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文檔簡介

單球面成像物理量當(dāng)點光源位于主光軸上某點F時,如果它發(fā)出的光束經(jīng)折射后以平行光束出射(即成像于無窮遠(yuǎn)處),那么F就稱為第一焦點,也稱物方焦點;

頂點O到F的距離稱為第一焦距,也稱物方焦距,以f表示。平行于主軸的入射光束(即物處于無窮遠(yuǎn)處),經(jīng)折射后會聚于主軸上的點,稱為第二焦點,也稱像方焦點;頂點O到第二焦點的距離稱第二焦距,也稱像方焦距。球面的屈光力(光焦度、焦度)當(dāng)r以米為單位時,F(xiàn)的單位稱為屈光度,用D表示,1屈光度等于100度。橫向放大率:表示像高

與物高y的比值。當(dāng)

<0時,l與l′異號,此時表示成倒立像,像的虛實與物一致,當(dāng)

>0時,l與l′同號,此時表示成正立像,像的虛實與物相反,當(dāng)

>1時,表示成放大像;

<1時,表示成縮小像。軸向放大率:指光軸上一對共軛點沿軸移動量之間的關(guān)系。軸向放大率恒為正值,即表示物點沿軸移動時,其像總是以相同的方向沿軸移動。角放大率:指一對共軛點的像方孔徑角與物方孔徑角的比值。三個放大率之間的關(guān)系為

單球面物像關(guān)系當(dāng)光線由一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì),且兩種介質(zhì)的分界面是球面的一部分時,所產(chǎn)生的折射現(xiàn)象稱單球面折射物距:折射面頂點O到軸上物點A的距離OA;物方孔徑角:入射光線AE與光軸的夾角∠EAO;像距:折射面頂點O到軸上像點

的距離

像方孔徑角:出射光線與光軸的夾角符號規(guī)定:(光線自左向右傳播)線段:由左向右、由下向上為正角度:順時針為正,逆時針為負(fù),注意旋轉(zhuǎn)方向在光路圖中注意負(fù)號的使用。根據(jù)光學(xué)追跡發(fā)現(xiàn)在物距l(xiāng)為定值時,像距是隨著物方孔徑角u的變化而變化。即不完善成像。只有近軸區(qū)完善成像,像稱為理想像點,所在像面稱為理想像面A在近軸區(qū)內(nèi)其像的位置只隨著物距l(xiāng)的變化而變化,而與物方孔徑角u無關(guān)。在近軸區(qū)內(nèi),物像共軛的常用位置關(guān)系式為:單球面成像的高斯公式共軸球面系統(tǒng)共軸系統(tǒng):球心在一條直線上的幾個折射球面組成的系統(tǒng)叫做共軸球面系統(tǒng)。最簡單的是單透鏡:兩個折射面組成光線追跡法(或稱逐次成像法)前一個面的像充當(dāng)后一面的物多個折射球面幾何光學(xué)基本定律1、光的直線傳播定律在各向同性的均勻介質(zhì)中,光線沿著直線傳播的。例如:影子、月食和小孔成像2、光的獨立傳播定律來自不同方向的光線在傳播途中相遇時,彼此相互不影響,各自獨立地傳播;在相交處,其相互作用是簡單地相加。3、光的反射定律和折射定律符號規(guī)定:角度符號以銳角來度量,由光線為起始轉(zhuǎn)向法線順時針為正反之為負(fù)反射定律:折射定律:4、光路可逆原理在幾何光學(xué)中,任何一條光線的光路都是可逆的5、光的全反射根據(jù)折射定律:臨界角:全反射條件:1、入射光線由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)2、入射角必須大于臨界角幾何光學(xué)基本概念幾何光學(xué):以光線的概念為基礎(chǔ),研究光在透明介質(zhì)中的傳播規(guī)律和現(xiàn)象。1.發(fā)光體和發(fā)光點發(fā)光體:自身發(fā)光的物體或被照明而發(fā)光的物體。發(fā)光點:既無體積和線度,而只有空間位置的發(fā)光幾何點。2、光波光的本質(zhì)是一種電磁波,具有波粒二象性。

