光學(xué)新概念第二章

光學(xué)新概念第二章第1頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月§1

成像

第二章光和光的傳播實物：相對于光學(xué)系統(tǒng)，入射光束是發(fā)散的虛物：相對于光學(xué)系統(tǒng)，入射光束是會聚的實像：相對于光學(xué)系統(tǒng)，出射光束是會聚的虛像：相對于光學(xué)系統(tǒng)，出射光束是發(fā)散的實物虛物實像虛像一、實像與虛像、實物與虛物：物像分類第2頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月

物與像第3頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月討論與交流：平面鏡能否成實像?平面鏡成虛像虛物的例子

第4頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2、物與像的共軛性注意！不是用物、像位置所在的空間來定義物、像空間的！1、物空間(物方)與像空間(像方)物空間入射光束所在的空間像空間出射光束所在的空間物點Q與像點Q′是一對對應(yīng)點:共軛點二、物方和像方、物與像的共軛性物點Q與像點Q′是共軛點

第5頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月由費馬原理得出物點Q到像點Q′的各條光線的光程相等物點Q到像點Q′的各條光線的光程相等四、等光程性面(自學(xué))三、物像之間的等光程性

第6頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月§2共軸球面組傍軸成像1、在介質(zhì)分界面∑上單球面上的折射一、光在單球面上的折射

第7頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2、在ΔQCM和ΔQ′CM中單球面上的折射★由正弦定律得整理得(1)式

第8頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月單球面上的折射展開聯(lián)立[1][2]得★由余弦定律得

第9頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3、等光程性要求光線QQ'與φ無關(guān)，所以單球面上的折射★由(3)式得

第10頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月二、阿貝不變式P421、傍軸光線條件2、由[4]式的第一式(開方取倒數(shù)后再除r

)得單球面軸物點上的折射公式←著名的阿貝不變式

<<<<第11頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月★光焦度2、由[4]式的第一式，得單球面軸上物點的折射公式←著名的阿貝不變式光焦度的單位是屈光度()你所戴眼鏡光焦度的度數(shù)是屈光度×100

第12頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3、單球面軸物點上的焦距公式★

像方焦距★物方焦距4、高斯公式

★由著名的阿貝不變式第13頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1、物距以物方焦點F

為坐標原點

2、像距以像方焦點F′為坐標原點

3、和都仍然以頂點O為坐標原點

4、

光在球面上的折射其正、負號法則與笛卡爾符號的規(guī)定一致——左負右正Δ牛頓公式

第14頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月①球心位置—左負右正右方者為正，②物、像位置—虛負實正實物(頂點左方)為正，左方者為負；(1)以頂點為坐標原點在頂點在主光軸虛物(頂點右方)為負；★共軸球面系統(tǒng):★笛卡爾（坐標）法則

5、阿貝不變式的符號法則右左右左符號法則及其標示方法主光軸;主截面;頂點:折射面或入射面的對稱中心第15頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月★(2)光線角度從主光軸—順負逆正或球面（界面）法線

N算起，按小于90°旋轉(zhuǎn)，順時針者為負，逆時針者為正；

右左右左符號法則及其標示方法★(3)物象主光軸—下負上正第16頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月★(5)一般假定光線從左向右進行★(4)光路圖中，各量都用絕對值，即全正例：

右左右左符號法則及其標示方法第17頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1、普遍物、像距公式2、球面反射的焦距三、傍軸物點球面反射成像公式

★反射情形:第18頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1、傍軸物條件2、橫向放大率的定義傍軸物點成像四、傍軸物點成像與橫向放大率

<<第19頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3、橫向放大率的計算★折射橫向放大率★反射橫向放大率傍軸物點成像

第20頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月逐次成像或和……五、逐次成像——逐個球面成像法

第21頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1、近軸光線——仰角或俯視角較小2、近軸物——入射角和反射角較小六、亥姆霍茲——拉格朗日定理

單球面上的折射3、亥姆霍茲——拉格朗日定理第22頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月橫向放大率判斷物、像的虛實七、（折射）橫向放大率的討論

