《几何光学成像》PPT课件.ppt
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1、2.1 2.1 成像成像2.2 2.2 共轴球面组傍轴成像共轴球面组傍轴成像2.3 2.3 薄透镜薄透镜2.4 2.4 理想光具组理论理想光具组理论2.5 2.5 光学仪器光学仪器2.6 2.6 光阑光阑2.7 2.7 像差像差2.8 2.8 像的高度、照度和主观亮度像的高度、照度和主观亮度第二章第二章 几何光学成像几何光学成像10/28/20221 1.成像成像1.1 同心光束同心光束 实像和虚像实像和虚像(1 1)同心光束:各光线本身或其延长线交于同一点的光束。)同心光束:各光线本身或其延长线交于同一点的光束。)同心光束:各光线本身或其延长线交于同一点的光束。)同心光束:各光线本身或其延长
2、线交于同一点的光束。在各向同性介质中它对应于球面波。在各向同性介质中它对应于球面波。在各向同性介质中它对应于球面波。在各向同性介质中它对应于球面波。(2 2)光具组:由若干反射面或折射面组成的光学系统。)光具组:由若干反射面或折射面组成的光学系统。)光具组:由若干反射面或折射面组成的光学系统。)光具组:由若干反射面或折射面组成的光学系统。(3 3)物点,像点:一个以)物点,像点:一个以)物点,像点:一个以)物点,像点:一个以QQ点为中心的同心光束经光具组的反射点为中心的同心光束经光具组的反射点为中心的同心光束经光具组的反射点为中心的同心光束经光具组的反射或折射后转化为另一以或折射后转化为另一以
3、或折射后转化为另一以或折射后转化为另一以QQ点为中心的同心光束,光具组使点为中心的同心光束,光具组使点为中心的同心光束,光具组使点为中心的同心光束,光具组使QQ成像成像成像成像于于于于QQ。Q Q称为物点,称为物点,称为物点,称为物点,Q Q称为像点。称为像点。称为像点。称为像点。(4 4)若出射的同心光束是会聚的,称像点)若出射的同心光束是会聚的,称像点)若出射的同心光束是会聚的,称像点)若出射的同心光束是会聚的,称像点QQ为实像;为实像;为实像;为实像;(5 5)若出射的同心光束是发散的,称像点)若出射的同心光束是发散的,称像点)若出射的同心光束是发散的,称像点)若出射的同心光束是发散的,
4、称像点QQ为虚像。为虚像。为虚像。为虚像。10/28/20222实物成实像实物成实像实物成实像实物成实像实物成虚像实物成虚像实物成虚像实物成虚像虚物成实像虚物成实像虚物成实像虚物成实像虚物成虚像虚物成虚像虚物成虚像虚物成虚像光光光光 具具具具 组组组组QQQQ光光光光 具具具具 组组组组QQQQ光光光光 具具具具 组组组组QQQQ光光光光 具具具具 组组组组QQQQ10/28/202231.2 物像之间的共轭性和等光程性物像之间的共轭性和等光程性物点物点物点物点QQ和像点和像点和像点和像点QQ之间各光线的光程都相等。之间各光线的光程都相等。之间各光线的光程都相等。之间各光线的光程都相等。QQQ
5、Q2.2.由费马原理可导出一个重要结论:由费马原理可导出一个重要结论:由费马原理可导出一个重要结论:由费马原理可导出一个重要结论:物象之间的等光程性物象之间的等光程性物象之间的等光程性物象之间的等光程性1.物像共轭性物像共轭性10/28/202241.3 等光程面(1)反射等光程面n给定两点给定两点Q和和Q,若有这样的一个曲面,凡是从,若有这样的一个曲面,凡是从Q出发出发经它反射或折射后达到经它反射或折射后达到Q的光线都是等光程的曲面。的光线都是等光程的曲面。平面镜平面镜对任何物点都是等光程面对任何物点都是等光程面10/28/20225(2)其他的反射等光程面都是其他的反射等光程面都是 旋转二
