郁道銀主編工程光學知識點要點

1、第一章小結（幾何光學基本定律與成像概念）1、光線、波面、光束概念。光線：在幾何光學中，我們通常將發(fā)光點發(fā)出的光抽象為許許多多攜帶能量并帶 有方向的幾何線。波面：發(fā)光點發(fā)出的光波向四周傳播時，某一時刻其振動位相相同的點所構成的 等相位面稱為波陣面，簡稱波面。光束：與波面對應所有光線的集合稱為光束。2、幾何光學的基本定律（內(nèi)容、表達式、現(xiàn)象解釋）光的直線傳播定律：在各向同性的均勻介質(zhì)中，光是沿著直線傳播的。）光的獨立傳播定律：不同光源發(fā)出的光在空間某點相遇時，彼此互不影響， 各光束獨立傳播。）反射定律和折射定律（全反射及其應用）：反射定律：1、位于由入射光線和法線所決定的平面內(nèi)；2、反射光線和入射

2、光線 位于法線的兩側，且反射角和入射角絕對值相等，符號相反，即 I=-I。全反射：當滿足1、光線從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)入射，2、入射角大于臨界角時， 入射到介質(zhì)上的光會被全部反射回原來的介質(zhì)中，而沒有折射光產(chǎn)生。sinIm=n/n ,其中Im為臨界角。應用：1、用全反射棱鏡代替平面反射鏡以減少光能損失。（鍍膜平面反射鏡只 能反射90%左右的入射光能）2、光纖折射定律：1、折射光線位于由入射光線和法線所決定的平面內(nèi)；2、折射角的正弦和入射角的正弦之比與入射角大小無關，僅由兩種介質(zhì)的性質(zhì)決定。nsinI =nsinI應用：光纖）光路的可逆性光從A點以AB方向沿一路徑S傳遞，最后在D點以CD方向出射，

3、若光從D點以CD方向入射，必原路徑S傳遞，在A點以AB方向出射，即光線傳播是可逆的。）費馬原理光從一點傳播到另一點，其間無論經(jīng)歷多少次折射和反射，其光程為極值。（光是沿著光程為極值（極大、極小或常量）的路徑傳播的），也叫“光程極端定律”。6）馬呂斯定律光線束在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時， 始終保持著與波面的正交性，并且入射 波面與出射波面對應點之間的光程均為定值。折/反射定律、費馬原理和馬呂斯定律三者中的任意一個均可以視為幾何光學的一個基本定律，而把另外兩個作為該基本定律的推論。3、完善成像條件（3種表述）1）、入射波面為球面波時，出射波面也為球面波；2）、入射光束為同心光束時，出射光束也為同

4、心光束；3）、物點A1及其像點Ak之間任意二條光路的光程相等。4、應用光學中的符號規(guī)則（6條）1）沿軸線段（L、L、r）:規(guī)定光線的傳播方向自左至右為正方向，以折射面頂 點O為原點。2）垂軸線段（h）:以光軸為基準，在光軸以上為正，以下為負。3）光線與光軸的夾角（U、U）:光軸以銳角方向轉(zhuǎn)向光線，順時針為正，逆時針 為負。4）光線與法線的夾角（I、I）:光線以銳角方向轉(zhuǎn)向法線，順時針為正，逆時針 為負。5）光軸與法線的夾角（0）:光軸以銳角方向轉(zhuǎn)向法線，順時針為正，逆時針為6）相鄰兩折射面間隔（d）:由前一面的頂點到后一面的頂點，順光線方向為正,逆為負5、單個折射球面的光線光路計算公式（近軸、

