物理光學與應(yīng)用光學第二章1ppt課件

1、第二章 理想光學系統(tǒng) 共軸球面系統(tǒng)只有在近軸區(qū)才能成完善像,而對于寬光束, 當u 較大時，成像就不完善，存在像差。其它原因：（1光束太細，進入光學系統(tǒng)的能量太弱，成像太暗。（2只能對物面上很小的部分成像，不能反映全貌。 只能對細光束成完善像的光學系統(tǒng)是無實用價值的！ 尋找一個能對較大范圍、較粗光束及較寬波段范圍都能成滿意像的光學系統(tǒng)，就是應(yīng)用光學所需要解決的中心問題。到哪里找這樣的系統(tǒng)呢？為了揭示物、像、成像系統(tǒng)三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，可暫時拋開成像系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，將一般僅在光學系統(tǒng)近軸區(qū)存在的完善像拓展成在任意大的空間以任意寬光束都能完善成像的理想模型，即稱為理想光學系統(tǒng)，又稱為高斯光學系統(tǒng)18

2、41年由高斯提出）。理想光組的成像作為衡量實際光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的標準進行光學設(shè)計的時候，開始只是提出性能要求，如放大倍數(shù)等。這時，光組的具體參數(shù)是未知的，因此無法用近軸光學公式計算。 由理想光組所抽象出來的光學特征公式進行光組的初始計算，也就是以理想光組理論為基礎(chǔ)，根據(jù)要求，尋找和確定一個能滿足要求的光學系統(tǒng)的整體方案。稱為光學系統(tǒng)的外形尺寸計算，也稱輪廓計算 理想光組可有任意多個折、反射球面或多個光組組成。尋找理想光組的特征點、面就可以代表整個光組的光學特性，用以討論成像規(guī)律。PAAPO1OkBCCB（1物空間一個物點對應(yīng)像空間中唯一的像點，這種一一對應(yīng)關(guān)系稱為共軛，這兩個對應(yīng)點稱為共軛點。

3、（2物空間中每一條直線對應(yīng)于像空間中唯一相應(yīng)直線，這兩條直線稱為共軛線。（3物空間中每一個平面對應(yīng)于像空間中唯一平面，這兩個面稱為共軛面。（4如果物空間任意一點D位于直線BC上，那么其在像空間的像D也必位于BC的共軛線BC上。DD第一節(jié) 共線成像理論 過主光軸的一個截面1、位于光軸上物點的共軛像點必然在光軸上；位于過光軸的某一截面內(nèi)的物點對應(yīng)的共軛像點必位于該平面的共軛像面內(nèi)，過光軸的任意截面成像性質(zhì)都相同。 2、垂直于光軸的物平面，其共軛像平面也必然垂直于光軸，且平面物與其共軛平面像的幾何形狀完全相似，即：在垂直于光軸的同一平面內(nèi)，物體的各部分具有相同的放大率 。ynlyn lO1O2O1O

4、2OO（1已知兩對共軛面的位置和放大率： 利用光軸上的已知共軛點； 由已知共軛面的放大率確定出射光線的方向。BAA B 3.一個共軸理想光學系統(tǒng)，如果已知兩對共軛面的位置和放大率，或者一對共軛面的位置和放大率，以及軸上兩對共軛點的位置，則其它一切物點的共軛像點都可以根據(jù)這些已知的共軛面和共軛點來表示。 （2已知一對共軛面的位置和放大率，以及軸上另外兩對共軛點的位置OOO1 O2O3O3O2O1 利用光軸上的已知共軛點； 由已知共軛面的放大率確定出射光線的方向。ABA B 共軸球面系統(tǒng)： 球面的曲率中心在同一軸線上的光學系統(tǒng) 只要找到相鄰球面之間的關(guān)系，就可以解決整個光學系統(tǒng)的光路計算問題。問題

5、就是這么簡單！ 前面討論的單個折射球面的光路計算及成像特性，對構(gòu)成光學系統(tǒng)的每個球面都適用。理想光組有一些特殊的點和平面，利用它們來討論光組的成像特性，可以使問題大大的簡化。 表征光組特性的點、面稱為基點和基面共軸理想光學系統(tǒng)的基點和基面 h 是軸上物點A發(fā)出的一條入射光線的投射高度由三角關(guān)系：LhtgU UhLA當 即物點向無限遠處左移時，由于任何光學系統(tǒng)口徑有限，所以此時L0U 即無限遠軸上物點發(fā)出的光線與光軸平行hLAUF EhE F 就是無限遠軸上物點的像點，稱像方焦點AE 是一條平行于光軸的入射光線它通過理想光學系統(tǒng)后，出射光線EF 交光軸于F 過F點作垂直于光軸的平面，稱為像方焦平

6、面它是無限遠處垂直于光軸的物平面的共軛像平面將AE延長與出射光線EF的反向延長線交于Q通過Q點作垂直于光軸的平面交光軸于H點， 則QH平面稱為像方主平面，H稱為像方主點AUF EhEQ H 從像方主點H 到像方焦點F 之間的距離稱為像方焦距，用 f 表示 f 也遵從符號規(guī)則，它的起始原點是像方主點H根據(jù)三角關(guān)系，有：hf tgUAUF EhEQ H f -wF無限遠軸外物點發(fā)出的能夠進入光學系統(tǒng)的光線總是相互平行的，光線與光軸有一定的夾角，用 w 表示。這樣一束平行光線經(jīng)過理想光組后，一定相交于像方焦平面上的某一點，這一點就是無限遠軸外物點的共軛像。EhFUE 如果軸上某一點F的共軛像點在無限

