應(yīng)用光學(xué)各章知識點(diǎn)歸納

應(yīng)用光學(xué)各章知識點(diǎn)歸納應(yīng)用光學(xué)各章知識點(diǎn)歸納應(yīng)用光學(xué)各章知識點(diǎn)歸納資料僅供參考文件編號：2022年4月應(yīng)用光學(xué)各章知識點(diǎn)歸納版本號：A修改號：1頁次：1.0審核：批準(zhǔn):發(fā)布日期：幾何光學(xué)基本定律與成像概念波面：某一時(shí)刻其振動位相相同的點(diǎn)所構(gòu)成的等相位面稱為波陣面，簡稱波面。光的傳播即為光波波陣面的傳播，與波面對應(yīng)的法線束就是光束。波前：某一瞬間波動所到達(dá)的位置。光線的四個(gè)傳播定律：直線傳播定律：在各向同性的均勻透明介質(zhì)中，光沿直線傳播，相關(guān)自然現(xiàn)象有：日月食，小孔成像等。獨(dú)立傳播定律：從不同的光源發(fā)出的互相獨(dú)立的光線以不同方向相交于空間介質(zhì)中的某點(diǎn)時(shí)彼此不影響，各光線獨(dú)立傳播。反射定律：入射光線、法線和反射光線在同一平面內(nèi)，入射光線和反射光線在法線的兩側(cè)，反射角等于入射角。4）折射定律：入射光線、法線和折射光線在同一平面內(nèi)；入射光線和折射光線在法線的兩側(cè)，入射角和折射角正弦之比等于折射光線所在的介質(zhì)與入射光線所在的介質(zhì)的折射率之比，即光路可逆：光沿著原來的反射（折射）光線的方向射到媒質(zhì)表面，必定會逆著原來的入射方向反射（折射）出媒質(zhì)的性質(zhì)。光程：光在介質(zhì)中傳播的幾何路程S和介質(zhì)折射率n的乘積。各向同性介質(zhì)：光學(xué)介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)不隨方向而改變。各向異性介質(zhì)：單晶體（雙折射現(xiàn)象）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，并且入射波面與出射波面對應(yīng)點(diǎn)之間的光程均為定值。費(fèi)馬原理：光總是沿光程為極小，極大，或常量的路徑傳播。全反射臨界角：全反射條件：光線從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)入射。入射角大于臨界角。共軸光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)光學(xué)元件表面曲率中心在一條直線上。物點(diǎn)/像點(diǎn)：物/像光束的交點(diǎn)。實(shí)物/實(shí)像點(diǎn)：實(shí)際光線的匯聚點(diǎn)。虛物/虛像點(diǎn)：由光線延長線構(gòu)成的成像點(diǎn)。共軛：物經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后與像的對應(yīng)關(guān)系。（A，A’的對稱性）完善成像：任何一個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的全部光線，通過光學(xué)系統(tǒng)后，仍然聚交于同一點(diǎn)。每一個(gè)物點(diǎn)都對應(yīng)唯一的像點(diǎn)。理想成像條件：物點(diǎn)和像點(diǎn)之間所有光線為等光程。高斯光學(xué)子午線：通過物點(diǎn)和光軸的截面物方截距L：頂點(diǎn)O到入射光線與光軸的交點(diǎn)的距離。