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文檔簡介
第一章幾何光學的基本定律
本章要點:
1.發(fā)光點、波面、光線、光束
2.光的直線傳播定律、光的獨立傳播定律、反射定律和折射定律及其矢量形式
3.全反射及臨界角
4.光程與極端光程定律(費馬原理)
5.幽、項點、共軸光學系統(tǒng)和非共軸光學系統(tǒng)
6.實物(像)點、虛物(像)點、實物(像)空間、虛物(像)空間
7.完善成像條件
§1-1發(fā)光點、波面、光線、光束
發(fā)光點--本身發(fā)光或被照明的物點。既無大小又無體積但能輻射能量的幾何點。對
于光學系統(tǒng)來說,把一個物體看成由許多物點組成,把這些物點都看成幾何點(發(fā)光
點)。把不論多大的物體均看作許多幾何點組成。研究每一個幾何點的成像。進而得
到物體的成像規(guī)律。
當然這種點是不存在的,是簡化了的概念。一個實際的光源總有一定大小才能攜帶能量,
但在計算時,一個光源按其大小與作用距離相比很小便可認為是幾何點。今后如需回到
光的本質(zhì)的討論將特別指出。
波面一發(fā)光點在某一時刻發(fā)出的光形成波面
如果周圍是各向同性均勻介質(zhì),將形成以發(fā)光點為中心的球面波或平面波
光線-一波面的法線即幾何光學中所指的光線
光束-波面法線族。發(fā)光點發(fā)出的在各向同性的均勻介質(zhì)的光束為同心光束
理想光學系統(tǒng)
發(fā)光點-------------》點同心光束——》同心光束
實際光學系統(tǒng)
發(fā)光點------------》斑同心光束——》非同心光束
光束與波面的對應關(guān)系:
(■發(fā)散光束
平行光束一平面波同心光束一球面波
4〔會聚光束
§1-2幾何光學的基本定律一應用光學的基礎(chǔ)
幾何光學將光經(jīng)光學系統(tǒng)傳播問題和物瞇成像問題歸結(jié)為光線的傳播問題。光線
的傳播遵循以下基本定律。
?光的直線傳播定律
光在各向同性的均勻介質(zhì)中沿直線傳
播。
(忽略衍射現(xiàn)象)
衍射:sina=K入,D
當人—>o時,波動光學一>幾何光學
?光的獨立傳播定律。
以不同的途徑傳播的光同時
在空間某點通過時,彼此互不影
響,各路光好像其他光線不存在似
地獨立傳播。而在各路光相遇處,
其光強度是簡單地相加,總是增強
的。
(忽略干涉現(xiàn)象)
光的干涉:
E=Ei+涇
I=E2
h=歐/2=El
?光的反射定律與光的折射定律
當光傳至二介質(zhì)的光滑分界面時遵循反射與折射定律。
光的反射定律:
①入射光線、法線和反射光線在同
一平面內(nèi);②入射光線與反射光線
在法線的兩側(cè),且有:
光的折射定律:
①折射光線與入射光線和法線在同一平面內(nèi);②折射角與入射角的正
弦之比與入射角的大小無關(guān),僅由兩介質(zhì)的性質(zhì)決定,當溫度、壓力
和光線的波長一定時,其比值為一常數(shù),等于前一介質(zhì)與后一介質(zhì)的
折射率之比,即
sin/'?
------=---
sinZ對
n'sinr=nsinl
反射定律是折射定律當n'=-n時的特殊情況
?光線傳播的可逆性(由上圖中)
?令CO為入射光線,則0A為反射光線(反射定律)
?令B0為入射光線,則0A為折射光線(折射定律)
由此說明光的傳播是可逆的,即光路的可逆性。
以上定律解決了光在各向中同性均勻介質(zhì)中的傳播和在兩介質(zhì)分界面且改變方向
的問題。因此可解決光經(jīng)任何界面后繼續(xù)傳播的方向,是光線經(jīng)整個光學系統(tǒng)傳播的基
礎(chǔ)。
§1-3全反射
當光入射到光疏介質(zhì)與光密介質(zhì)的分界面時,不會發(fā)生全反射。
當光從光密介質(zhì)射向光疏
介質(zhì)時,逐漸增大入射角到
某一值時,折射角達90度,
使折射光線沿界面掠射而
出。若入射角繼續(xù)增大,將
會發(fā)生全反射)對應于折射
角為90度的入射角稱臨界
向乙
全反射的應用:
等腰直角棱鏡:當2U在某范圍內(nèi)時,斜面
光導纖維n2>nl,I>Im時全反射,
上發(fā)生全反射,則透明介質(zhì)界面上不需要
用于傳像和傳光
鍍反射膜
§1-4矢量形式的折射定律和反射定律
當光學系統(tǒng)的界面在界面較復雜,或當光線是三維空間中的空間光線時,應用矢量形
式匠折(反)射定律較為方便,并且反射定律是特殊形式的折射定律。
Ao一沿入射粉的單位矢量
Ao'一沿折射班的單位矢量
N一沿法線的單位矢量
n"sinl—?sinl
即n'(A0'XN)=n(AQXN)
兩矢量正向平行兩矢量反向平行
并將長度為"'的折射光線矢■和長度為囂的入時光線矢量分別E為WA.