7、遠處，即由F發(fā)出的光線經(jīng)光組后與光軸平行，那么 F 稱為系統(tǒng)的物方焦點。BQEB的反向延長線與FE交于Q，過Q點做與光軸垂直的平面，與光軸交于 H點。 則QH平面稱為物方主平面，H點稱為物方主點。從物方主點H 到物方焦點F 之間的距離稱為物方焦距，用 f 表示 f 也遵從符號規(guī)則，它的起始原點是物方主點H。這里為- fEhFUEH- f- fB光學系統(tǒng)E1E kBAO1OKP1P kFFQQHH- ff hh 入射高度為 h 的 AE1 的延長線與Pk F 的反向延長線決定了Q 根據(jù)光路的可逆性，入射高度同樣為 h 的 BEk 的延長線和 P1F 的反向延長線交于Q。 由于這兩組光線是共軛的，

8、所以Q與Q點必是共軛點，QH與QH也是一對共軛面 在追跡光線時，出射光線在像方主平面上的投射高度一定與入射光線在物方主平面上的投射高度相等。QH與QH在光軸同側(cè)，且高度都為h，故其橫向放大率為：1光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)E1E kBAO1OKP1P kFFQQHH- ff hh四、實際光學系統(tǒng)的基點位置和焦距計算 例：三片型照相物鏡1、結(jié)構(gòu)參數(shù)：/mmr/mmdn26.67189.67-49.6625.47 72.11-35.00 5.207.951.6 6.7 2.81.61401.64751.6140方法：在近軸區(qū)追跡平行于光軸的光線。2、求物鏡像方焦距、像方焦點、像方主點起始坐標1l 10u 1

9、10mmh 111/ihr用六次近軸光線的光路計算公式和過渡公式求像距和傾角1iinn1iiuu1iiilldlriurniin uuii(1)ilru 10mm82.055mm0.121869f 像方焦距 tanhfU14.5644mmHFllf 像方主點FlHl像距和傾角67.4907mmFll0.121869uu注：l 或 l都是以球面頂點為起算原點！3、求物鏡物方焦距、物方焦點、物方主點起始坐標1l 物距和傾角10u 110mmh 111/ih r物方焦距82.055mmf 物方主點12.0366mmHl 70.0184mmFl 物方焦點位置70.0184mml0.121869u *計

10、算結(jié)果的有關(guān)問題：74.2844mm, 0.112289.1412mm, 14.8568mmFHlluufl 77.4368mm, 0.112289.1412mm, 11.7044mmFHlluufl 1像方焦距、像方焦點、像方主點：2物方焦距、物方焦點、物方主點：nnnnllr1iiiihhd ul uluh 解法2：1iinn1iiuu1iiilld1.6745 已知一個理想光學系統(tǒng)的主點和焦點的位置，利用光線通過它們后的性質(zhì)，對物空間給定的點、線、面通過畫圖追蹤典型光線求像，稱為圖解法求像。（1平行于光軸入射的光線，經(jīng)過系統(tǒng)后過像方焦點。F HH（2過物方焦點的光線，經(jīng)過系統(tǒng)后平行于光軸

11、。FHH-wFHHFHH（5共軛光線在主平面上的投射高度相等，即一對主平面的橫向放大率為1。（1軸外點成像2、根據(jù)：理想的成像情況下，從一點發(fā)出的一束光線經(jīng)光學系統(tǒng)作用后仍交于一點。3、方法：求物點發(fā)出的兩條特定光線在像方空間的光線，二者的交點為共軛像點。利用典型光線、主面性質(zhì)（2軸上物點成像利用焦平面的性質(zhì)解法1：解法2：a)（3軸上物點，經(jīng)兩個光具組成像 b) d) c)實物成放大正立虛像，同側(cè)AFF HHB2F 2FAB 例：已知理想光組的物方焦點F和像方焦點F ，求物AB的像ABFFHHAB求像？BARRHHQQBFFA-xxf -fy-y-llx以物方焦點為原點的物距。稱為焦物距。以

12、F為起始點， x方向與光線方向一致為正。（圖中為-）x以像方焦點為原點的像距。稱為焦像距。以像方焦點為原點的像距。稱為焦像距。以以F 為起始點，為起始點， x方向與光線方向一致為正。方向與光線方向一致為正。（圖中為（圖中為+）l 物方主點H為原點的物距，稱為主物距。方向與光線方向一致為正。反之為負圖中-）l 像方主點H為原點的像距，稱為主像距。方向與光線方向一致為正。反之為負圖中+）BARRHHQQBFFA-xxf -fy-y-ll由相似三角形BAF和 FHR可得由相似三角形QHF和 FABxfyy fxyyBARRHHQQBFFA-xxf -fy-y-ll由以上兩式得：f fxx 以焦點為原點的物像位置公式， 通常稱為牛頓公式BARRHHQQBFFA-xxf -fy-y-ll物像位置也可相對主點的位置來確定， 相應(yīng)位置公式推導如下：l lflf l代入牛頓公式并整理：flx flx BARRHHQQBFFA-xxf -fy-y-ll1lflfl l 兩邊同除得到以主點為原點的物像位置公式高斯公式BARRHHQQBFFA-xxf -fy-y-ll 特例：物像空間介質(zhì)相同ff yf lyfl 1ffll111llfll三、理想光學系統(tǒng)兩焦距之間的關(guān)系 tantanlUhlU()tan()tanxfUxfUtantanfyUf yU yfxyx