物方孔徑角U：入射光線與光軸的夾角光線經(jīng)過單個(gè)折射球面的實(shí)際光路計(jì)算公式:給定單個(gè)折射球面的結(jié)構(gòu)參量n，n’，r時(shí)，由已知入射光線的坐標(biāo)L和U，求出出射光線的坐標(biāo)L’和U’。(2-1)由折射定律得(2-2)方孔徑角：(2-3)像方截距：(2-4)轉(zhuǎn)面公式：(2-5)近軸光路計(jì)算公式：當(dāng)孔徑角U很小時(shí)，在（2-1）至（2-4）中，將角度的正弦值用相應(yīng)弧度代替，則有(2-6)，(2-7)(2-8)(2-9)阿貝不變量：將式2-6和2-7中i和i’代入式2-8和2-9得,其中Q為阿貝不變量，對于單個(gè)折射球面，物空間與像空間的阿貝不變量Q相等，隨共軛點(diǎn)的位置而異。近軸區(qū)球面光學(xué)成像系統(tǒng)：垂軸放大率β：取決于共軛面的位置，在一對共軛面上，β為常數(shù)，大小和物與像的位置有關(guān)，故物與像相似。軸向放大率α：，與垂軸放大率關(guān)系:角放大率γ：,為一對共軛光線與光軸的夾角之比值，和物體位置有關(guān)，與孔徑角無關(guān)。三個(gè)放大率之間關(guān)系：拉赫不變量：，在近軸區(qū)成像時(shí)，在物像共軛面內(nèi)，物體大小y，成像光束孔徑角u與物體所在介質(zhì)的折射率n的乘積為常數(shù)J。J越大，光學(xué)系統(tǒng)傳遞的能量和信息量越多。光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面：焦點(diǎn)：過焦點(diǎn)F入射的任意光線，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，平行光軸射出。f面任意點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)系統(tǒng)后為斜平行光線出射。主平面：放大率為β=+1的一對共軛面，假定物空間任意一條光線和物方主平面交點(diǎn)為I，它的共軛光線和像方主平面交于I’點(diǎn)，則I和I’距離光軸的距離相等。主點(diǎn)：即主平面與光軸的交點(diǎn)，延長平行入射光線，使之與出射光線相交，即為像方主點(diǎn)H’，將光學(xué)系統(tǒng)倒轉(zhuǎn)，作反向光路計(jì)算，可得物方主點(diǎn)H。焦距：主平面到焦點(diǎn)的距離，公式：，。光焦度：，處于空氣中時(shí)，。表征光學(xué)系統(tǒng)的會聚或發(fā)散本領(lǐng)。正的光焦度能匯聚光束。單位：屈光度。屈光度：以米為單位的焦距的倒數(shù)，眼睛度數(shù)=屈光度數(shù)x100。利用基點(diǎn)，基面求理想像方法：作圖法，解析法。教材P35雙光組組合系統(tǒng):焦點(diǎn)公式：，其中Δ為以為起點(diǎn)計(jì)算到。焦距公式：,。光焦度：，當(dāng)光組緊密接觸，節(jié)點(diǎn)：系統(tǒng)光軸上，放大率為1的一對共軛點(diǎn)，當(dāng)處于同一種介質(zhì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)和主點(diǎn)重合。過物方節(jié)點(diǎn)入射的光線，從像方節(jié)點(diǎn)平行入射光線射出。單個(gè)折射球面的主點(diǎn)和焦距:單透鏡的焦距和主面：對于薄透鏡：，平面零件成像平行平板公式：側(cè)向位移量軸向位移：等效空氣平板：折射棱鏡公式：偏向角：，其中當(dāng)光線的光路對稱于棱鏡時(shí)，偏向角取極小值，最小偏向角表達(dá)式：。