二個(gè)互相垂直的平面子午面與弧矢面來(lái)分別表征光束的結(jié)構(gòu)?；∈该妫捍怪庇谧游缑娌⑶医?jīng)過(guò)主光線的平面。當(dāng)物體發(fā)出的子午面的光束與弧矢面的光束經(jīng)過(guò)系統(tǒng)時(shí)，它們各自所成的像點(diǎn)并不重合，即存在像散?！?－3軸上點(diǎn)的球差一、球差定義及表示方法1、沿軸球差由實(shí)際光線的光路計(jì)算公式知，當(dāng)物距L為定值時(shí)，像距L'與入射高度及孔徑角U有關(guān)，隨著孔徑角的不同，像距L'是變化的，即如圖所示：軸上點(diǎn)A點(diǎn)發(fā)出的光束，對(duì)于光軸附近的光用近軸光路計(jì)算公式，像點(diǎn)為A'0（看作高斯像點(diǎn)），對(duì)于實(shí)際光線采用實(shí)際光計(jì)算公式，成像于A'1（實(shí)際像）。圖6—4軸上點(diǎn)球差顯然實(shí)際像與理想像之間存在著沿軸的差異，就把實(shí)際像點(diǎn)與理想像點(diǎn)的偏移為球差，用δL'表示：2、垂軸球差每一條光線對(duì)應(yīng)一個(gè)球差值，如果把不同孔徑所對(duì)應(yīng)的球差值全部計(jì)算出來(lái)，并且將它們繪制成圖，就稱此圖為球差曲線，球差曲線非常直觀的表達(dá)了系統(tǒng)球差的大小，通過(guò)球差曲線可以非常形像地對(duì)球差進(jìn)行表征。二、球差校正正透鏡：產(chǎn)生負(fù)球差；負(fù)透鏡：產(chǎn)生正球差。這是由透鏡本身結(jié)構(gòu)特性決定的，所以，單個(gè)透鏡不能校正球差。但若是正負(fù)透鏡組合，就可以實(shí)現(xiàn)球差的校正。所謂的消球差一般只是能使某一孔徑帶的球差為0，而不能使各個(gè)孔徑帶全部為0，一般對(duì)邊緣光孔徑校正球差，而此時(shí)一般在0.707有最大的剩余球差，且值為邊緣帶高級(jí)球差－1／4。三、單個(gè)折射面的三對(duì)無(wú)球差點(diǎn)1、三對(duì)齊明點(diǎn)2、齊明點(diǎn)處的放大率四、球差分布公式由于光學(xué)系統(tǒng)是由多個(gè)光組構(gòu)成，而每一個(gè)折射面都將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的球差有所貢獻(xiàn)，而整個(gè)系統(tǒng)的球差值就是各個(gè)折射面產(chǎn)生的球差傳遞到系統(tǒng)像空間后相加而成的，故稱每個(gè)折射面對(duì)系統(tǒng)總球差的貢獻(xiàn)量值叫球差分布。應(yīng)用光學(xué)課程教案主頁(yè)第17次課授課章節(jié)題目§6－4正弦差及彗差§6－5像散及場(chǎng)曲學(xué)時(shí)2課型講授■上機(jī)□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□討論□其他□教具多媒體■模型□實(shí)物□掛圖□音像□其他□教學(xué)目的、要求：了解并掌握正弦差及彗差的特點(diǎn)及校正方法了解并掌握像散及場(chǎng)曲的特點(diǎn)及校正方法教學(xué)主要內(nèi)容（注明：重點(diǎn)*、難點(diǎn)#）：教學(xué)重點(diǎn)：正弦差、彗差、像散、場(chǎng)曲特點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)：這四類相差的校正教學(xué)方法：對(duì)于理論知識(shí)的講解，具體內(nèi)容具體舉例，使學(xué)生更易理解；作圖講解，使知識(shí)變得直觀；詳細(xì)講解重點(diǎn)公式的計(jì)算與推導(dǎo)；精講與多練相結(jié)合，在每節(jié)課后留少量時(shí)間講解例題及習(xí)題，使學(xué)生在講授后，通過(guò)練習(xí)、討論和分析歸納等學(xué)習(xí)方式進(jìn)行自我消化、自我提高，從而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。作業(yè)、思考題：5-8參考資料：第十七講內(nèi)容：§6－4正弦差及彗差§6－5像散及場(chǎng)曲具體講述：§6－4正弦差及彗差一、彗差1、定義：表示的是軸外物點(diǎn)寬光束經(jīng)系統(tǒng)成像后失對(duì)稱的情況。