5、遠軸）cm*一 J%，=，*rn ncm*一 J%，=，*rn n 村冏=，r l r公聶;、意義）1）垂釉放大率 。七=5Fl jf判斷像的lE倒、虛立及縮放和2）軸向放大率3放大率a = p 5）拉林不變過J=nTu:y =nuy垂軸放大率成像特性:0,成正像，虛實相反；/0,成倒像，虛實相同|自1,放大；|產(chǎn)1 ,縮小。軸向放大率結論：折射球面的軸向放大率恒為正，軸向放大率與垂軸放大率不等。角放大率：表示折射球面將光束變寬變細的能力； 只與共鈍點的位置有關，與光 線的孔徑角無關。7、球面反射鏡成像公式J = uy，= - uy1 + 1 2 卜 T8、共軸球面系統(tǒng)公式（過渡公式、成像放大

6、率公式）第二章小結（理想光學系統(tǒng)）1、什么是理想光學系統(tǒng)？為了系統(tǒng)的討論物像關系，挖掘出光學系統(tǒng)的基本參量，將物、像與系統(tǒng)件的內(nèi) 在關系揭示出來，可暫時拋開光學系統(tǒng)的具體結構（r,d,n）,將一般僅在光學系統(tǒng)的 近軸區(qū)存在的完善成像，拓展成在任意大的空間中一任意寬的光束都成完善像的理想 模型。簡單的說就是物像空間滿足”點對應點，直線對應直線，平面對應平面”的光 學系統(tǒng)。2、共軸理想光學系統(tǒng)的成像性質(zhì)是什么？ （3大點）1）位于光軸上的物點對應的共鈍像點也必然位于光軸上；位于過光軸的某一個截面內(nèi)的物點對應的共鈍像點必位于該平面的共鈍像面內(nèi)；同時，過光軸的任意截面成像性質(zhì)都是相同的2）垂直于光軸的

7、平面物所成的共鈍平面像的幾何形狀完全與物相似。3）如果已知兩共鈍面的位置和放大率，或者一對共鈍面的位置和放大率，以及 軸上兩對共鈍點的位置，則其他一切物點的像點都可以根據(jù)這些已知的共鈍面和共鈍 點來表示。3、無限遠的軸上（外）物點的共鈍像點是什么？它發(fā)出的光線有何性質(zhì)？像方焦點；它發(fā)出的光線都與光軸平行。4、無限遠的軸上（外）像點的對應物點是什么？物方焦點5、物（像）方焦距的計算公式為何？f=h/tanU h為平行光線的高度，U為像方孔徑角6、物方主平面與像方主平面的關系為何？互為共鈍。光學系統(tǒng)的基點及性質(zhì)？有何用途？一對主點和主平面，一對焦點和焦平面，稱為光學系統(tǒng)的基點和基面。一束平行光線經(jīng)

8、過系統(tǒng)后交于像方焦平面上一點，物方焦平面上一點光源發(fā)射出 的光線經(jīng)過系統(tǒng)后是一組平行光線?？捎弥苯颖硎竟鈱W系統(tǒng)，便于推斷和計算光路7、圖解法求像的方法？（可選擇的典型光線和可利用的性質(zhì) 5條+1條）8、解析法求像方法為何？（牛頓公式、高斯公式）1）牛頓公式：工工,二獷fZJ 上 y x fr2）高斯公式：+ -1p = 一-=-V Iy n1 一】同一廠9、由多個光組組成的理想光學系統(tǒng)的成像公式？（過渡公式）10、理想光學系統(tǒng)兩焦距之間的關系?11、理想光學系統(tǒng)的放大率？（定義、公式、用途、與單個折射面公式的區(qū)別和聯(lián)系）1 j軸向放大率奴出/僦/母a - 二 ct =一a 二 一，_ 二-nd

9、x dl x/ n2）角放大率砥b器1V = r 3）三種放大率之間的關系 ay - p12、理想光學系統(tǒng)的組合公式為何？正切計算法? TOC o 1-5 h z 卜）焦距： 小-半片華 I AA2 ）光焦度： 夕二%+一旬佻 夕二%+ %3）焦點位置：4 =八1-山 ”川+jJis O=必F A F A4）主平面位置：7；=-/-r?f* ri -/ f5 ）正切計算公式:r - fj-館 5 =，菰，2 /h2 = A - djgU；1313、幾種典型的光組組合及其特點（組成、特點和應用）？1 ）遠攝物鏡1 ）遠攝物鏡22）反遠距型物鏡.3）望遠鏡 r4 ）顯微優(yōu).3）望遠鏡 r4 ）顯微