角色散：光楔公式：，當(dāng)和很小時(shí)，其余弦值用1替代，光楔常被用作光學(xué)測微器或補(bǔ)償器，測量或補(bǔ)償微小的角量或線量，常用的光楔有：移動單光楔，旋轉(zhuǎn)單光楔，旋轉(zhuǎn)雙光楔。平面反射鏡：平面鏡成像：的球面反射鏡。物像位于異側(cè)。成正像。奇次反射成鏡像。對物空間均成完善像。平面鏡偏轉(zhuǎn)角時(shí)，反射光線轉(zhuǎn)過2角。雙平面鏡系統(tǒng)成像：可以成多個(gè)像對物成完善像出射光線與入射光線的夾角為2兩面鏡一起轉(zhuǎn)動時(shí)，出射光與入射光夾角不變，只是光線位置發(fā)生平移反射棱鏡：將多個(gè)反射面做在同一塊玻璃上的光學(xué)零件，稱為反射棱鏡。光闌和光能光闌的概念及分類：光學(xué)系統(tǒng)中所有限制光束的孔或框，通稱為光闌，用于限制成像光束或成像范圍?？讖焦怅@：限制進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)成像光束口徑的光闌，又稱為有效光闌，孔徑光闌在物空間的像稱為入射光瞳，在像空間的像稱為出射光瞳，它們?nèi)呦嗷ス曹??？讖焦怅@決定光學(xué)系統(tǒng)的光能量大小，控制像的亮度，并與像的分辨率有關(guān)，例如照相機(jī)的光圈即為孔徑光闌。視場光闌：限制物平面或物空間中成像范圍的光闌，位置固定，設(shè)在系統(tǒng)的實(shí)像平面或中間實(shí)像平面上，例如照相機(jī)中的底片框。消雜光光闌：不限制通過光學(xué)系統(tǒng)的成像光束，主要是攔截雜光，在光學(xué)系統(tǒng)中，常把鏡管內(nèi)壁加工成內(nèi)螺紋，涂以黑色無光漆來達(dá)到目的。求孔徑光闌的方法：將系統(tǒng)中所有光闌分別對其前面光組成像。確定各個(gè)像中對軸上物點(diǎn)張角最小者為入瞳。此入瞳對應(yīng)光闌即為孔徑光闌。主光線：由軸外點(diǎn)發(fā)出，通過光闌中心的光線。光窗：確定成像范圍，入射窗，出射窗，視場光闌互為共軛。光學(xué)系統(tǒng)光闌對成像的影響：漸暈：軸外物點(diǎn)發(fā)出的充滿入瞳的光束被其他光闌部分遮擋的現(xiàn)象。景深：在同一像平面上所成的足夠清晰的像對應(yīng)的一定深度空間。焦深：即焦點(diǎn)深度，對于同一物平面，能夠獲得清晰像的像空間的深度。場鏡：工作在物鏡的像平面上，不影響組合系統(tǒng)的成像特性，能使軸外光束偏折，所以場鏡能使其后面的光組口徑大大減小。像平面的光照度：整個(gè)輻射波段內(nèi)的總輻射通量：視見函數(shù)：人眼的光譜靈敏度。光通量：能引起人眼視覺的那一部分輻射通量。單位流明，符號lm。發(fā)光效率：光通量與輻射通量之比。發(fā)光強(qiáng)度：某一方向上單位立體角內(nèi)所輻射的光通量。單位坎德拉，符號cd。光照度:單位面積上所接受的光通量。單位勒克司，符號lx。光出射度M：從一輻射表面的單位面積發(fā)出的光通量，與照度意義相同，單位相同。光亮度：表示光源在單位面積單位立體角發(fā)出的光通量，單位為尼特和熙提。當(dāng),它代表發(fā)光面在與其法線成角方向的發(fā)光強(qiáng)度，即。光學(xué)系統(tǒng)中光能的損失的計(jì)算透射面反射損失：，n,n’為界面兩方物方和像方介質(zhì)折射率。對于有N1個(gè)反射系數(shù)為透射面的光學(xué)系統(tǒng)，透過率：減少反射損失的辦法：在光學(xué)零件表面鍍增透膜，反射系數(shù)可降至~光學(xué)材料吸收損失：光束通過光學(xué)材料時(shí)，材料本身會吸收光能，引起光能損失，當(dāng)光束通過厘米厚的光學(xué)材料時(shí)，只考慮材料的吸收損失，其透過率為。