4-WTxW或—xW?0
上式兩邊同與N作標積,科產(chǎn)■WA*-N?▲■M'COC7'-MC?C7
時,矢量:/'AtjN正向平行,反之兩矢量為反向平行.
已知兩介質(zhì)折射率和光線的入射角求折射角時,r-『c?:'MMni
m
T?是用矢量形式的折射定南A*PN
在“'-F的情況下r-jico?f--2KCO?Z--2(iV*4)
矢量形式的反射定律
U-叩(川?冷
§1-5費馬原理
是幾何光學的最基本的定律,上述的幾個定律皆由此導出。介紹之前,首先介紹一個
新的概念-----光程
.光程--光線在介質(zhì)中傳播的距離與該介質(zhì)折射率的乘積
£?就M=efv.l=vt符
光程相
圖中A到B的光程
S二為。
二a+d
C
當先在非均勻介質(zhì)中傳播,所走的路徑不是直線,A到B的光程為B
R?<#
A
?費馬原理:(極端光程定律)
光線從一個點傳播到另一個點是沿著光程為極值(極大、極小、常量)的途徑傳
播的。
&a?£n?盤0
關(guān)于光傳播路徑的幾個定律均可由費馬原理得到。
對橢球面,光程為穩(wěn)定值
A到B經(jīng)界面一次反射
對PMQ面,光程為極大值
的最短路徑
對SMP面,光程為極小值
§1-6成像概念和完善成像條件
光線經(jīng)光學系統(tǒng)成像,光學系統(tǒng)由一系列折(反)射表面組成,其中主要是折射球
面,也可能有平面和非球面。
①光軸——對于一個球面,光軸是通過球心的直線
對于一個透鏡,光軸為兩個球心的連線
②頂點——光軸與球面的交點
③共軸光學系統(tǒng)——所有的球心都在一條直線上
④非共軸光學系統(tǒng)——所有的球心不全在一條直線上
非共軸球面系統(tǒng)
⑤實物(像)點——實際光線的交點(屏上可接收到)
虛物(像)點——光線的延長線的交點(屏上接收不到,人眼可感受)
⑥物(像)空間——物(像)所在的空間,可從-8到+00
實物(像)空間——實物(像)可能存在的空間
虛物(像)空間——虛物(像)可能存在的空間
思考:下圖中各物(像)點位于哪個空間?是實的還是虛的?
完善成像條件-一等光程條件
一球面波在某時刻tl形成一波面,該波面經(jīng)光學系統(tǒng)仍為一球面波,它在某一時刻t2
形成一波面。波面之間的光程總是相等,得等光程條件。所以波面之間的光程c(t2-tl)總是
相等的,即等光程條件。
特例:單個界面可實現(xiàn)等光程條件
反射
①有限遠物A一一》有限遠像A':橢球反射面
②無窮遠物A——》有限遠像A,:拋物反射面
③有限遠物A一一》無窮遠像A':根據(jù)光路可逆性
折射
有限距離物點火折射成像于有限距離的Z'點,須滿足
設(shè)后點的坐標為(凡用,則由上式可寫出七點的軌跡方程為
一(7。'--+T*甲-血+必力-0
這是一個四次曲線方程,為卵形線。以此曲線繞“旋轉(zhuǎn)而成的曲面,稱卵形面。
若令物或像點之一位于無窮遠,可得二次曲面。這些曲面加工困難,且它們對軸外點
并不滿足等光程條件,實際的光學系統(tǒng),絕大多數(shù)由容易加工的球面構(gòu)成,當滿足一定條件
時,能對有限大小的物等光程成像。
第二章球面和球面系統(tǒng)
本章要點
1.子午平面、
2.物(像)方截距、物(像)方傾斜角
3.符號規(guī)則
4.近軸光線與近軸區(qū),高斯光學,共4點,單個折射球面成像特征:對細小平面以細光束
成完善像,像面彎曲
5.阿貝不變量,單個折射球面的近軸物像位置關(guān)系
6.折射球面的光焦度、焦點和焦距
7.垂軸放大率、沿軸放大率、角放大率:物理意義及關(guān)系
8.拉氏不變量
§2-1什么是球面系統(tǒng)?