6、次曲面旋转二次曲面旋转椭球面:两焦点共轭,皆实或皆虚。旋转椭球面:两焦点共轭,皆实或皆虚。可用于聚光,极特殊情况用于成像。可用于聚光,极特殊情况用于成像。旋转双曲面:两焦点共轭,一实一虚。旋转双曲面:两焦点共轭,一实一虚。旋转抛物面:焦点和轴上无限远点共轭,可实可虚。旋转抛物面:焦点和轴上无限远点共轭,可实可虚。广泛使用(发射或接收)。广泛使用(发射或接收)。10/28/20226n n(n n)(3 3)折射等光程面和齐明点)折射等光程面和齐明点)折射等光程面和齐明点)折射等光程面和齐明点笛卡尔卵形面:四次曲面,给定后只有一对共轭点。笛卡尔卵形面:四次曲面,给定后只有一对共轭点。折射球面,有
7、一对共轭点,称为折射球面,有一对共轭点,称为 齐明点齐明点(不晕点不晕点)。C.Q.Q.Mr 实际使用的折射面几乎全是实际使用的折射面几乎全是 球面球面(加工,照顾多点加工,照顾多点)近来个别照相机近来个别照相机用了非球面透镜用了非球面透镜10/28/202272 2 共轴球面组傍轴成像共轴球面组傍轴成像共轴球面组:由球心在同一直线上的一系列折射或反射球面组成的光具组叫做共轴球面光具组。光轴:各球心的联线叫做它的光轴。傍轴光线:参加成像的光线限制在光轴附近。10/28/202282.1 2.1 光在单球面上的折射光在单球面上的折射由由 推导成像公式 和和 ,10/28/20229利用利用可得:
8、可得:这就是准确的这就是准确的物像关系式或成像公式物像关系式或成像公式10/28/202210 后后(2)为了保持出射光束的同心性,必须近似处理为了保持出射光束的同心性,必须近似处理讨论:讨论:令令 则有则有可得:可得:已知时,给定同心光束的已知时,给定同心光束的 随随 变化,变化,出射光束丧失了同心性。出射光束丧失了同心性。(1)高斯公式高斯公式10/28/2022111.1.平行于主轴的入射光线折射后与主轴相交的位置称为球平行于主轴的入射光线折射后与主轴相交的位置称为球面界面的像方焦点面界面的像方焦点 ,从球面顶点,从球面顶点A A到像方焦点的距离到像方焦点的距离称为像方焦距称为像方焦距
9、2.2.轴上无穷远像点的共轭点称为物方焦点,记着轴上无穷远像点的共轭点称为物方焦点,记着F F,从球,从球面顶点面顶点A A到物方焦点到物方焦点 的距离称为像方焦距的距离称为像方焦距 f 2.2 2.2 轴上物点成像焦距、物像距公式轴上物点成像焦距、物像距公式(2.19)式中令:得物、像方焦距公式得物、像方焦距公式:和,物方焦距:,物方焦距:物方焦点:物方焦点:,有,有,像方焦距:,像方焦距:像方焦点:像方焦点:,有,有10/28/202212,物方焦距:,物方焦距:物方焦点:物方焦点:,有,有,像方焦距:,像方焦距:像方焦点:像方焦点:,有,有(2.20)(2.21)物像距公式的另一个表达式
10、:物像距公式的另一个表达式:(2.22)10/28/2022132.3 2.3 单球折射面成像的符号法则单球折射面成像的符号法则 3 3)若入射光由右向左传播时,符号法则与上述规定相反)若入射光由右向左传播时,符号法则与上述规定相反 4 4)各个量在绘图中均用绝对值标示,)各个量在绘图中均用绝对值标示,实物(像)距均实物(像)距均大于零,虚物(像)距均小于零。大于零,虚物(像)距均小于零。入射光从左向右传播时入射光从左向右传播时 1 1)若)若 和和 点在点在A A点的左方点的左方,则则,若若 和和 点在点在A A点的右方点的右方,则则,则则 ,、2 2)若)若 和和 点在点在A A点的左方点