金屬鍍層反射面的吸收損失：光通量透過率總透過率：色度學(xué)：對顏色的視覺規(guī)律進(jìn)行研究，將主觀顏色感受和客觀的物理刺激聯(lián)系起來的學(xué)科。顏色：不同波長可見光作用于人的視覺器官后產(chǎn)生的心里感受，在光譜上，除了572nm(黃),503nm(綠)478nm(藍(lán))三點(diǎn)的顏色不隨光強(qiáng)度的增加而變化，其他顏色都在光強(qiáng)增加時(shí)向紅色或者藍(lán)色變化，這種變化現(xiàn)象稱為“貝楚德-樸爾克效應(yīng)”。彩色的表觀特征：明度：表示顏色明亮的程度，光源色的明度與發(fā)光體的光亮度有關(guān)。色調(diào)：區(qū)分不同彩色的特征，光源色的色調(diào)取決于輻射的光譜組成和能量分布，其中色調(diào)飽和度又稱為色品。飽和度：彩色的純潔性，一種顏色可以看成某種光譜色與白色混合的效果，其中光譜色所占的比例越大，顏色接近光譜色的程度就越高，顏色的飽和度也就越高。格拉斯曼顏色混合定律（1854年）：1)人的視覺能分辨顏色的三種變化：明度，色調(diào)，飽和度。2)兩種顏色混合，如果一種顏色成分連續(xù)變化，混合色的外貌也連續(xù)變化，由此可得：中間色律：兩種非互補(bǔ)的顏色混合，將產(chǎn)生兩種顏色的中間色，其色調(diào)取決于兩種顏色的混合比例。補(bǔ)色律：兩種顏色以一定比例混合產(chǎn)生白色和灰色，則這兩種顏色為互補(bǔ)色，每一種顏色都有相應(yīng)的補(bǔ)色。3)代替律顏色外貌相同的光，在顏色混合中是等效的。4)亮度相加定律：混合色的亮度等于各色亮度之和。CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)：國際照明委員會于1931年推出了兩套色度系統(tǒng)，一為1931CIE-RGB，二為1931CIE-XYZ。兩套系統(tǒng)是建立在人眼的顏色視覺理論和三色混合原理理論基礎(chǔ)上的。三原色配色實(shí)驗(yàn)：任何一種顏色的光都可以由三種單色輻射混合得到，這三種單色輻射滿足一個(gè)條件：其中任一種光譜色不能由其他兩種相加而產(chǎn)生。顏色匹配的方法有：顏色轉(zhuǎn)盤法，色光混合顏色匹配法。顏色匹配可以用數(shù)學(xué)方法表示：。式中RGB稱為三刺激值。即三原色的色量，C為匹配色，相對比例不同，匹配得到的顏色就不同。三刺激值的計(jì)算公式為：色溫：當(dāng)某種光源的色度(坐標(biāo))與某一溫度下的黑體色度(坐標(biāo))相同時(shí)，就稱此時(shí)黑體的溫度為該光源的顏色溫度，簡稱色溫，用符號Tc表示，單位為開爾文，用“K”表示。麥克亞當(dāng)顏色寬容量：顏色寬容量反應(yīng)的是人眼的顏色辨別能力，在x，y色品圖中不同顏色區(qū)域內(nèi)的相等間隔使人眼感覺到的顏色差別并不相等。光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評價(jià)幾何像差：以高斯像作為成像參考，以物體發(fā)出光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后其出射光線相對于高斯像的偏差來衡量光學(xué)系統(tǒng)成像缺陷這種方法稱為幾何像差法，此時(shí)的偏差稱為幾何像差。幾何像差主要有七種，其中單色光像差有5種，復(fù)色光像差有2種。單色像差：球差：自光軸上一點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)過球面折射后所得像方截距為物方孔徑角U或入射高度h的函數(shù)，因此，軸心上發(fā)出的同心光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)折射后，不再是同心光束，其出射光線與光軸交點(diǎn)的位置相對于理想像點(diǎn)的偏差稱為球差,與物方孔徑角有關(guān)，表達(dá)式為。