2、彗差的級(jí)數(shù)展開(kāi)（以弧矢為例）二、正弦差（）'SC對(duì)于小視場(chǎng)的系統(tǒng)而言，由于物高很小，彗差也很小，若用高度的絕對(duì)差值量來(lái)表示失對(duì)稱的情況就不是非常的合理，不足以描述系統(tǒng)彗差的特性，所以對(duì)于小視場(chǎng)系統(tǒng)，一般用相對(duì)值來(lái)加以表示。正弦差表示的也是軸外物點(diǎn)寬光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后失對(duì)稱的情況。1、正弦條件：垂軸平面內(nèi)的兩鄰近點(diǎn)成完善像的條件。2、不暈成像：系統(tǒng)即無(wú)球差也無(wú)彗差（正弦差），即為不暈成像。3、等暈成像：指軸上點(diǎn)與鄰近點(diǎn)有相同的成像缺陷，稱為等暈成像。4、等暈條件：5、正弦差：若系統(tǒng)不滿足等暈條件（即存在彗差及球差），那么用以描述等暈條件的偏離程度的值叫正弦差。6、齊明點(diǎn)：校正了球差并符合正弦條件的一對(duì)其軛點(diǎn)叫齊明點(diǎn)。三、彗差的校正1、與光闌的位置有關(guān)。當(dāng)光闌位于球心處時(shí)，SII=02、采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)形式可消除或減小彗差§6－5像散及場(chǎng)曲一、像散1、定義：只要是軸外點(diǎn)發(fā)出了寬光束則彗差不可避免。但當(dāng)把入瞳尺寸減少到無(wú)限小，小到只允許主光線的無(wú)限細(xì)光束通過(guò)時(shí)，彗差消失了，即上、下、主光線的共軛光線又交于一點(diǎn)。但此時(shí)成像仍是不完善的，因?yàn)檫€有像散及場(chǎng)曲的存在。2、計(jì)算方法此時(shí)，我們用一個(gè)接收屏來(lái)進(jìn)行接收時(shí)，若令屏沿光軸前后移動(dòng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)成像光束的截面積形狀變化很大，當(dāng)接收屏位于不同位置時(shí)，有時(shí)是很亮很亮的短線，有時(shí)是橢圓有時(shí)是圓，形狀差異非常大，并且能量差異也很大。當(dāng)是短線時(shí)能量最為集中，而為其它形狀時(shí)能量相對(duì)彌散。垂直于子午面的短線為子午焦線；垂直于弧矢面的短線為弧矢焦線。二者之間的距離就是像散。3、缺點(diǎn)由于像散的存在，導(dǎo)致軸外一點(diǎn)像成為互相垂直的二條短線，嚴(yán)重時(shí)軸外點(diǎn)得不到清晰的像。影響的也是軸外像點(diǎn)的清晰程度。所以對(duì)于大視場(chǎng)系統(tǒng)而言，像散必須校正。4、級(jí)數(shù)展開(kāi)5、校正方法：與光闌的位置有關(guān)，當(dāng)光闌位于球心處時(shí)，或者說(shuō)是齊明點(diǎn)處時(shí)，也沒(méi)有像散。二、場(chǎng)曲1、定義：當(dāng)系統(tǒng)存在像散時(shí)，軸外物點(diǎn)發(fā)出細(xì)光束成像將分別形成子午與弧矢像點(diǎn)，而軸上點(diǎn)則不產(chǎn)生像散，這就勢(shì)必導(dǎo)致一個(gè)物平面經(jīng)過(guò)一個(gè)具有像散的系統(tǒng)之后，將形成二個(gè)像平面，一為子午像面；一為弧矢像面，并且二個(gè)像平面并不完全分離，在軸上點(diǎn)處相切。即相切于理想像點(diǎn)A'2、級(jí)數(shù)展開(kāi)同樣由于是細(xì)光束成像，所以也只與視場(chǎng)有關(guān)3、分布式4、成像缺陷當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的場(chǎng)曲時(shí)，就不能使一個(gè)較大平面物體各點(diǎn)同時(shí)成清晰像，當(dāng)把中心調(diào)焦清楚了，邊緣就模糊，反之亦然，所以大視場(chǎng)系統(tǒng)必須校正場(chǎng)曲。5、場(chǎng)曲的校正1）用高折射率的正透鏡，低折射率的負(fù)透鏡，并適當(dāng)拉開(kāi)距離，即所謂的正負(fù)透鏡分離；2）用厚透鏡。當(dāng)對(duì)邊緣光視場(chǎng)校正場(chǎng)曲時(shí)，在0.707處有最大的剩余場(chǎng)曲，值為視場(chǎng)