由球面組成的系統(tǒng)稱為球面系統(tǒng)。包括折射球面和反射球面
反射面:〃,?〃.平面是半徑為無窮大的球面,故討論球面系統(tǒng)具有普遍意義
折射系統(tǒng)折反系統(tǒng)
§2-2概念與符號規(guī)則
?概念
①子午平面一一包含光軸的平面
②截距:物方截距一一物方光線與光軸的交點到頂點的距離
像方截距一一像方光線與光軸的交點到頂點的距離
③傾斜角:物方傾斜角一一物方光線與光軸的夾角
像方傾斜角一一像方光線與光軸的夾角
?符號規(guī)則
因為分界面有左右、球面有凹凸、交點可能在光軸上或下,為使推導的公式具有普遍性,
參量具有確切意義,規(guī)定下列規(guī)則:
a.光線傳播方向:從左向右
b.線段:沿軸線段(L,L',r)以頂點0為基準,左"-”右“+”
垂軸線段(〃)以光軸為準,上“+”下“-”
間隔以前一個面為基準,左"-”右“+”
c.角度:光軸與光線組成角度(U,U')
以光軸為起始邊,以銳角方向轉(zhuǎn)到光線,順時針“+”逆時針“-”
光線與法線組成角度(//)
以光線為起始邊,以銳角方向轉(zhuǎn)到法線,順“+”逆“-”
光軸與法線組成角度((P)
以光軸為起始邊,以銳角方向轉(zhuǎn)到法線,順“+”逆"-
§2-3折射球面
?由折射球面的入射光線求出射光線
利用三角形相似、折射定律及小/=?’+,=@得
_L-Y__
sin/=--------sinU
Y
sinJ'=—sinI
n'
U'=U+I-r
,sinr
LT=r+r-----
sinU'
由以上幾個公式可得出Z/
是U的函數(shù)這一結(jié)論,不同
U的光線經(jīng)折射后不能相交
于一點
點一》斑,不完善成像
?近軸光線經(jīng)折射球面折射并成像
.1.近軸光線:與光軸很靠近的光線,即-U很小,sin(-iT)=-U,此時用小寫:
sin(-⑺=-usin/=zL=l
近軸光線所在的區(qū)域叫近軸區(qū)
2.對近軸光,已知入射光線求折射球面的出射光線:即由l,u->l',u',以上公式組
變?yōu)椋?/p>
L
sinIsinUu
sinJ*=—sinI\i一=——?i.
??tn'
Ul=U+I-ru1=u+i-i
sinI1
Z=r+r--------
=>sinUl
當u改變時,/'不變!點——》點,完善成像此時A,A'互為物像,稱共物
,占、、、
近軸光所成像稱為高斯像,僅考慮近軸光的光學叫高斯光學
近軸光線經(jīng)折射球面計算的其他形式
(為計算方便,根據(jù)不同情況可使用不同公式)利用:
/以=攵=『以'
及/r=口+i=以
nt=nlV可導出
I..J1、阿貝不變量
,"7)=,一1二一"1----——----------
折射嘛端觸歌
?'Ir
…=3嘴嗯蓼時
YBRJU.11
4.(近軸區(qū))折射球面的光焦度,焦點和焦距
可見,當(n'-n)/r一定時,「僅與/有關(guān)。
由折射球面的物像位置關(guān)系T~7一一~若〃,、〃、r一定,則/變化=>/-變
化。
所以量~表征折射面偏折光線的能力,稱光焦度
JU-JU
另一方面,0一定,但L變化時,L,也會變化
,<'=也
當時
距
./=,r
當fToo時
距
物點與像點兩者是物像關(guān)系,稱共輾點。
,'MJ*M*
-=——■■II=一
由以上三式得:/'//*
以上二關(guān)系式,普適于任何光學系統(tǒng)
用才=啊尸?*=,代入物像位置關(guān)系式rl~r同時還可得到以下兩個
關(guān)系式:
S=1
/'/
?物平面以細光束經(jīng)球面所成的像
1.物平面以細小光束成像
細光束,A——》A'完善成像
同心球面AiAA2——》曲面小為4,完善成像
由公式,/變小,I'也變小,平面BxABi---》曲面BJABJ
