郁道銀主編-工程光學(xué)(知識(shí)點(diǎn))

1、第一章小結(jié)（幾何光學(xué)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(xué)中，我們通常將發(fā)光點(diǎn)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(diǎn)發(fā)出的光波向四周傳播時(shí)，某一時(shí)刻其振動(dòng)位相相同的點(diǎn)所構(gòu)成的等相位面稱(chēng)為波陣面，簡(jiǎn)稱(chēng)波面。光束：與波面對(duì)應(yīng)所有光線的集合稱(chēng)為光束。2 、幾何光學(xué)的基本定律（內(nèi)容、表達(dá)式、現(xiàn)象解釋?zhuān)? ）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。2 ）光的獨(dú)立傳播定律：不同光源發(fā)出的光在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，彼此互不影響，各光束獨(dú)立傳播。3 ）反射定律和折射定律（全反射及其應(yīng)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

2、射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且反射角和入射角絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，即I=-I。全反射：當(dāng)滿(mǎn)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(shí)，入射到介質(zhì)上的光會(huì)被全部反射回原來(lái)的介質(zhì)中，而沒(méi)有折射光產(chǎn)生。sinIm=n/n，其中Im為臨界角。應(yīng)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(wú)關(guān)，僅由兩種介質(zhì)的性質(zhì)決定。nsinI=nsinI。應(yīng)用：光纖4 ）光路的可逆性光從A點(diǎn)以AB方向沿一路徑S傳遞，最后在D點(diǎn)以CD方向

3、出射，若光從D點(diǎn)以CD方向入射，必原路徑S傳遞，在A點(diǎn)以AB方向出射，即光線傳播是可逆的。5 ）費(fèi)馬原理光從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)，其間無(wú)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(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(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的光程均為定值。折/反射定律、費(fèi)馬原理和馬呂斯定律三者中的任意一個(gè)均可以視為幾何光學(xué)的一個(gè)基本定律，而把另外兩個(gè)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(shí)，出射波面也為球面波；2）、入射光束為同心光束時(shí)，出射

4、光束也為同心光束；3）、物點(diǎn)A1及其像點(diǎn)Ak之間任意二條光路的光程相等。4 、應(yīng)用光學(xué)中的符號(hào)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(diǎn)O為原點(diǎn)。2）垂軸線段(h)：以光軸為基準(zhǔn)，在光軸以上為正，以下為負(fù)。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(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。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(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。5）光軸與法線的夾角()：光軸以銳角方向轉(zhuǎn)向法線，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。6）相鄰兩折射面間隔(d)：由前一面的頂點(diǎn)到后一面的頂點(diǎn)，順光線方向?yàn)檎?，逆為?fù)。5 、單個(gè)折射球面的光線光路計(jì)

5、算公式（近軸、遠(yuǎn)軸）6 、單個(gè)折射面的成像公式（定義、公式、意義）垂軸放大率成像特性：0,成正像，虛實(shí)相反；1,放大；|1，縮小。軸向放大率結(jié)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(xì)的能力；只與共軛點(diǎn)的位置有關(guān)，與光線的孔徑角無(wú)關(guān)。7 、球面反射鏡成像公式8 、共軸球面系統(tǒng)公式（過(guò)渡公式、成像放大率公式） 第二章小結(jié)(理想光學(xué)系統(tǒng))1、什么是理想光學(xué)系統(tǒng)？為了系統(tǒng)的討論物像關(guān)系，挖掘出光學(xué)系統(tǒng)的基本參量，將物、像與系統(tǒng)件的內(nèi)在關(guān)系揭示出來(lái)，可暫時(shí)拋開(kāi)光學(xué)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)（r,d,n），將一般僅在光學(xué)系統(tǒng)的近軸區(qū)存在的完善成像，拓展成在任意大

6、的空間中一任意寬的光束都成完善像的理想模型。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是物像空間滿(mǎn)足“點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，直線對(duì)應(yīng)直線，平面對(duì)應(yīng)平面”的光學(xué)系統(tǒng)。2、共軸理想光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)是什么？（3大點(diǎn)）1）位于光軸上的物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的共軛像點(diǎn)也必然位于光軸上；位于過(guò)光軸的某一個(gè)截面內(nèi)的物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的共軛像點(diǎn)必位于該平面的共軛像面內(nèi)；同時(shí)，過(guò)光軸的任意截面成像性質(zhì)都是相同的2）垂直于光軸的平面物所成的共軛平面像的幾何形狀完全與物相似。3）如果已知兩共軛面的位置和放大率，或者一對(duì)共軛面的位置和放大率，以及軸上兩對(duì)共軛點(diǎn)的位置，則其他一切物點(diǎn)的像點(diǎn)都可以根據(jù)這些已知的共軛面和共軛點(diǎn)來(lái)表示。3、無(wú)限遠(yuǎn)的軸上（外）物點(diǎn)的共軛像點(diǎn)是什么？它發(fā)出的光

