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5A-
第一章:几何光学基本原理 NU&^7[!yl
1-1 光线何波线 pebx#}]p-
光线:在几何光学中,把能够传送能量的几何线成为光线。 Y:!/4GF
光的頻率: T~~[a|bLa
1-2 几何光学基本定律 1;:t~Y
光线直线传播定律:光在均匀透明介质中传播的规律。 gLSG:7m@
反射定律和折射定律:光线在两种均匀介质分界面上的传播定律。【反射定律可以视作为折射定律的特殊表现方式】。入射角与反射角的正弦之比为一常数,定义为n1.2,表示为第二种介质对第一种介质的折射率,称为"相对折射率"。表达式: LH/&\k
h3]@M$Y[
1-3 折射率和光速 a;'E}b{`F
1-4 光路可逆和全反射 CpRu*w{
光线从高折射率介质射向低折射率介质,当入射角 AK
s39U'
(n1> n2) M`+e'vdw
时折射光线不再存在,入射光线全部转为反射光线,成为"全反射"现象。 B?lBO
V4v4
1-6光学系统类别和成像的概念 7hF,gl5
共轴光学系统、非共轴光学系统 0I>?_?~l6
球面系统、非球面系统 Fwx~ ~"I
通常把物、像空间符合"点对应点,直线对应直线,平面对应平面"关系的像成为"理想像",光学系统称为"理想光学系统"。 2VV[*QI
第二章、共轴球面光学系统的物像关系 '
MS!ss=r
2-1 共轴球面系统中的光路计算公式 Q_]!an(
WW[`E
公式1 单球面入射角计算公式: }]g95xT
o~o6S=4,}
公式2 MX`Wg
公式2 0qL
V(L
2-2 符号规则 2 ]DCF
1.线段:由左向向右为正,反之为负。 &ap`}^8pM
物像距L、L'--由球面顶点算起光线到光轴的交点。 3:~l2KIP4
球面半径r--由球面顶点算起到球心。 <5ft6a2fQ
中心厚度d--由上一顶点到下一顶点。 I*:qGr+ WJ
2.角度:一律以锐角计算,顺时针为正,逆时针为负。 _/jUs_W
夹角U U'从光轴到光线; =|gJb|?w
入射角、折射角II'以光线转到法线。 Q@e*$<3
法线到光轴夹角ψ从光轴到法线。 *qO]v9 j
2-3 球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式 VM!-I8t
将公式1~3角度全部以弧度代替。 o!s%h!%L
2-4近轴光学的基本公式和它的意义 ~~xyFT+{F
1.物像位置关系式 }c35FM,
18O@ 1M
2.物像大小关系 S)\JWXi~:J
?@lx
近轴光学意义: |B%BwE
1. 作为衡量实际光学系统成像质量的标准。 N
/sEec
2. 2.用它近似地表示实际光学系统所成像的位置和大小。 ?z5ne??
2-5共轴理想光学系统的基点--主平面和焦点 J})$
1.放大率β=1的一对共轭面--主平面 C7b
5%a!
主平面与光轴交点为主点,主点位置公式? Wkg*J3O
主平面具有以下性质:假定物空间的一条光线与物方主平面的交点为B,他的共轭光线和像方主平面交于B′,则B和B′距光轴距离相等。 /63W\
2.无限远的轴上物点和它所对应的像点F′--像方焦点 "M9TB. O
通过像方焦点垂直于光轴的平面称作像方焦平面。它的共轭面为位于垂直于光轴的无限远的物平面。 Ws^+7u
像方焦点于像方焦平面具有以下性质: JNxW6 cK
第一:平行于光轴入射的任意一条光线,其共轭光线一定通过交点F′。 .K|P&
第二:和光轴成一定夹角的平行光束,通过光学系统后,必相交于像方焦平面的同一点。 dysX
^o $W
3. 无限远的轴上像点和它所对应的物点F--物方焦点。 a9D gy_!Y
物方焦点和物方焦平面具有以下性质: Y)Znb;`?a
第一:通过物方焦点入射的光线,通过光学系统后平行于光轴出射。 ~A[YnJYA#
第二:由物方焦平面上轴外任意一点发出的所有光线,通过光学系统后,对应一束和光轴成一定夹角的平行光线。 (XbMrPKG
焦距:主平面和焦点之间的距离。 P[rAJJN/E
2-6 单个折射球面的主平面和焦点 VD9
q5tt7
1.球面的主点位置:单个球面的两个主点与球面顶点重合。 /'&.aGW4%
2.球面焦距公式: ";)r*UgR{B
像方焦距: I" 8d5a}
物方焦距: Ynv9&P
球面反射: *D=K{bUe'
2-7 共轴球面系统主平面和交点 :S QDqG
\#\`!L[1
第三章:眼睛和目视光学系统 TnN^2:cU
3-1 人眼的光学特性 $kxu;I
3-2 人眼的调节 }yx=(+jP
1.视度调节 指水晶体的变化引起焦距的变化。 xHEVR!&c4
视度:表示人眼的调节程度 【l单位为米】 ov\Ct%]