第23頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月§3薄透鏡1、兩個折射面的折射

第二個折射面的虛物距:★光心——近似重合的頂點★薄透鏡——厚度近似為零★傍軸條件實際的透鏡一、焦距公式

第24頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月實際的透鏡2、薄透鏡的焦距由得

第25頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月由得即由高斯公式也可以得出薄透鏡的焦距

第26頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月★對薄透鏡的折射面的分別運用阿貝不變式，可以得到兩個薄透鏡每個折射面的焦距★薄透鏡的總焦距★空氣里薄透鏡的總焦距：磨鏡者公式

第27頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1、高斯公式★空氣里薄透鏡2、牛頓公式★代入高斯公式，得二、成像公式

s、f、x和s'、f'

、x'的關(guān)系第28頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1、兩次成像，用兩次高斯公式★光焦度光焦度的單位是屈光度()你所戴眼鏡光焦度的度數(shù)是屈光度×1002、密接透鏡組的光焦度★密接透鏡組的光焦度三、密接透鏡組

第29頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月焦面的性質(zhì)四、焦面

第30頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月作圖法求軸外物點的像作圖法求共軛光線五、作圖法

第31頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月可以采用作圖法、公式法解決問題例題1：P52例題2：P54六、透鏡組成像

第32頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月§4理想光具組1、理想光具組的性質(zhì)1——共線變換——一一對應(yīng)★物方每個點對應(yīng)像方一個點（共軛點）2、理想光具組的性質(zhì)2——望遠系統(tǒng)★光軸上任何一點的共軛點仍然在光軸上★任何垂直于光軸的平面，其共軛面仍然與光軸垂直★在垂直于光軸的同一平面內(nèi)的橫向放大率相同一、理想成像與共軛變換

★物方每條直線對應(yīng)像一條直線（共軛線）★物方每個平面對應(yīng)像一個平面（共軛平面）★在垂直于光軸的不同平面內(nèi)的橫向放大率一般不相同第33頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3、理想光具組共線變換的性質(zhì)軸對稱光具組共線變換的性質(zhì)

第34頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月★理想光具組：物點、像點共軛；純幾何（光學(xué)）理論★共軸光具組：近(傍)軸光線條件★基點和基面：焦點、焦平面；主點、主平面；節(jié)點、節(jié)平面焦點、焦平面主點、主平面節(jié)點、節(jié)平面二、共軸理想光具組的基點與基面

第35頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1、主點、主平面；焦點、焦平面透鏡的主點、主平面；焦點、焦平面

★透鏡的主平面確定后，透鏡的折射即等效于主平面的折射★圖2-21對主平面的畫法并不恰當(dāng)?shù)?6頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2、不同曲率透鏡的主點和主平面

不同曲率透鏡的主點和主平面★不同曲率透鏡主點和主平面的位置可以經(jīng)過計算得到第37頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月三、理想光具組的物像關(guān)系理想光具組的物像關(guān)系

1、由主點和焦點決定物像關(guān)系第38頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月理想光具組的物像關(guān)系

★高斯公式★牛頓公式★橫向放大率～～第39頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2、理想光具組的角放大率★角放大率的定義則角放大率的含義

第40頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3、節(jié)點的定義

節(jié)點的含義★角放大率為+1的共軛光線入射光線共軛的出射光線第41頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月P,P′仍然從O1和O2算起1、主點、主平面F,F′從H和H′算起厚透鏡的焦點、主點和節(jié)點3、基點的確定

主平面：橫向放大率為β=1的一對共軛面主點P：主平面與主光軸的交點2、節(jié)點、節(jié)平面節(jié)平面：角放大率為β=+1的一對共軛面節(jié)點N：節(jié)平面與主光軸的交點

本次作業(yè)（P95）——12；15；22

四、理想光具組基點、基面小節(jié)第42頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月END2-1四、理想光具組的聯(lián)合（略）

本次作業(yè)（P95）——12；15；22

理想光具組的聯(lián)合第43頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月§5光學(xué)儀器1、原理投影儀的光路圖一、投影儀器

特點：s≈f；s′>>f；V=–s′/s

≈s′/f

“聚光鏡”緊帖畫片，經(jīng)過畫片的出射光是會聚光；會聚光經(jīng)投影鏡頭均勻放大后，呈現(xiàn)在屏幕上；2、特點3、光路均勻放大★將光源的像經(jīng)過“聚光鏡”投影物面上；★缺點是光源的不均勻性會影響顯微鏡的觀察效果；第44頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月照相機的光路圖二、照相機