10、優(yōu)5 ）透鏡P37第三章小結（平面與平面系統(tǒng)）1、平面光學元件的種類？作用？ （ 4種）平面反射鏡，唯一能成完善像的最簡單的光學元件，可用于做光杠桿平行平板，平行平板是個無光焦度的光學元件，不使物體放大或縮小，反射棱鏡，實現(xiàn)折轉(zhuǎn)光路、轉(zhuǎn)像和掃描等功能。折射棱鏡，改變光線的出射角，可用于放大偏轉(zhuǎn)量。2、平面鏡的成像特點和性質(zhì)？平面鏡的旋轉(zhuǎn)特性？每一點都能成完善像，并且像與物虛實相反。r=T戶=1 8 = %平面鏡轉(zhuǎn)動%反射光線轉(zhuǎn)動0O奇數(shù)次反射成鏡像，偶數(shù)次反射成一致像。3、光學杠桿原理和應用？（測小角度和微位移）從透鏡物方焦點發(fā)出光線束，經(jīng)過系統(tǒng)后成平行光束經(jīng)過微小偏轉(zhuǎn) 0的平面鏡后 反射，再

11、經(jīng)過系統(tǒng)匯聚在像方焦平面上，測得垂軸距離 y,則y=f tan2 0=2,0測桿 支點與光軸距離a,移動量x, 0 =tan 0 =x/a,o, y=（2f7a）x=Kx , K為放大倍數(shù)。4、平行平板的成像特性？ （ 3點）近軸區(qū)內(nèi)的軸向位移公式？平行平板是個無光焦度的光學元件， 不使物體放大或縮小，只將像從物位置進行 一個軸向平移。近軸區(qū)能成完善像，非近軸區(qū)不能成完善像。5、加平面鏡、平行平板的成像計算。6、反射棱鏡的種類（4種）、基本用途、棱鏡的主截面、成像方向判別、等效 作用與展開。簡單棱鏡，改變出射角，增加光程屋脊棱鏡，得到與物體一致的像立方角錐棱鏡，出射光線平行于入射光線像與物僅發(fā)

12、生一個平行平移復合棱鏡，實現(xiàn)特殊功能，如分光、分色、轉(zhuǎn)像、雙像等成像方向的判斷1）、Oz坐標軸與光軸出射方向一致2）、垂直于主界面的坐標軸 oy,若有奇數(shù)個屋脊面，則像方向與物方向相反； 若有偶數(shù)個屋脊面，則方向相同3）、平行于主界面的坐標軸 Ox,（一個屋脊面當兩個反射面）若有奇數(shù)個反 射面，則像坐標系與物坐標系相反；若有偶數(shù)個反射面則相同4）遇到透鏡，Ox、Oy均轉(zhuǎn)向。7、折射棱鏡的作用？具最小偏向角公式及應用改變光線的出射角，可用于放大偏轉(zhuǎn)量。儀+. asin=#$in一%為棱鏡頂角，S為偏向角。當光線的光路對稱與折射棱鏡時， 偏向角最小。已知,測的最小偏向角S,即可求得棱鏡的折射率n8