11、的左方,则则 ,、若若 和和 点在点在A A点的右方点的右方,10/28/2022142.4 2.4 单球反射面成像的符号法则单球反射面成像的符号法则 入射光从左向右传播时入射光从左向右传播时 1 1)若)若 和和 点在点在A A点的左方点的左方,则则 ,2 2)其余规定与单球折射面成像的符号法则相同)其余规定与单球折射面成像的符号法则相同 若若 和和 点在点在A A点的右方点的右方,则则 ,10/28/2022152.5 2.5 单球反射面成像公式单球反射面成像公式 此时此时 和和 两个焦点重合两个焦点重合 QPy符号规则,修改一条:符号规则,修改一条:像距像距 s 及焦距及焦距 f 也以在
12、也以在A之左为正(实为正)。之左为正(实为正)。在在折射折射的公式中,将的公式中,将s 和和 f 分别换成分别换成s 和和 f 即得现在的公式。即得现在的公式。也可仅让也可仅让 n =n 即可。即可。10/28/2022162.6 2.6 傍轴物点成像傍轴物点成像 物高和像高的符号法则:物高和像高的符号法则:或或 若若 或或 点在光轴上方,则点在光轴上方,则 或或 若若 或或 点在光轴下方,则点在光轴下方,则 轴外共轭点的旁轴条件:轴外共轭点的旁轴条件:10/28/2022172.7 2.7 横向放大率公式横向放大率公式 定义:定义:横向放大率公式的推导:横向放大率公式的推导:,用类似方法可以
13、得到反射用类似方法可以得到反射球面的横向放大率公式:球面的横向放大率公式:10/28/202218讨论:讨论:(3)若若,则为实像,则为实像。若若,则为放大像。,则为放大像。(1 1)若若 ,则为正立像。,则为正立像。(2)若若,则为缩小像。,则为缩小像。若若 ,则为倒立像。,则为倒立像。若若,则为虚像,则为虚像。10/28/2022192.8 2.8 逐次成像方法逐次成像方法 将将 推广推广 可得过渡关系:可得过渡关系:10/28/202220逐次成像的步骤:逐次成像的步骤:1 1)绘图,并确定第一次成像的入射光线)绘图,并确定第一次成像的入射光线 方向及计算起点;方向及计算起点;2 2)确
14、定第一次成像的各个已知量的正负和大小;)确定第一次成像的各个已知量的正负和大小;3 3)代入相应成像公式计算;)代入相应成像公式计算;4 4)检查结果是否合理;)检查结果是否合理;5 5)利用过渡关系求出下次成像的物距,)利用过渡关系求出下次成像的物距,重复上述步骤逐次成像。重复上述步骤逐次成像。10/28/202221注意:注意:(1 1)光线反向时过渡关系不变;)光线反向时过渡关系不变;(2 2)多次成像的总放大率等于各次放大率的积,)多次成像的总放大率等于各次放大率的积,证明,以三次成像为例:证明,以三次成像为例:10/28/2022222.9 拉格朗日-亥姆霍兹定理u为正,顺时针时交角
15、u为负。有又最后:拉格朗日拉格朗日-亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理10/28/2022232.10 2.10 例例 题题 如图所示,玻璃球的曲率半径为如图所示,玻璃球的曲率半径为 ,折射率为折射率为 观看此玻璃球时发现观看此玻璃球时发现球内有一个气泡位于球心球内有一个气泡位于球心C C和顶点和顶点A A,连线的中点,求气泡距顶点连线的中点,求气泡距顶点A A的距离?的距离?解:入射光线从左向右传播,计算起点为顶点解:入射光线从左向右传播,计算起点为顶点A A 已知:已知:,求求:代入公式代入公式 得得 是实物成虚像是实物成虚像,实物位于顶点实物位于顶点A A左方左方 处处 A C Q Q?=s10/