不再是平面:像面彎曲
2.細小平面以細光束經(jīng)折射球面成像:
對于細小平面,認為像面彎曲可以忽略,平面物一一》平面像,完善成像
以下僅針對細小平面以細光束成像加以討論。
3.細小平面以細光束成像的三種放大率與拉氏不變量
利用三角形相似和阿貝不
橫向放大率(垂軸放大率)P
變量
描述光軸上一對共南點沿
軸向(沿軸)放大率a
dln'l-n/軸移動量之間的關(guān)系
描述折射前后一對光線與
角度放大率V
光軸夾角之間的關(guān)系
討論:
nl'
P=—當〃,〃’一定,/不同,則夕不同當/一定(/'一定)時,夕為常量。
n'L
6=24>0時,了/'同號,成正像,否則成倒像,夕>IH寸,爐1>加,成放大
一y像,否則成縮小像
n
。=一產(chǎn)a>0,像移動方向與物移動方向相同一般aWQ,立體物與像不再相似
n
ay=(3B、&、?之間的關(guān)系
拉氏不變量
c皿nvn=/7rv'//f=i
由一二夕=丁;得”“J
yiviv
j為拉氏不變量,它是表征光學系統(tǒng)性能的重要參數(shù)
§2-4反射球面一一球面鏡
反射是折射當〃'=-〃的特殊情況
—.物像公式
112)〃
-n'--n=——n'-n由.〃',=一'〃Z得H一+-:=-球面鏡的光焦度為0=一工
/'/r1'1rr
二.鯉f'=f=^=/"?且與r同號。
凹面鏡------1?凸面鏡
f5<o為實焦(TFF,—f5>0為虛焦7F?一C
點、凸面法「>0為虛焦點
點凹面縝re為實焦點1
三、放大率與拉氏不變量
拉氏不變量
B=
三種放大率。=一歹物像反向移動j=nyu=n'y'u'
§2-5共軸球面系統(tǒng)
實際的光學系統(tǒng)大多是共軸球面系統(tǒng),由一系列折射球面組成,幽在一條直線上。
有時也常用到平面鏡、棱鏡、平行平板等,反射平面并不對高斯成像特性產(chǎn)生影響,折
射平面可以看成是半徑為無窮大的球面。
已知:1、各球面曲率半徑八,八
2、各表面頂點的間隔d\,di,,</ki
3、折射率Mi,?2,.......,,%+1
討論經(jīng)共軸球面系統(tǒng)成像的幾個光路計算問題。
一、由入射光線求出射光線
+=1,2,...,A)
對一個面的操作[
對一個面的操作+
對=以+=1,2,…,無一1)
過渡
過渡公式{Zi+1=(i=1,2,...,1)
fe+l=hi—diUi1G=1,2,…,上一1)
二、共軸光學系統(tǒng)的放大率
a=—戶a
B=佻產(chǎn)2???代m
且夕=圖.絲上?=」里,對整個系統(tǒng)
a-。1的???彼n\1
有nk'lib…h(huán):m'uk'有:Y-----
y=yi,2???推屐j8
ay-0
三、光學系統(tǒng)的拉氏不變量及其另一表示式
由過渡公式%=巧…….乃'=方
%=勺必=引為,
=上=A--A=J
4=紂產(chǎn)(整個系統(tǒng)的)
J表征了這個光學系統(tǒng)的性能,即能以多高的物、多大孔徑角的光線入射成像。J值
大,表明系統(tǒng)能對物體成像的范圍大,成像的孔徑角大,傳輸光能多。同時,孔徑角還
與光學系統(tǒng)分辨微細結(jié)構(gòu)的能力有關(guān)。所以J大的系統(tǒng)具有高的性能。
第三章平面和平面系統(tǒng)
本章要點
i.平面鏡的像,平面鏡的偏轉(zhuǎn),雙平面鏡二次反射像特征及入、出射光線的夾角
2.平行平板的近軸光成像特征
3.常用反射棱鏡及其展開、結(jié)構(gòu)常數(shù)
4.屋脊棱鏡與棱鏡組合系統(tǒng),坐標判斷
5.角錐棱鏡
6.折射棱鏡及其最小偏角,光楔
7.光的色散
8.光學材料及其技術(shù)參數(shù)
引言
球面系統(tǒng)能對任意位置的物體以要求的倍率成像。但有時為了起到透鏡無法滿足的作