13、、光楔的偏向角公式及其應用（測小角度和微位移）5 = a（n - 1）S =2（n1） 0c cos 0為赭光楔相對旋轉(zhuǎn)的角度。當0=90時可用于測微小位移，單個棱鏡的偏向角S已知，棱鏡間距離Az已知, 則垂軸方向的微小位移 丫=4=（n-1） a Az9、棱鏡色散、色散曲線、白光光譜的概念。棱鏡色散：同一透明介質(zhì)對于不同波長的單色光具有不同的折射率，故復合光經(jīng)過棱鏡后能被分解成多種不同顏色的光。色散曲線：將介質(zhì)的折射率隨波長的變化用曲線表示。白光光譜：狹縫發(fā)射出的白光經(jīng)過透鏡準直為平行光， 平行光經(jīng)過棱鏡分解為各 色光，經(jīng)過透鏡匯聚在焦平面上排列成各種顏色的狹縫像。10、常用的光學材料有幾類

14、？各有何特點？光學玻璃，制造工藝成熟，品種齊全，一般能透過波長為0.352.5 pm的各色光，超出波段范圍的光會被強烈吸收光學晶體，透射波段比光學玻璃寬，應用日益廣泛光學塑膠，價格便宜、密度小、重量輕、易于壓制成型、成本低、生產(chǎn)效率高和 不易破碎等諸多優(yōu)點，主要缺點是熱膨脹系數(shù)和折射率的溫度系數(shù)比光學玻璃大的 多，受溫度影響大成像質(zhì)量不穩(wěn)定。第四章小結（光學系統(tǒng)中的光闌與光束限制）1、什么是光闌？限制成像光束和成像范圍的遮光片稱為光闌。2、什么是孔徑光闌（作用）、入瞳、出瞳、孔徑角？它們的關系如何？限制軸上物點孔徑角大小，并有選擇軸外物點成像光束作用的光闌。入瞳/出瞳：孔徑光闌經(jīng)前/后光學系統(tǒng)

15、在物/像空間所成的像?？讖浇牵汗廨S上的物體點與透鏡的有效直徑所形成的角度?？讖焦怅@、入瞳和出瞳三者是物像關系。主光線：通過入瞳中心的光線。3、什么是視場光闌（作用）、入窗、出窗、視場角？它們的關系如何？限制成像范圍的光闌。類似于入/出瞳。視場角：主光線與光軸的夾角物方視場角：在物空間，入窗邊緣對入瞳中心張的角像方視場角：在像空間，出窗邊緣對出瞳中心張的角。視場光闌、如窗、出窗三者成物像關系4、什么是漸暈、漸暈光闌、漸暈系數(shù)？漸暈光闌和視場光闌的關系如何？漸暈：由軸外點發(fā)出的充滿入瞳的光線被其他光孔遮攔的現(xiàn)象漸暈光闌：為了改善軸外點的成像，有意識的縮小某一二個透鏡直徑，擋去一部分成像光線，這種被

16、縮小孔徑的透鏡或光闌被稱為漸暈光闌漸暈系數(shù)：軸向光束的口徑為D,視場角為3的軸外光束在子午截面內(nèi)的光束寬度為D3,這D3與D之比稱為“漸暈系數(shù)”，用 K3表示，即K3=Da/D5、系統(tǒng)中光闌的判斷方法如何？根據(jù)定義出發(fā)，尋找限制入射光束寬度的光闌（孔徑光闌），限制成像光束的光闌（視場光闌）a、做出后光學系統(tǒng)即遮光片經(jīng)前光學系統(tǒng)的像b、將物點與所有“像”的邊緣連起來，比較“孔徑角”，最小的為入瞳，對應的物即為“孔徑光闌”c、從入瞳中心引出過“像”邊緣的主光線，比較“視場角”，最小的為入窗，對應的物即為“視場光闌”6、照相系統(tǒng)的基本結構怎樣？成像關系和光束限制情況 ？（看第七章）7、望遠系統(tǒng)的基本