3、光線光線:認(rèn)為既無直徑又無體積,但有一定方向的幾何線,用來表示光能傳播的方向。在均勻介質(zhì)中:光線沿波面法線傳播不考慮光的衍射特性4.光束光束:有一定關(guān)系光線的集合。分類:非同心光束光束發(fā)散光束同心光束會聚光束平行光束發(fā)散光束會聚光束平行光束像散光束5、介質(zhì)光線能通過的透明物質(zhì)(如空氣、氣體、水等)都被稱為光學(xué)介質(zhì)。6、折射率光在真空中的光速c和其在相應(yīng)介質(zhì)中的光速v之比,稱為該介質(zhì)的折射率。即n=c/v。光學(xué)介質(zhì)折射率的大小與介質(zhì)本身的光學(xué)性質(zhì)和光的波長有關(guān),它表示了介質(zhì)折光能力的強弱。光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)幾何像差的分類幾何像差:對于實際光學(xué)系統(tǒng)(除平面反射鏡具備完善成像)不能以一定寬度的光束對一定大小的物體成完善像,因此非近軸區(qū)物體上任一點發(fā)出的光束通過光學(xué)系統(tǒng)后不能會聚為一點,而是形成一彌散斑,從而使像變得模糊,并且產(chǎn)生相對于原物的變化。根據(jù)入射光的不同可分為:單色像差和色差單色像差:光學(xué)系統(tǒng)以單色光成像時產(chǎn)生的像差色差:各種不同波長的色光所成像的位置和大小都不相同,其與理想像的偏離單色像差主要可分為五種:軸上點像差:由光軸上的點成像隨孔徑增大而產(chǎn)生的像差,包括球差。軸外點像差:隨視場的增大而產(chǎn)生的像差,包括慧差、像散、像面彎曲和畸變。色差,主要分為位置色差和倍率色差兩種位置色差:描述兩種色光對軸上物點成像位置差異。倍率色差:因不同色光成像倍率的不同而造成物體的像大小差異色差色差:因白光是復(fù)合光,由不同波長的單色光組成,波長不同,折射率不同。導(dǎo)致各種色光由不同的成像位置和成像倍率。選藍(lán)色F光和紅色的C光(敏感區(qū)兩端)分類:位置色差、倍率色差1、位置色差(軸向色差)定義:描述兩種色光對軸上物點成像位置差異的色差位置色差:結(jié)果:白光入射,像為彩色彌散斑。討論:1、近軸區(qū)同樣存在位置色差

2、在A‘F處,中藍(lán)外紅;在A‘C處,中紅外

3、校正:正負(fù)透鏡組合2、倍率色差(垂軸色差)定義:因不同色光成像倍率的不同而造成物體的像大小差異的色差。討論:1、在近軸區(qū)同樣存在2、現(xiàn)象,使物體像邊緣呈現(xiàn)彩色,影響清晰度。軸上點像差軸上點像差:由光軸上的點成像隨孔徑增大而產(chǎn)生的像差。軸上點唯一的單色像差是球差,而且是軸上點以寬光束成像時產(chǎn)生的像差。在實際光線的光路計算過程中,光軸上一點發(fā)出的光線,物方孔徑角u不同,通過光學(xué)系統(tǒng)后就有不同的像距