用,還常應用平面系統(tǒng)。
§3-1平面鏡
我們?nèi)粘J褂玫溺R子就是平面鏡
?平面鏡的像--鏡像
如圖:
實物成虛像虛物成實像成鏡像
JI-MM
由萬7~當n'=-n時且/■TB時
得:表明物像位于異側(cè)
-=1
成正像
物像關(guān)于鏡面對稱,成像完善,但右手坐標系變成左手坐標系,成鏡像。
由圖可見:平面鏡能改變光軸方向,將較長的光路壓縮在較小空間內(nèi),但成鏡像,會
造成觀察者的錯覺。因此在絕大多數(shù)觀察用的光學儀器中是不允許的。
奇次反射成鏡像偶次反射成一致像
當測桿處于零位時,平面鏡處于垂直于光軸的狀態(tài)M,此時尸點發(fā)出的光束
經(jīng)物鏡后與光軸平行,再經(jīng)平面鏡反射原路返回,重被聚焦于F點。
當測桿被被測物體頂推移動x而使平面鏡繞支點轉(zhuǎn)過。角而處于對狀態(tài)時,
平行光被反射后要相對于光軸轉(zhuǎn)過2a角,并被物鏡聚焦于月’處。由于轉(zhuǎn)角a
很小,此裝置的位移量放大倍數(shù)
.■空■也跑“紅
xytgay
§3-1雙平面鏡
對于夾角為a的雙平面鏡系統(tǒng):
a=0時,像有無數(shù)個,分布如右
a=?c時,單平面鏡,像有一個
a為任意角時成像若干個。
研究經(jīng)兩個反射面各成像一次的情況。
ZXQ4=a+F+(a-£)
NX32"=2a
都是沿第一反射鏡到第二反射鏡的方
向。物的位置一定,則像與物的夾角只
與雙平面鏡的夾角有關(guān)。當雙平面鏡轉(zhuǎn)
動時,二次反射像是不會動的。
入射光線與出射光線的夾角
6=2(4+4)=2“
光線經(jīng)雙鏡反射后,其出射光線與入射光線的夾角是雙鏡夾角a的兩倍,且由于A角
只決定于雙鏡的夾角d,當繞棱鏡轉(zhuǎn)動雙鏡時,出射光線的方向不變。
出射光線不穩(wěn)定五角棱鏡兩反射面的夾角一定則出射光線穩(wěn)定
§3-3平行平板
由兩個相互平行的折射平面組成的光學零件,在光
學儀器中應用較多。如分劃板、顯微鏡載物臺上的
載波片和蓋玻片、濾光片和濾色片、補償平板及保
護玻璃片等。反射棱鏡也展開成平板,因此研究平
行平板的成像具有重要意義。
.平行平板的近軸光成像特性
軸向位移:△『二AA
逐面應用折射球而物像公式并結(jié)合過渡公式,考慮到,可得
Y1
£=房氏=1
平行平板總對物成同等大小的正立像,物與像總在平板的同側(cè),兩者虛實不一致。
不論物距為何值,像相對于物的位置總不改變。
即軸向位移:+d=
n
該式中無u,完善成像
平行平板不改變光線的方向,只改變像的位置
-物點A以實際光線(U有一定大?。┙?jīng)平行平板成像
AF=DG=dsinJi(l--2也)
ncosJi,
AZ'=^*=d(l-鳴
sinhtgh
母』d(lJ
n
Ai'=d(l-->
u很小時,n
§3-4反射棱鏡
用反射鏡可以改變光軸方向、減小長度、實現(xiàn)轉(zhuǎn)像等。但需要鍍增反膜,不耐久,
并且由于不完全反射造成光能能損失,裝校也不方便。
在許多場合下用反射棱鏡,優(yōu)點是裝配方便,減少光能損失。當需要大面積反射時再使
用反射鏡。
主要利用全反射原理。不滿足喳界魚的反射面要鍍反射膜。
?一次反射棱鏡成鏡像
等腰直角棱鏡,相當于一
光軸轉(zhuǎn)折任意角度的一次達夫棱鏡:光軸與斜面平
個平面鏡。一次反射成鏡
反射棱鏡行的直角棱鏡
像,光軸轉(zhuǎn)90度
達夫棱鏡對物成鏡像,光軸方向不變。當棱鏡繞光軸轉(zhuǎn)90度時,像轉(zhuǎn)180度。
以等腰直角楂鏡轉(zhuǎn)實
現(xiàn)周視。
達夫棱鏡以等腰直角
棱鏡旋轉(zhuǎn)角速度的一
半轉(zhuǎn)。
?二次反射棱鏡--相當于雙平面鏡系統(tǒng)。
