天津大學《工程光學》學習指南

第一章幾何光學的基本定律和成像概念一．教學要求通過本章4課時的授課，應使學生掌握幾何光學的基本定律（光的直線傳播定律、獨立傳播定律、反射定律和折射定律），光的全反射性質(zhì)，費馬原理、馬呂斯定律以及二者與幾何光學基本定律之間的關系；明確完善成像概念和相關表述；會熟練應用符號規(guī)則進行單個折射球面的光線光路計算，掌握單個折射球面和反射球面的成像公式，包括物像位置、垂軸放大率、軸向放大率、角放大率γ、拉赫不變量等公式及其各量的物理意義，并推廣到共軸球面系統(tǒng)的成像計算。二．重點難點1．幾何光學的基本定律光是一種電磁波，它在介質(zhì)中的傳播規(guī)律可概括為以下四個基本定律：直線傳播定律，獨立傳播定律、反射定律和折射定律。4個定律的內(nèi)容、實例和適用條件。折射率的概念。費馬原理和馬呂斯定律從另外的角度描述了光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，它們與幾何光學的四個基本定律是完全等價的，可以相互推導證明。2．成像的基本概念與完善成像條件光學系統(tǒng)的作用之一是對物體成像。若一個物點對應的一束同心光束，經(jīng)光學系統(tǒng)后仍為同心光束，該光束的中心即為該物點的完善像點。物體上每個點經(jīng)光學系統(tǒng)后所成完善像點的集合就是該物體經(jīng)光學系統(tǒng)后的完善像。物所在的空間稱為物空間，像所在的空間稱為像空間，物像空間的范圍均為（-，+）。物像有虛實之分，由實際光線相交所形成的物或像為實，由光線的延長線相交所形成的物或像為虛?！酒渲形锵窨臻g和物像虛實的判斷是難點】光學系統(tǒng)成完善像應滿足以下三個條件之一：1）入射波面是球面波時，出射波面也是球面波。2）入射是同心光束時，出射光也是同心光束。3）物點及其像點之間任意兩條光路的光程相等。3．幾何光學中的符號規(guī)則和單個折射球面的光線光路計算為保持幾何光學公式的一致性和討論問題的方便，特確定了如下的符號規(guī)則：1）光線的傳播方向由左向右。沿軸線段以折射面頂點為原點度量，若與光線的傳播方向相同，其值為正，反之為負；2）垂軸線段以光軸為基準，在光軸以上為正，光軸以下為負；3）光線與光軸的夾角用由光軸轉(zhuǎn)向光線形成的銳角度量，順時針為正，逆時針為負；4）光線與法線的夾角用由光線轉(zhuǎn)向法線形成的銳角度量，順時針為正，逆時針為負；5）光軸與法線的夾角用由光軸轉(zhuǎn)向法線形成的銳角度量，順時針為正，逆時針為負；6）折射面間隔從前一面的頂點到后一面的頂點，與光線的傳播方向相同，其值為正，反之為負。符號規(guī)則是人為規(guī)定的，所有公式都在此規(guī)則基礎上推導出來，因此解題時必須嚴格遵守。如遇到光線由右向左傳播的情況，一定要做適當?shù)淖兺ê?，才可使用公式?！酒渲徐`活應用符號規(guī)則是難點，有相關例題支撐】單個折射球面光線光路計算公式的推導、球差產(chǎn)生的原因。近軸光線光路計算公式及其拓展公式。理解近軸成像的特點。4．單個折射（反射）球面的成像為討論單個折射（反射）球面成像的大小、倒正和虛實，引入垂軸放大率、軸向放大率和角放大率的概念。3種放大率的定義、計算公式和物理意義?！酒渲懈鶕?jù)放大率值分析成像性質(zhì)、判斷成像條件改變時放大率的變化是難點】5．共軸球面系統(tǒng)的成像由k個折射球面構成的共軸光學系統(tǒng)相鄰各面間折射率、孔徑角、物像關系、物像距及拉赫不變量之間存在過渡關系公式。系統(tǒng)的成像放大率為各面放大率的乘積。第二章理想光學系統(tǒng)一．