16、28/2022243 3 薄透镜薄透镜3.1 3.1 薄透镜的焦距公式薄透镜的焦距公式 1 1)薄透镜定义)薄透镜定义:2 2)光心:)光心:10/28/202225 1 1)焦距公式的推导)焦距公式的推导,消去消去 和和 可得:可得:有:有:,10/28/202226;可得:可得:10/28/202227若若 则:则:若若 则:则:磨镜者的公式磨镜者的公式磨镜者的公式磨镜者的公式10/28/2022282 2)正(会聚)透镜和负(发散)透镜由)正(会聚)透镜和负(发散)透镜由的正负确定的正负确定3 3)凸透镜和凹透镜由中央和边缘的厚薄比较确定)凸透镜和凹透镜由中央和边缘的厚薄比较确定 4 4
17、)注意:)注意:(1 1)应根据入射光的传播方向正确选择)应根据入射光的传播方向正确选择 的取值的取值 (2 2)时:时:凸即为正(会聚),凹即为负(发散)凸即为正(会聚),凹即为负(发散)时则相反时则相反 10/28/202229 判断透镜会聚光束还是发散光束,不能单判断透镜会聚光束还是发散光束,不能单看透镜的形状,还要看透镜两侧的介质。看透镜的形状,还要看透镜两侧的介质。凸透镜是会聚透镜凸透镜是会聚透镜(a)(a),凹透镜是发散透镜,凹透镜是发散透镜(c)(c);凹透镜是会聚透镜凹透镜是会聚透镜(d)(d),凸透镜是发散透镜,凸透镜是发散透镜(b)(b)。显然,当透镜放在空气中时,薄凸透镜
18、会聚光束,薄凹透镜发散光束。显然,当透镜放在空气中时,薄凸透镜会聚光束,薄凹透镜发散光束。(a(a)(b(b)(c(c)(d(d)为什么?课下思考为什么?课下思考(从像方焦距公式考虑从像方焦距公式考虑)10/28/2022303.2 3.2 薄透镜成像的高斯公式薄透镜成像的高斯公式 由焦距公式可得:由焦距公式可得:时,时,10/28/202231在在 之左,之左,物点物点 在在 之左,之左,3.3 3.3 薄透镜成像的符号法则薄透镜成像的符号法则 1 1)计算起点是光心)计算起点是光心OO时,符号法则与单球折射面的相同时,符号法则与单球折射面的相同 2 2)计算起点分别是)计算起点分别是,且当
19、入射光从左向右传播时,且当入射光从左向右传播时,则;3 3)其它方面与单球折射面的符号法则相同)其它方面与单球折射面的符号法则相同 在在 之右,之右,则;像点像点 则;在在 之右,之右,则;10/28/2022323.4 3.4 薄透镜成像的牛顿公式薄透镜成像的牛顿公式 如图:如图:代入高斯公式可得:代入高斯公式可得:,薄透镜成像的物像关系图薄透镜成像的物像关系图 10/28/2022333.5 3.5 薄透镜成像的横向放大率公式薄透镜成像的横向放大率公式由:由:得:得:由于,由于,即得:即得:若若 则有:则有:10/28/2022343.6 3.6 密接薄透镜组密接薄透镜组 定义:定义:求密
20、接薄透镜组的焦距:求密接薄透镜组的焦距:,;,10/28/202235光焦度光焦度 定义:定义:光焦度的单位是屈光度(光焦度的单位是屈光度(diopterdiopter,记为,记为D D)例如:例如:这个眼镜的度数为这个眼镜的度数为200200度度 由:由:得:得:10/28/2022363.7 3.7 焦面焦面 物方焦面物方焦面;像方焦面;像方焦面;主光轴与副光轴主光轴与副光轴焦面性质:焦面性质:1)1)从物方焦面上一从物方焦面上一点发出的同心光束点发出的同心光束经过薄透镜后出射经过薄透镜后出射光束为平行光束光束为平行光束 2)2)入射的平行光入射的平行光束经薄透镜后出束经薄透镜后出射光束会