光軸轉(zhuǎn)90度光軸轉(zhuǎn)180度光軸轉(zhuǎn)60度光軸平移光軸轉(zhuǎn)45度
?三次反射棱鏡--施密物棱鏡
成鏡像,光軸轉(zhuǎn)45度,大大縮小筒長,結(jié)構(gòu)緊湊
?棱鏡的展開與結(jié)構(gòu)常數(shù)
—反射棱鏡可以展開成平行平板,它在光線傳播中的作用相當于一塊平板
只要逐個作出棱鏡經(jīng)反射面所成的像,即可將反射棱鏡展開成平板。
結(jié)構(gòu)常數(shù)一一光軸在棱鏡中的長度(一般即為等效平板的厚度)與通光口徑之比
K=d/D
通光口徑一一允許通過的光斑最大直徑
結(jié)構(gòu)常數(shù)K=1結(jié)構(gòu)常數(shù)K=2斜方棱鏡K=2
達夫棱鏡K與折射率有關(guān)
0r
五角棱鏡K=3.414sin(45-j)
sin(45°-ir)
?屋脊棱鏡與棱鏡組合系統(tǒng)
1.屋脊棱鏡:對奇次反射的反射棱鏡,為避免鏡像,可加一個屋脊。
屋脊就是將一個反射面用兩個互成直角的反射面來代替,其交線平行于原反射面,且在
主截面上。它的作用是使與屋脊垂直的坐標單獨改變一次方向,相當于增加一次反射。
2.由物坐標求像坐標
原則:①光軸方向z,不變
②垂直于主截面的坐標X'視屋脊個
數(shù)而定
③y坐標根據(jù)總反射次數(shù)而定
3.棱鏡組合系統(tǒng)(用來倒像)
有的光學系統(tǒng),如望遠鏡,為了測量要
有中間實像平面,但得到倒像。要使該
倒像再倒過來成正像,需要棱鏡組合系
統(tǒng)。
別漢棱鏡組
?角錐棱鏡
角錐棱鏡的三
個反射面兩兩
互成直角,使光
線轉(zhuǎn)過180
度??梢杂檬噶?/p>
形式的反射定
建驗證。
要用矢量形式的反射定律驗證。:
第一反射面xoz--------N\=-J
第二反射面yoz--------N2=-1
第三反射面xoy--------N3=-k
令%=〃+時+睢,逐步得《嗎,4,a^=-1i-mj-nk與勺反向平行
§3-5折射棱鏡
一、概念:
反射棱鏡——利用表面的反射作用折射棱鏡——利用表面的折射作用
折射棱——入射面與
出射面的交線
折射角----頂角a
偏向角6——入射
光線與出射光線的夾角
從入射光線轉(zhuǎn)到出射光
線,順正逆負
二、偏向角的求出
sinA=nsinJi'COS|(J1'+J2)
a=sin1(cr+5)=nsiny?
由sinld=月sinA及幾何關(guān)系a+3=人一方得COS}(J1+
對于給定棱鏡,n,a一定,3僅隨L變,是L的函數(shù)。
三、最小偏向角及其應用
旦]—也
由a+J=五一/r,得di】
dl2_cos4cosJ?
>di】cos%cos/j
sinJ^MsinJi'cosl.dl^ncos^
由sinAiMsinA得cos^dJ;=次皿也
又a=K一%所以dl;=d4
dScoslcosLcos7COSJJ
----=u,,=1-------2-=--------
令d&所以cosJ1cos±即cosl?cos4
sinJj_sin4_
比較嬴逐一而i一只有口=-1?時6為極小值
sin—(a+5.)=月sin—
此時2、a,2。利用最小偏角可測量棱鏡折射莖。
四、討論
①折射角a很小很小,a—>0,棱鏡->平板,8=0
②a很小,為光楔。
4=a=1^-Ij,..
sin-(a+(5)ssnsin—=>a+5=?a
所以公,2
得<5=Qi_l)a
1,<、.acosZ-,cos4..
sin-(a+5)=MSin------專S=a(n-----7--1)
人有一定大小,22cos4,所以cos《
③雙光楔用兩個光楔相對轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生不同的偏角
§3-6光的色散和光學材料
為什么白光通過棱鏡會看到彩虹?