教學要求通過本章6課時的授課和2課時實驗，應使學生掌握理想光學系統(tǒng)的概念、成像性質(zhì)、基點基面及其系統(tǒng)的表示；會用圖解法和解析法求像，重點掌握高斯公式和牛頓公式及其理想光學系統(tǒng)的放大率公式；會靈活運用理想光學系統(tǒng)的組合公式求組合系統(tǒng)的焦距、基點和基面；掌握兩種典型的光組組合及其性質(zhì)；會求透鏡的焦距、基點和基面位置，并了解透鏡的分類和性質(zhì)。二．重點難點1．理想光學系統(tǒng)及其表征所謂理想光學系統(tǒng)，就是能對任意大的空間，以任意寬的光束都能夠成完善像的光學系統(tǒng)。表征理想光學系統(tǒng)的基本參數(shù)是基點和基面，即焦點、焦平面、主點、主平面、節(jié)點和節(jié)平面。對理想光學系統(tǒng)而言，基點和基面的位置確定以后，系統(tǒng)的成像性質(zhì)也就確定了。通?？捎靡粚χ髌矫婧鸵粚裹c來表示一個理想光學系統(tǒng)。2．圖解法求像利用理想光學系統(tǒng)基點和基面的性質(zhì)，可通過作圖法求物體在確定系統(tǒng)中的像。圖解法求像時常用的光學性質(zhì)有：1）無限遠軸上物點發(fā)出的光線一定通過像方焦點。2）無限遠軸外物點發(fā)出的光線一定通過像方焦面上一點。3）物方焦點發(fā)出的光線經(jīng)光學系統(tǒng)后平行于光軸。4）物方焦面上一點發(fā)出的光線經(jīng)光學系統(tǒng)后相互平行。5）物方主平面上光線的入射高度與其共軛光線在像方主平面上的出射高度相等。6）經(jīng)過節(jié)點的任何一對共軛光線互相平行?！酒渲刑撐锍上袷请y點】3．理想光學系統(tǒng)的物像位置公式當理想光學系統(tǒng)確定后，已知物體的位置（或）就可以求出像的位置（或）。常用物像位置公式有兩種，一是以焦點為坐標原點的牛頓公式；二是以主點為坐標原點的高斯公式。兩者在解題中的作用是等價的。牛頓公式和高斯公式。4．理想光學系統(tǒng)的放大率物體經(jīng)理想光學系統(tǒng)成像的大小、正倒和虛實，可用光學系統(tǒng)的放大率表示。光學系統(tǒng)三種放大率（垂軸放大率、軸向放大率和角放大率）的定義、計算公式和物理意義?！酒渲懈鶕?jù)放大率值分析成像性質(zhì)、判斷成像條件改變時放大率的變化是難點】5．理想光學系統(tǒng)的組合兩個理想光學的直接組合公式及比較適合2個以上多光組組合的正切計算公式。6．兩種典型的光組組合及其性質(zhì)遠攝型光組和反遠距型光組的組成、結(jié)構特點和典型應用。7．透鏡透鏡可按照對光線所起的作用分為會聚透鏡（正透鏡）或發(fā)散透鏡（負透鏡），也可按照形狀不同分為凸透鏡和凹透鏡兩類。凸透鏡不一定都是正透鏡，凹透鏡也不一定都是負透鏡，透鏡的正負不僅與形狀有關，還與透鏡的厚度有關。在空氣介質(zhì)中單個透鏡的焦距公式、光焦度公式。第三章平面和平面系統(tǒng)一．教學要求通過本章4課時的授課，應使學生掌握平面系統(tǒng)的基本作用和種類，掌握平面反射鏡、平行平板、反射棱鏡和折射棱鏡等典型平面系統(tǒng)的性質(zhì)和作用。了解有關光學材料的基本知識。二．重點難點平面光學元件包括平面反射鏡、平行平板、反射棱鏡和折射棱鏡等，其作用是改變光路方向、使倒像轉(zhuǎn)換為正像或產(chǎn)生用于光譜分析的色散現(xiàn)象。1．平面反射鏡（1）平面鏡的性質(zhì)平面反射鏡是唯一能夠完善成像的光學元件。若在光學系統(tǒng)中加入奇數(shù)個平面鏡，則最終像和物成“鏡像”；若在光學系統(tǒng)中加入偶數(shù)個平面鏡，則最終像與物