1、原理特點：s>>f；s′≈f

′;

V=–s′/s

≈–f′/s相當(dāng)于單凸透鏡成縮小的實像2、特點3、光路第45頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2、照相物鏡的景深景深：物鏡能夠成清晰像的物距范圍

★景深的含義：物鏡能夠成清晰像的物距范圍★影響景深的因素：光闌大小、焦距和物距景深第46頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月A眼球的構(gòu)造

1.331.331.422、角膜：鞏膜中突出的透明部分，R≈0.8cm3、脈絡(luò)膜：鞏膜內(nèi)層，不透光，暗房4、虹膜：脈絡(luò)膜前部彩簾，眼球的顏色，調(diào)節(jié)瞳孔大小5、瞳孔：虹膜中間，調(diào)節(jié)進入光通量D≈1mm～8mm很小1、鞏膜：最外層，白色，D≈2.4cm眼球橫切面三、眼睛

第47頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月1.331.331.426、晶狀體：瞳孔內(nèi)液體。

n不均勻7、睫狀?。号c虹膜相聯(lián)，調(diào)節(jié)水晶體曲率，看清遠近物體8、前房液：水晶體前，角膜后，n=n水9、后房液：水晶體后，網(wǎng)膜前n=n水10、視網(wǎng)膜：錐形細胞：色彩，細節(jié)

黃斑點：靈敏，1′中央光軸盲點：

桿錐細胞之間

1.42桿形細胞：黑白明暗；錐形細胞

第48頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月B簡化眼模型角膜頂O

簡化眼模型

第49頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月C人眼的調(diào)節(jié)功能7～8cm約2m青中年∞老年∞幼年∞1、眼睛像方焦點與視網(wǎng)膜重合14～25cm←

明視距離25cm

簡化眼模型2、感光范圍390nm～760nm

遠物：遠點(睫狀肌完全放松)；近物：近點(睫狀肌最大收縮)第50頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月C人眼的調(diào)節(jié)功能3、分辨“角”⑶視場角⑵黃斑的最小分辨角

★水平視場角約160°★垂直視場角約130°★最清晰的視場范圍約6°～7°⑴瞳孔直徑:d=2mm～8mm;★晚上為1°★白天為1′

簡化眼模型

第51頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月★D非正常眼睛及其矯正1、近視眼：遠點不是無窮遠近視眼睛與眼鏡矯正方法：在近視眼睛前加一個凹透鏡矯正目標：將遠點矯到無窮遠眼鏡的度數(shù)：凹透鏡的光焦度光焦度的單位是屈光度()你所戴眼鏡光焦度的度數(shù)是屈光度×100

第52頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月3、散光眼：角膜是橢球形狀，而正常眼睛的角膜形狀是球型的4、白內(nèi)障：晶狀體液體渾濁矯正目標：將近點矯到25cm2、遠視眼：近點是2m左右（非明視距離）5、當(dāng)今大多數(shù)近視者，乃不良習(xí)慣之咎也，非營養(yǎng)、用功之故。矯正方法：在近視眼睛前加一個凸透鏡矯正比較困難手術(shù)治療

遠視眼睛與眼鏡第53頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月四、放大鏡與目鏡放大鏡眼睛使用助視儀器的視角U′為眼睛直接成像的視角w為放大鏡的角放大率為注意：焦距一般用厘米作單位，所以，式中cm不能漏掉。放大鏡的角放大率眼睛

1、放大鏡的放大率第54頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2、惠更斯目鏡★目鏡組成:向場鏡、接目鏡⑵光路⑶視場光闌的位置視場光闌、差絲和刻度尺安在F2處，即在接目鏡的物方焦平面上惠更斯目鏡的光路圖向場鏡接目鏡視場光闌⑴構(gòu)成：向場鏡L1,接目鏡（視鏡）L2，★作用：定標、放大、消像差

第55頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵光路⑶視場光闌的位置：接目鏡向場鏡①通過光心(節(jié)點)的光線不改變方向②平行光線折射后會聚在L2的焦平面上③最后成像在我們的視網(wǎng)膜上eye視場光闌、差絲和刻度尺安在F