-光的色散
對于不同波長的光線,光學材料具有不同的折射率,即〃=當九小時折射率大。
自然光通過三棱鏡將得到由紅到紫排列的光譜。
光的色散現(xiàn)象證明光學材料對不同波長的光折射率不同。在進行光學儀器設(shè)計時,我
們必須考慮到光學材料的這種性質(zhì)。
?光學材料
光學系統(tǒng)中以折射零件和反射零件為主,反射零件主要性能在于其反射率及其穩(wěn)定性,
折射零件的性能主要在于透明度、吸收系數(shù)、透明波段等。
光學材料主要包括光學玻璃、光學晶體和光學塑料等。
1、光學玻璃的技術(shù)參數(shù)
符號ArCDdg■gGh
顏色紅黃綠青藍紫
768.2706.5486.1
589.3587.6546.1434.0404.7
656.3435.8
元素KHeHNaHe%HHgHBe
對于光學設(shè)計來說,折射率和色散是其主要參數(shù)。
人眼最靈敏波長是555nm,兩個極端是C光,F(xiàn)光。
nxi-nn
211
阿貝常數(shù)相對色散
平均色散部分色散
(平均色散系數(shù))(部分色散系數(shù))
用n和v可以表征玻璃的光學性能。
例如:K9玻璃,n=1.5163,v=64.1一般玻璃?=1.4至例
2、光學玻璃分類及其技術(shù)參數(shù)
K冕牌玻璃特征是〃小v大,有QKKPKBaKZKLaK等
F火石玻璃特征是“大口小,有KFQFBaFFZFZBaFLaFTFZLaF等
一般玻璃廠家都提供n-v便于設(shè)計者從中選擇光學玻璃。
另外材料的光學均勻性、化學穩(wěn)定性(〃大時往往較軟,化學穩(wěn)定性差)氣泡、條紋、
內(nèi)應力等,皆對成像有影響??傊畱鶕?jù)儀器要求挑選不同等級的玻璃。
當設(shè)計激光光學系統(tǒng)、紅外、紫外等光學系統(tǒng)時,須計算其他波長的折射率,可利用經(jīng)
驗公式,如Schott公式:
對于反射材料,由于沒有色散,不必考慮阿貝數(shù),其唯一特性是反射率。通常需要
采用鍍反射膜的方法提高反射率,在可見光波段可以鍍銀或鋁。銀比鋁反射率高,鋁的
反射率比銀穩(wěn)定。具體鍍什么金屬反射膜要根據(jù)所用波段而定。
第四章理想光學系統(tǒng)
?本章要點
1.理想光學系統(tǒng)原始定義
2.理想光學系統(tǒng)的焦點、焦平面、主點、主平面
3.理想光學系統(tǒng)的節(jié)點
4.理想光學系統(tǒng)的物像位置關(guān)系,牛頓公式和高斯公式
5.理想光學系統(tǒng)物方焦距與像方焦距的關(guān)系
6.理想光學系統(tǒng)的拉氏不變量
7.理想光學系統(tǒng)的光焦度及其與焦距的關(guān)系
8.理想光學系統(tǒng)的垂軸放大率、沿軸放大率和角放大率及其關(guān)系
9.幾個特殊位置的三種放大率
10.理想光學系統(tǒng)的作圖法
11.理想光學系統(tǒng)的組合:作圖法和計算法
12.遠距型和反遠距型理想光學系統(tǒng)模型
13.多光組組合,正切計算法,截距計算法
14.各光組對總光焦度得貢獻
15.焦距儀基本原理
16.望遠鏡系統(tǒng)的理想光學系統(tǒng)模型
17.視覺放大率概念
18.望遠鏡與其他光組的組合
19.薄透鏡成像原理
20.厚透鏡的基點和基面及其與光組組合的關(guān)系
引言
單個折射球面(或反射
球面)
對細小平面以細光束成完善像
單薄透鏡
「對具有一定大小的物(視--------、
實際光學系統(tǒng)Y場)成像有缺席
以寬光束(孔徑)
一個光學系統(tǒng)必須由若干元件組成,經(jīng)反復精密計算,使
其成像接近完善。
開始時,首先將系統(tǒng)看成是理想的
§4-1理想光學系統(tǒng)及其原始定義11
理想光學系統(tǒng)——像與物是完全相似的
物空間像空間
點--->共加點
直線一>共軌直線
共胡直線上的共
直線上的點一>
物點
理想光學系統(tǒng)理論-高斯光學
§4-2理想光學系統(tǒng)的基點和基面