7、線有何性質(zhì)？像方焦點(diǎn)；它發(fā)出的光線都與光軸平行。4、無(wú)限遠(yuǎn)的軸上（外）像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)物點(diǎn)是什么？物方焦點(diǎn)。5、物（像）方焦距的計(jì)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(guān)系為何？互為共軛。光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)及性質(zhì)？有何用途？一對(duì)主點(diǎn)和主平面，一對(duì)焦點(diǎn)和焦平面，稱(chēng)為光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)和基面。一束平行光線經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后交于像方焦平面上一點(diǎn)，物方焦平面上一點(diǎn)光源發(fā)射出的光線經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后是一組平行光線。可用直接表示光學(xué)系統(tǒng)，便于推斷和計(jì)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

8、公式：2）高斯公式：9、由多個(gè)光組組成的理想光學(xué)系統(tǒng)的成像公式？（過(guò)渡公式）10、理想光學(xué)系統(tǒng)兩焦距之間的關(guān)系？11、理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率？（定義、公式、用途、與單個(gè)折射面公式的區(qū)別和聯(lián)系）12、理想光學(xué)系統(tǒng)的組合公式為何？正切計(jì)算法？13、幾種典型的光組組合及其特點(diǎn)（組成、特點(diǎn)和應(yīng)用）？第 三 章 小 結(jié)( 平面與平面系統(tǒng))1、平面光學(xué)元件的種類(lèi)？作用？（4種）平面反射鏡，唯一能成完善像的最簡(jiǎn)單的光學(xué)元件，可用于做光杠桿平行平板，平行平板是個(gè)無(wú)光焦度的光學(xué)元件，不使物體放大或縮小，反射棱鏡，實(shí)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(diǎn)和性

9、質(zhì)？平面鏡的旋轉(zhuǎn)特性？每一點(diǎn)都能成完善像，并且像與物虛實(shí)相反。平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，反射光線轉(zhuǎn)動(dòng)。奇數(shù)次反射成鏡像，偶數(shù)次反射成一致像。3、光學(xué)杠桿原理和應(yīng)用？（測(cè)小角度和微位移）從透鏡物方焦點(diǎn)發(fā)出光線束，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后成平行光束經(jīng)過(guò)微小偏轉(zhuǎn)的平面鏡后反射，再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)匯聚在像方焦平面上，測(cè)得垂軸距離y，則y=ftan2=2f，測(cè)桿支點(diǎn)與光軸距離a，移動(dòng)量x，=tan=x/a, so, y=(2f/a)x=Kx，K為放大倍數(shù)。4、平行平板的成像特性？（3點(diǎn)）近軸區(qū)內(nèi)的軸向位移公式？平行平板是個(gè)無(wú)光焦度的光學(xué)元件，不使物體放大或縮小，只將像從物位置進(jìn)行一個(gè)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

10、平面鏡、平行平板的成像計(jì)算。6、反射棱鏡的種類(lèi)（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(kāi)。簡(jiǎn)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)生一個(gè)平行平移復(fù)合棱鏡，實(shí)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(biāo)軸與光軸出射方向一致2） 、垂直于主界面的坐標(biāo)軸Oy，若有奇數(shù)個(gè)屋脊面，則像方向與物方向相反；若有偶數(shù)個(gè)屋脊面，則方向相同3） 、平行于主界面的坐標(biāo)軸Ox，（一個(gè)屋脊面當(dāng)兩個(gè)反射面）若有奇數(shù)個(gè)反射面，則像坐標(biāo)系與物坐標(biāo)系相反；若有偶數(shù)個(gè)反射面則相同4） 遇到透鏡，Ox、Oy均轉(zhuǎn)向。7、折射棱

11、鏡的作用?其最小偏向角公式及應(yīng)用改變光線的出射角，可用于放大偏轉(zhuǎn)量。為棱鏡頂角，為偏向角。當(dāng)光線的光路對(duì)稱(chēng)與折射棱鏡時(shí)，偏向角最小。已知，測(cè)的最小偏向角，即可求得棱鏡的折射率n8、光楔的偏向角公式及其應(yīng)用（測(cè)小角度和微位移）=2(n-1)cos, 為兩光楔相對(duì)旋轉(zhuǎn)的角度。當(dāng)=90時(shí)可用于測(cè)微小位移，單個(gè)棱鏡的偏向角已知，棱鏡間距離z已知，則垂軸方向的微小位移y=z = (n-1)z9、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(duì)于不同波長(zhǎng)的單色光具有不同的折射率，故復(fù)合光經(jīng)過(guò)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(zhǎng)的變化用曲線表示。白光光譜：狹縫發(fā)射出的