2

處，即在接目鏡的物方焦平面上。惠更斯目鏡的光路圖

第56頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴組成：兩凸面相對的平凸透鏡構(gòu)成⑵光路場鏡接目鏡視場光闌冉斯登目鏡的光路圖注意：冉斯登目鏡的物，可以是像，也可以是實物，所以，既可以測量，又可以放大；而惠更斯目鏡的物是虛像，只能測量，不能放大。3、冉斯登目鏡

第57頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月接目鏡向場鏡使用光心和焦平面eye⑵光路⑶視場光闌視場光闌視場光闌、差絲和刻度尺安在F處(在接目鏡物方焦平面FQ處)即在接目鏡的物方焦平面上。冉斯登目鏡的光路圖

第58頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月五、顯微鏡1、組成及特點★兩凸透鏡(組)構(gòu)成，物鏡的焦距短顯微鏡光路圖

第59頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2、顯微鏡的角放大率

顯微鏡光路圖

第60頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月六、望遠鏡1、組成及特點★兩透鏡(組)構(gòu)成，物鏡的焦距長望遠鏡光路圖

第61頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月★A

開普勒望遠鏡1、組成及特點：2、光路3、放大本領(lǐng)兩凸透鏡(組)構(gòu)成得開普勒望遠鏡光路圖

第62頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月★B伽利略望遠鏡1、組成及特點：2、光路3、放大本領(lǐng)一凸透鏡(組)和一凹透鏡(組)構(gòu)成得伽利略望遠鏡光路圖

第63頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月七、棱鏡光譜儀★分光鏡★攝譜儀★單色儀★平行光(準直)管棱鏡光譜儀2、角色散本領(lǐng)★角色散本領(lǐng)的定義1、基本概念★角色散本領(lǐng)的計算

第64頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月棱鏡光譜儀

第65頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月棱鏡光譜儀2、角色散本領(lǐng)★角色散本領(lǐng)

第66頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月§6光闌一、有效光闌入射光瞳與出射光瞳1、有效(孔徑)光闌

★有效(孔徑)光闌：真正控制主光軸上入射光孔徑的約束物

★入射孔徑角、出射孔徑角：透鏡的有效(孔徑)光闌和孔徑角

2、入射光瞳與出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其前、后光學(xué)系統(tǒng)所成的像第67頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（各個透鏡和光圈等）----對其前面的光學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；(2)由物位置（點）向上述像邊緣和----作連線，求其張角(3)張角最小者

，

其像就是入瞳，其共軛物即是有效光闌B后面光學(xué)系統(tǒng)L2B前面光學(xué)系統(tǒng)L1第一個透鏡邊緣3、尋找有效光闌和光瞳的方法

尋找有效光闌和光瞳的方法(4)有效光闌確定后，其對其后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳第68頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月三、視場光闌入射窗和出射窗(略)

1、視場光闌

★視場光闌：控制軸外入射光孔徑的約束物

★主光線：經(jīng)過入射光瞳中心和出射光瞳中心的共軛光線★入射視場角、出射視場角：主光線與主光軸的夾角2、入射窗和出射窗：視場光闌經(jīng)其前、后光學(xué)系統(tǒng)所成的像視場光闌視場光闌DD第69頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月§7像差(略)一、像差概述2、像差的分類——幾何像差1、理想成像的條件

★物方每一點發(fā)出的同心光束在像方仍然保持的同心光束；★垂直于光軸的平面上各點的像仍然在垂直于光軸的平面上；★在每個像平面內(nèi)其橫向放大率相同，從而保持物、像的幾何相似性(1)單色像差：——球面像差；彗形像差；像散；像場彎曲；畸變★理想（光具坐）成像，無單色像差——一級近：★考慮三級近似成像，有5種單色像差：第70頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月2、像差的分類——幾何像差

(2)單色像差：——非單色物引起的像差，起原因主要是：★光學(xué)均勻性；★最大透明性；★無色；★堅固；★化學(xué)穩(wěn)定性——其他原因——縱向（軸向）色差——橫向色差——改善色差的方法第71頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月二、像面球差球差

第72頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月三、彗形像差彗形像差

第73頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月四、正弦條件和齊明點正弦條件1、正弦條件2、齊明點：滿足正弦條件共軛點

第74頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月五、像散和像面彎曲像散

第75頁，課件共85頁，創(chuàng)作于2023年2月像面彎曲