视度绝对值越大,,调节量越大。 jo,6Aog|u
SD=-4时【此时l为250mm】。为明视距离。远点距离和近点距离二者视度之差为人眼最大调节范围。 tXf}jU}
2.瞳孔调节:指光阑孔的变化。 YH<$ +U
3.人眼的分辨率 _L*f8e8
人眼视角分辨率:60″。 xNC* ]8d
人眼线分辨率:10″。 W:VW_3
3-3 放大镜和显微镜的工作原理 l9_m>X~
对于目视仪器来讲,所谓的放大指得是视角的放大。放大率用Γ表示。 W$z#ssr
-!XrwQyk
为了在使用仪器过程中人眼不至于疲劳,目标通过仪器后应成像在无限远,或者说要射出平行光线。这是对目视光学的第二个要求。 /J1S@-
1. 放大镜的工作原理 Qy{NS.T
工作原理:目标在物方焦距上。 :FoOQ[Q
视放大率: 。 H<V+d^qX\w
上式表明,焦距越小,放大作用就越明显。 %:"
RzHN
2. 显微镜的工作原理 2-8YSHlh
工作原理:物镜成像在目镜的物方焦平面上。 hf_R\C(c
..??O^
上式表明,显微镜的放大率等于物镜的垂直放大率与目镜的视放大率的乘积。 <8iYL`3
3-4 望远镜的工作原理 _n<
LVdE
工作原理:将物镜像方焦平面与目镜物方焦平面重合,使得无限远目标透过物镜后成像在目镜焦平面上。 ?@_v,,|
:6 Uk)
上式表明:望远镜视放大率等于物镜焦距与目镜焦距之比。 pZu?V"R
望远镜的角放大率与视放大率相等 *mf}bTiS
3-4 眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节 ow-+>Y[qZ
通常采用近视眼的远点距离表示近视的程度,例如:当远点距离为0.5mm时,近视为-2视度,相当于医学上的近视200。 y!S^xS
3-5空间深度感觉和双眼立体视觉 |tG05 +M
体锐视度Δаmin极限值正常约10″。当物点对应的视差角а等于Δ时,人眼刚刚能分辨出他和无限远物点之间的距离差别 +7Sf8tg\
3-6 双眼观察仪器 B1y<.1k
体视放大率: 'GrRuT<
U^B"|lc:[
第四章 平面棱镜系统 '/Cg*o/
4-1 平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用
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1.折叠光路,缩小仪器的体积和重量 w|&,I4["
2.改变像的方向--倒像 ov1Wr#s
3.改变共轴系统中光轴的位置和方向--即形成潜望高或使光轴转一定的角度。 NV:>a
4.利用平面镜或棱镜的转动,可连续改变系统光轴的方向,以扩大观察范围 ktN%!Mh\
4-2 平面镜的成像性质 H9sZR>(^
1.平面镜能使整个空间理想成像,物点和像点对平面镜镜像对称。 grGhN q
2.物和像大小相等,但形状不同,物空间的右手坐标在像空间为左手坐标 HpW"lYW4
反射次数为奇数时,成像为镜像,反射次数为偶数时,成像与物完全相同。 ~@xT]D!BQ
4-3 平面镜的旋转及其应用 9Kc0&?q@D
{V.Wk
旋转平面镜a角度时,入射光线方向不变的情况下,入射角增加a,反射角偏转2a。 vZ:G8K)o(
o(:{InpV%A
位于两平面镜公共垂直面内的光线,不论它的入射方向如何,出射光线的转角永远等于两平面镜之间的夹角的二倍。根据以上结论推知:当两平面镜一起转动时,出射光线的方向不变,但光线位置可能会发生平移。这就是采用棱镜代替平面镜的理由。 AeN 3<|RN
4-4 棱镜和棱镜的展开 .H ,pO#{;
主截面:各个棱镜垂直的截面。位于主截面内的光线通过棱镜之后仍然还在一个面。 ]t*33
根据棱镜展开的原理,用棱镜代替平面镜相当于在系统中多加了一块平行玻璃【平行玻璃不会影响成像大小,但会改变成像位置,相当于"空气楔"】。 y^9bfMA
为保证使棱镜与共轴球面系统组合以后,仍保持共轴球面系统特性,对棱镜结构要求如下: +IvNyj|
1. 棱镜展开后玻璃板的两个表面必须平行。 Pl_^nFm0
2. 如果棱镜位于会聚光束中,则光轴必须和棱镜的入射和出射相垂直。 1d`cTaQ-
棱镜类型 kl| g
1. 直角棱镜:作用使光轴改变90°。 F@g17 aa
2. 五角棱镜:使光轴转角恒等于90°。 KCE=|*6::|
3. 靴型棱镜: P2O\!'aEh
4. 立方棱镜 6j_ 678
4-5 屋脊面和屋脊棱镜 Dq|GQdZ>o
形式:用两个相互垂直的平面代替一个平面。 B@d1xjp)']
作用:在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下,增加一次发射,使系统总的反射次数由奇数变为偶数,从而达到物像相似的要求。 E\ tL