由最大孔徑角的邊緣光線求得的球差，稱為邊光球差，表示為；由帶孔徑光線求得的球差，稱為帶球差，球差產(chǎn)生的圓形彌散斑半徑為.彗差：軸外物點(diǎn)發(fā)出的寬光束失去對稱性的垂軸像差，由折射球面的球差引起，彗差的產(chǎn)生與孔徑和視場有關(guān)，在軸外像點(diǎn)產(chǎn)生以主光線和像面交點(diǎn)為頂點(diǎn)的錐形彌散斑。像散：軸外物點(diǎn)發(fā)出的光束通過很小的孔徑光闌后投射到球面上，由于子午面和弧矢面相對折射球面位置不同，兩者在球面上的截線曲率不等，兩者產(chǎn)生的像點(diǎn)位置差異稱為像散。像散的大小隨視場而改變。像面彎曲：子午像面和弧矢像面偏離于高斯像面的距離。由所決定的像面稱為匹茲萬像面，公式為。是消散像時(shí)的真實(shí)像面。畸變：視場較大時(shí)，像的放大率不再是常數(shù)，隨視場而變，一對共軛物象平面放大率不為常數(shù)時(shí)，導(dǎo)致物像失去相似性，這種變形稱為畸變。表達(dá)式為，稱為光學(xué)系統(tǒng)的線畸變?；儍H由主光線的光路決定，產(chǎn)生原因?yàn)橹鞴饩€通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)存在球差。復(fù)色像差：白光入射到介質(zhì)分界面上時(shí)，由于材料對不同波長單色光折射率不同，產(chǎn)生色散，導(dǎo)致各色光有不同的成像位置和倍率。位置色差：描述兩種色光對軸上點(diǎn)成像位置差異的色差。用符號表示，表達(dá)式為：。倍率色差：兩種色光對軸外物點(diǎn)成像位置的差異，又稱垂軸色差，符號為,表達(dá)式為。波相差和瑞利判斷：波相差：實(shí)際波面和理想波面的光程差，以W表示。單色光的波相差僅由球差引起，當(dāng)孔徑不大時(shí)，它與球差之間的表達(dá)式為，其中為像方最大孔徑角。瑞利判斷：當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的最大波像差小于時(shí)，該光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量與理想成像系統(tǒng)沒有顯著差別。分辨率和星點(diǎn)檢驗(yàn)：理想光學(xué)系統(tǒng)衍射分辨率表達(dá)式：對比度表達(dá)式：檢驗(yàn)具體系統(tǒng)實(shí)際成像質(zhì)量的方法：分辨率法，星點(diǎn)檢驗(yàn)。目視光學(xué)系統(tǒng)人眼的光學(xué)特性：視度:與網(wǎng)膜共軛的物面到眼睛距離的倒數(shù)稱為視度，用SD表示：用于表示人眼調(diào)節(jié)的程度。明視距離：正常人眼從無限遠(yuǎn)到250mm之內(nèi)，可以輕松調(diào)節(jié)，此距離稱為明視距離，對應(yīng)視度為-4。瞳孔調(diào)節(jié)：2mm左右~8mm左右人眼分辨率：放大鏡：物體位于透鏡前焦點(diǎn)之內(nèi)，通過透鏡形成放大的正立虛像。視放大率：,人眼觀察物體的視角：線視場：人眼透過光學(xué)系統(tǒng)所能看見的范圍。攝影和投影光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑：視場角：T制光圈：，其中k為物鏡透過率。