。它們相對于由近軸光線計算的理想像距

就有不同的偏離。由于球差的存在,使得在理想像面上不能成一點像,而是一個圓彌散斑,其半徑稱為垂軸球差結(jié)論:1、球差隨光束孔徑角的增大而增大

2、與透鏡形狀和焦距有關(guān)(影響到像距)校正方法:利用正負(fù)透鏡組合使用,相互抵消。軸外點像差軸外點像差:隨視場的增大而產(chǎn)生的像差,包括慧差、像散、像面彎曲和畸變?;鄄睿狠S外點以寬光束入射產(chǎn)生的像差像散、像面彎曲和畸變:軸外點以細(xì)光束入射產(chǎn)生的像差一、慧差軸外點成像的對稱面,子午面。主光線、弧失面子午面輔軸BC、選擇三條子午線。折射后失去對主光線的對稱性。子午慧差KT‘:ab光線交點到主光線的垂直光軸方向的偏差弧矢慧差KS’

:弧失光束前光線和后光線經(jīng)球面折射后交BS’點,到主光線的垂直于光軸的偏離?;鄄睿狠S外點以寬光束成像時所產(chǎn)生的一種軸外寬光束單色像差。影響因素:1、視場大小

2、光束孔徑形狀:二、像散和像面彎曲對于細(xì)光束,子午面和弧矢面在折射球面的位置不同,使截面曲率不同,像點不同。如圖,在子午面和弧矢面的會聚點不同,因此形成兩條焦線:子午焦線和弧矢焦線子午像點BT’和弧矢像點BS’像散:子午像點與弧矢像點之間的沿軸位置差異。討論:物體在子午像面和弧矢像面的成像情況像散隨視場的增大而增大。子午像面弧矢像面像面彎曲:彎曲像面與高斯像面的偏離如上圖:子午場曲和弧矢場曲。珀茲伐像面:指沒有像散的彎曲像面珀茲伐場曲場曲對成像的影響三、畸變在實際光學(xué)系統(tǒng)中,視場較大時,像的垂軸放大率隨視場而異,使像相對物體失去相似性。分類:正畸變、負(fù)畸變表達(dá):相對畸變q分析:1、畸變對清晰度無影響

2、當(dāng)q<4%時感覺不到變形理想光學(xué)系統(tǒng)的基點理想光學(xué)系統(tǒng)定義:對于任意范圍的物體以任意寬的光束成像都是完善的。即:理想光學(xué)系統(tǒng)具有完善性理想光學(xué)系統(tǒng)的基點包括:焦點、主點、節(jié)點像方焦點F2:平行于光軸入射,出射光線的焦點。像方焦平面:像方焦點所在垂直光軸的平面。物方焦點F1:像方出射光線平行于光軸對應(yīng)的物點物方焦平面:過物方焦點F1且垂直于光軸的平面和光軸成一定夾角的平行光束,通過光學(xué)系統(tǒng)后,必相交于像方焦平面上同一個點。由物方焦平面軸外任意一點發(fā)出的所有光線,經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后,對應(yīng)一束與光軸成一定夾角的平行光線。延長入射平行光線和其共軛的出射光線,交點在光軸的垂點,稱為像方主點延長經(jīng)物方焦點的入射光線和其共軛的出射光線,交點在光軸的垂點,稱為物方主點性質(zhì):1、物方主平面和像方主平面為共軛平面2、橫向放大率為+13、對于薄透鏡,兩個主平面近似重合在透鏡中間。③焦距物方焦距:物方主點H——物方焦點F1像方焦距:像方主點H‘——像方焦點F2符號:由主點到焦點,自左向右為正,反之為負(fù)。討論:1、f’>0為正的光學(xué)系統(tǒng),會聚作用

f’<0為負(fù)的光學(xué)系統(tǒng),發(fā)散作用2、當(dāng)透鏡兩邊介質(zhì)不同時:介質(zhì)相同:f’=-f節(jié)點:一對角放大率為+1的特殊共軛點分類:物方節(jié)點N——物方節(jié)平面像方節(jié)點N‘——像方節(jié)平面理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系①作圖法求像由物點發(fā)出兩條光線,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后出射光線的交點為像點。平行光線特殊光線過物方焦點選擇光線過物方節(jié)點形成平行光線輔助光線非光軸上點②公式法求像(1)牛頓公式物距P:物

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