12、白光經(jīng)過(guò)透鏡準(zhǔn)直為平行光，平行光經(jīng)過(guò)棱鏡分解為各色光，經(jīng)過(guò)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(xué)材料有幾類(lèi)？各有何特點(diǎn)？光學(xué)玻璃，制造工藝成熟，品種齊全，一般能透過(guò)波長(zhǎng)為0.352.5m的各色光，超出波段范圍的光會(huì)被強(qiáng)烈吸收。光學(xué)晶體，透射波段比光學(xué)玻璃寬，應(yīng)用日益廣泛光學(xué)塑膠，價(jià)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(diǎn)，主要缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)和折射率的溫度系數(shù)比光學(xué)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(jié)( 光學(xué)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(chēng)為光闌。2、什么是孔徑光闌(作用)、入瞳、出瞳

13、、孔徑角？它們的關(guān)系如何？限制軸上物點(diǎn)孔徑角大小，并有選擇軸外物點(diǎn)成像光束作用的光闌。入瞳/出瞳：孔徑光闌經(jīng)前/后光學(xué)系統(tǒng)在物/像空間所成的像?？讖浇牵汗廨S上的物體點(diǎn)與透鏡的有效直徑所形成的角度。孔徑光闌、入瞳和出瞳三者是物像關(guān)系。主光線：通過(guò)入瞳中心的光線。3、什么是視場(chǎng)光闌(作用)、入窗、出窗、視場(chǎng)角？它們的關(guān)系如何？限制成像范圍的光闌。類(lèi)似于入/出瞳。視場(chǎng)角：主光線與光軸的夾角物方視場(chǎng)角：在物空間，入窗邊緣對(duì)入瞳中心張的角像方視場(chǎng)角：在像空間，出窗邊緣對(duì)出瞳中心張的角。視場(chǎng)光闌、如窗、出窗三者成物像關(guān)系4、什么是漸暈、漸暈光闌、漸暈系數(shù)？漸暈光闌和視場(chǎng)光闌的關(guān)系如何？漸暈：由軸外點(diǎn)發(fā)出的

14、充滿(mǎn)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(diǎn)的成像，有意識(shí)的縮小某一二個(gè)透鏡直徑，擋去一部分成像光線，這種被縮小孔徑的透鏡或光闌被稱(chēng)為漸暈光闌。漸暈系數(shù)：軸向光束的口徑為D，視場(chǎng)角為的軸外光束在子午截面內(nèi)的光束寬度為D，這D與D之比稱(chēng)為“漸暈系數(shù)”，用K表示，即K=D/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(chǎng)光闌）a、 做出后光學(xué)系統(tǒng)即遮光片經(jīng)前光學(xué)系統(tǒng)的像b、 將物點(diǎn)與所有“像”的邊緣連起來(lái)，比較“孔徑角”，最小的為入瞳，對(duì)應(yīng)的物即為“孔徑光闌”c、 從入瞳中心引出過(guò)“像”邊緣的主光線，比較“視場(chǎng)角”，最小

15、的為入窗，對(duì)應(yīng)的物即為“視場(chǎng)光闌”。6、 照相系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)怎樣？成像關(guān)系和光束限制情況?（看第七章）7、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)怎樣？成像關(guān)系和光束限制情況? 8、顯微系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)怎樣？成像關(guān)系和光束限制情況? 物方遠(yuǎn)心光路原理與作用.遠(yuǎn)心光路：孔徑光闌在物鏡像方焦平面上，入瞳位于無(wú)窮遠(yuǎn)處，軸外點(diǎn)主光線平行于光軸。作用：物即使不在設(shè)計(jì)位置，所成像調(diào)焦不準(zhǔn)，但彌散圓中心間距不變，不會(huì)產(chǎn)生太大誤差。9、光瞳銜接原則是什么?為什么要遵守該原則? 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(guò)后面的系統(tǒng)。10、場(chǎng)鏡的定義、作用、成像關(guān)系？在一次實(shí)像面處所加的起收斂孔徑角作用的透鏡。收斂目

16、鏡物方孔徑角，還能調(diào)節(jié)出瞳距離，增大光路，減小筒長(zhǎng)。由于場(chǎng)鏡的物（即物鏡的像）在鏡上，所以像也在鏡上。可消球差、正弦差、像散、位置色差、倍率色差。不能消場(chǎng)曲、畸變。11、什么是景深、遠(yuǎn)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(chēng)為景深能成清晰像的最遠(yuǎn)/近的物平面稱(chēng)為遠(yuǎn)/近景平面，它們距對(duì)準(zhǔn)平面的距離稱(chēng)遠(yuǎn)/近景深度。景深與入瞳孔徑有關(guān)，孔徑角越小，景深越大。（拍照時(shí)，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(guān)，當(dāng)景象平面與物鏡距離p=2a/時(shí)，可得到距入射光瞳為a/處的平面至無(wú)限遠(yuǎn)的整個(gè)空間的物體的清晰像。具體公式看書(shū)P68-71.第六章小結(jié)