21、聚在像射光束会聚在像方焦面上一点方焦面上一点 10/28/2022373.8 3.8 特殊光线和任意光线作图法特殊光线和任意光线作图法(1 1)特殊光线作图法:利用三条特殊光线作图)特殊光线作图法:利用三条特殊光线作图 凸凸透透镜镜凹凹透透镜镜10/28/202238(2 2)一般光线作图法:利用一条特殊光线和焦面)一般光线作图法:利用一条特殊光线和焦面 性质,找到任意入射光线的出射共轭线。性质,找到任意入射光线的出射共轭线。作作图图法法求求轴轴上上物物点点的的像像10/28/2022391 1)计算法与单球折射面逐次成像的计算方法相同)计算法与单球折射面逐次成像的计算方法相同 2 2)作图法
22、的步骤如下)作图法的步骤如下:(2 2)第一次利用特殊光线作图法做图)第一次利用特殊光线作图法做图 (3 3)以后各次均利用任意光线作图法做图)以后各次均利用任意光线作图法做图 (4 4)按比例测量成像后的各个待求量的值)按比例测量成像后的各个待求量的值 (5 5)每次均应检验,再进行下一次做图)每次均应检验,再进行下一次做图 (1 1)按比例绘出初始光路图,在图中标出)按比例绘出初始光路图,在图中标出 、等已知点和已知光线等已知点和已知光线 10/28/202240小物放在小物放在 2020厘米和厘米和4040厘米,厘米,3.10 3.10 例题例题 1 1 如图,凸透镜如图,凸透镜 和凹透
23、镜和凹透镜 的焦距分别为的焦距分别为 在在 右面右面4040厘米处,傍轴厘米处,傍轴 左面左面3030厘米处,厘米处,求它的像。求它的像。10/28/202241计算法:计算法:第一次成像:第一次成像:倒立、倒立、放大的实像放大的实像第二次成像:第二次成像:正立、正立、放大的实像放大的实像 总放大率:总放大率:最后成像为倒立、放大的实像,最后成像为倒立、放大的实像,右方右方4040厘米处厘米处。位于位于10/28/202242作图法:作图法:第一次利用特殊光线作图第一次利用特殊光线作图第二次利用任意光线作图第二次利用任意光线作图 10/28/202243在制作氦氖激光管的过程中,往往采用内调焦
24、平行光管粘贴凹在制作氦氖激光管的过程中,往往采用内调焦平行光管粘贴凹面反射镜,其光学系统如图所示,图中面反射镜,其光学系统如图所示,图中 是目镜是目镜 的焦点,的焦点,是物镜是物镜 的焦点。已知目镜和物镜的焦距均为的焦点。已知目镜和物镜的焦距均为2cm2cm,凹面镜,凹面镜 的曲率半径为的曲率半径为8cm8cm。(1 1)调节)调节 ,使,使 与与 之间的距离为之间的距离为5cm5cm,与与 之间的距离为之间的距离为10cm10cm,试求位于,试求位于 前前1cm1cm的叉丝的叉丝P P经光学系统后所成像的位置。经光学系统后所成像的位置。(2 2)当)当 与与 之间的距离仍为之间的距离仍为5c
25、m5cm时,若人眼通过目镜能观察到时,若人眼通过目镜能观察到一个清晰的叉丝像,一个清晰的叉丝像,与与 之间的距离应为多少?之间的距离应为多少?(6cm)(-4cm、2cm 可观察到两个像可观察到两个像)例题例题 11 11 10/28/202244【解】【解】(1)P 对对L1直接成像;直接成像;成像于成像于L1前前4cm处处 其次其次P依次对依次对L2、L3、L2、L1成像,最后成像于成像,最后成像于L1后后2cm处处故从目镜中可看到两个像故从目镜中可看到两个像(2)要想观察到一个清晰的像必须满足:)要想观察到一个清晰的像必须满足:上述上述P依次对依次对L2、L3、L2、L1所成的像与所成的
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