T制光圈像面上光照度表達(dá)式：曝光量：景深表達(dá)式：焦深表達(dá)式：照明光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)的基本要求：保證物面所需要的足夠的光能量保證整個(gè)午面上的到均勻一致的照明兩類照明系統(tǒng)：臨界照明系統(tǒng)：通過照明系統(tǒng)成像在物平面，稱為聚光燈，缺點(diǎn)：燈絲像的亮度不均勻性將直接反應(yīng)到物面上。柯拉照明系統(tǒng)：為了消除臨界照明物面不均勻的缺點(diǎn)而提出，由兩組光祖組合成。激光光學(xué)系統(tǒng)激光的特點(diǎn)：方向性好，單色性好，集中性好，相干性好。激光光束截面內(nèi)光強(qiáng)呈高斯分布：其中，是當(dāng)振幅下降到中心振幅的時(shí)的光束截面半徑值激光的傳輸關(guān)系式：激光離束腰x處的光束截面半徑：激光波面中心部分曲率半徑R與波面頂點(diǎn)到束腰的距離x之間關(guān)系式激光光束發(fā)散角：高斯光束的透鏡變換：，透鏡可改變高斯光束的特征參數(shù)：束腰的大小和位置激光聚焦透鏡：使來縮小激光光束束腰半徑激光擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡：令束腰位于物鏡焦距處。用于壓縮激光發(fā)散角。纖維光學(xué)系統(tǒng)單一介質(zhì)光纖：最簡單的光學(xué)纖維，由單一透明介質(zhì)組成。缺點(diǎn)：暴露在空氣中，光纖的外表面容易被有害物質(zhì)侵蝕產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致光發(fā)生散射而逸出光纖，光纖長度較長，由表面散射引起的光能損失較大。不適合用于傳遞圖像，在光纖束中光線有可能串入不同光纖引起噪聲階梯型光纖：為了克服單一介質(zhì)光纖的缺點(diǎn)，在光纖外表面包上一層折射率不同的透明介質(zhì)，稱為包層，中間的介質(zhì)稱為纖芯，在橫截面上，三種介質(zhì)的折射率沿半徑方向逐漸增大。 1）導(dǎo)光原理：全反射導(dǎo)光，光線在階梯型光纖中的傳輸軌跡為鋸齒形，經(jīng)光纖傳輸后的出射光方向與全反射次數(shù)有關(guān)。2）數(shù)值孔徑：代表光纖的傳光能力，表示方法為：只與纖芯，包層的折射率有關(guān)，與光纖的實(shí)際外形尺寸無關(guān)，欲增大光纖的數(shù)值孔徑，必須增加纖芯和包層兩種介質(zhì)的折射率差。3)透過率：表示光纖傳光性能好壞的參數(shù)，定義為輸出光通量與輸入光通量之比。表達(dá)式為：，光能損失可分成三個(gè)部分，K1為入射和出射斷面上的反射損失。K2為光纖截面的非全反射損失，K3為纖芯材料的吸收損失。、錐狀光纖：主要用于壓縮光束的截面積，增大孔徑角，提高出射面的光照度。公式：,圓錐光纖在出射端孔徑相同的情況下，數(shù)值孔徑比圓柱光纖小：梯度折射率光纖：使用非均勻材料，其折射率沿徑向或軸向連續(xù)變化，光線在其中沿曲線傳播，中心折射率最高。折射率分布公式：其中n1為光纖中心折射率，A為折射率分布系數(shù)，r為光纖橫截面內(nèi)離中心的徑向距離。非均勻介質(zhì)的光線微分方程式：梯度折射率光纖中近軸光線的軌跡方程：周期為：，在近軸區(qū)域內(nèi)，所有光線都有相同的周期，光束每隔半個(gè)周期聚焦一次，因?yàn)檫@種光纖有自聚焦作用，所以也稱為自聚焦光纖。光纖傳光束和像光束：傳光束：傳光束主要作用為傳遞光能，因此傳光束需要一定的透過率，其總透過率為,其中k為填充系數(shù)，小于1。傳光束可分為三種類型：普通單束型，分支傳光束，形態(tài)變換傳光束。傳像束：光纖傳輸圖像的原理是利用了光纖束中光纖排列的一一對應(yīng)關(guān)系，輸入光束與輸