17、結構怎樣？成像關系和光束限制情況 ？8、顯微系統(tǒng)的基本結構怎樣？成像關系和光束限制情況 ？物方遠心光路原理與作用.遠心光路：孔徑光闌在物鏡像方焦平面上， 入瞳位于無窮遠處，軸外點主光線平 行于光軸。作用：物即使不在設計位置，所成像調(diào)焦不準，但彌散圓中心間距不變，不會產(chǎn) 生太大誤差。9、光瞳銜接原則是什么勸什么要遵守該原則？前面系統(tǒng)的出瞳和后面系統(tǒng)的入瞳重合， 使前面得入射光線能全部透過后面的系 統(tǒng)。10、場鏡的定義、作用、成像關系？在一次實像面處所加的起收斂孔徑角作用的透鏡。收斂目鏡物方孔徑角，還能調(diào)節(jié)出瞳距離。由于場鏡的物（即物鏡的像）在鏡上，所以像也在鏡上?？上虿?、正弦差、像散、位置色差

18、、倍率色差。不能消場曲、畸變。11、什么是景深、遠景景深、近景景深？景深公式和影響因素？景深：能在景象平面上獲得清晰像的物方空間深度范圍稱為景深能成清晰像的最遠/近的物平面稱為遠/近景平面，它們距對準平面的距離稱遠/ 近景深度。景深與入瞳孔徑有關，孔徑角越小，景深越大。（拍照時，調(diào)小光圈能獲得大的空間深度的清晰像），與景象平面有關，當景象平面與物鏡距離p=2a/ e時，可得到距入射光瞳為a/ e處的平面至無限遠的整個空間的物體的清晰像。具體公式看書P68-71.第六章小結（光線的光路計算及像差理論）1、光線的光路計算方法。2、什么是像差？共有幾種像差？消像差的基本原則是什么？實際像與理想像之間

19、的差異叫做像差。7基本原則：把主要像差消掉。3、各種像差的定義、影響因素、性質(zhì)、消像差方法?言稱畜晌因素性前危害校正球差孔徑彌散斑正負組臺、邊掾孔筏,特殊粒直正在差孔徑與孔徑光闌營美生對程H九徑光閨位置、特殊位置犍差孔徑，視場關于孔徑的借函跛, 關于視場的奇函數(shù)、彗星狀彌散據(jù)對稱式結狗像做視場細光束)特殊位置不存在不同位苴成像情 況小同特殊位苴、孔闌中心場曲視場(細光束)視場苑為5值為0中心與也綾才能 同時清晰邊綾視場ns現(xiàn)場垂軸像差，有正負像失真對稱式砧胸、邊 緣現(xiàn)場色爰位置孔徑彩色彌正負蛆合 0.707 孔徑倍率視場一邊就機場4、哪些像差與孔徑有關？哪些像差與視場有關？5、什么是單個折射球

20、面的不暈點(齊明點)？有何性質(zhì)？不產(chǎn)生球差的點需滿足：1) L=0,即物點和像點均位于球面頂點2)sinI-sinI =0,即I=I=0,表示物點和像點均位于球面的曲率中心3)sinI -sinU=0,即 I =U,可得出 L=(n+n )r/n, L -(n+n )r/n :該面的垂軸放大率B =nL7n L=(n/n ) 2校正了球差且滿足正弦條件的點叫做齊明點或叫不暈點?；?不產(chǎn)生像差的點叫做齊明點或不暈點。常利用齊明點的特性來制作齊明透鏡，以增大物鏡的孔徑角，用于顯微鏡或照明 系統(tǒng)。6、了解七種像差的計算方法、級數(shù)展開形式。7、了解七種像差的初級像差的分布式表示式。球差6L： -定K2

21、 S,正弦差SCI =-1 k1 V S12J 丁.子午普及- 7i-;與 s* 皿矢當普K2 工 p”；細光束象放-山? ”細光束子午場曲-k仲跖+打）細光束弧火場曲寸0不、(? s. +-干s J匹茲萬場曲-小辛s.畸變8必0F：W 4 s，位置色差“ =-總 9J倍率色差Ay；o a式中的初級象差分布系數(shù)如下式所示：Sj = /wni( i _”)(_ u ) S| = /Mniz(i u ) = Sj i *Sj = 7 ()(_ U )-L= s1T 外/ 一 ” = JX Z-1*nf nrSy = (3. + S)I. f , dnCT = h”Ai,Cj = luni = C