一、焦點F,F,與焦平面[]
__FELEF'、、-、
U方無窮遠A/cc口}F':后焦點,像方焦點
軸上物點F:二黑'°F)}“(8處)F:前焦點,物方焦點
?F':物方無窮遠垂軸平面的共規(guī)平面為通過F'的垂軸平面(后焦平面,
方焦面)
fA:像方無窮遠垂軸平面的共胡平面為物方過F的垂軸平面(前焦平市
物方焦面)
注意:這里F與F,不為共朝點,A與A,也不為共朝點
二、主點H,H'和主平面□
延長TEI,FS1交于Q、QHL0.01H,H'亦為一對共胡
延長SkR,EkF'交于Q'點Q'H'IC{OJ點
H,H'——物(像)方主點,前(后)主點,QH,Q'H'——物(像)方主面,前(后)
主面,且HQ與HQ,共輾,B=1,物、像方主面是一對6=1的物像共輾面
光學系統(tǒng)總包含一對主點(主平面),一對焦點(焦平面),前者是一對共粗點(面),
后者不是
一h像方焦距,后焦距
tg〃’
(H)
,=詼=上物方焦距,前焦距精負
tg。
只要一對主點、一對焦點的相對位置一定,一個光學系統(tǒng)的理想模型就定了。
單個折射球面、球面鏡和薄透鏡都相當于兩個主面重合在一起的情況。
H,H',F,F’四點稱為光學系統(tǒng)的基點
四、節(jié)點和節(jié)平面一一Y=1的一對共視點口
§4-3物像位置和三種放大率、兩種焦距和光焦度
一、理想光學系統(tǒng)的物像位置關(guān)系和橫向放大率B0
1.以F,P為原
點
y
7一-f
xV二ff'牛頓公式^=-=-^=--
JJyjx
2.以H,H'為原點X=l-f_1,斯八葉
,,一代入牛頓公式得----1-1問斯公式
由xr=/r-/p/
由高斯公式R嬴一1
此時產(chǎn)=一看n'n?'n
?"T=7=-7
后面會看到
fn
111
單個折射球面公式具有普遍性當〃,="時,化為———=-
/'//'
與單個透鏡物像公式相&/,夕與/,/有關(guān)。當/一定時,夕與y的大小
*=-
同,這時/無關(guān)
二、理想光學系統(tǒng)兩焦距的關(guān)系和拉氏公式[]
由月=一/tg(-U)—/rtgU'即(x+7)tgCJ=(xV)tg^'
并丫_y
x--/--,-x'=-^f代入之得yf^U=-y'f^U'
由y,y
對近軸區(qū),有幽=一尸'加1尸jf
兩焦距的關(guān)系
」/〃
結(jié)合nyu=n'y'u'
若〃'=〃,則/=/如空氣中折射系統(tǒng)fn>
若包含k個反射面,則—=(—1)-
若n'=-n,則/=/;如反射球面f汽
nytgU=n'y'tgU'理想光學系統(tǒng)的拉氏公式口
三、光束的會聚度和系統(tǒng)的光焦度□
折合物V(-)表示發(fā)散光
n'nri'nn距束
『rfg折合像,倒數(shù),會聚度
V(+)表示光束會
~n,距聚
一,(-)表起發(fā)散作用
f折人隹
…7y倒數(shù),光焦度中(+)表示起會聚作
V-V=(pn距
用
光焦度等于像方光束會聚度與物方光束會聚度之差它表征光學系統(tǒng)偏折光線的能
力。單位:屈光度——以米為單位的焦距的倒數(shù)。眼鏡的度數(shù)=屈光度數(shù)x100
£1
四、軸向放大率、角度放大率及其與橫向放大率的關(guān)系
1.軸向放大率——像與物沿軸移動量之比
由xx,=/F得xdx'+x'dx=0
dx'xx'ff_f
a=——
dx
nz72仍成山當n=n2
所以a=—pa=立體物像不再相似
n時
2.角放大率一一像方、物方傾斜角的正切之比[1
a7=B仍然成立
3.對薄透鏡,幾個特殊位置的B、a、丫
1.物在無窮遠,像與像方焦面重合A
I->-co,l'=X=-CO,x'=0
2.物在2倍物方焦距處
l==x'=f
B=—1,a=1,,=-1
3.物與物方焦面重合時
I=—f\l'=±8,X=0,x'=±co
§=+co,a=co,,=0
4.物與H重0、[[
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