17、（光線的光路計(jì)算及像差理論）1、光線的光路計(jì)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(shí)際像與理想像之間的差異叫做像差。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？4、哪些像差與孔徑有關(guān)？哪些像差與視場(chǎng)有關(guān)？5、什么是單個(gè)折射球面的不暈點(diǎn)（齊明點(diǎn)）？有何性質(zhì)？不產(chǎn)生球差的點(diǎn)需滿(mǎn)足：1）L=0,即物點(diǎn)和像點(diǎn)均位于球面頂點(diǎn)2)sinI-sinI=0,即I=I=0,表示物點(diǎn)和像點(diǎn)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=nL/nL=(n/n) 2校正了球差且滿(mǎn)足

18、正弦條件的點(diǎn)叫做齊明點(diǎn)或叫不暈點(diǎn)。或 不產(chǎn)生像差的點(diǎn)叫做齊明點(diǎn)或不暈點(diǎn)。常利用齊明點(diǎn)的特性來(lái)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(jì)算方法、級(jí)數(shù)展開(kāi)形式。7、了解七種像差的初級(jí)像差的分布式表示式。第七章（典型光學(xué)系統(tǒng)）小結(jié)1、正常眼、近視眼和遠(yuǎn)視眼的定義和特征是什么？應(yīng)如何校正非正常眼？調(diào)節(jié)能力的計(jì)算公式是什么(7-1)？人眼的分辨率=?眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)在無(wú)限遠(yuǎn)處，即光學(xué)系統(tǒng)的后焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上，稱(chēng)為正常眼；遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼前有限距離，后焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜前，稱(chēng)為近視眼，需佩戴一負(fù)透鏡；遠(yuǎn)點(diǎn)位于眼后有限距離，后焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜后，稱(chēng)為遠(yuǎn)視眼，需佩戴一正透鏡。透鏡的焦距為f，眼睛的

19、遠(yuǎn)點(diǎn)lr，使佩戴后眼睛的發(fā)散度R=1/lr-1/f。遠(yuǎn)點(diǎn)距離lr,近點(diǎn)距離lp，遠(yuǎn)/近點(diǎn)發(fā)散度R=1/lr, P=1/lp，單位為屈光度（D），眼睛的調(diào)節(jié)能力A=R-P。R表示近視眼或遠(yuǎn)視眼的程度，稱(chēng)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(diǎn)間最小視角稱(chēng)作視角鑒別率，60,眼睛的分辨能力或視覺(jué)敏銳度=1/(的單位是分)。2、什么是視覺(jué)放大率？表達(dá)式及其意義？它與光學(xué)系統(tǒng)的角放大率有何異同？表示對(duì)人眼張角的放大倍率，角放大率是一對(duì)共軛點(diǎn)及其共軛光線所張孔徑角的正切比，而視覺(jué)放大率是物體經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)所成的像與它本身對(duì)眼睛張角的正切比。3、放大鏡的視覺(jué)放大率為何？（注意條件）4、 顯

20、微鏡系統(tǒng)：P1401）組成（光學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）、成像關(guān)系、光束限制（生物顯微鏡和測(cè)量顯微鏡）物鏡（孔徑光闌、入瞳），測(cè)量時(shí)，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(chǎng)光闌），目鏡，物在物鏡的物方焦點(diǎn)附近，經(jīng)物鏡成一倒立實(shí)像在目鏡的物方焦點(diǎn)附近，再經(jīng)過(guò)目鏡成一正立的放大的虛像（總的還是倒立的），出瞳對(duì)眼睛瞳孔。2）視覺(jué)放大率公式：3）線視場(chǎng)公式：光學(xué)系統(tǒng)在物空間能成清晰像的范圍顯微鏡的視覺(jué)放大率越大，其在物空間的線視場(chǎng)越小。4）數(shù)值孔徑、出瞳D：5）物鏡的分辨率：光學(xué)系統(tǒng)所成像符合理想時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)能分辨的最小間隔 6）顯微鏡的有效放大率：7）物鏡的景深：8）視度調(diào)節(jié)：5、臨界照明和坷拉照明中的光瞳銜接關(guān)系？（瞳對(duì)瞳、窗對(duì)窗） （窗對(duì)瞳、瞳對(duì)窗）P144倒數(shù)兩段6、望遠(yuǎn)系統(tǒng)（開(kāi)普勒）：P1451）組成（光學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）、成像關(guān)系、光束限制物鏡（孔徑光闌、入瞳）、視場(chǎng)光闌（在焦平面處）、目鏡（漸暈光闌）、出瞳對(duì)瞳孔。望遠(yuǎn)鏡一般不用做成像系統(tǒng)，