22、j K11du chi duA=；n nf n第七章（典型光學系統(tǒng)）小結1、正常眼、近視眼和遠視眼的定義和特征是什么？應如何校正非正常眼？調(diào)節(jié)能力的計算公式是什么（7-1） ?人眼的分辨率=?眼睛的遠點在無限遠處，即光學系統(tǒng)的后焦點在視網(wǎng)膜上，稱為正常眼；遠點位于眼前有限距離，后焦點在視網(wǎng)膜前，稱為近視眼，需佩戴一負透鏡；遠點位于眼后有限距離，后焦點位于視網(wǎng)膜后，稱為遠視眼，需佩戴一正透鏡。透鏡的焦距為f,眼睛白遠點lr,使佩戴后眼睛的發(fā)散度 R=1/lr-1/f。遠點距離lr,近點距離lp,遠/近點發(fā)散度R=1/l r, P=1/lp,單位為屈光度（D）, 眼睛的調(diào)節(jié)能力A=R-P。R表示近

23、視眼或遠視眼的程度，稱為視度。人眼具有瞳孔調(diào)節(jié)和視度調(diào)節(jié)的能力。人眼能分辨的物點間最小視角稱作視角鑒別率 e,產(chǎn)60，眼睛的分辨能力或視覺敏銳度=1/4的單位是分）。2、什么是視覺放大率？表達式及其意義？它與光學系統(tǒng)的角放大率有何異同？j* r tgcd igcd= 二表示對人眼張角的放大倍率，角放大率是一對共鈍點及其共鈍光線所張孔徑角的正切比，而視覺放大率是物體 經(jīng)過光學系統(tǒng)所成的像與它本身對眼睛張角的正切比。3、放大鏡的視覺放大率為何？（注意條件） / = oco=D/ = 25O/當 /一廠=0（250根布）一 250 .尸4、顯微鏡系統(tǒng)：P1401）組成（光學結構特點）、成像關系、光束

24、限制（生物顯微鏡和測量顯微鏡）物鏡（孔徑光闌、入瞳），測量時，孔徑光闌在物鏡像方焦平面上，在物鏡像面 上放一透明分劃板（視場光闌），目鏡，物在物鏡的物方焦點附近，經(jīng)物鏡成一倒立 實像在目鏡的物方焦點附近，再經(jīng)過目鏡成一正立的放大的虛像（總的還是倒立的） 出瞳對眼睛瞳孔。2）視覺放大率公式：二250_您二一二g 二可3）線視場公式：光學系統(tǒng)在物空間能成清晰像的范圍v =. 國 r顯微鏡的視覺放大率越大，其在物空間的線視場越小。）數(shù)值孔徑、出瞳D:NA-nsiim, DT= 5OONA5）物鏡的分辨率：光學系統(tǒng)所成像符合理想時，光學系統(tǒng)能分辨的最小間隔a _ 0.61a _ 0.612c - h；=0 心 in“NA6）顯微鏡的有效放大率：500NAMW1000NA7）物鏡的景深:kaTaL fTa!8）視度調(diào)節(jié):一女砌100010005、臨界照明和坷拉照明中的光瞳銜接關系?（瞳對瞳、窗對窗）（窗對瞳、瞳對窗）P144倒數(shù)兩段6、望遠系統(tǒng)（開普勒）：P1451）組成（光學結構特點）、成像關系、光束限制物鏡（孔徑光闌、入瞳）、視場光闌（在焦平面處）、目鏡（漸暈光闌）、出瞳 對瞳孔。望遠鏡一般不用做成像系統(tǒng)，而與眼睛聯(lián)用， 一束平行于光軸的大孔徑平行