要求:屋脊面必须严格遵守90°,否则容易形成双像。 64SW
4-6 平行平板的成像性质和棱镜的外形尺寸计算 ^#2xQ5h
平行玻璃板影响像的位置,并不影响光学系统特性,所以,可以认为平行玻璃板相当于一个空气层,这个空气层厚度等于 '[%jjUU
[L代表平行玻璃板厚度,n为折射率] |0lLl^zp
4-7 确定平面镜棱镜系统成像方向的方法 cxgE\4_u"
1.具有单一主截面的平面镜棱镜系统 1y7y0V
坐标确定:x与光轴同向,y轴在主截面内。z轴垂直于主截面。 TFo}\B7
'gYg~=
第五章 光学系统中成像光束的选择 (/-lV&eR
5-1 光阑及其作用
x9h?e`
光阑:限制成像光束的圆孔 nkTYWw
可变光阑:孔径可以改变光阑。 B`#*o<eb
孔径光阑:限制进入光学系统的成像光束口径。 H*GlWgfG
视场光阑:限制成像范围的口径。 Cb4_ ?OR0
消杂光光阑:限制进入光学系统中杂光的口径。 HV8I nodi
渐晕系数: ti}f&w
ICJ
5-2 望远系统中成像光束的选择 Vu=] O/ =P
1.入射口径、出射口径关系: _FT6]I0
Γ=D/D′ \Fq1^ 8qa
3. 分划镜框位于望远镜物镜的像方焦平面上,其口径充当视场光阑的作用,可用计算公式 l(#1mY5!q8
0',[J
4.物镜框的口径为孔径光阑。 >[EBpYi
5-3 显微镜的光束闲置与远心光路 0JK2%%
1.物镜框的口径为视场光阑,而在目镜物方焦平面上的圆孔光阑或分划框为视场光阑。 hzq5![/sV
2.在显微镜中,成像范围不用视场角表示,而是用成像物体的最大尺寸表示。 J||E;=%f-Q
3.一般显微镜视场光阑的直径约20mm,它决定了物镜的视场。 \Y+")
4.显微镜的最大线视场公式: ;uK";we
o OQ'*7_
4. 孔径角:表示物镜成像光束的大小。一般用轴上点光束和光轴的最大夹角表示。 #,TELzUVE
5. 物方孔径角nu称为数值孔径,用NA表示: 。 "w9`cz9a~J
6. 根据上式,增加数值孔径可得到较高的视放大率。可以增加物方介质折射率,即把物体浸在高折射率液体中。 mf$Sa58
7. 远心光路[显微镜的成像光束的选择] *U_S1>0n
为了消除测量结果误差,在物镜的焦平面上放置一个孔径光阑,以确保入射光束的主光线都和光轴平行。孔径光阑在物镜像方焦平面上,入瞳在无穷远,成为物方远心光路。孔径光阑在物方焦平面上,称为像方远心光路。 se#@)LtZ
5-4 场镜的特性及其应用 f9a$$nb3`
作用:降低出射光束在目镜的投射高度,减小目镜组的口径。 =MxpH+spI
1. 在物镜和目镜之间加一块正透镜,使之主平面和物镜所成的像重合。 Xo\S9,s{
5-5 空间物体成像的清晰深度--景深 <1K7@Tu
定义:能在像面上获得清晰像的物空间深度,就是系统的景深。在几何光学中,将像面上允许的最大光斑直径Z′作为景深的标准。 w763zi{
性质: ^zgacn
1. 容许的光斑越大,景深越大。 ,m:L2 -J@
2. 照相机的相对孔径( )与景深成反比,相对孔径越小,景深越大。 7k'gt/#up
GB=bG%Tb
第六章 辐射度学和光照度学 2$tQ @r
辐射度学从功率的角度,而光照度学从人的感觉出发研究发光的相关理论。 F{\=PCZ>7
6-1 立体角的意义和在光度学中应用 Q(e{~
]*
定义:一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角,用Ω表示。 'AWp6L @
立体角的单位:假定以锥顶为球心,以r为半径作一圆球,如果锥面在圆球上所截出的面积等于r2,则该立体角为1个"球面度(sr)。 x}|+sS,g
6-2 辐射度学重的基本量 -x{&an=
辐射通量,辐射体在单位时间内该辐射体所辐射的总能量,单位用瓦特(W),实际上就视辐射体的辐射功率。 ' Rc#^U*n
辐射强度:辐射体在不同方向的辐射特性,我们在给定方向上立体角dΩ与dΩ范围内的辐射通量, t3a#%'Dv
hl<y4y&|
}vY.EEy!
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第八章 光学系统成像质量评价 l!:^6i
8-1 概述 C `6S}f,
两种检验方法 j;+["mi
分辨率检查:光学系统成像时,所能分辨的最小间隔。 z&F5mp@
m8+:=0|$
的单位为lp/mm,代表每毫米能分辨的线对数,也成为空间频率。光学系统的分辨率越高,能分辨的最小间隔越小,对应的空间频率 越大 ,这种方法称为"分辨率检验"。 `7\H41%\pp
星点检验:把一个发光点,即把一个发光点通过被检系统成像,从几何光学的观点出发,根据弥散斑的大小和能量分布的状况来评定系统成像质量的优劣。 F,&